Виртуальный мозг

Учёным впервые удалось смоделировать работу целой системы мозга – новой коры, которая у человека составляет большую её часть. Поведение виртуального органа ничем не отличается от того, что наблюдается в лаборатории. До создания полной модели мозга осталось лет десять, утверждают авторы исследования. Их коллеги в такие прогнозы не верят.

Амбициозный проект по созданию детальной компьютерной модели головного мозга переступил знаковую черту. Швейцарские учёные, работающие в сотрудничестве с исследовательским центром IBM, сумели показать, что их компьютерная симуляция неокортекса – одной из наиболее сложных частей головного мозга млекопитающих – ведет себя идентично своему биологическому прототипу. Данная демонстрация позволяет учёным надеяться на развитие успеха и завершить моделирование всего мозга млекопитающих уже через 3 года, в то время как детальное построение модели мозга человека, по их оценкам, может быть завершено уже в следующем десятилетии.

По сути, учёные решают обратную инженерную задачу, имитируя поведение настоящего мозга с точностью до отдельного нейрона. Они надеются построить модель, которая сможет помочь ставить и проводить эксперименты, проверять гипотезы и анализировать последствия вмешательств, как оперативных, так и лекарственных, без необратимых последствий.

По словам Генри Маркрама, одного из директоров Института мозговой активности в Политехническом университете Лозанны, руководителя данных работ, объединенных названием The Blue Brain Project, модель неокортекса была закончена еще в прошлом году. Ученым понадобилось много времени для того, чтобы сравнить поведение модели с результатами биологических экспериментов. Удостоверившись в своей правоте на данном этапе, экспериментаторы готовы к продолжению работы и завершению модели всего мозга.

Первоначальной целью проекта было моделирование десяти тысяч нервных клеток и тридцати миллионов синоптических связей, составляющих в сумме неокортекс мозга крысы, сообщает Technology Review. Выбор неокортекса, основной части коры головного мозга у всех млекопитающих, в качестве отправной точки в построении модели был обусловлен комплексностью его структуры, состоящей из большого числа различных типов синапсов и ионных каналов.

Сама по себе модель базируется на пятнадцатилетнем опыте экспериментальной работы над морфологией нейронов, экспрессией генов, ионными каналами и электро-физиологических исследований поведения неокортекса крыс. Для того чтобы автоматически преобразовывать полученные данные в трехмерную физиологическую модель нейронов и их соединений, исследователям пришлось создать специальное программное обеспечение.

Чтобы протестировать свою модель циркуляции импульсов в виртуальном неокортексе, учёные симулировали возбуждающие сигналы и следили за дальнейшим поведением нервных каналов. Результаты они сравнивали с теми же показателями, снятыми с мозга реальных лабораторных крыс. Изменяя параметры модели – характер связей, время и тип реакции нейронов и так далее, – учёные добились точного соответствия поведения виртуального и реального неокортексов.
В ряде случаев ученым пришлось не раз возвращаться к лабораторным исследованиям мозга крысы, чтобы не допустить неточностей в дальнейшей работе смоделированного мозга.

Стоит отметить, что данные, полученные и используемые учеными, до сих пор не публиковались в рецензируемых изданиях, и вовсе не по причине того, что данная модель мозга является его первой компьютерной симуляцией. Как отмечает Кристоф Кош, профессор биоинженерии в Калифорнийском технологическом институте, первая, очень простая модель мозга из десяти тысяч нейронов была создана им в далеком 1989 году, так что эта работа носит скорее эволюционный характер, нежели революционный.

Базируясь на личном опыте, Кош очень сильно сомневается в том, что модель мозга человека может быть закончена в течение десятилетия. Эти высказывания – не более чем слова, считает ученый, так как ни один специалист в области нейронаук в мире не представляет себе всех сложностей, с которыми придется столкнуться в ходе конструирования компьютерной симуляции.

Кроме того, мозг крысы имеет около 20 миллионов нейронов, в то время как в черепной коробке человека спрятано их порядка сотни миллиардов.

Сам Маркрам не сомневается в успехе, так как уверен в надежности и корректности своей модели, расширять и улучшать которую можно до неопределенных размеров. Он также убежден, что с течением времени можно будет существенно улучшить уровень детализации модельной структуры. Сейчас она находится на уровне клетки, однако Маркрам готов замахнуться на молекулярные масштабы. Такое разрешение позволит воочию наблюдать действие различных препаратов на активные центры восприятия в мозге, как специфические молекулы вступают во взаимодействие с белками, рецепторами и ферментами.

Как отмечает специалист по вычислительным методам в Массачусетском технологическом институте Томас Серре, факт завершения полной модели человеческого мозга вряд ли будет большим удивлением для общественности. Вопрос же, по его мнению, стоит перенести в другую плоскость – о применимости этой модели. Ведь для того чтобы строить какие либо суждения, необходимо в первую очередь точно знать, как та или иная функция мозга проявляет себя в его нейронной активности.

До сих пор в проекте Маркрама этого не сделано. Более того, современных знаний о мозге просто недостаточно