2021-2030. Ласкаво просимо у мозок. На екскурсію
Здавалося б, сухе інформаційне повідомлення: програмісти інтернет-гіганту “Google” та нейронауковці Гарвардського університету (Harvard University) безпрецедентно детально описали зв’язки, які діють у людському мозку. Але за цим лаконічним викладом – просто вражаючий рівень новітніх наукових досліджень із розв’язання ґрунтовної наукової проблеми! Бо ж, щоб створити 3D-карту лише однієї мільйонної частини кори головного мозку людини, було виконано 225 мільйонів фотозображень та проаналізовано колосальні 1,4 петабайти даних. До вашого відома: ПБ, Пбайт – одиниця виміру кількості інформації, що дорівнює 1015 (квадрильйон) байт.
Нічого не вдієш, людський мозок – до обурливого найскладніший з усіх комп’ютерів, які коли-небудь існували. Тим часом більш-менш точна мапа цього щільного сплетіння нейронів, синапсів (місце контакту між двома нейронами або між нейроном та ефекторною клітиною, що отримує сигнал. – О.Р.) та інших вузькоспеціалізованих клітин – поки що не складена. Тому це фантастичний науковий прорив – те, що разом створили програмісти “Google” та вчені Гарвардського університету: 3D-карта дрібної ділянки кори головного мозку людини.
Про саму свідомість нам майже нічого не відомо, і ось новітня нейронаука відкрила невеличкі дверцята у загадку – як функціонує мозок. Не має значення, ви – біологічний скептик, котрий вважає, що еволюція принагідно запакувала свідомість у людський мозок, чи спіритуаліст-романтик, який сприймає свідомість як Божий дар, – вам однаково зрозуміло, що мозок відповідає за купу речей, які роблять нас такими, якими ми є. Наприклад, особисті спогади. Або: пам’ять м’язів. Або: логічне мислення. Орієнтація у просторі, зв’язки між речами. Функціональні уявлення про речі, абстрактні поняття, технологічні ідеї, людські образи. Не залежно від того, є у людини душа, Божа іскра чи суцільна свідомість, усе це – спогади, зв’язки, пам'ять, поняття, ідеї, образи – на фізичному рівні існує в мозку.
Разом із тим, коли перед вами 86 мільярдів нейронів, з’єднаних з-поміж себе 100 трильйонами синапсів, з’ясувати, за що саме відповідає кожен із них і як ці зв’язки складають основу думки, емоції, відділку пам’яті чи мотив поведінки – завдання, гідне одинадцятого подвигу Геракла. Утім, лячно їм не було і не буде… Різні команди вчених по цілому світі, засукавши рукави, амбіційно прагнуть побудувати схему підключення людського мозку – так званий коннектом (повний опис структури зв'язків у нервовій системі організму. – О.Р.).
Зацікавила історія cтворення “Коннектома людини”? Тоді вам сюди:
ДЕКАРТЕ, РАЦІЇ ТИ НЕ МАЄШ!
Досить знати, що наші нейрони можуть з'єднуватися з іншими нейронами, іноді кілька разів з одним і тим же самим, у точках, названих синапсами, дефініювати все це “мозком” – і більше не паритися... Сто тисяч останніх років, тобто майже всю історію існування людства так і діялося – варто було комусь із французьких розумників заспокоїти співплемінників:
- Cōgitō ergō sum. (Я мислю, значить, я існую.)
Тепер, аби хто написав букварик сучасної нейронауки, спростування лунало б так:
- Мсьє Декарте, ви утнули прикру нісенітницю. Справа в тому, що кожен із можливих нейрошляхів з усіма їхні точками дотику, гілками та зв’язками з іншими нейронами може представляти окрему думку, фрагмент пам’яті або мотив до дії. І чим більше ви мислите або мізкуєте – тим більшим та ширшим стає цей шлях. Чим більше ви дізнаєтеся про нього, тим більше фізичних зв’язків він утворює з іншими нейронами та процесами, далі будуючи свою карту розуміння внутрішніх завдань.
Таким чином, із плином часу мапа мозку змінюється, постійно підсилюючи певні окремі шляхи, оскільки інші від непрацездатності дегенерують і вмирають... Однією лише думкою ми здатні до значної міри ментально підключити себе, інтелектуально збільшитися. А деякі мляві розумові шляхи домінують над іншими, які регресують. Виявилося, чим більше ми щось думаємо чи робимо, тим помітніше збільшується фізична частина мозку. З іншого боку, сама людина у розумовій бездіяльності дозволяє цілим колоніям нейронів атрофуватися.
Контектоміка – це спроба створити 3D-карту, визначивши місце кожного нейрона мозку. Сучасна нейронаука поставила собі амбіційну мету – мати найбільш повну схему підключення білкового комп’ютера. Це неймовірно складно – навіть просто створити кольоровий знімок, але теоретично – можливо. Є сподівання, що в горизонті 2030 р. фахівці у робочому порядку складатимуть 3D-мапи наших мозків у режимі реального часу, аби спостерігати за фізичними змінами, як певні нейрони реагують на важливі подразники.
