Письмо первое. Сквозь нейронные джунгли
Опубликовано в журнале Урал, номер 9, 2013
Чеховское «Письмо к ученому соседу» обычно считают неким вопиющим примером непросвещенного сознания, которое, столкнувшись с научными теориями, приходит от них в полное недоумение и тут же принимается их опровергать исходя из собственного опыта и здравого смысла. Это все, конечно, так. Но есть и другой момент. Здравый смысл имеет перед наукой одно серьезное преимущество: по сравнению с научным аналитическим знанием здравый смысл синтетичен, его в первую очередь интересует, как ответы науки помогают выстраивать непротиворечивую картину целого мира, а не только какой-то одной его части. И здравый смысл задается вопросами, на которые наука потом долго и трудно отвечает и находит удовлетворительное решение далеко не всегда. Урядника Василия Семи-Булатова более всего удивляет в научных воззрениях его «ученого соседа», «что человек произошел от обезьянских племен мартышек орангуташек». Аргументация урядника, конечно, не выдерживает критики, но вывод-то его с точки зрения современной науки — верен: да, действительно, «мартышки» никак не могут считаться предками человека, разве что многоюродными родственниками, они принадлежат совсем к другой ветви эволюции высших приматов. Все оказалось намного сложнее, чем казалось «ученому соседу». Но одна из задач научного просвещения — это ответы на вопросы, которые задает здравый смысл. Если наука не снисходит до того, чтобы сделать свои современные ответы (то, до чего она смогла додуматься) понятными здравому смыслу, находится слишком много желающих ответить — и тогда расцветает паранаука, которая уж точно все ответы знает. В этой колонке я попробую в меру сил отвечать на такие простые вопросы. Их много, и они почти всегда очень сложны, несмотря на простоту формулировки, и далеко не на все удовлетворительный ответ сегодня найден. «Как устроена Вселенная?», «Есть ли жизнь на Марсе?», «Зачем человек спит?»…
Ученые подходят к этим вопросам с разных сторон, строят и опровергают гипотезы, находят экспериментальные подтверждения. Это все вопросы самого переднего края современной науки. А начну я с простого вопроса: «Можем ли мы надеяться, что когда-нибудь узнаем, как работает мозг?»
Письмо 1
Сквозь нейронные джунгли
В мозге человека около 100 миллиардов нейронов. У каждого нейрона в среднем около тысячи синапсов — связей, которые соединяют его с другими нейронами. То есть синапсов примерно на порядок больше, чем деревьев на Земле. Все это переплетное многообразие произрастает в голове любого человека. Это такие непроходимые джунгли, которые мы представить себе не можем. И тем не менее ученые считают, что мы уже готовы не только пробраться сквозь эту непролазную чащу, но и наконец понять, как же работают эти полтора килограмма живого вещества.
2 апреля 2013 года президент США Барак Обама объявил о начале новой научной программы, целью которой является получение полной карты мозга человека, всех его нейронов и синапсов (межнейронных связей). Проект получил название BRAIN Initiative (Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies — Исследование мозга человека при помощи передовых нейротехнологий).
Программа рассчитана на 10 лет. Финансирование начнется с 2014 года. В бюджете 2014 года правительство США намерено выделить первые 100 миллионов долларов на начало исследований. В рабочую группу, которая готовит детальные рекомендации для проекта, входят представители государственных организаций: Национального института здоровья (National Institutesof Health), Агентства по перспективным оборонным научно-исследовательским разработкам (Defense Advanced Research Projects Agency — DARPA) и Национального научного фонда (National Science Foundation). О своей поддержке проекта заявили частные институты и фонды1. Представляя проект, Обама сказал: «Человечество научилось идентифицировать галактики на расстоянии многих световых лет и изучать частицы мельче атома, но мы до сих пор не разгадали загадку этих полутора килограмм вещества в нашей голове… Представьте, что больше не будет семей, которые беспомощно наблюдают, как их близкие скрываются за маской болезни Паркинсона или страдают от приступов эпилепсии. Представьте, что мы сможем исправлять последствия травм мозга и посттравматического синдрома у наших ветеранов, возвращающихся домой. Что, если компьютеры смогут реагировать на наши мысли или языковые барьеры исчезнут?»2
Президент США сравнил проект BRAIN с другим глобальным проектом — расшифровкой генома человека (Human Genome Project). Проект «Геном человека» продолжался 13 лет и стоил американскому налогоплательщику 3,8 миллиарда долларов. Но он завершился экономическим триумфом. Фактически родилась даже не одна, а несколько областей знаний, и возникли целые отрасли экономики — и это только начало. По оценке, приведенной Обамой, каждый вложенный в «Геном человека» доллар уже принес $140, и в дальнейшем экономический эффект будет только нарастать.
