Американский БАМ (Brain Activity Map).
Человеческий мозг — самое сложное устройство в известной нам части мироздания. Каким волшебством этот розовый комок слизи рождает сознание, разум и весь субъективный мир? Как химические реакции могут определять наши душевные порывы? Как взаимодействие атомов может переходить в любовь и ненависть? Нет более интригующей тайны.
Со времен Декарта эта загадка вводила философов в ступор. Философов сменили исследователи — оптимистичные экспериментаторы, ищущие техническое решение любой проблемы. 1990-е годы были объявлены научным сообществом США и Европы «десятилетием мозга», но тайна осталась нераскрытой, хотя над ней в последние годы жизни с энтузиазмом бился даже великий Фрэнсис Крик, расшифровавший код ДНК. Методы изучения мозговой активности даже близко не соответствовали уровню сложности мозга — это все равно что изучать компьютер по его гудению, вертя в руках его детали.
В 2005 году журнал Science, отмечая 125-летие, опросил ведущих ученых мира о главных проблемах, которые науке предстоит решить в ближайшие четверть века. Первые места заняли два вопроса: «Из чего состоит Вселенная?» и «Какова биологическая основа сознания?».
Прошло еще восемь лет, и настало время новой попытки, гораздо более масштабной, чем все предыдущие. После столетия экспериментов и совершенствования методов наука о мозге приступает к решительному штурму этой проблемы.
США и Евросоюз форсируют исследования работы мозга: правительства и крупнейшие корпорации организуют мегапроекты конструирования искусственного мозга и «нейроморфных компьютеров». Речь идет о гигантских финансовых вложениях. Кроме «Генома человека», в биологии не было проектов такого масштаба.
«Новая космическая гонка»
В февральском обращении к согражданам Барак Обама заявил: «Настало время выйти на уровень научных исследований и разработок, невиданный с момента пика космической гонки». Оказалось, предпринятые правительством США сокращения госбюджета не коснутся передовых научных разработок: «Сейчас не время потрошить инвестиции в науку и инновации». Напротив, президент США предлагает «инвестировать в великие идеи» и раскошелиться на нацпроект, подобный «Геному человека».
«Каждый доллар, который мы вложили в создание карты человеческого генома, вернул по 140 долларов в нашу экономику — каждый доллар! А сегодня наши ученые создают карту мозга». Обама имеет в виду «Карту активности мозга», планируемую ведущими научными учреждениями США. Это десятилетняя исследовательская программа, требующая бюджета порядка 3 млрд долларов. Для справки: на мегапроект «Геном человека» потратили 3,8 млрд долларов, а в экономику, согласно правительственному исследованию, вернулось уже 800 миллиардов, и это - только начало.
Не только американцы готовы вкладывать миллиарды в изучение мозга, несмотря на экономический кризис. Затянувшие пояса страны Евросоюза только что скинулись на миллиард евро ради проекта «Человеческий мозг», цель которого ни много ни мало — создать действующую модель человеческого мозга. Оказалось, прогрессу как воздух нужны мегапроекты, подобные Большому адронному коллайдеру, — без них не возникает фундаментальных прорывов, а развитие технологий уходит в совершенствование гаджетов и новых упаковок для старых идей.
В газетах пишут о начале «новой космической гонки». Мы, правда, на этот раз в ней не участвуем, у нас другие приоритеты:
Ну, а они-то за что сражаются?
Американский БАМ (Brain Activity Map)
В прошлом году в почитаемом специалистами журнале Neuron вышла статья Джорджа Чарча, профессора генетики из Гарварда, руководившего некогда проектом «Геном человека». Вместе с пятью коллегами он предложил начать проект «Карта активности мозга» (Brain Activity Map, или попросту ВАМ). Цель — научиться регистрировать импульсы всех нейронов в мозге животного. «Суть нашего предложения в том, чтобы создать технологии, которые позволят отслеживать каждый импульс каждого нейрона в мозге живого организма. Может быть, тогда мы поймем, что такое сознание или даже разные уровни сознания», — поясняет Чарч.
