Дэниел Хилл, сооснователь Thinking Machines Corp.
11. ОБРАТНАЯ РАЗРАБОТКА МОЗГА
В январе 2013 г. разорвались две бомбы, способные навсегда изменить ситуацию в медицине и науке. В одну ночь обратная разработка мозга, считавшаяся прежде слишком сложной для реализации, внезапно стала предметом гордости и средоточием научного соперничества между величайшими экономическими державами мира.
Во-первых, в послании к Конгрессу президент США Барак Обама поразил ученое сообщество заявлением о том, что на проект BRAIN (Brain Research Through Advancing Innovative Neurotechnologies — Изучение мозга через продвижение инновационных нейротехнологий) могут быть выделены федеральные средства в объеме до $3 млрд. Подобно проекту расшифровки человеческого генома (Human Genome Project), открывшему шлюзы генетических исследований, BRAIN будет способствовать раскрытию тайн мозга на нейронном уровне путем картирования электрических связей мозга. После появления такой карты можно будет не только разобраться во многих непонятных пока болезнях вроде синдрома Альцгеймера, болезни Паркинсона, шизофрении, слабоумия и биполярного расстройства, но со временем и научиться лечить их. Для начала в 2014 г. на проект может быть выделено $100 млн.
Почти одновременно Европейская комиссия объявила о выделении €1,19 млрд (около $1,6 млрд) на проект по исследованию человеческого мозга (Human Brain Project) с целью создания компьютерной модели мозга. При помощи крупнейших суперкомпьютеров планеты будет создана копия человеческого мозга на транзисторах.
Сторонники обоих проектов подчеркивают их громадную пользу для человечества. Президент Обама не забыл указать, что BRAIN не только облегчит страдания миллионов людей, но и создаст новые источники дохода. Каждый доллар, потраченный на Human Genome Project, утверждает он, даст толчок экономической деятельности примерно на $140. После завершения проекта возникнут новые отрасли. Для налогоплательщиков проект BRAIN, как и Human Genome Project, — беспроигрышный.
В речи Обамы не было подробностей, но ученые быстро заполнили многие пробелы. Нейробиологи указали на то, что, с одной стороны, сегодня при помощи тончайших инструментов уже можно наблюдать электрическую активность отдельных нейронов. С другой стороны, аппаратура МРТ позволяет отслеживать поведение мозга в целом. Не хватает, говорили они, серединки, где сосредоточена большая часть интересной активности мозга. Именно в серединке, включающей в себя связи в группах нейронов численностью от нескольких тысяч до нескольких миллионов, зияют громадные дыры в наших представлениях о болезнях психики и поведении.
Чтобы разобраться в этой серьезнейшей проблеме, ученые составили примерную программу, рассчитанную на 15 лет. За первые пять лет нейробиологи рассчитывают проследить электрическую активность десятков тысяч нейронов. Среди краткосрочных целей — реконструкция электрической активности важных отделов мозга животных, таких как продолговатый мозг дрозофилы или ганглиозные клетки в сетчатке мыши (там содержится 50 000 нейронов).
За десять лет это число должно увеличиться до сотен тысяч нейронов. Возможно, удастся смоделировать мозг дрозофилы (135 000 нейронов) или даже коры мозга этрусской землеройки — самого мелкого известного млекопитающего с мозгом из 1 млн нейронов.
Наконец, к концу 15-летнего срока ученые должны научиться наблюдать за миллионами нейронов (это может быть, например, мозг рыбки данио или неокортекс мыши). Все это продолжит дорогу к картированию отдельных участков мозга приматов.
Тем временем в Европе Human Brain Project подойдет к проблеме с другой стороны. За десять лет ученые при помощи суперкомпьютеров должны смоделировать базовые функции мозга различных животных, начиная с мыши и заканчивая человеком. Вместо того чтобы разбираться с отдельными нейронами, предполагается имитировать их поведение при помощи транзисторов, так что в результате должны появиться компьютерные модули, способные работать, как неокортекс, таламус и другие части мозга.
В итоге соперничество между двумя гигантскими проектами может дать неожиданный дополнительный эффект в виде новых открытий и новых отраслей промышленности. Но у них есть и другая, незаявленная, цель. Если в конце концов человеческий мозг удастся повторить «в железе», означает ли это, что мозг может стать бессмертным? Означает ли это, что сознание может существовать отдельно от тела? Разворачивающиеся амбициозные проекты затрагивают глубочайшие теологические и метафизические вопросы.