Детальный план проекта BRAIN должен быть готов не позднее осени 2013 года, и, вполне возможно, читатели этих заметок уже знакомы с ним. Но пока я бы хотел поговорить о тех трудностях, с которыми столкнутся ученые, о том, как они намереваются их преодолевать и какие перспективы они видят для науки, для экономики и для всего человечества, если проект увенчается успехом.
В своей речи Обама во многом опирался на статью, написанную шестью выдающимися нейробиологами. Статья называется «TheBrainActivityMapProjectandtheChallengeofFunctionalConnectomics» — она опубликована в июньском номере журнала «Neuron» за 2012 год. Название можно перевести так: «Проект получения карты активности мозга и проблема функциональной связанности мозга». В своих заметках я тоже буду опираться в основном на нее.
Статья начинается эпиграфом, который принадлежит американскому физику, нобелевскому лауреату Филипу Уоррену Андерсону (Philip Warren Anderson). В своей книге «Большее есть другое» («More Is Different») он писал: «Поведение больших и сложных объединений элементарных частиц нельзя понять, просто экстраполируя свойства малого количества частиц, напротив, на каждом уровне сложности возникают совершенно новые свойства».
Сегодня мы можем судить о работе всего мозга, анализируя реакции человека, — так поступает психоанализ и другие методы психотерапии. Можем наблюдать активность больших регионов мозга, состоящих из многих миллионов нейронов. Эту возможность нам предоставляют такие современные методы, как fMRT — функциональная магниторезонансная томография. Томограф наблюдает не сами нейроны, а потоки крови, но мы знаем, что области мозга, которые в данный момент наиболее активны, нуждаются в более интенсивном кровоснабжении, и по такой косвенной информации можем судить о работе мозга. Мы, наконец, можем ввести напрямую в мозг пучки электродов и регистрировать активность отдельных нейронов3 или «подсветить» группы нейронов и наблюдать их в микроскоп — предельное количество нейронов в таких экспериментах около тысячи (это из 100 миллиардов). Все эти методы совершенно неудовлетворительны для тех целей, которые ставит перед собой BRAIN.
Попробуйте посмотреть на страницу «Урала» с расстояния два-три метра. Что вы видите? Рисунок абзацев. Смену светлых и темных пятен. Вероятно, с такого расстояния можно отличить стихи от прозы, но тоже не всегда. Смысл текста нам останется недоступен. Примерно такую весьма приблизительную картину нам и дает fMRT. Теперь представим ту же страницу, но с которой все буквы почти стерты и остались только несколько точек краски, каждая из которых входила в какую-то букву. Точно так же мы ничего не узнаем о самом тексте. Это картинка, которую нам дает наблюдение тысячи нейронов.
Но нас-то интересует смысл написанного, то есть некоторое среднее разрешение, а вот оно в исследовании мозга начисто отсутствует.
Инициаторы проект BRAIN сформулировали задачу так: мы хотим получить, во-первых, полную карту спокойного мозга — то есть каждую связь каждого нейрона, во-вторых, полную карту активного мозга, то есть отслеживать в реальном времени — на экране монитора, как возникают, распространяются и гаснут возбуждения, как нейроны образуют активные подсистемы.
Мозг представляет собой сложно связанную систему, и его деятельность необъяснима, если мы будет анализировать только работу отдельных клеток и экстраполировать полученные результаты на весь мозг. При объединении нейронов возникают совершенно новые качества и свойства (об этом и говорит Андерсон). Такие системы называются эмерджентными (от англ. emergent — возникать). Мозг — эмерджентная система.
