Намечается самое масштабное научное исследование человеческого мозга в истории
Суперкомпьютер отследит круговорот сигналов, перетекающих между 86 миллиардами нейронов мозга, и начнет мыслить, как человек. Воплотить эту амбициозную затею пытается швейцарец Генри Маркрам, возглавляющий проект Human Brain Project (HPB).
«Это не поиски бозона Хиггса в мозге, и не создание склада для сведения воедино всей известной информации о нашем разуме. Нет, это похоже на телескоп, в который можно разглядеть все дороги во вселенной нашего мозга от микро до макро уровня – от молекул до полушарий», — рассказывает о проекте Маркрам.
«Ближайшая параллель — это стартовавший в 1990 г. проект «Геном человека», скоординировавший работу множества ученых по всему миру, что позволило им за десять лет расшифровать 3,3 млрд. пар нуклеотидов, образующих спираль человеческого ДНК», — добавляет господин Маркрам.
В проекте HPB, тоже рассчитанном на десять лет, участвуют 135 сообществ и институтов из 26 стран. Львиная доля исследователей из Европы, но также участвуют команды ученых из Израиля, Китая, Канады и США.
HPB обещает стать самым масштабным научным исследованием человеческого мозга в истории. Свыше €500 млн. предполагается потратить на выплаты научным сотрудникам, чтобы компенсировать им 7148 человеко-лет работы.
По словам Генри Маркрама, еще четыре года назад, когда он впервые рассказал о планах создать компьютерную модель мозга на конференции TEDGlobal в Оксфорде, его не восприняли всерьез. В научном сообществе давно укоренилось убеждение, что мозг невероятно сложен для изучения. К тому же современные компьютеры недостаточно быстры.
Лишь в прошлом году удалось убедить инвесторов в том, что в 2020 г. должны появиться суперкомпьютеры, способные воплотить мечту Генри Маркрама в реальность. Власти Европейского Союза выделили на проект HPB €1 млрд.
«Мозг состоит из огромного количества частиц, взаимодействующих между собой. Даже если мы будем иметь все необходимые данные, смоделировать протекающие в мозге процессы будет чрезвычайно сложно, особенно на молекулярном уровне. Однако, если мы начнем работу над программным обеспечением уже сейчас и подскажем промышленности, как сконструировать машины для нашего проекта, то в скором времени суперкомпьютеры станут достаточно мощны, чтобы мы, как минимум, смогли начать создавать модели на молекулярном уровне», — говорится в сообщении организаторов HPB.
Проблема современных исследователей мозга — в их безнадежной фрагментированности. В этой области каждый год выпускается около 100 тыс. публикаций, но нейробиологи настолько узко специализированы, что зачастую не способны понять друг друга.
Современной науке много известно об организации отдельных нейронов и их взаимодействии друг с другом. Также методом магнитно-резонансной томографии проведено бесчисленное множество исследований работы крупных участков мозга, содержащих десятки миллионов нейронов.
Однако посредине сквозит прореха. Ученые до сих пор не имеют представления о том, что за события происходят на уровне генов, белков и синапсов (мест контакта между двумя нейронами), которые позволяют мозгу формировать поведенческие реакции и накапливать знания.
Обычными экспериментами выяснить это невозможно. Чтобы понять, как каждый синапс взаимодействует с нейронами в других частях коры человеческого головного мозга, нужно отследить 100 триллионов связей между ними.
Компьютерная модель HPB будет иметь вид 3D-схемы с переменным масштабом, позволяющим рассматривать как отдельные нервные клетки, так целый мозг. Ученые рассчитывают воспроизвести на этой схеме все пути нервных сигналов от нейрона к нейрону и от одной области мозга к другой. Функции этих сигналов они надеются понять в процессе создания модели.
«Опытным путем мы никогда не выясним устройство мозга, и все, кто думают иначе, обманывают себя. Вместо этого мы сосредоточимся на поисках базовых механизмов, а затем будем использовать эти механизмы для построения новых гипотез о работе тех участков мозга, которые никто никогда не видел и не увидит. Затем мы будем тестировать эти гипотезы на суперкомпьютере и отлаживать механизмы до тех пор, пока наша модель мозга не начнет работать лучше. Иначе мы просто будем блуждать во тьме», — рассказал на днях Генри Маркрам в интервью изданию The Guardian.
Определив базовые механизмы, отвечающие за поведенческие реакции и способности человека к познанию, медицина сможет лучше диагностировать психические заболевания и находить способы исцеления депрессии, шизофрении и множества других распространенных недугов.
В настоящий момент команда HPB сосредоточена на малом. На суперкомпьютере Blue Gene она создает компьютерную симуляцию работы 100 взаимосвязанных модулей головного мозга мыши — нейрональных колонок. Каждая из этих колонок состоит из примерно 30 тыс. нейронов. Сколько синоптических путей между ними — неизвестно, так как эксперименты на мышах позволили отследить очень малый процент.
Объединяя данные, полученные от различных клеток и генов, в которых закодированы поведения белков и ионных каналов, исследователи HPB формируют схему того, как взаимодействуют синапсы и выстраивают их связи с синапсами в других частях нейрональной колонки.
Затем методом статистического моделирования на компьютере Blue Gene они предсказывают строение тех частей колонки, по которым нет экспериментальных данных. Конечной стадией этой части проекта будет сравнение полученной модели с мозгом реальной мыши, живущей в лаборатории.
Если в итоге ученым удастся полностью реализовать цель проекта HPB и создать электронную модель человеческого мозга, это кардинально изменит способ нашего общения с компьютерами. Экран, клавиатуру и мышь, вероятно, заменит разговаривающая голограмма.
