Томас ДеМарс, профессор биомедицинской инженерии Флоридского университета (США), стал автором сенсационного проекта. Из клеток крысиного мозга он вырастил отдельный живой «мозг» и, подсоединив к компьютеру, обучил его управлять симулятором военного самолета
МОЗГ-ПИЛОТ
Это только начало, — рассказал Томас Де- Марс. — Открытие позволит ученым сделать то, о чем они раньше могли только мечтать: увидеть, как взаимодействуют клетки мозга.
«Мозг» — это 25 тысяч живых нервных клеток мозга крысы, помещенных в чашку Петри и подсоединенных через электроды к компьютеру. Это уникальное «окно», сквозь которое ученые могут наблюдать за работой мозга на клеточном уровне. Видя, как взаимодействуют клетки мозга, ученые смогут понять, что вызывает нервные расстройства, такие, например, как эпилепсия, и найти безоперационные методы их лечения.
Будучи «живым компьютером», созданная ДеМарсом модель может быть использована очень широко: например, для беспилотного управления самолетом или для выполнения заданий, опасных для жизни человека, — вплоть до разыскных и спасательных операций.
«Наш мозг обладает фантастической вместительностью! — говорит Томас ДеМарс. — Вы легко можете вспомнить, что вы делали, когда вам было пять лет. Для человека это в порядке вещей, но компьютер пока на такое не способен. Если мы вычислим, как работают нейронные сети мозга, то есть как нейроны складываются во время работы в своеобразные «мозаики», мы сможем применить их для создания новых компьютерных сетей».
Экспериментальный «мозг» ДеМарса взаимодействует с симулятором военного самолета F-22 через специально созданную систему, называемую «мультиэлектродным массивом», и простой настольный компьютер.
«Электродный массив» — это фактически «тарелка» с 60 электродами, объединенными в сеть на самом ее дне, — объясняет ДеМарс. — Поверх них и размещаются нервные клетки из мозга крысы. Они с большой скоростью делятся и наводят между собой живые «мостики», образуя нейронную сеть».
Мозг и симулятор налаживают между собой двустороннее взаимодействие, похожее на то, которое возникает, когда нейроны человека получают и анализируют сигналы, поступающие от тела. Чтобы контролировать симуляционный полет самолета, нейроны вначале получают информацию из компьютера об условиях полета: летит ли самолет прямолинейно или поворачивает вправо или влево. Затем нейроны анализируют данные и отвечают, посылая сигналы в центр контроля самолета. Эти сигналы меняют направление полета, и новая информация посылается нейронам, создавая систему взаимодействия. ДеМарс и его коллега Хосе Принсипе получили на дальнейшие разработки проекта правительственный грант в 500 000 долларов. Они планируют создать математическую модель, отображающую работу нейронов мозга. Хотя уже сейчас созданная Томасом ДеМарсом культура нервных клеток способна управлять симулятором самолета, ученый заявляет: основные достижения и открытия еще впереди.
Корреспондент «Огонька» задал создателю «мозга-пилота» несколько вопросов по телефону:
— Почему вы использовали для создания «мозга» мозг крысы?
— Мы выбрали именно крысу, потому что эта модель самая простая и удобная для исследований. Почему не мозг человека? Это даже не вопрос этики, с ним просто было бы очень сложно работать.
— Как происходит «обучение» мозга управлению самолетом?
— Изначально, когда мы прикрепляем «мозг» к симулятору полета, он не знает, как управлять самолетом. Поэтому вначале самолет просто летит по случайной траектории. По мере поступления информации в нейронной сети происходят определенные модификации, и постепенно нейронная сеть учится управлять самолетом. На данный момент нейроны способны контролировать высоту и скорость полета в зависимости от того, есть ли на небе тучи или оно ясное, дует ли ветер или бушует ураган.
— Долго ли «живет» созданный вами «мозг»?
— «Мозг» может существовать от трех дней до двух лет.
— Как вы за ним ухаживаете? Чем вы его кормите?
— Мы «подкармливаем» клетки раз в неделю, добавляя в сосуд специальный раствор. А ухаживать просто — надо только содержать «мозг» в тепле.
