Митио Каку - Будущее разума
Для завершения этого проекта не нужно открывать новых физических законов. Доктор Джерри Рубин из Медицинского института Говарда Хьюза режет мозг дрозофилы на тонкие ломтики при помощи специального резака, напоминающего стоящие в супермаркетах машинки для нарезки сыра. Это непростая задача, потому что мозг мушки в поперечнике составляет всего 300 мкм – крохотная точка по сравнению с человеческим мозгом. Мозг дрозофилы содержит около 150 000 нейронов. Каждый ломтик толщиной пятьдесят миллиардных долей метра тщательнейшим образом фотографируется с помощью электронного микроскопа, а фотографии вводятся в компьютер. Затем программа пытается восстановить связи между нейронами поштучно. При нынешней скорости работы доктор Рубин закончит регистрацию всех нейронов мозга плодовой мушки лет через двадцать.
Столь невысокая скорость отчасти объясняется нынешними технологиями фотографирования, поскольку стандартный сканирующий микроскоп дает примерно 10 млн пикселов в секунду (это примерно треть разрешения стандартного телеэкрана). Хотелось бы иметь аппарат, способный давать 10 млрд пикселов в секунду, что было бы мировым рекордом.
Хранение информации, поступающей с микроскопа, также представляет серьезнейшую проблему. Когда проект заработает на полную мощность, Рубин планирует получать в день по миллиону гигабайт информации от одной плодовой мушки, так что винчестерами с информацией можно будет заполнить не один склад. К тому же, раз мозг каждой мушки немного отличается от остальных, чтобы получить точную единую модель, ему придется исследовать сотни дрозофил.
И если начать со сканирования мозга дрозофилы, сколько потребуется времени, чтобы добраться до человеческого мозга? «Лет через сто мне хотелось бы знать, как работает человеческое сознание. Десять-двадцать лет мне хватит, чтобы разобраться в мозге дрозофилы», – говорит он.
Работу можно ускорить при помощи некоторых технических приспособлений. Например, можно использовать автоматическое устройство, с помощью которого машина будет сама нарезать мозг и сканировать каждый слайд. Это позволило бы серьезно сократить время работы над проектом. Так, автоматизация сильно снизила стоимость проекта Human Genome Project (на него было выделено $3 млрд, но проект был завершен досрочно и за меньшие деньги – неслыханное дело в Вашингтоне). Еще одна возможность – использовать различные краски, позволяющие помечать цветом разные нейроны и связи, чтобы их было лучше видно. Или создать автоматический супермикроскоп, способный сканировать нейроны по одному со всеми подробностями.
Помня, что на полное картирование мозга уйдет до сотни лет, эти ученые чувствуют себя примерно как средневековые архитекторы, которые проектировали европейские соборы и знали, что завершать проект придется их внукам.
Помимо проекта составления анатомической карты мозга нейрон за нейроном имеется параллельный проект под названием Human Connectome Project, в котором связи между различными участками мозга восстанавливаются по сканам.
Human Connectome Project
В 2010 г. Национальный институт здоровья объявил, что выделяет $30 млн на пять лет консорциуму университетов (включающему Университет Вашингтона в Сент-Луисе и Университет Миннесоты) и $8,5 млн на три года консорциуму под руководством Гарвардского университета, Общеклинической больницы штата Массачусетс и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. С таким уровнем краткосрочного финансирования исследователи, конечно, не смогут полностью секвенировать мозг, их задача – дать проектам хороший старт.
Скорее всего, они вольются в проект BRAIN, что сильно ускорит работу. Цель – получить карту нейронных связей человеческого мозга, которая поможет разобраться в таких расстройствах, как аутизм и шизофрения. Один из руководителей проекта Connectome доктор Себастьян Сеунг говорит: «Исследователи сделали вывод о том, что сами по себе нейроны здоровы, но они, возможно, неверно закоммутированы». Если эти болезни действительно вызваны наличием в мозгу неправильных связей, то проект Human Connectome может дать нам бесценный ключ к их лечению.
