Коннектомика… что это? Мозг человека можно будет загрузить на флешку

Человечество всегда волновали вопросы: что же это такое – интеллект и личность… и только в конце ХIХ – начале ХХ века начали оформляться ответы на эти вопросы в их современном понимании.На сегодня ученые научились создавать карту живого мозга и в реальном времени отслеживать отличия в его работе при патологиях (аутизм, болезнь Альцгеймера), а также распознавать основные нейронные связи и воспроизводить их с помощью компьютеров; подходы к лечению поврежденного мозга с использованием стволовых клеток находятся на стадии клинических испытаний; наконец, при нынешних достижениях нейронной инженерии и робототехники созданы примитивные нейроинтерфейсы, соединяющие человеческий мозг с машинами, и ведутся исследования по повышению их производительности. Однако наукой определена гораздо более масштабная задача – разобраться в том, как работа мозга определяет поведение человека.

Историческая справка2‑я половина XIX – начало XX века. Константин фон Монаков отстаивал теорию связи болезней с повреждением проводящих путей в мозге. Владимир Бехтерев исследовал анатомию проводящих путей головного и спинного мозга.К окончанию ХIХ века в экспериментах на животных была продемонстрирована электрическая активность мозга. Однако отследить ее в режиме реального времени стало возможным намного позже – при изобретении электроэнцефалографии.1970‑е годы. С помощью рентгеновской компьютерной томографии стало возможным наблюдать структуры мозга без хирургического вмешательства. Прорывом стала позитронно-эмиссионная томография, при которой введение в кровоток радиоактивного короткоживущего изотопа позволило исследовать метаболические процессы головного мозга. Буквально через несколько лет была разработана методология магнитно-резонансной томографии (МРТ), избавившая человека от опасности ионизирующего излучения.1990‑е годы. Методика МРТ усовершенствована… можно наблюдать за функциональной динамикой активности живого мозга, например отслеживать изменения интенсивности кровообращения в анатомических структурах мозга, тесно связанного с нейронной активностью органа (фМРТ). По мере разработки основных методов исследования стало возможным накопление количественных данных.1986 год. Создана карта 302 нейронов и описаны 7000 нейронных связей нематоды C.elegans (Сидней Бреннер, нобелевский лауреат по физиологии и медицине 2002 г.).2005 год. Олаф Спорнс и Патрик Хэгмэн ввели термин «коннектом».2013 год. Запущен проект BRAIN Initiative (США),в рамках которого направление «коннектом человека» признано приоритетным. В этом же году начал работу международный проект Human Brain Project по моделированию человеческого мозга (руководитель Генри Маркрам, Швейцария).2014 год. Инициирован проект Brain/MINDS (Япония) по составлению карты мозга с использованием нейротехнологий для исследования заболеваний (руководители Хидеюки Окано и Атсуши Мияваки).Как работает мозгЧтобы это понять, нужно четко усвоить, что структура мозга – это не просто его составные части, то есть архитектура, но и совокупность множества функциональных связей между структурами и между собой в виде функциональных зон. Причем эти нейронные связи могут быть как постоянными в случае определенных информационных потоков, так и временными, образуясь для решения специфических задач. Конечно, ученые сейчас стоят только в начале разгадки того, каким образом внешний раздражитель, например эмоция гнева, вызывает образование сенсорного пути в мозге, на выходе преображаясь в физическую реакцию. Тем не менее все нейронные связи уже описаны для нематоды C.elegans; у этого организма всего 302 рассеянных по всему телу нейрона. Следующим объектом исследования стали мальки аквариумной рыбки D.rerio, коннектом которой насчитывает около 100 000 нейронов, и в нем описаны связи порядка 5000 нейронов. Человеческий же мозг насчитывает около 86 млрд нейронов, цифра нейронных взаимодействий колеблется в районе 100 триллионов… задача по картированию такого мозга безумно сложна. Но наука не стоит на месте; в 2013 году в американском Стэнфорде новосозданным методом мозг мыши и фрагмент мозга человека были обработаны химическими