3 фунта ткани между вашими ушами обеспечивают огромную вычислительную мощность, по оценкам, от 1028 флопсов. Это намного превышает 1018 экзафлопсной машины, хотя в этом утверждении неявно заложена идея о том, что мозг на самом деле представляет собой что-то вроде цифрового компьютера. Один из признаков того, что это не так: вашему аналоговому серому веществу для мышления требуется весьма скромная мощность – всего лишь от 10 до 20 Вт. Экзафлопсный суперкомпьютер Frontier должен охлаждаться тысячами галлонов воды в минуту, а человеческий мозг работает при температуре всего 38,5 °C[495]. Сводить мозг к флопсам кажется таким же бессмысленным, как исчислять значимость произведения искусства его размером.
Мозг, без сомнения, является самым сложным и наименее изученным элементом человеческого тела. По мере того как мы его изучаем, появляются новые идеи, например, из недавнего исследования части мозговой ткани размером с кунжутное семя из коры головного мозга 45-летней женщины, из-за эпилепсии перенесшей операцию в Массачусетской больнице общего профиля, Бостон[496]. После окраски тяжелыми металлами, разрезания на 5000 частей и изучения с помощью электронной микроскопии команда из Гарвардского университета и других организаций использовала вычислительные методы для визуализации трехмерной структуры 50 000 клеток, сотен миллионов проекций нейронов и 130 миллионов синаптических связей. Исследование выявило несколько клеток, которые соединялись 10 или даже 20 раз. Учитывая аналогичные наблюдения на мышах, возможно, редкие мощные импульсы могут быть общей особенностью мозга млекопитающих.
Этот кусочек мозга размером в 1 мл содержал 20 139 олигодендроцитов (разновидность глиальных клеток), а также 8096 сосудистых клеток, 10 531 шиповатый нейрон (из которых 8803 имели четкую пирамидальную форму), и показал, что количество глии превышает количество нейронов в соотношении 2 к 1 (32 315 против 16 087). Шиповатые составляли 69 % нейронов, а 31 % нешиповатых были классифицированы как интернейроны (4688). Существовала еще группа из 868 нейронов, которые с трудом подпадали под эту бинарную категоризацию. Учитывая сложность даже этого маленького кусочка мозга, смоделировать все 86 миллиардов его клеток (нейронов), каждая из которых имеет в среднем 7000 связей с другими нейронами (синапсами), будет грандиозной задачей.
Несмотря на это, уже достигнут значительный прогресс. Ученые всего мира создали карты, которые каталогизируют и отображают разнообразные клетки мозга и их свойства[497]. Опираясь на эти и другие данные, виртуальный мозг и его моделирование входят в число целей проекта «Человеческий мозг», который опирается на усилия более 700 ученых из более чем 140 университетов, больниц и исследовательских центров по всей Европе, а также пяти суперкомпьютерных центров, включая Суперкомпьютерный центр Барселоны.
Некоторые аспекты этого набора исследовательских программ направлены на получение базовых знаний: открытие того, что высокочастотные колебания передают «пакеты информации» от одной небольшой группы нейронов к другой, находящейся далеко (с клеточной точки зрения) в мозге[498], рисование всей карты связей коры головного мозга человека[499] или разработка математической основы для количественного воспроизведения всего диапазона связей мозговой сети[500]. Другие решают более практические проблемы, такие как способы обмена соответствующими медицинскими данными о мозге, хранящимися в тысячах больниц.
Моделирование – ключевой ингредиент. Некоторые команды разрабатывают упрощенные, но точные модели дендритов – сложных древовидных структур, простирающихся между нейронами, которые делают гораздо больше, чем просто собирают сигналы: дендриты интегрируют и сравнивают входные сигналы, чтобы найти специальные комбинации, важные для роли нейронов[501]. Другие использовали компьютерное моделирование нейронных цепей спинного мозга, опираясь на исследования, которые позволили людям с параличом нижних конечностей снова начать ходить с помощью эпидуральной электрической стимуляции (целенаправленная стимуляция спинного мозга), чтобы позволить пациентам с травмами спинного мозга восстановить контроль над своим кровяным давлением[502]. Другая инициатива ЕС, Neurotwin, направлена на разработку близнецов мозга, способных предсказать эффект транскраниальной электромагнитной стимуляции, или ТМС[503], когда магнитные поля используются для того, чтобы вызвать протекание токов в определенных областях мозга, например, для лечения депрессии и для базовых исследований. Чтобы подтвердить эффективность этого подхода, Роджер принял участие в эксперименте по использованию ТМС для временного отключения его способности говорить[504].
