Серьезные амбиции исследователей мозга

Женевский квартал Сешерон (Sécheron): логотип «Human Brain Project» скоро заменит эмблему компании «Merck Serono», бывшего арендатора этого здания. Keystone

Год назад швейцарский проект «Человеческий мозг» получил статус европейского научного «флагмана». Сегодня он опять у всех на слуху. Каковы первые итоги? Обзор надежд и обещаний, сомнений и критики.

При взгляде из Силиконовой долины, Москвы или Шанхая Лозанна и Женева кажутся почти что двумя кварталами одного города. И тот факт, что находятся эти города даже в двух разных кантонах, ни для кого в мире роли не играет. В Швейцарии, стране, где локальный колорит — это святое, тоже начинают постепенно подлаживаться под такую реальность.

В самом деле, когда тебе вдруг выпадает редчайшая удача стать центром серьезного научного проекта, по меньшей мере европейского размаха, то для местечковой узости места не остается совершенно. Объявив 29 октября 2013 г. о том, что проект «Человеческий мозг» («HBP») переедет из Лозанны в Женеву, руководители лозаннской Федеральной высшей технической школы («EPFL») особой бури возмущения ни у кого, поэтому, не вызвали.

Ведь решение это было продиктовано совершенно практическими соображениями. Все дело в том, что комплекс зданий в Женеве, некогда принадлежавший фармацевтической компании «Merck Serono», недавно освободился и его можно было использовать немедленно, в то время как в Лозанне для такого проекта, как этот, нужно было бы еще построить целый «Нейрополис» («Neuropolis»), научный комплекс, стоимость которого предварительно оценивалась в 100 миллионов евро.

Однако ученые проекта намерены были представить первую компьютерную модель человеческогго мозга уже в 2023 году, а потому им нужно было торопиться. В результате уже в наступившем году примерно 120 научных и технических сотрудников проекта переедут из Лозанны на 50 километров западнее, в город Кальвина.

Год спустя (1/3)

В январе 2013 г. «Европейская комиссия» объявила результаты конкурса т.н. «флагманских научных проектов».

Каждому победителю было гарантировано государственное финансирование в объеме одного миллиарда евро.

Трое из финалистов представляли Швейцарию. Один из них победил, двое других проиграли. Год спустя портал swissinfo.ch подводит итоги.

Захватывающий маршрут со множеством препятствий

Тем временем официальный запуск проекта «HBP» прошел в Лозанне в начале октября. Располагая более чем 130-тью исследовательскими институтами в Европе и во всем мире, сотнями ученых из самых разных областей и бюджетом в 1,2 миллиарда швейцарских франков, проект «HBP» и сотрудничающие с ним его исследовательские группы ставят перед собой весьма амбициозные задачи.

Анри Маркрам (Henry Markram), директор проекта, уверен, что уже за 30-месячный стартовый период ученые смогут получить первые фундаментальные результаты. Речь в данном случае идет о закладке технологической базы для компьютерного моделирования деятельности головного мозга человека и о составлении единой базы данных, которая объединила бы десятки тысяч публикаций, появляющиеся каждый год в области нейробиологии.

Благодаря оказываемой проекту финансовой поддержке, «HBP» должен намного превзойти другой подобный масштабный замысел, а именно, американский проект «BRAIN» («Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies» / «Продвижение исследований мозга посредством новейших нейротехнологий»), поддерживаемый лично президентом Бараком Обамой и получивший финансирование в размере 100 миллионов долларов.

Keystone

Сто тысяч миллиардов синапсов

Многие эксперты сравнивают «HBP» с завершенным в 2003 г. проектом «Геном человека», который позволил провести полную расшифровку человеческого ДНК. Однако, задачи, которые решают оба эти проекта, различаются, и очень сильно.

Например, «HBP» не предусматривает составления подробной карты всего человеческого мозга, что было бы слишком сложным делом. «Чтобы замерить все соединения мозга — а их насчитывается до ста тысяч миллиардов — мы должны были бы опытным путем провести своего рода картографирование каждого из них, а это пока невозможно», — объясняет А. Маркрам. По его словам, ученые пойдут другим путем.

Используя то, что науке уже известно о способах соединения и взаимодействия нейронов между собой, они будут строить рабочие гипотезы-алгоритмы, которые дадут потом возможность составлять прогностические модели. Эти модели затем и будут проверяться на их соответствие действительности».

Миллиард частями

При объявлении конкурса «научных флагманских проектов» Европейская комиссия заявила, что каждый победитель будет получать финансирование в размере одного миллиарда евро, выплачиваемого в течение десять лет. Бюджет проекта «Человеческий мозг» составляет сумму в 1,2 миллиарда евро, но только 500 миллионов действительно поступят из Брюсселя. Как разъясняет Даниэль Пазини (Daniel Pasini) из «Дирекции по связям с общественностью» Европейской комиссии, «замысел состоит в том, чтобы построить более действенную научную Европу, объединение, в котором государства могли бы участвовать в значительных научных проектах».

