Читать онлайн «Мозг: Ваша личная история». Страница 32

Срез коннектома: эти удивительные двумерные изображения являются первым шагом к получению самой сложной в мире схемы соединений. Маленькие черные точки – это ДНК внутри отдельных клеток; правильные окружности на изображении – крошечные сферические пузырьки нейротрансмиттеров.

Учитывая потенциал развития вычислительной техники, можно предположить, что когда-нибудь у нас появится возможность скопировать рабочую копию человеческого мозга. Теоретически этому ничто не препятствует, однако следует реалистически оценивать сложность подобной задачи.

Мозг человека состоит в среднем из 86 миллиардов нейронов, у каждого из которых имеется около 10 тысяч связей. Все нейроны соединены между собой особым образом, уникальным для каждого человека. Опыт, память – все, что определяет вашу личность, – представлено неповторимой структурой квадриллиона связей между клетками мозга. Эта структура – слишком большая, чтобы ее можно было представить, – получила название «коннектом». Группа доктора Себастьяна Сына из Принстонского университета работает над амбициозным проектом, выясняя строение коннектома.

Для такой микроскопической и сложной структуры составить карту соединений очень трудно. Доктор Сын использует метод последовательной электронной микроскопии, при котором берутся очень тонкие срезы ткани мозга. (На данном этапе анализируется мозг мыши, а не человека.) Каждый срез делится на крошечные области, которые сканируются сверхмощным электронным микроскопом. В результате получается картинка, которую назвали электронной микрофотографией: на ней отображается участок мозга, увеличенный в сто тысяч раз. При таком разрешении можно увидеть тонкую структуру мозга.

Изображения срезов загружаются в компьютер, и начинается чрезвычайно сложная работа. Границы клеток в каждом срезе тщательно отслеживаются – поначалу вручную, но теперь все чаще применяются специальные алгоритмы. Затем изображения накладываются друг на друга и делается попытка показать все клетки срезов – получить полное трехмерное изображение исследуемого образца. Эта трудоемкая работа позволяет создать модель, отображающую связи нейронов.

Плотный клубок связей в образце величиной с булавочную головку – это лишь миллиардная доля мозгового вещества. Нетрудно понять, почему реконструкция полной картины связей в мозгу представляет собой такую трудную задачу и почему не стоит рассчитывать на ее скорое решение. Для этого необходим гигантский объем данных: для хранения архитектуры одного человеческого мозга во всех подробностях потребуется емкость размером в зеттабайт, что сопоставимо с объемом всей имеющейся в настоящее время цифровой информации на планете.

Этот крошечный образец мозговой ткани мыши содержит приблизительно 300 связей (синапсов). Образец такого размера в 2 000 000 000 раз меньше всего мозга мыши или примерно в 5 000 000 000 000 раз меньше мозга человека.

Попробуем заглянуть в далекое будущее и представить, что мы можем получить скан вашего коннектома. Достаточно ли этой информации, чтобы отобразить вашу личность? Может ли мгновенный снимок всех нейронных сетей вашего мозга отражать сознание – ваше сознание? Вероятно, нет. Ведь схема соединений (на которой показаны связи) – это лишь половина магии работающего мозга. Вторая половина состоит из электрической и химической активности, которая имеет место в этих связях. Алхимия мысли, чувства или сознания возникает в результате квадриллионов взаимодействий между клетками, которые происходят ежесекундно: выработка химических соединений, изменение формы белков, передача волн электрического возбуждения по аксонам нейронов.

Возьмите необыкновенную сложность коннектома и умножьте на гигантское количество событий, которые каждую секунду происходят во всех этих соединениях, и вы получите представление о масштабе задачи. К сожалению, такие сложные системы человеческий мозг проанализировать не в состоянии. Однако наши вычислительные мощности постоянно растут, что в конечном итоге открывает возможность для симуляции системы. Поэтому следующая задача заключается в том, чтобы не просто понять систему, но и заставить ее работать.

