Наука и технологии России

Вход Регистрация

Obama’s brain. Чем ответит Россия?

Судя по всему, существует приличный шанс, что в области изучения мозга начнётся новая эра. Её фактически провозгласил Барак Обама в февральском обращении к конгрессу США, отметив, что «настало время выйти на уровень научных исследований и разработок, не виданный с момента пика космической гонки». В последующие дни появились поясняющие комментарии специалистов, в том числе руководителя Национальных институтов здравоохранения Фрэнсиса Коллинза, из которых прямо следует, что речь идёт, в частности, о проекте построения карты активности мозга Brain Activity Map (BAM).

Барак_Обама
Барак Обама: «Настало время выйти на уровень научных исследований и разработок, не виданный с момента пика космической гонки»

По сообщениям американской прессы, Обама уже в мартовском бюджетном послании намерен предложить данную инициативу, рассчитанную минимум на 15 лет и сравнимую по объёму финансирования с проектом «Геном человека», стоимость которого составила 3,8 миллиарда долларов. Подробности пока известны лишь узкому кругу вовлечённых в проект, однако тех данных, что находятся в открытом доступе, достаточно, чтобы прийти к выводу: затея предельно амбициозная, исключительно сложная и граничит с научной фантастикой. Вероятно, именно поэтому за неё стоит взяться.

Настоящие научные прорывы не обходятся без доли хорошо продуманного безрассудства. Нильс Бор выразил эту мысль следующим образом: «Ваша идея, конечно, безумна. Весь вопрос в том, достаточно ли она безумна, чтобы оказаться верной». Насколько плодотворной окажется данная ставка американской администрации, покажет, конечно, будущее. Но определённо можно сказать, что в вышеуказанном смысле она действительно безумна. Главная цель проекта обозначена прямо – научиться регистрировать все потенциалы действия всех нейронов в мозге свободноподвижного животного. Учёные хотят получить возможность видеть, что происходит с каждым нейроном в любой заданный промежуток времени. Основополагающие принципы, аргументы и базовые параметры их предложения изложены в прошлогодней публикации в авторитетном журнале Neuron, которая и послужила манифестом готовящегося грандиозного проекта.

Уже подтверждено участие в нём таких организаций, как NIH, DARPA, NSF, HHMI, а также Allen Institute for Brain Science. Важно осознать, что заставило ведущих учёных сформулировать столь изощрённую и труднодостижимую задачу, а крупнейшие научные фонды и правительство США её поддержать. Проза научной жизни заключается в том, что, несмотря на огромное число исследований, ведущихся в рамках когнитивных наук, работа мозга даже в части самых базовых функций (таких как восприятие, обучение, память, эмоции и т.п.) по-прежнему остаётся в значительной мере тайной и не поддаётся фундаментальному пониманию. Причину следует искать в специфике изучаемого объекта, внутреннее функционирование которого крайне сложно увидеть, не разрушая сам объект.

Вы можете сколь угодно подробно наблюдать поведение организма, однако о том, что происходит в его мозге, вынуждены судить лишь в самых общих чертах.

Конечно, методы визуализации разнообразных биологических процессов, появившиеся в распоряжении специалистов за последние десятилетия, обеспечили серьёзный прогресс, который привёл к целому ряду открытий. Сегодняшние технологии сканирования, такие как ФМРТ, позволяют отследить усиление или снижение активности определённых зон мозга, в то время как человек занят конкретной когнитивной деятельностью. С другой стороны, тонкие электроды, имплантируемые в мозг, способны регистрировать «вспышки» отдельных нервных клеток, и таким способом можно обнаружить нейроны, реагирующие на какой-то специфический стимул (например, нейрон Хэлли Берри). Однако пространственное разрешение первой группы методов слишком низкое, а количественный охват второй слишком слабый, чтобы получить полноценное представление о принципах работы мозга. Представьте, что интересного можно узнать о содержании фильма, если смотреть на сильно размытое изображение, либо чётко видеть лишь несколько отдельных пикселей. Иными словами, имеющиеся на сегодня средства не позволяют проследить динамику мозга на уровне нейронных ансамблей, состоящих из сотен тысяч и миллионов клеток. По мысли инициаторов BAM, независимо наблюдая за нейронами в масштабе всего мозга, можно будет обнаружить образуемые ими паттерны, не видимые сейчас. Их можно представить как россыпи замысловатых конфигураций, крошечные гирлянды, по которым прокатываются волны вспыхивающих огней. Это позволит установить надёжную корреляцию между поведением нейронов и поведением организма. В результате, как ожидается, учёные смогут расшифровать искомый и постоянно ускользающий нейронный код, которым оперирует мозг.