Еще одним ключевым компонентом проекта «Человеческий мозг» является The Virtual Brain, TVB, платформа моделирования с открытым исходным кодом, которая объединяет экспериментальные данные о мозге из различных источников для улучшения понимания основных механизмов работы мозга. Механизм моделирования мозговой сети, основанный на моделях популяции нейронов и структурной информации, полученной при нейровизуализации, с 2010 г. находится в стадии разработки под руководством Виктора Йирсы, директора Института нейробиологии Inserm в Университете Экс-Марсель, и его коллег Рэнди Макинтоша из Бэйкрест-центра Торонто и Петры Риттер из клиники Шарите в Берлине.
Эти виртуальные модели мозга способны имитировать визуализацию мозга, которая часто проводится в больницах. Одним из примеров использования виртуального мозга является лечение эпилепсии, от которой страдают около 50 миллионов человек во всем мире. Во многих случаях судороги, свойственные заболеванию, можно контролировать с помощью лекарств. Однако около трети пациентов устойчивы к лекарствам, и единственным выходом для хирургов является удаление эпилептогенной зоны – эпицентра в мозгу, где приступ возникает, а затем распространяется. Эту область необходимо определить как можно точнее, что очень сложно, и в результате уровень успеха операции составляет всего около 60 %. Чтобы помочь врачам спланировать эту сложную операцию, команда виртуального мозга создает персонализированные модели мозга пациентов и имитирует распространение аномальной активности во время судорог[505]. На момент написания «виртуальный пациент с эпилепсией» (ВЭП) тестировался на более чем 350 пациентах в 13 французских больницах, что представляет собой первый пример персонализированного подхода к моделированию мозга[506].
Во-первых, персонализированная модель мозга создается на основе собственных данных пациента об анатомии, структурных связях и активности его мозга. Посредством ряда шагов эти данные преобразуются в динамическую сетевую модель, имитирующую распространение приступов по мозгу. Высокопроизводительные вычисления и ИИ позволяют адаптировать модели мозговой сети под конкретного пациента и создать индивидуальную платформу моделирования мозга in silico для проверки клинических гипотез и разработки методов лечения. На момент написания в рамках проекта «Человеческий мозг» с целью перенести эту инновацию из лабораторий к пациентам была создана первая дочерняя компания Virtual Brain Technologies (VB Tech). Йирса рассказал нам, что, используя ВЭП в качестве своей первой технологии, VB Tech стремится разработать персонализированную технологию виртуального мозга, чтобы изменить диагностику и лечение пациентов, страдающих заболеваниями головного мозга[507].
Рисунок 42. Виртуальный мозг: реконструкция областей мозга и мест их соединения, показанных узлами (изображение предоставлено Институтом нейробиологии Inserm [InS], Марсель)
Персонализированные модели мозга могут быть использованы для прогнозирования последствий опухолей и планирования их удаления с помощью операции на головном мозге, при которой по очевидным причинам необходимо оставить как можно большую часть окружающей ткани нетронутой. Методы визуализации часто используются для планирования операции, но они слишком грубы, чтобы предсказать послеоперационные результаты из-за сложной динамики мозга.
Используя программное обеспечение с открытым исходным кодом The Virtual Brain, Ханнелора Аэртс и команда под руководством Даниэле Маринаццо смоделировали 25 отдельных сетей мозга пациентов с опухолью головного мозга и 11 контрольных. Они обнаружили, что индивидуальные модели могут точно предсказать влияние опухолей на связи мозга. Этот результат открывает возможность использования виртуального моделирования мозга для улучшения планирования операций и, как следствие, их успеха[508].