Когда человек страдает психическим расстройством — аутизмом или шизофренией, у него, как правило, все в порядке с кровоснабжением клеток мозга (это мы видим с помощью fMRT) и у него вроде бы нормально работают отдельные нейроны. Но в мозге нарушен характер связей. Что-то идет не так, когда нейроны должны работать согласованно. Пока мы не поймем, в чем же смысл согласования и как из отдельных нейронов формируются активные в данный момент подсистемы, — мы ничем не поможем людям, страдающим этими заболеваниями.
Есть и другой интересный момент. Американский популяризатор науки Джона Лерер4 описал любопытные опыты, целью которых было исследование поведения мозга в тот момент, когда человек решает творческую задачу. Исследования проводились с помощью методов fMRT и традиционной электроэнцефалографии. Испытуемым давали задачи на сообразительность. Это были не слишком сложные головоломки, но, чтобы их решить, нужно было именно догадаться. Именно те моменты, когда человек вдруг находит решение — догадывается, интересовали ученых более всего. Уже давно замечено (например, больше века назад об этом писал великий математик Анри Пуанкаре), что решения действительно трудных задач, например, создание математических теорий, часто случаются, когда человек после долгой и утомительной работы расслабляется и о задаче как бы забывает. Как показали опыты, описанные Лерером, при интенсивной работе над головоломкой основная активность мозга приходится на левое полушарие, ответственное за логическое мышление. Но когда человек отвлекается, например, решает попить кофе, вдруг в небольшой области правого полушария (точнее — передней верхней височной извилине) происходит мощный всплеск гамма-ритма. В этот момент мозг переключает свою активность и вместо того, чтобы сознательно перебирать варианты, начинает искать странные сближения — и эти странные сближения дают ответ. Причем всплеск гамма-ритма предшествует ответу на 13 миллисекунд — и только после такой паузы всплывает в сознании.
Почему мозг вдруг «бросает» работать над проблемой напрямую и «расслабляется»? Почему происходит возбуждение в правом полушарии? Кто дает команду? Именно это и есть эмерджентные качества мозга.
Нейробиологи
не планируют начинать работу проекта BRAIN прямо с мозга человека. На первом
этапе (5 ближайших лет) цели довольно скромные, и использовать можно уже
разработанные на сегодня методы наблюдения. Начать нейробиологи
предлагают с червя нематоды (Caenorhabditis elegans). Червячок длиной один миллиметр уже сыграл
заметную роль в науке — именно его геном был полностью прочитан (секвенирован) первым. Теперь ученые предполагают составить
карту его мозга. Хотя, вероятно, правильнее «мозг» в данном случае взять
кавычки: в нем всего 302 нейрона и 7000 связей. Во время эксперимента нейроны
«подсвечивают» ионами кальция и регистрируют изменения «светимости» с помощью
специального лазерного микроскопа. Он позволяет проникать в живую ткань на
глубину около
На втором этапе (10 лет) предполагается составить полную карту мозга дрозофилы — 135 тысяч нейронов и карту мозга тропической рыбки данио-рерио (Danio rerio) — это уже миллион нейронов, исследовать крупные регионы мозга мыши — тоже порядка миллиона нейронов и составить карту мозга самого маленького млекопитающего на Земле — крохотной этрусской землеройки (Suncus etruscus) — длина ее тела полтора сантиметра, а мозг содержит миллион нейронов. Чтобы добиться успеха на втором этапе, уже необходимо серьезное развитие технологий.
И наконец, на третьем этапе (15 лет) предполагается составить полную карту активного мозга мыши и, возможно, приступить к исследованию мозга человека. Методы, которые будут применяться на третьем этапе, еще только предстоит разработать.