Они планируют реализовать свой замысел в три этапа. В первые пять лет должна быть реконструирована активность какого-либо региона мозга дрозофилы, не превышающего 15 тысяч нейронов. Этого, в принципе, возможно добиться с помощью двухфотонной сканирующей микроскопии. Насекомое при этом будет свободно двигаться, допустим, решая задачу на восприятие или обучение. В этот же период учёные намерены достичь показателя в пределах 50 тысяч нейронов, в частности зарегистрировать активность всех ганглиозных клеток в ретине мыши. В среднесрочной перспективе, то есть в течение десяти лет, планируется полностью визуализировать работающий мозг дрозофилы (135 тысяч нейронов), а также центральную нервную систему рыбки данио и мышиный гиппокамп (оба объекта лежат в пределах 1 миллиона нейронов). Здесь уже появляются интересные варианты, связанные с возможностью исследовать искусственно выведенных мутантных животных, служащих фенотипическими моделями некоторых заболеваний. По истечении 15 лет авторы манифеста рассчитывают разработать технологии, позволяющие отслеживать весь неокортекс мыши и впоследствии замахнуться на приматов, начав с мозга мартышек. Возможность применения этих методов на мозге человека упоминается вскользь, и ясно, что в указанный срок такая задача попросту невыполнима. В то же время очевидно, что она подразумевается как ориентир, без которого все предшествующие усилия принесут лишь ограниченную пользу.

Примечательно, что инициатива Обамы объявлена вскоре после выделения комиссией Евросоюза 1 миллиарда евро на проект по компьютерной симуляции человеческого мозга. Учитывая, что ряд критически важных моментов, касающихся работы мозга, пока не известны или изучены недостаточно, американская инвестиция на фоне европейской выглядит куда более осмысленной. Кроме того,

возможно, читателю на ум сразу приходит действующий проект «Коннектом» (Human Connectome Project), поэтому стоит отдельно подчеркнуть, что ВАМ отличается от него принципиально.

В первом случае предметом изучения служат связи между нейронами, во втором – их активность. Наиболее наглядной аналогией может служить разница между составлением карты городских улиц и измерением интенсивности потока автомобилей, двигающихся по ним. Первый проект анатомический и фиксирует статику, второй – функциональный и изучает динамику. Первый способен обходиться имеющимися технологиями и потому относительно дешев, второй требует прорывов и обещает быть предельно дорогим.

Главная трудность связана с колоссальной сложностью и хрупкостью исследуемого объекта. Представьте миллионы мельчайших, невидимых невооруженным глазом клеток, которые сосредоточены в объёме размером с орех и которые включаются/выключаются сотни раз в секунду. Ваша задача – одновременно отслеживать каждую из них при условии, что «орех» окружён совсем не иллюзорной скорлупой. При этом животное во время вашего опыта свободно двигается, проявляет своё обычное поведение, для чего должно чувствовать себя хотя бы умеренно комфортно. При переходе от мышей к приматам расстояние, которое придётся преодолеть сигналу от нейронов, расположенных в глубоких слоях мозга, будет измеряться сантиметрами. И на пути этого сигнала лежат миллионы других нейронов. Пока не очень понятно, как будет решаться проблема перекрытия, и научной дерзости участников проекта можно только позавидовать. Им предстоит найти средства считывания, обладающие глобальным охватом, высочайшей чувствительностью и минимальной инвазивностью.