Строительство мозга
Подобно многим другим, я в детстве обожал разбирать часы, постепенно развинчивая их, чтобы потом посмотреть, как там все устроено и работает. Я понимал, что пружина поворачивает главное колесико, которое, в свою очередь, передает движение на мелкие колесики, а они поворачивают стрелки.
Сегодня компьютерщики и нейробиологи пытаются сделать примерно то же самое с самым сложным из известных нам объектом во Вселенной — с человеческим мозгом. Мало того, они хотят потом собрать его заново, нейрон за нейроном.
Благодаря стремительным успехам в области автоматизации, робототехники, нанотехнологий и нейробиологии обратная разработка (т.е. расшифровка, а затем и воспроизведение структуры) мозга перестала быть только темой для пустого светского разговора. Очень скоро в США и Европе миллиарды долларов будут вложены в проекты, которые прежде считались абсурдными. Сегодня лишь небольшая группа ученых-мечтателей готова посвятить свою профессиональную жизнь проекту, завершения которого они могут и не увидеть. Завтра этот отряд может превратиться в настоящую армию, щедро финансируемую США и Европой.
Если все получится, эти ученые смогут изменить историю человечества. И дело, скорее всего, не ограничится новыми лекарствами и методами лечения психических заболеваний; не исключено, что им удастся открыть секрет сознания, а может быть, и загрузить сознание в компьютер.
Невероятно сложная задача. Человеческий мозг состоит из более чем 100 млрд нейронов (примерно столько же звезд включает в себя наша Галактика). Каждый нейрон, в свою очередь, соединен с примерно 10 000 других нейронов, так что всего в мозгу имеется 1015 возможных связей (и мы еще не считали пути, по которым может пройти сигнал в толще нейронной массы). Таким образом, число «мыслей», которые могут возникнуть в человеческом мозгу, поистине астрономическое и исчислению не поддается.
Все это не остановило небольшую группку увлеченных ученых от попытки воспроизвести структуру мозга с нуля. Старая китайская поговорка гласит: «Путь в тысячу ли начинается с первого шага». Таким первым шагом стала расшифровка, нейрон за нейроном, нервной системы червя-нематоды. У этого крохотного существа под названием C. elegans 302 нейрона и 7000 синапсов, и все они теперь известны наперечет. Точную схему нервной системы этого червя можно найти в Интернете. (На сегодня это единственный живой организм, нервная структура которого полностью расшифрована.)
Поначалу казалось, что полная расшифровка этого организма откроет путь к аналогичному исследованию человеческого мозга. Получилось, по иронии судьбы, строго наоборот. Хотя число нейронов у нематоды конечно, их сеть оказалась настолько сложной и запутанной, что разбираться даже в простых принципах поведения червя (скажем, какой нервный путь отвечает за какое поведение) пришлось не один год. Но если даже низкоорганизованная нематода ускользает от нашего понимания, то что говорить о человеческом мозге! Простой пример помог ученым оценить всю сложность стоящей перед ними задачи.
Три подхода к мозгу
Мозг настолько сложен, что существует целых три способа разобрать его на части, нейрон за нейроном. Первый состоит в том, чтобы при помощи суперкомпьютеров создать электронную модель мозга; именно этот подход выбрали европейцы. Суть второго — составить карту нервных путей живого мозга, как в проекте BRAIN. (Эту задачу, в свою очередь, можно разделить на несколько подзадач в зависимости от метода исследования — анатомического, нейрон за нейроном или по выполняемой функции и активности.) И третий способ: можно расшифровать гены, управляющие развитием мозга. Пионером на этом пути стал миллиардер Пол Аллен из Microsoft.
При первом подходе — моделирование мозга при помощи транзисторов и компьютеров — сначала предполагается провести обратную разработку мозга животных в определенной последовательности: сначала мышь, затем крыса, кролик и кошка. Европейцы хотят пройти по пути эволюции, начав с простого мозга и продвигаясь постепенно к более сложному. Для компьютерщика решение этой проблемы определяется исключительно мощностью компьютеров — чем больше, тем лучше. И это означает, что для расшифровки мозга мыши и человека будут задействованы мощнейшие компьютеры планеты.