Стоимость этого проекта составляет более миллиарда евро. Для сравнения: весь бюджет Российского фонда фундаментальных исследований составляет всего 0,5 миллиарда евро....
Задача явно более дерзкая и рискованная, чем даже «Геном человека». В мозге почти в миллион раз больше синапсов (нейронных соединений), чем количество букв в геноме. И работать придется не с биоматериалами вроде крови или слюны, а с живым мозгом, принципы работы которого мы пока понимаем очень приблизительно.
Если «геном» означает совокупность всех генов организма, то полная карта нейронных соединений получила название «коннектом» (суффикс «-ом» сейчас вообще в моде). Пока единственный организм, для которого ученые смогли составить коннектом, это нематода — червячок длиной в миллиметр с тремя полами: мальчики, девочки и гермафродиты. У нематод традиционной сексуальной ориентации по тысяче нейронов, а у гермафродитов почему-то всего 302. Вот эти 302 нейрона и семь тысяч соединений между ними и удалось картировать еще в 1986 году после двенадцати лет упорного труда.
Потом на основании этой схемы сделали виртуальную нематоду — запрограммировали для нее виртуальную среду и попытались заставить модель червячка ползать по модели среды. Но толку от такой модели оказалось немного: простенькое поведение нематоды воспроизвести не получилось, потому что мы не знаем многих подробностей работы ее нервной системы.
Реконструкция коннектома нематоды. Шарики – это тела нейронов, линии – аксоны и дендриты (отростки, по которым передается нервный импульс).
Нужно создавать не просто коннектом, а функциональный коннектом — живую карту активности нервной системы в реальном времени. Отрабатывать технологию авторы проекта BAM планируют на каком-нибудь участке мозга дрозофилы, не превышающем 15 тысяч нейронов. На это отводится пять лет, в следующие пять лет они рассчитывают визуализировать работу всех 135 тысяч нейронов мозга дрозофилы, а затем перейти к более сложным объектам, состоящим из миллиона нейронов: нервной системе рыбки данио и мышиному гиппокампу.
Если все получится, они возьмутся за мозги братьев наших меньших: начиная с карликовой многозубки, самого маленького и простенького млекопитающего, и заканчивая приматами. Конечным ориентиром служит карта работающего человеческого мозга.
Модель колонки неокортекса молодой крысы
Наш мозг содержит около 100 миллиардов нейронов и почти в десять тысяч раз больше соединений — 1 квадриллион. Это невероятно запутанная сеть связей между нейронными ансамблями, которые соединяются в большие «оркестры» в зависимости от задачи, которая стоит перед мозгом. К тому же у разных людей они различаются.
— Четкой локализации функций в мозге вообще нет, — объяснил нам директор Института мозга человека РАН Святослав Медведев. — Вернее, ее имеют интерфейсы взаимодействия с миром, такие как механизм зрительного восприятия. А высшими формами деятельности занимается мозг целиком. В итоге четкое картирование мозга наподобие картирования генома человека невозможно. Одни поля коры мозга включены в какую-то человеческую деятельность больше, другие меньше, но мозг работает как единое целое.
DSI – новый метод визуализации активности мозга, показывающий картину его основных «информационных магистралей».
Есть риск, что американский БАМ может превратиться в долгострой. Авторы проекта надеются, что создать карту активности мозга им поможет огромный флот наномашин, которые проникнут в мозг, сядут на каждый нейрон и будут регистрировать его активность. Все это звучит на грани бреда, но не для прагматиков из DARPA, Google и Microsoft, которые уже встречаются и обсуждают проект вместе с представителями государственных агентств и частных фондов. В марте «Карту активности мозга» собираются анонсировать на государственном уровне как нацпроект, затем планируется начать создание под нее сети государственных «обсерваторий мозга».