Сподіваюся, мсьє Декарте, людство навчиться фізично визначати, де живуть спогади про вашу бабусю, або спостерігати за прогресом виникнення нових нервових шляхів, коли ви вчитиметеся бренькати на гітарі.
СВОБОДА ВИБОРУ ЧИ ЯКАСЬ ТАМ ВІЛЬНА ВОЛЯ – ТО ПІДЛІТКОВА ІЛЮЗІЯ
Створити коннектом людини – завдання неймовірно складне. Його рішення, передбачається, стане не менш важливим етапом у розвитку науки, аніж розшифровка людського генома (послідовність нуклеотидів нашої ДНК, яка наводиться як довгий ряд літер чотирибуквенної абетки. – О.Р.). Недарма у 2009 р. Національні інститути здоров’я (National Institutes Оf Health, NIH) Департаменту охорони здоров’я Сполучених Штатів Америки запустили спеціальний проєкт – “Коннектом людини”, до якого сьогодні долучилися вчені багатьох країн.
Є чимало науково грамотних біологічних детерміністів, котрі вважають: всі ми – “м’ясні комп’ютери, бо, приймаючи запит із зовнішнього світу, наче ментальний фарш, ми видаємо готові відповіді. Якби людство мало досить знань про будову та функції нашого мозку, ми могли б точно передбачити, як саме діятимемо в тій чи іншій ситуації. Даруйте, але свобода вибору чи якась там вільна воля – то підліткова ілюзія, спричинена прекрасно складним біологічним алгоритмом. Насправді людина просто працює відповідно до структури головного мозку та отриманих експериментальним шляхом великих баз даних.
Описуючи постановку завдання, професор Массачусетського технологічного університету, фахівець із нейронауки Себастьян Сеунг (승현준; 1966) зазначив у книжці “Коннектом. Як мозок робить нас тими, ким ми є” (“Connectome: How Тhe Brain’s Wiring Makes Us Who We Are”; 2012):
- Створення карти нервової системи C. elegans (Caenorhabditis elegans – вільноживуча нематода, круглий черв’як один мм у довжину; широко використовується дослідниками як модельний організм. – О.Р.) тривало добрий десяток років, хоча його нервова система містила тільки сім тисяч зв’язків. Або – 12 терабайтів даних. Але C. еlegans – досі єдиний організм, коннектом якого повністю картографований у 3D. Там лише 302 нейрони для відстеження. Для порівняння: людський мозок має близько 100 мільярдів нейронів. Тобто ваш коннектом у 100 мільярдів разів більший! А ще – у наших головах у мільйон разів більше синапсів, ніж букв у вашому геномі. Власне, геноми – просто дитячі забавки у порівнянні з коннектомами.
Під різними кутами зору можете покрутити цю інфу:
МОЗОК – ЦЕ ШАЛЕНО ЩІЛЬНО ВПАКОВАНА ПОРЦІЯ СПАГЕТТІ
Звісно, що до глобального проєкту “Коннектом людини” приєдналися дослідники “Google” та Медичного інституту Говарда Хьюза (Howard Hughes Medical Institute, HHMI). Почали вони ще дві декади тому, у 1980-му році.
Почали з малого, узявшись моделювати коннектом мозку плодової мушки (Drosophila melanogaster), який, до речі, складає майже половину цілого мозку комахи та має близько 100 000 нейронів. Увесь той час проєкт “Дженелія” (“Janelia”) напрацьовував методологію, формував відповідну технологічну базу, зокрема, створив клімат-контрольовану віброізольовану мікроскопію, завдання якої – сканувати крихітний мозок, чи фрагмент мозку – шар за шаром. А ще – ствердив аксіому: мозок навіть дрозофіли – це шалено щільно впакована порція спагеті зі звивистими, розгалуженими нейронами, де кожна складова клітина може мати змінну форму, товщину та власну 3D-геометрію.
Що виявилося найбільшою проблемою? Віце-президент HHMI та виконавчий директор дослідницького проєкту “Janelia” Геррі Рубін (Gerald Mayer Rubin; 1950) точно знає, бо понад десять років обстоює перед інвесторами моделювання коннектому мозку плодової мушки:
- Це вкрай важливий крок у розумінні того, як працює наш мозок. Коли проєкт розпочинався, я підрахував: за допомогою існуючих методів відстеження зв’язків між кожним нейроном дрозофіли нам знадобляться 250 людей, які працюватимуть протягом двох десятиліть. Ось такою була “проблема 5000 людських років”.
Завдяки Hitech-кооперації й партнерству з “Google”, новітнім досягненням у технологіях візуалізації та інтегрованому навчанню персоналу, спеціально відлаштованим потужним мікроскопам та завдяки даним групи аналітиків, перетвореним на “нейрокоректорів”, команда змогла пришвидшити поступ. Принаймні удесятеро.