Какие методы и инструменты исследования мозга кажутся сегодня ученым наиболее перспективными? Например, предлагается помещать в нейроны наночастицы, реагирующие на изменение электрического потенциала. При изменении состояния нейрона потенциал меняется, и наночастица начинает излучать — ее излучение можно зарегистрировать и вывести карту активности на монитор — может быть, это будет похоже на ночную сторону Земли, увиденную из космоса, на которой загораются и гаснут огни городов. Другой метод получил название «молекулярный телеграф». При делении клетки (например, нейрона) двойная спираль ее ДНК расплетается, и по ней «бежит» (лучше сказать «летит», потому что за минуту обрабатываются миллионы нуклеотидов) белок ДНК-полимераза. Этот белок по готовой ДНК как по образцу строит ее копию. Можно создать особые условия, при которых при повышении активности нейрона ДНК-полимераза будет делать ошибки, то есть новая ДНК будет отличаться от образца. Допустим, ДНК представляет последовательность букв: agctagctagctagct… Белок начинает свою работу и делает копию первых четырех букв: agct. Но в этот момент нейрон возбуждается, и белок делает серию ошибок — ставит вместо тех букв, которые есть в образце, последовательность ЕЕЕЕ, потом нейрон успокаивается, и белок опять работает нормально: agct. Затем следует новый всплеск активности и т.д. Прочитав полученную строчку и зная, сколько времени нужно на копирование одной буквы, мы будет точно знать все моменты времени, в которые нейрон был активен: agctEEEEagctEgcE… Это действительно похоже на телеграф. Возможности хранения информации на синтетических ДНК очень велики: на 5-микронной ДНК можно сохранить до 6 миллиардов бит (гигабит) информации — на ней можно хранить информацию о всплесках активности нейронов за 7 дней. Если развить подобный метод для хранения любой информации, мы достигнем недоступной сегодня плотности: на устройстве размером с флэшку поместятся сотни терабайт. Но эти и многие другие идеи пока требуют внимательного изучение и проработки5.
Когда такое государство, как США, вмешивается в фундаментальную науку, оно просто, как очень мощный инвестор, меняет и даже искажает нормальное течение научной деятельности. Четко заявив о своих приоритетах, оно воздействует и на деятельность частных фондов и институтов — присоединиться к мэйнстриму всегда проще, чем протаптывать собственную тропинку, а значит, частные инвестиции потекут (уже потекли) в то же русло. Наука эффективна, когда она высококонкурентна. К решению одной и той же проблемы всегда существует много разных подходов. Более того, всегда существует разное представление о приоритетных направлениях, которые необходимо развивать именно сегодня. И сегодня в нейробиологии точно так же существует много различных областей, в которых работают ученые. Если формируется мэйнстрим, сразу же выделяются маргиналы. А ведь нельзя знать заранее, какой подход наиболее перспективен. И не исключено, что нейробиологи, критикующие проект BRAIN, могли бы добиться больших успехов, если бы они получили столь же мощную поддержку.
А поддерживать любые проекты невозможно. То есть те ученые, которые возглавят проект BRAIN, будут отказываться от поддержки проектов, которые покажутся им бесперспективными. Многие ученые выступили с резкой критикой такой практики «назначения победителей», они считают, что финансирование должно быть распределено более равномерно между ведущими исследовательскими группами. Но с точки зрения планирования проекта равномерное распределение инвестиций — самый простой способ потратить деньги впустую и не получить ничего.
Если деньги просто будут потрачены, и результат не будет достигнут — это еще полбеды. А что будет, если все получится?
Едва появилась идея проекта, сразу же возникло общественное беспокойство. Конечно, лечение болезни Паркинсона, аутизма или шизофрении — это очень хорошо, но ведь это предполагает прямое вмешательство в деятельность мозга на самом фундаментальном уровне. А почему те же технологии нельзя будет использовать совсем в других целях — для прямого зомбирования человека, настройки его мозга на желаемые кем-то волны? Для «промывания мозгов» в самом прямом смысле? Почему нельзя будет считывать настолько подробное состояние мозга, что станут ясны мысли и желания человека? И даже его подсознательные импульсы? Конечно, сегодня об этом беспокоиться совершенно не стоит, но когда проект достигнет заявленных целей, не окажется ли, что «пить боржоми» поздновато? И разговоры о свободе и приватности человека станут всего лишь благими пожеланиями — этого уже никто, в том числе и само государство, не сможет гарантировать.