Думая об окончательной цели построения полной схемы человеческого мозга, иногда доктор Сеунг отчаивается когда-нибудь завершить проект. Он говорит: «В XVII в. математик и философ Блез Паскаль писал о своем страхе перед бесконечностью, о чувстве собственной незначительности при мысли о безбрежных просторах космоса. Как ученый я не должен говорить о своих чувствах… Я чувствую любопытство и радостное изумление, но временами чувствую и отчаяние». Но он и многие другие ученые упорно работают, зная, что на завершение проекта уйдет труд нескольких поколений. У них есть основания надеяться, потому что наступит день, когда автоматизированные микроскопы будут неустанно фотографировать, а машины, обладающие искусственным интеллектом, будут двадцать четыре часа в сутки анализировать снимки. Но пока даже один снимок человеческого мозга, сделанный обычным электронным микроскопом, имел бы объем около 1 зеттабайта, что эквивалентно всей информации, собранной на сегодняшний день в Сети.
Доктор Сеунг даже приглашает общественность принять участие в этом великом проекте, посетив сайт EyeWire. Там средний «самодеятельный ученый» увидит массу нейронных связей, и его попросят раскрасить их (не переходя границ). Это напоминает виртуальную книжку-раскраску, только раскрашивать предлагается картинки с реальными нейронами сетчатки глаза, снятые электронным микроскопом.
Allen Brain Atlas
Наконец, существует третий способ составить карту мозга. Вместо того чтобы анализировать мозг через компьютерные модели или фотографирование нервных связей, миллиардер Пол Аллен из Microsoft выделил щедрый грант в $100 млн на третий подход. Цель – составить карту или атлас мозга мыши с упором на гены, ответственные за его формирование.
Можно надеяться, что понимание того, как в мозге происходит экспрессия генов, поможет разобраться в механизмах аутизма, болезни Паркинсона, синдрома Альцгеймера и других расстройств. Но значительное число мышиных генов есть и у человека, так что, возможно, результаты этого исследования помогут нам лучше понять и человеческий мозг.
Щедрое финансирование помогло завершить проект в 2006 г., и его результаты доступны в Сети. Вскоре после этого был объявлен следующий проект – Allen Human Brain Atlas, цель которого – создание анатомически и генетически полной трехмерной карты человеческого мозга. В 2011 г. Институт Аллена объявил о создании биохимической карты мозга двух человек: в тысяче анатомических участков взято 100 млн точек, отражающих экспрессию генов в соответствующей биохимии. Исследование подтвердило, что в мозгу наблюдается экспрессия 82 % наших генов.
«До сих пор определенной карты человеческого мозга на таком уровне детализации попросту не существовало, – говорит доктор Аллен Джоунс из Института Аллена. – Атлас человеческого мозга Аллена представляет невиданные прежде картины нашего самого сложного и самого важного органа», – добавляет он.
Возражения против обратной разработки
Ученые, посвятившие свою жизнь обратной разработке мозга, понимают, что им предстоят десятки лет тяжелой работы. Но они убеждены, что их работа принесет практическую пользу. Они считают, что даже частичные ее результаты помогут раскрыть тайны психических расстройств, причинявших людям страдания на протяжении всей истории человечества.
Однако циники могут возразить, что после выполнения этой сложнейшей задачи мы получим горы информации без всякого понимания, как это все на самом деле устроено. Представьте себе, к примеру, неандертальца, который в один прекрасный день находит полную схему компьютера IBM Blue Gene. Там, на громадной схеме размером с баскетбольную площадку, есть все подробности, до последнего транзистора. Не исключено, что неандерталец даже поймет, что этот огромный лист содержит секрет сверхмощной машины, но основная масса технических данных ничего ему не скажет.
Точно так же есть опасения, что мы, потратив миллиарды долларов на расшифровку положения каждого нейрона в ткани мозга, не сможем понять, что это означает. Чтобы разобраться в том, как все это работает, может потребоваться не одно десятилетие.
Так, проект Human Genome завершился оглушительным успехом: человеческий геном секвенирован до последнего гена. Тем не менее он принес громадное разочарование тем, кто ждал он него немедленной панацеи от генетических болезней. Результат расшифровки генома – гигантский словарь, содержащий 23 000 слов без переводов и определений. В нем одна за другой идут пустые страницы, но все гены выписаны безукоризненно. Успех проекта – настоящий прорыв, но в то же время это лишь первый шаг в долгом пути к пониманию того, что эти гены делают и как они взаимодействуют между собой.