1 октября 2013 г. Первый транш размером в 54 миллиона евро был распределен между «EPFL» и более чем 110 ее партнерами рамках проекта «HBP». Этот транш соответствует так называемому подготовительному этапу, который будут длиться 30 месяцев. По истечении этого срока экспертный совет рассмотрит, проходит ли реализация проекта в соответствии с утвержденными планами. В случае необходимости, Совет выработает корректирующие рекомендации. Средства Европейского Союза выделяются в соответствии с бюджетом «7-й европейской рамочной программы научных исследований», которая будет пересматриваться государствами-членами ЕС каждые 30 месяцев. Швейцария, ассоциированное государство, не задействована в обсуждении, но участвует в финансировании, пропорционально своему ВНП, равно как Турция, Исландия или Норвегия.

Всю сумму финансирования необходимо найти с помощью как государственных, так и частных структур. В настоящее время проекта «HBP» уже найдено 415 миллионов евро из необходимых 700. «Швейцария и Германия уже превысили свои обязательства, серьезные взносы поступили из Испании, что не означает, что от этих стран мы больше ничего не получим», — с удовлетворением отмечает Ричард Уокер (Richard Walker), пресс-атташе проекта. «Мы знаем, что сейчас не самое лучшее время для финансирования научных проектов, во многих странах научные бюджеты серьезно сокращаются, и тем не менее опасность, что одновременно в финансировании нам откажут все 22 участвующие в проекте страны, представляется весьма незначительной», — подчеркивает он.

Невероятно сложно

Методы так называемого «обратного инженерного проектирования» («Reverse Engineering») профессор А. Маркрам и его команда из «EPFL» уже неплохо отработали за восемь лет в рамках предшествующего проекта «Blue Brain». В целом принцип прост: вместо того, чтобы сначала рисовать предмет, а затем его создавать, мы отталкиваемся от уже существующего предмета и пытаемся составить его план.

Здесь есть только одно «но»: в нашем случае этот «существующий предмет» невероятно сложен. Человеческий мозг насчитывает до 100 миллиардов нейронов, каждый из которых способен установить со своими соседями в среднем 10 тыс. связей посредством синапсов (мест контактирования нейронов).

На данный момент, используя для опытов части мозга крысы и суперкомпьютер «IBM Blue Gene», исследователям удалось смоделировать работу и взаимодействие ряда так называемых «миниколонок кортекса» — вертикальных колонок, проходящих через несколько слоёв коры головного мозга и содержащих по 80–120 нейронов.

Такие «колонки» являются основой мозга всех млекопитающих. Мозг человека содержит примерно 2х10 в восьмой степени миниколонок, но в данном случае ученым пришлось иметь дело пока всего лишь с 30 тыс. нейронов.

Компьютер будущего

Это означает, что для полноценного моделирования работы человеческого мозга ученые должны располагать компьютерами куда более мощными, чем сейчас. Компьютер «IBM Blue Gene», например, способен совершать миллионы миллиардов операций в секунду. Однако для того, чтобы приблизиться к способности человеческого мозга одновременно выполнять несколько сложных задач, нам понадобится по меньшей мере тысяча подобных компьютеров.

При этом вопросом очень большой сложности становится энергоснабжение таких машин. Человеческий мозг потребляет энергетический эквивалент одной электрической лампочки (около двадцати ватт), однако компьютерам, способным имитировать в нынешних условиях работу мозга, потребовалась бы практически целая электростанция. Однако команда ученых проекта «HBP» не собирается опускать руки.

Анри Маркрам и его партнеры готовы побиться об заклад, что, с учетом быстрого развития так называемой нейроморфной информатики — имеются в виду машины, способные обучаться и усваивать информацию так же, как это делает человеческий мозг — первую компьютерную модель мозга они смогут презентовать уже по меньшей мере через одно десятилетие. Две научно-исследовательские группы, тесно связанные с проектом «HBP», уже активно занимаются нейроморфными исследованиями в университетах Манчестера и Гейдельберга.

Искусственные нейроны на базе силикона (презентация под-проекта номер 9 в рамках проекта «HBP» на англ. яз.)

Human Brain Project

Другая задача проекта — это создание единой компьютеризированной медицинской платформы, которая сможет сопоставлять данные о заболеваниях мозга, получаемые как из общественных клиник, так и от ведущих фармацевтических компаний. Анализ этих данных позволит классифицировать неврологические заболевания и распределить их по специальным группам. Такая новая, «биологически обоснованная», классификация должна содействовать разработке новых средств и методов как для фармацевтических исследований, так и для более эффективного лечения таких заболеваний, как, например, болезнь Альцгеймера.