агентами и напоследок детергентом так, что в них остались только белковые нити нервных клеток, а затем с использованием флуоресцентных меток было выявлено распределение нейронов и нервных отростков. Подобный метод картирования, хотя и стар, исправно вносит свою лепту в исследование коннектома, в частности, в том же 2013 году был создан трехмерный атлас мозга 65‑летней женщины с разрешением в 20 мкм (немецкий исследовательский центр «Юлих»), и он в несколько десятков раз точнее своих предшественников. В 2014 году американским Институтом Аллена по исследованию мозга установлена вся совокупность нейронных связей для клеток мозга мыши, а в 2016 году составлен интерактивный цифровой атлас мозга 34‑летней женщины с разрешением в 1 мкм/пиксель. Все упомянутые атласы мозга свободно доступны мировому научному сообществу.И тем не менее информации о мозге удручающе мало: она представлена либо в виде сканов, отображающих активность различных областей, либо информацией об экспрессии нейромедиаторов и их рецепторов в нейронах и других клетках мозга. Какова связь между активностью мозга и экспрессией генов – неясно; как взаимодействующие между собой нейроны обеспечивают определенные механизмы поведения тоже неясно. Вот почему первоочередной задачей является создание унифицированной базы данных по типам нейронов, изучение их функций, затем их объединение в более крупные группы по электрической активности (опять должна существовать стандартизованная методика измерения), их расположению в мозге, экспрессии генов. То есть происходит что-то наподобие объединения химических элементов в периодическую систему Менделеева. Задача эта многолетняя, но исследования уже активно проводятся, и быстрое развитие технологий позволяет надеяться на ощутимые результаты в ближайшие 10‑15 лет.Пока из полученных результатов следует, что нейронные связи имеют модульную структуру, и нейроны со схожими функциями объединяются бóльшим количеством связей (синапсов), чем нейроны с разными функциями. В структурной организации синапсов выявлены половые различия: у мужчин лучше всего проявляются связи в каждом полушарии и большинстве отделов коры, четко развито их модульное строение. У женщин обнаружено большее количество межполушарных связей (в мозжечке отношение обратное). При этом известно, что мозжечок опосредует моторные функции частей тела, а связи в полушариях и в отделах коры обслуживают реакции «от намерения к действию» – вот почему в поведенческих навыках у мужчин хорошо развито пространственное мышление, лучше выполняются координированные и точные действия. У женщин же преобладают навыки в решении социальных задач, в связи с тем что межполушарные связи обеспечивают лучшую интеграцию аналитической и интуитивной информации.Самая полная карта коры головного мозга на сегодня идентифицировала 180 структурных участков, отвечающих за определенные функции (97 из них оказались до того неизвестными), и это первые итоги проекта «Коннектом человека», призванного составить сетевую карту мозга здорового человека. Открытие, кстати, позволило ученым разработать программу автоматического обнаружения специфических «отпечатков» каждого участка в индивидуальных сканах головного мозга. И помимо понимания эволюции головного мозга человека и роли специализированных участков в норме и патологии, новые сведения обеспечивают необыкновенную точность карты мозга для будущих клинических исследований и нейрохирургии. Кстати, материалом для исследования коннектома человека являются ткани доноров, например при удалении опухолей в ходе нейроопераций, – ведь для того, чтобы проникнуть в мозг, приходится попутно удалять незначительное количество здоровых тканей.Первичным фокусом проекта BRAIN Initiative является разработка инновационных технологий для создания карты головного мозга человека: технологий для измерения громадного количества электрических сигналов мозга и активации спе­цифических участков рефлекторных дуг с использованием оптогенетических сенсоров, технологий для обработки, хранения и передачи огромных объемов информации, которые в совокупности позволят создание коннектома. Причем, по мнению многих исследователей, для создания коннектома мозга информации об индивидуальных нейронах в будущем не потребуется, поскольку будут выявлены определенные закономерности, позволяющие экстраполяцию.