Современные технологии в значительной степени основаны на белках и химических красителях, флуоресцирующих при изменении уровня кальция в клетке. Недавно появившаяся оптогенетика позволяет выборочно стимулировать обширные скопления клеток. В рамках ВАМ необходимо разработать новые классы датчиков, которые сочетают в себе преимущества электрофизиологических и оптических методов. Прежде всего речь идёт о специальных наночастицах, закрепляющихся на поверхности нейрона и способных собирать и отправлять данные о его потенциалах действия. В качестве второго вида инструментов упоминаются субмикронные проволоки, тончайшие (в несколько нанометров) электроды, проникающие глубоко в ткань и почти не причиняющие разрушений. Однако клетки в мозге, как правило, упакованы довольно плотно, поэтому доставить провода в нужные точки пространства, не задев по пути чего-то важного, чрезвычайно сложно. Третий путь основан на экзотическом методе, разработанном совсем недавно. В этой технологии используется свойство ДНК-полимеразы совершать ошибки включения в зависимости от концентрации положительно заряженных ионов. Такая молекула фактически превращается в сенсор, способный хранить историю многочисленных разрядок одной-единственной клетки.

Между тем учёные рассчитывают продвинуться дальше. Следующие поколения датчиков будут представлять собой наноустройства, которые смогут локально собирать информацию и организовывать коммуникационную сеть внутри ткани. Такие зонды будут способны к специфическому и согласованному ответу на внешнее воздействие или на данные об активности клеток, полученные путём считывания. Таким образом, к мониторингу прибавится возможность избирательной стимуляции.

Конечная цель – контролируемое восстановление нормальной деятельности в повреждённом или больном мозге, а также гораздо более точная диагностика.

В то же время прямые и косвенные плоды проекта выходят далеко за пределы медицины и когнитивных наук. Для его реализации потребуются прорывы по целому ряду направлений в инженерии, нанотехнологиях и информационных технологиях. Последнее не менее важно, поскольку помимо очевидных сложностей, связанных с получением данных, отдельной проблемой становится их обработка. Объём информации, особенно на заключительных стадиях, обещает быть гигантским. Предполагается, что ВАМ выступит локомотивом, толкающим прогресс подобно космической программе, результатами которого, так или иначе, воспользуются наука и экономика в целом. Помимо прочего, он знаменует будущее, в котором сближение нано-, био- и компьютерных технологий стремительно ускоряется. В этой связи в пример приводят проект «Геном человека», принёсший ощутимые выгоды, однако следует заметить, что перспективы ВАМ гораздо менее ясны. Расшифровка генома изначально представлялась весьма трудоёмкой, но безусловно реализуемой задачей. Вопрос состоял лишь в том, как скоро и за какие деньги она будет выполнена. В случае ВАМ ситуация куда драматичнее – пока не может быть гарантии, что полный мониторинг крупного мозга принципиально осуществим. Вероятно, начиная с приматов, будет выбрана стратегия поочерёдного сканирования разных областей и сведения данных в общую картину.

Первые слухи о проекте уже вызвали смешанную реакцию (что, впрочем, не должно удивлять). Помимо закономерных и в какой-то степени обоснованных сомнений в достижимости заявленной планки «каждый спайк от каждого нейрона», встречаются и параноидальные оценки. Они, наоборот, подразумевают, что планы учёных реализуются в полной мере, и тогда появится способ дистанционно контролировать мозг человека, а значит его мысли и поведение. Безусловно, эти соображения будут доведены до американских политиков, которым предстоит принимать решение о выделении средств. Неясно только, испугает их такая перспектива или, наоборот, воодушевит. Существует также скептицизм другого рода. Некоторые специалисты опасаются, что ВАМ приведёт к сокращению финансирования других исследований, которые они считают не менее важными. По их мнению, такие гигантские суммы можно использовать с гораздо большей пользой, если распределить их между несколькими более скромными проектами, каждый из которых займётся отдельной проблемой. Например, это могут быть такие вопросы, как поиск базовых элементов нейронных вычислений, принципы организации функциональных систем, нейронная пластичность, связь активности нейронов с экспрессией генов и т.п. Думаю, эти аргументы также будут услышаны. Подобные возражения неизбежны, когда дело касается столь масштабных инвестиций, и ровно такими же сомнениями сопровождался «Геном человека». К сожалению, у любого предложения потратить деньги всегда найдутся альтернативные издержки. Если проект ВАМ будет утверждён, нам останется внимательно следить за его развитием. В случае его успеха у человечества появится серьёзный повод гордиться собой, а мир уже никогда не будет прежним.

РЕЙТИНГ

4.60
голосов: 20

Обсуждение