Инициаторы проекта отвечают на подобные опасения. Проект должен быть максимально открытым — все материалы, в том числе и промежуточные отчеты исследовательских групп, должны быть доступны любому заинтересованному человеку независимо от его «формы допуска». Никакая секретность недопустима. Никакие результаты, полученные в работе над проектом, не могут патентоваться — они должны сразу становиться общественным достоянием (public domain). Тогда любая исследовательская группа может использовать их в своих работах, то есть присоединиться к проекту на любом его этапе. Чтобы «промывать мозги», совершенно недостаточно получить исчерпывающую карту мозга — эту карту нужно научиться интерпретировать — понимать, что она значит. А это отдельная и крайне трудная задача. Так, мы умеем читать геном человека, но пока довольно смутно представляем себе работу отдельных генов.
На тот момент, когда пишутся эти заметки, детальный план проекта не опубликован, и какие ограничения будут в него заложены, неизвестно. Но этические ограничения могут сыграть очень существенную роль — BRAIN Initiative предполагает проникновение на такой интимный уровень человека, что проект может встретить сопротивление со стороны общественности, и, возможно, по мере развития проекта и получения первых серьезных результатов это сопротивление будет только расти. И не исключено, что даже мощной государственной поддержки не хватит, чтобы это сопротивление преодолеть. Проект рассчитан, по крайней мере, на десять лет, и демократа в Белом доме может сменить республиканец, а республиканцы гораздо консервативнее.
Может ли BRAIN кончиться неудачей, и деньги налогоплательщиков будут потрачены напрасно? Конечно, может. Великий британский физик Эрнест Резерфорд заметил, что никогда не надо отговаривать ученого от эксперимента— если он не откроет того, что надеется открыть, может быть, он откроет что-то другое. Но в начале XX века, когда были сказаны эти слова, эксперименты стоили несравнимо дешевле. Если предполагаемые результаты не будут получены, то на ветер полетят как минимум 3 миллиарда долларов (на самом деле, гораздо больше — ведь в проект будут вложены еще и огромные частные средства), вряд ли это вызовет одобрение налогоплательщиков, и неизбежное недоверие может заблокировать другие, возможно, куда более реалистичные научные проекты правительства США. Но Обама пошел на финансирование BRAIN, прекрасно сознавая, как он рискует.
В сегодняшней России проект, подобный BRAIN, невозможен, и не только и не столько в силу недостаточного развития нейробиологии — в этом направлении научных исследований все меняется настолько быстро, что вполне реально, начав практически с нуля, добиться очень значительных результатов, — талантов в нашей стране меньше не становится, несмотря на все усилия министров образования. Но если оценкой результатов исследования будет заниматься Следственный комитет, и именно он будет решать, было ли расходование бюджетных средств целевым или пора этих сомнительных ученых привлечь к уголовной ответственности, никто рисковать не станет не только миллиардами, но и несравнимо более скромными бюджетными средствами. Неудача в фундаментальной науке, безусловно, более вероятна, чем успех. Это — аксиома. Когда начинается научный поиск, никто не знает, что же получится в результате. И чем труднее проблема, тем неопределеннее ожидания. Американское правительство доверяет ученым, которые задействованы в проекте BRAIN, и если ничего не получится, правительство само будет объясняться с налогоплательщиками, а не разбираться с учеными — по умолчанию, все (и правительство, и налогоплательщики) знают — ученые сделают все, что возможно, и даже больше. В России сегодня такого доверия явно не хватает. А значит, ждать открытий не стоит.
Несмотря на все опасения и очевидные проблемы, BRAIN кажется настолько многообещающим, что захватывает дух. Мы не знаем сегодня, что принесет этот проект, точно так же как на старте другого великого проекта — «Геном человека» — в 1990 году не знали, что он принесет. Чтобы провести первое ДНК-секвенирование, то есть в первый раз прочесть последовательность «букв», из которых состоит геном, пришлось потратить больше 3-х миллиардов долларов. И это было сравнительно недавно — проект закончен в 2003 году. Прошло десять лет — стоимость ДНК-секвенирования снизилась ни много ни мало в миллион (sic!) раз: при сегодняшних технологиях, чтобы прочесть конкретный геном конкретного человека, нужно потратить одну-две тысячи долларов. Стоимость продолжает снижаться, а точность растет. Если так пойдет, то скоро получение полного генома будет сравнимо по стоимости с банальным анализом крови. Этого в начале проекта «Геном человека», конечно, никто не ждал. А сегодня, благодаря «Геному», появилась реальная перспектива создания персональных лекарств, учитывающих особенности генома конкретного человека. И, как мы видели, чтение ДНК уже предлагается использовать в «молекулярном телеграфе» при получении карты активности одного нейрона, то есть просто как один из многих инструментов.