Это убеждает не всех

У многих ученых все эти амбициозные проекты вызывают сомнения и весьма сдержанную реакцию. В январе 2012 г., когда А. Маркрам очерчивал перспективы своего проекта в Берне перед членами швейцарских Академий наук (а таких Академий в Конфедерации несколько) он натолкнулся на стену скепсиса. Критике подвергались, в частности, неудачная, якобы, концепция проекта, его чрезмерная сложность и отсутствие четко выраженных целей.

Описывая месяц спустя эту бернскую встречу, журнал «Nature», в частности, цитировал Родни Дугласа (Rodney Douglas), бывшего учителя и наставника Маркрама, одного из директоров «Института нейроинформатики», совместного подразделения Цюрихского Университета и Высшей технической школы (ETH) в Цюрихе. Он призывал, например, к «большему разнообразию в сфере нейробиологических исследований». По его мнению, исследования в области мозга нуждаются «в как можно большем количестве людей, которые высказывают как можно большее количество разнообразных идей».

С подобного рода критикой ученым проекта приходится сталкиваться и два года спустя. «Я думаю, что значительное количество представителей научного сообщества, не вовлеченных тесно в этот проект, полагает, что цели своей проект „HBP“ не достигнет, с учетом того, что построен он не на теории, а ведется исключительно опытным путем проб и ошибок. Суровая правда состоит в том, что мы все еще недостаточно знаем о структуре мозга и о происходящих в нем процессах, а без этого знания мы не будем способны разрабатывать такого рода модели. Европейский Союз был некоторым образом введен в заблуждение, согласившись на финансирование такого проекта», — полагает Стивен Роуз (Stephen Rose), профессор нейробиологии в Открытом и Лондонском Университетах.

«Я бы предпочел, чтобы эти средства были выделены программам Европейского исследовательского совета или Швейцарского национального фонда, которые полностью беспристрастны и стараются поддерживать только самые дельные проекты», — считает со своей стороны Мартин Шваб (Martin Schwab), возглавляющий кафедру нейробиологии в Цюрихском Университете и в ВТШ Цюриха. Однако Анри Маркрам не теряет присутствия духа. «Многие критикуют проект и задают вопрос, реалистичен ли он вообще?» — замечает директор проекта «HBP». «Однако мы все едины в том, что нам, конечно же, не удастся открыть все тайны мозга одним единственным кавалерийским наскоком. Поэтому, наряду со всем прочим, мы будем продолжать собирать воедино все крупицы информации, наработанной за прошедшие десятилетия в сфере нейробиологии».

Верно или неверно?

Пять самых распространенных стереотипов о человеческом мозге и его способностях

Мы используем лишь 10% нашего мозга — НЕВЕРНО. У этого мифа много источников, в том числе и тот факт, что нейроны составляют в целом только 10% от общего количества клеток мозга (остальное — это вспомогательные клетки нервной ткани). Мы действительно никогда не используем наш мозг на 100%, но все его части активны или в тот, или в другой момент дня, даже если мы ничего не делаем.

Правое полушарие интуитивно, левое — рационально — ВЕРНО И НЕВЕРНО. Считается, что правое полушарие помогает нам понимать и ценить искусство, музыку или красоту природы, а левое полушарие отвечает за такие функции, как речь, письмо и счет. На самом деле, те способности, которые связаны с доминирующим полушарием, зависят также и от участков мозга, расположенных в другой его половине. К тому же, оба полушария постоянно обмениваются информацией.

Мы рождаемся с определенным количеством нейронов и теряем их в течение жизни — НЕВЕРНО. Младенец рождается, имея около 100 миллиардов нейронов. Они будут его главным запасом на всю жизнь. Но во взрослом возрасте создаются новые нейроны, которые, как считается, снижают наложения между воспоминаниями, датируя их и сортируя. Процесс обновления нейронов с возрастом тормозится, но причиной этого торможения могут быть также депрессия, стресс или недостаток сна.

Чем больше мозг, тем умнее человек — НЕВЕРНО. У Альберта Эйнштейна мозг весил 1,25 кг, что является весьма средним показателем. На умственные способности человека влияет скорее не размер мозга, а его устройство (степень развития тех или иных участков и зон), направления и соединения нейронов. Эти показатели зависят от генов и от социальной среды.

Думать утомительно — ВЕРНО. В то время как мозг составляет лишь 2% от веса взрослого человека, он получает 15% крови, использует 20% кислорода и 25% глюкозы от общего объема этих веществ, потребляемого нашим организмом. Занятия умственной работой ведут к резкому повышению потребления глюкозы и кислорода. В энергетическом эквиваленте мозг потребляет между 10 и 25 ватт энергии, в зависимости от уровня деятельности и концентрации, что просто смехотворно мало по сравнению с тем, сколько бы потреблял компьютерный «мозг» сопоставимой мощности.

 

Источник: echosciences-grenoble. fr

Перевод на русский: Иван Грезин.