Мозг - Страница 49

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?