Все, что мы можем себе вообразить, если BRAIN завершится удачно, в том числе и разнообразные катастрофические сценарии повального зомбирования населения, скорее всего, не имеет отношения к делу. Конечно, ученые говорят о перспективе создания искусственных биологических систем, которые будут работать эффективнее сегодняшних компьютеров, и мы будем компьютеры не собирать из комплектующих, а выращивать, как живой мозг. Конечно, будет замечательно, если удастся оказывать помощь при психических расстройствах, о чем говорил в своей речи Обама. Но это тоже, скорее всего, не совсем то, чего следует ждать.
Самым серьезным технологическим прорывом последних десятилетий следует, вероятно, считать, не полеты в космос, не Большой адронный коллайдер, и даже не интернет, а ту самую коробочку, которая лежит в кармане или в сумочке едва ли не у каждого жителя Земли — мобильный телефон. Именно это применение полупроводниковых технологий и микропроцессоров привело к совершенно новому положению дел, изменило мир глобально. Этого никто не ждал еще двадцать лет назад.
У статьи шести нейробиологов, на которую я опираюсь, есть и второй эпиграф. Он принадлежит знаменитому физику-теоретику Фриману Дайсону (Freeman Dyson). В книге «Воображаемые миры» («Imagined Worlds») Дайсон пишет: «Новые направления в науке приводят к появлению новых концепций и созданию новых инструментов. Но если новые концепции объясняют старые вещи по-новому, то новые инструменты открывают новые вещи, которые потребуют объяснения».
Если будут созданы инструменты, позволяющие создавать полную карту активного мозга человека, они наверняка будут способны открыть нечто такое, о чем мы сегодня просто не догадываемся. Какая технология «выстрелит» и каким тогда станет мир, мы узнаем, только пройдя сквозь нейронные джунгли. А пока мы еще стоим на опушке и робко поглядываем на непроходимую чащу. Но решимость углубиться в нее уже есть.
Владимир ГУБАЙЛОВСКИЙ
__________________________
1 Среди поддержавших проект BRAIN: Институт Аллена науки о мозге (Allen Institute for Brain Science), Медицинский институт ХовардаНьюза (Howard Hughes Medical Institute), Фонд Кавли (Kavli Foundation) и Институт биологических исследований Солка (Salk Institute for Biological Studies). О своей заинтересованности в проекте заявили компании Microsoft, Google и Qualcomm.
2 Стив Барагона.
Обама объявил о масштабном проекте по изучению мозга
человека. «Голос Америки». 3.04.2013.
http://www.golos-ameriki.ru/content/brain-initiative/1633707.html. См. также: John Markoff. Obama Seeking to Boost Study of Human Brain. New York Times. 18.02.2013.
http://www.nytimes.com/2013/02/18/science/project-seeks-to-build-map-of-human-brain.html?pagewanted=all&_r=1&&pagewanted=print.
3 Группа нейрохирургов из Университета
Калифорнии, Сан-Франциско, описала эксперимент, в котором трем пациентам,
страдающим тяжелыми припадками эпилепсии, с их разрешения были введены в мозг
массивы из 264 электродов, каждый из которых получал информацию о регионе из
нескольких миллионов нейронов. Несмотря на такую приблизительность оценки,
ученые сделали глубокие выводы о формировании языковых функций мозга. См. « Functional organization of human
sensorimotor cortex for speech articulation ». Nature
(21 March 2013).
http://www.nature.com/nature/journal/v495/n7441/full/nature11911.html
4 Джона Лерер.
Вообрази. Как работает креативность. Пер. с англ. Е.
Щербаковой. М., «АСТ : CORPUS», 2013, стр.
39–40.
5 Подробнее см. Konrad P.
Kording. Of Toastersand Molecular Ticker Tapes. PLoS Computational
Biology. http://www.ploscompbiol.org/article/info %3Adoi% 2F10.1371%
2Fjournal.pcbi.1002291#pcbi-1002291-g001