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.
Последовательная электронная микроскопия и коннектом
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?
Требует ли сознание материальной основы?
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.
Мозг крысы
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.