Именно над такой симуляцией работает группа исследователей из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) в Швейцарии. Они поставили перед собой цель к 2023 г. разработать программное обеспечение и аппаратную инфраструктуру, которые способны выполнить симуляцию всего человеческого мозга. Human Brain Project – это амбициозный проект, который получает данные из всех нейробиологических лабораторий на нашей планете, от информации об отдельных клетках (их составе и структуре) до данных о коннектоме и рисунков возбуждения больших групп нейронов. Очень медленно и постепенно каждое новое открытие ученых из любого уголка земли дает крошечный фрагмент гигантской головоломки. Цель Human Brain Project – создать симуляцию мозга, которая использует подробную информацию о нейронах, воспроизводит их структуру и поведение. Несмотря на эту амбициозную цель и более миллиарда евро, выделенных Европейским союзом, мозг человека пока еще остается абсолютно недоступным. Ближайшая цель – симуляция мозга мыши.

Данные из окружающей среды преобразуются в электрохимические сигналы, которые передаются клетками мозга. Это первый этап обработки мозгом информации из внешнего мира.

Описание плотного клубка миллиардов взаимосвязанных нейронов требует специальной технологии, а также самого острого в мире лезвия. Метод, получивший название «последовательная сканирующая электронная микроскопия», позволяет из крошечных срезов мозговой ткани получить трехмерные модели нейронных путей с нанометровым (одна миллиардная метра) разрешением.

Алмазное лезвие, встроенное в микроскоп, отрезает тончайшие слои от крошечного образца мозга. Получается последовательный набор ультратонких срезов, каждый сканируется электронным микроскопом. Сканы в цифровой форме накладываются друг на друга, образуя трехмерное изображение.

Составленная из множества слоев модель представляет собой клубок переплетенных нейронов. С учетом того, что каждый нейрон длиной от 4 до 100 миллиардных долей метра может иметь до 10 000 ответвлений, это необычайно сложная задача. Для составления схемы всего человеческого коннектома потребуется несколько десятилетий.

Human Brain Project: большая группа исследователей из Швейцарии собирает данные из лабораторий всего мира; их конечная цель – создать работоспособную симуляцию всего мозга.

Мы находимся лишь в самом начале пути к получению полной схемы человеческого мозга и к симуляции его работы, но никаких теоретических препятствий к решению этой задачи нет. Главный вопрос в другом: будет ли работоспособная симуляция мозга обладать сознанием? Если мы ни в чем не ошибемся, получится ли в результате разумное существо? Будет ли оно мыслить и осознавать себя?

Если компьютерную программу можно запускать на разном оборудовании, то вполне возможно, что программа разума тоже может выполняться на других платформах. Попробуем сформулировать это по-другому: что, если в самой биологии нейронов нет ничего особенного и личность человека определяется только их взаимодействием? Эта точка зрения известна как вычислительная модель мозга. Суть ее заключается в том, что нейроны, синапсы и другие биологические элементы не являются критически важными. Главное – вычисления, которые они обеспечивают. То есть значение имеет не физическая основа мозга, а его действия.

На протяжении всей человеческой истории у крыс была плохая репутация, однако для современной биологии крысы (и мыши) практически незаменимы в определенных видах исследований. Мозг у крысы больше, чем у мыши, но у обеих есть важное сходство с человеческим мозгом – в частности, в организации коры головного мозга, внешнего слоя, который играет главную роль в абстрактном мышлении.

Внешний слой человеческого мозга, или кора, образует складки, чтобы ее поместилось как можно больше в пространстве черепа. Если расправить кору головного мозга взрослого человека, ее площадь составит 2500 квадратных сантиметров (как небольшая скатерть). Мозг крысы, наоборот, относительно гладкий. Несмотря на явные различия во внешнем виде и размере, на клеточном уровне оба мозга очень похожи.

Под микроскопом отличить нейрон крысы от нейрона человека практически невозможно. У мозга крысы и мозга человека сходные структуры, и они прошли одни и те же стадии развития. Крысы способны решать когнитивные задачи от различения запахов до нахождения выхода из лабиринта, и это позволяет исследователям соотносить активность их нейронов с выполнением тех или иных действий.