Член-корреспондент РАМН, начальник отдела системогенеза НИИ нормальной физиологии Константин АНОХИН подтвердил «Огоньку», что эксперименты, аналогичные флоридскому, не новость, и объяснил, зачем они нужны:
— Соединение биологической и информационной систем может очень много дать как компьютерной технике, так и медицине. Так, например, японские специалисты ряда крупных компаний исследуют нейроные сети, растущие на электродных платах, для конструирования нового поколения компьютеров и роботов. В медицине такие системы используются при изучении эффектов новых фармакологических препаратов. Они дают возможность проследить in vitro, как влияют различные вещества на работу целой нервной сети, а не одной клетки, что практиковалось прежде.
Для экспериментов с подключением нейронов к компьютеру обычно используют незрелые нервные клетки, которые способны устанавливать контакты между собой. Разрозненные клетки помещают в чашку Петри, где они растут и образуют нервную сеть. На дне чашки находится электродная плата с десятками полосок-электродов, которые пересекаются отростками нервных клеток. Каждый раз, когда нейрон генерирует нервный импульс, пластинка регистрирует его и передает в компьютер. Таким образом можно получить двухмерную картину, наглядно демонстрирующую, в какое время в какой части пластины работал какой нейрон.
Первопричиной создания таких нейроэлектронных гибридов были не нужды фармакологии или промышленности, а желание понять принципы работы мозга. Ведь до сих пор мы не можем разобраться в том, как решает свои задачи целый мозг, состоящий из десятков миллиардов нейронов. И потребовалась модельная система, аналогичная целому мозгу, но уменьшенная количественно и доступная для наблюдений.
Похоже, что нейронные культуры воспроизводят ряд свойств самоорганизации целого мозга. Например, они способны к самообучению. Когда компьютер при помощи электродов подает разнообразные сигналы нервным клеткам в чашке Петри, они начинают улавливать корреляцию между этими сигналами. Особенно эффективно такая система заработает, если установить обратную связь, то есть через компьютер дать понять нейронам, что определенная их реакция — правильная, а другая — нет. Тогда система нейронов способна выработать целую стратегию поведения с большими потоками сигналов.
Другие проекты
«Нейрон-компьютер»
Ученые из Дьюкского университета (США, Северная Каролина) разработали алгоритм, позволяющий переводить мысли о движении руки в компьютерный приказ. 11 пациентам, страдающим болезнью Паркинсона, было вживлено по 32 электрода толщиною с человеческий волос в область головного мозга, отвечающую за управление конечностями. Электроды по беспроводной системе подключались к ПК, на котором больные играли в компьютерные игры. В результате эксперимента ученым удалось расшифровать нейронный код, с помощью которого мозг управляет телом. Теперь медики утверждают, что методика вживления в мозг электронных чипов, усовершенствованная должным образом, через несколько лет позволит людям с нарушенной моторикой мысленно управлять протезами.
В Эрморском университете Атланты (США) научили резус-макак мысленно управлять роботизированной рукой. Для этого в область головного мозга кортекс, отвечающую за движение, было вживлено по 320 электродов. Управляя джойстиком, обезьяны научились шевелить искусственной рукой. А ученые получили возможность изучить потоки электрической энергии, преобразованной из сигналов обезьяньих нейронов. В конце концов животные усвоили, что, для того чтобы двигать конечностями, достаточно подумать об этом. Между прочим, имплантанты в мозгу макак служили им до трех лет.
Исследователи из Института биохимии Макса Планка (Германия) соединили ряд живых нервных клеток с элементами кремниевого чипа. Так была образована схема кремний-нейрон-нейрон-кремний. Входной электрический импульс приводил в возбужденное состояние первый нейрон, тот посылал сигнал второму, второй подхватывал сигнал и «передавал» его на транзистор. В эксперименте использовались нейроны не человеческие или самого распространенного подопытного животного — крысы, а улитки Lymnaea stagnalis из-за больших размеров их нервных клеток, доступных для манипуляций обычными инструментами.
Нейроинженерия давно пыталась достичь подобного результата: гибридные схемы из живых и неживых элементов в будущем позволят заменять поврежденные биомеханизмы на искусственные имплантанты, управляемые нервной системой.
Нейрофизиологи из Технологического института Джорджии (США) совместно с искусствоведами из Университета Западной Австралии научили крысиные нейроны рисовать. Для исполнения эксперимента американцы взяли кусок мозга грызуна и подсоединили его нейроны к 60 электродам, а те — к компьютеру. ПК «читает» нейронные сигналы в Америке. Переданные по электронной почте потоки сознания крысиных нейронов изливаются на бумагу при помощи трех цветных фломастеров уже на австралийском континенте.
Анастасия ПЕТРЕНКО
Елена СВЕТЛОВА