Есть несколько философских вопросов, которые практически всегда интересуют человечество, и один из старейших: «Сколько звезд на небе?» В Млечном Пути астрономы насчитывают около 200 млрд звезд, но сколько их всего — неизвестно. Есть и еще одна «астрономическая цифра», привлекающая всеобщее внимание,— количество нейронов в нашей нервной системе. В литературе можно встретить разные цифры (от 10 млрд до 100 млрд), по последним данным, их около 86 млрд, то есть все-таки несколько меньше, чем звезд в нашей галактике. Но достаточно, чтобы говорить о мозге как о целой неизученной вселенной, космосе внутри нас. Но если о космической программе не слышал, наверное, только ленивый, то что мы знаем о масштабных проектах по изучению мозга? Сегодня мы рассмотрим одну из таких «космических программ» Европейского союза — The Blue brain project.
Фото: RichVintage / Getty Images
Фото: RichVintage / Getty Images
В 2005 году известный исследователь мозга Генри Маркрам предложил необычную техническую задачу — создание масштабной суперкомпьютерной модели всех 100 млрд нейронов человеческого мозга. В своем выступлении на TED talks 22 июля 2009 года он предположил, что анализ работы такой модели позволит «понять восприятие, субъективный мир, а может, даже и физическую реальность». Эти идеи получили поддержку со стороны Европейского союза, а также корпорации IBM. Так в Политехнической школе Лозанны начался общеевропейский мегапроект по моделированию мозга на суперкомпьютере — The Blue brain project. Этот проект продолжался в течение восьми лет, с 2005 по 2013 год. В 2013 году, после получения дополнительного финансирования от Европейской комиссии в 1 млрд евро, проект получил другое имя — Human Brain Project (HBP) — и несколько изменил список своих целей. Основные цели проекта, заявленные на десять лет (2013–2023 годы):
— создать общеевропейскую инфраструктуру для нейробиологических исследований, обмена опытом между научными организациями, хранения и обработки накопленных больших данных;
— организовать сбор и систематизацию информации об организации мозга на нейронном уровне, функционировании отдельных нейросетей и основных заболеваниях мозга;
— создать компьютерную симуляцию нейронной модели мозга животных и человека.
Предстоит также разработать теоретические модели работы мозга (гипотезы и теории), вычислительных систем, необходимых для симуляции мозга и инспирированных механизмами работы мозга (суперкомпьютеры, роботы и т. д.).
В настоящий момент этот грандиозный проект включает 121 научный институт в 20 европейских странах и состоит из 12 подпроектов-направлений, каждое из которых решает свою узкую задачу, но все объединены общими целями в рамках HBP. Можно сказать, что проект подходит к концу и пора уже подводить некоторые итоги.
Проект Маркрама был рассчитан на несколько фаз исследований для достижения конечной цели — моделирования человеческого мозга со всеми его связями. При этом начало было положено собственными исследованиями ученого над корковой колонкой. Колонка — это вертикальная структура в коре головного мозга, объединяющая клетки из шести разных слоев, минимальная функциональная единица. Чем больше площадь коры, тем больше таких вычислительных единиц — колонок — в ней умещается. Первой
фазой исследования было моделирование на Blue Gene корковой колонки, затем всей соматосенсорной коры двухнедельной крысы и уже затем масштабирование системы до сложности коры мозга человека. Действительно, в 2006 году было объявлено об успешном завершении первой фазы исследований и функционирующей модели корковой колонки, состоящей из 10^4 нейронов. Исследователи воссоздали in silico (на компьютере) тот участок мозга крысы, который до этого досконально изучили на реальных биологических объектах. Это была первая модель корковой колонки клеточного уровня, созданная исключительно по биологическим данным. Результат был очень впечатляющим, и смоделированная колонка была названа «чертеж» (blue print), масштабируя который можно воссоздать целый мозг. Но для воссоздания 10^4 нейронов потребовалось задействовать 8192 процессора компьютера BlueGene, и стало понятно, что с имеющимися в настоящее время техническими возможностями достижимой целью может быть модель только из 10^5 нейронов.
Для того чтобы дойти до конца второго этапа проекта, потребовалось уже девять лет. Только в 2015 году в журнале Cell вышла статья, в которой была описана более масштабная симуляция. Это было такое же биологически точное повторение структуры участка соматосенсорной коры крысы 0,29±0,01 mm3, состоящего из нескольких колонок. Всего в данной симуляции было сымитировано около 30 тыс. нейронов, а это всего около 0,1–0,2 процента от мозга крысы. Однако и эта модель дала огромный объем информации: по сути, создание модели сопровождалось созданием целой энциклопедии различных типов клеток коры мозга, их возможных связей, электрической активности и других характеристик, не говоря уже о предсказании на модели результатов реальных экспериментов. Но, по всей видимости, исходных ожиданий эта «небольшая» модель не оправдала.