Проект Евросоюза имеет амбициозную цель построения полной модели человеческого мозга с использованием суперкомпьютера, с которой будет возможно взаимодействовать в реальном времени. Идет работа над созданием разумного искусственного интеллекта, который позволит не просто понять и наблюдать функционирование человеческого мозга, но научиться его моделировать и им манипулировать. Практическим применением последнего будет, например, избавление человечества от душевных болезней. Уже выявлены некоторые элементы мозга крысы, выделены общие нейронные цепи у ряда разных существ.Фокус японской инициативы на ближайшие годы заключается в разработке технологий для построения карты мозга приматов с акцентом на исследование нейродегенеративных заболеваний человека в будущем.Российские работыВ нашей стране отсутствуют целевые программы по исследованию мозга, хотя отдельные проекты и даже направления субсидируются грантами различных министерств и фондов. В частности, проблемами нейробиологии занимаются порядка 30 научных лабораторий страны с перспективными результатами (подробнее см. публичный аналитический доклад по направлению «Нейротехнологии» на сайте Федерального реестра экспертов научно-технической сферы: https://reestr.extech.ru/docs/analytic/public_reports.php).Хотите поучаствовать?Вовлечение широкой публики в реализацию современных научных проектов в рамках так называемой гражданской науки обретает все большую популярность. Можно поучаствовать, например, в создании 3D-карт нейронов сетчатки глаза или коры головного мозга мыши в рамках онлайн-игр EyeWire (лаборатория С. Сеунга) и Mozak (лаборатории З.Попович, Дж.Роскамс и С.Соренсен).Ближайшие перспективыБудет облегчено лечение нейродегенеративных заболеваний, цереброваскулярных поражений, травм головного и спинного мозга, аутизма и эпилепсии, алкоголизма и наркозависимости, психических заболеваний. Нейроинтерфейсы позволят проводить реабилитацию и улучшить качество жизни людей с ограниченными возможностями. Операции на мозге могут стать намного безопаснее и эффективнее… удаление опухоли или уничтожение патологического очага будет сначала программироваться, а затем выполняться роботом, человеческая ошибка будет полностью исключена. Импланты – «заплаты», расширяющие возможности памяти или усиливающие сенсорные и моторные способности коры головного мозга, будут оптимально в нее интегрированы благодаря знаниям о коннектоме.Когда-то будет получена достаточно полная виртуальная модель человеческого мозга. Когда-то она начнет функционировать в режиме реального времени. Вопросы – будет ли она обладать сознанием? Будет ли это сознание идентично человеческому и будет ли оно развиваться?.. Можно ли считать компьютерную модель личностью, а ее удаление убийством? Будем ли мы считать искусственный интеллект в его цифровом существовании нашим младшим братом по разуму?!Заманчивое будущее человечестваБуквально в воздухе витает идея человеческого бессмертия. Давно известно, что теоретический предел жизни человека – 120‑150 лет, но этот срок значительно укорачивается болезнями, стрессом, неправильным питанием, экологией… А как насчет того, чтобы «скачать» человеческий разум с помощью данных персонального компьютера, электронной почты или социальных сетей на флешку и загрузить в компьютер?! Это ведь в своем роде продление жизни, возможно, навеки! В США в данном направлении работает компания TerasemMovement, Inc. (вице-президент – предприниматель, философ будущего и футурист Мартина Ротблатт), в России – проект «Россия 2045» (основатель движения – предприниматель Дмитрий Ицков) с идеей переноса человеческого разума не просто в компьютер, а компьютер, управляющий искусственным телом – аватарой. В настоящее время уже сделаны определенные шаги в создании управляемых роботов, то есть роботизированного тела для нашего сознания. Конечно, эмоции и чувства в настоящий момент для подобного переноса недоступны, их невозможно запрограммировать (пока!), но ведь и это немало…​Светлана Хороненкова, кандидат химических наук