Исследователи виртуального мозга также изучают инсульты – основную причину смерти и инвалидности, когда кровоснабжение мозга нарушается, будь то кровотечение или закупорка, вызванная тромбом. Ана Солодкин из Калифорнийского университета в Ирвине и ее коллеги использовали The Virtual Brain и данные 20 человек, перенесших инсульт, а также 11 человек из контрольной группы, чтобы изучить его влияние на динамику мозга. Эти исследования дают глубокое понимание влияния четко обозначенных поражений головного мозга на общую функциональность и здоровье органа. Команда надеется понять, как сложные сети мозга реагируют на изолированный сбой некоторых узлов, а также найти наилучшие пути восстановления для отдельных пациентов[509].
Как и многие другие команды, работающие над моделированием мозга, команда из Окленда также разбирает наш самый сложный орган, по аспекту за раз. Их модель всей сердечно-сосудистой системы организма особенно актуальна, поскольку нейроны более чувствительны к кислородному голоданию, чем другие виды клеток, которые имеют низкую скорость метаболизма.
Чтобы связать свою работу с клеточным уровнем, команда работает с Мэриэнн Мартоне из Калифорнийского университета в Сан-Диего, которая возглавляет Информационную систему нейробиологии США. Мартоне интересуется, как многомасштабная визуализация мозга может помочь интегрировать данные нейробиологии по анатомии мозга, заболеваниям, молекулярной биологии и т. д., которые были получены разными исследователями на разных популяциях пациентов с использованием разных методов и разных наборов данных. Платформа, запущенная в 2008 г., предоставляет инструменты, ресурсы и стандартизированные онтологии для объединения этих разрозненных данных[510].
Рисунок 43. Кровоток через Виллизиев круг, соединяющий артерии с мозгом, смоделированный с использованием кода Питера hemeLB (compBioMed и Суперкомпьютерный центр Барселоны)
Команда из Окленда изучает церебральную ауторегуляцию – механизм обратной связи, который обеспечивает необходимое количество крови для снабжения сосудов головного мозга в зависимости от его потребности в кислороде. Сигналы нейронов и глии вызывают расширение кровеносных сосудов, в которых эндотелиальные клетки, перициты и гладкомышечные клетки действуют согласованно, чтобы доставить больше крови в нужное место вместе с кислородом и питательными веществами, а также удалить побочные продукты метаболизма мозга. Их модель может моделировать здоровую нейрососудистую связь, а также ее нарушение при гипертонии, болезни Альцгеймера и ишемическом инсульте.
Еще одним предметом интереса являются черепно-мозговые травмы, которые представляют собой растущую медицинскую и социально-экономическую проблему, поскольку врачи все лучше спасают жизни пациентов с серьезными травмами головы, особенно полученными в результате автомобильных аварий. Последствия этих травм остаются плохо изученными, что затрудняет борьбу с краткосрочными и долгосрочными рисками, начиная от кровоизлияния в мозг и заканчивая деменцией. Хантер надеется, что многомасштабные вычислительные модели, носимые датчики и портативные устройства для измерения воздействия можно будет объединить с передовой нейробиологией, основанной на культивировании клеток головного мозга, для определения порога повреждения и возможных целей для эффективного лечения.
Возможно, у виртуального человека даже будет обоняние. Коллеги Хантера используют методы искусственного интеллекта для разработки проводящих и нервных путей, связанных с нашей способностью различать запахи, когда информация, собранная и обработанная носом, поступает в структуру мозга, называемую обонятельной луковицей. Молекулы, переносимые по воздуху, связанные с запахами, заставляют рецепторные клетки, выстилающие нос, посылать электрические сигналы пучкам нервных окончаний в луковице, а затем клеткам мозга (нейронам). Однако прошлый опыт меняет способ обмена нейронами химической информацией, которую они получают из носа, и именно так мозг может организовать химически разные, но похожие запахи, такие как апельсин и лимон, в категорию, известную как цитрусовые[511]. Моделируя мозг, можем ли мы пойти еще дальше?