Є ЦИФРИ, ЯКІ У МЕНЕ В ГОЛОВІ НЕ ВКЛАДАЮТЬСЯ
На кожному етапі дослідження доводилося використовувати фундаментальні знання, але діяти на рівні Творця, просто прискорюючи, точніше, ущільнюючи час. Для прикладу: команда, яка склала мапу нервової системи C. еlegans, нарізала, перепрошую, препарувала, об’єкт… вручну. Тобто по-дідівськи…
Проєкт “Дженелія” рухався шляхом високих технологій.
Мозок плодової мушки обробляється автоматично у сфокусованих електронно-скануючих мікроскопах, що вистрілювали іонами галію в досліджуваний об’єкт, аби точно вивчити кожен шар, не пошкоджуючи наступний. До кінця досліджень, завдяки такому бомбардуванню, фізичний мозок дрозофіли повністю знищився, але його цифровий відбиток-близнюк дзеркально зберігся.
Узяти для прикладу мікроскопи, які використовували вчені під час реалізації проєкту “Дженелія”. Неймовірним чином їх довелося захистити від вібрації… Кожен апарат (!!!) поставили на стіл із повітряною подушкою у спеціально збудованій кімнаті. Назвали приміщення просто – “Кімната, позбавлена дії обставин непереборної сили” (“Act of God-Proof Room”), оскільки його приміщення відокремлене від решти споруд дослідницького містечка Дженелія медичного інституту Говарда Хьюза, на вулиці Helix Drive у місті Ешберні, штат Вірджинія, та зведене на власній (!!!) бетонній плиті. Нащо така обережність? Для сканування об’єкту знадобилися роки, а найменша вібрація могла викликати помилки, здатні провалити весь науковий експеримент.
Півтора року тому, точніше, 22 січня 2020 р. команда проєкту “Дженелія” оголосила: на рівні 3D-мапи вони комп’ютерно сформували всю, але одну “півкулю” самки плодової мушки, а саме: електричну схему, складену з 25 000 нейронів, що відповідає за такі основні функції, як навчання, пам’ять, запах та навігація комахи. Отже, досліджена приблизно третина загального обсягу мозку дрозофіли. Щоб ви образно все уявили, наскільки щільно все запаковано, скажу так: у реальності ця частина коннектома плодової мушки – розміром із одне насіннячко маку.
Що у кінцевих цифрах? Ці 25 000 нейронів самки дрозофіли мають між собою понад 20 мільйонів синаптичних зв’язків, а отримана 3D-карта містить близько 26 трильйонів пікселів. Є цифри, які у мене в голові не вкладаються.
ДВОВИМІРНІ ЗОБРАЖЕННЯ, ОБ’ЄДНАНІ В ОДИН 3D-ТОМ
Чим краще ми зрозуміємо інші форми життя, тим швидше навчимося чітко розуміти себе. І цей час “Ч” пробив… Спільна команда “Google” та лабораторія Ліхтмана (Lichtman Lab) Гарвардського університету, очолювана доктором медичних наук, професором молекулярної та клітинної біології Джеффом Ліхтманом (Jeff W.Lichtman; 1951), нещодавно створили пілотну модель крихітної частини людського (!!!) мозку.
Дослідження почалося зі зразка, відібраного зі скроневої частки кори головного мозку померлої людини. Для наочності – об’єкт розміром лише 1 мм³ забарвили, вкрили спеціальною смолою, щоб зберегти форму, а потім філігранно нарізали десь на 5300 скибочок, кожна – товщиною приблизно 30 нанометрів (нм; одиниця вимірювання відстані, що використовується в атомній фізиці та дорівнює 0,000 001 міліметра).
Потім кожну із пластин за допомогою скануючого електронного мікроскопа із роздільною здатністю до 4 нм сфотографували. Так виникли 225 мільйонів двовимірних зображень, які потім з’єднали в один 3D-том. Красунчики!
Затим, користуючись алгоритмами машинного дослідження, відсканували дослідний куб, щоб по можливості ідентифікувати різні клітини та структури всередині піддослідного зразка. Після кількох проходів різних автоматизованих систем, людські очі почали розпізнавати, “вичитувати” деякі мозкові клітини, щоб переконатися, що алгоритми правильно їх ідентифікували.
Ось як виглядає подібна ДНК-анімація:
МОЗОК ІНТЕГРУЄ ВСЮ ВІЗУАЛЬНУ ІНФОРМАЦІЮ І ФОРМУЄ ЗАГАЛЬНУ КАРТИНУ СВІТУ
Відкрийте будь-який підручник з біології й прочитайте про таламус: мовляв, його функція головним чином полягає у тому, щоб служити ретрансляційною станцією, передаючи сенсорний вхід в кору головного мозку для обробки потрібного масиву даних. Та коли нещодавно дослідники Гарвардського університету уважніше вивчили зв’язок між сітківкою і таламусом у мишей, з’ясувалася інша картинка.
Створюючи деталізовані схеми нейронних мереж, професор молекулярної й клітинної біології Джефф Ліхтман та докторант лабораторії Джеффа Ліхтмана Гарвардського університету, офтальмолог-нейронауковець Джошуа Морган (Joshua Morgan), котрий спеціалізується на розвитку й синаптичній організації зорових ланцюгів, – довели: нейронні мережі, що з'єднують сітківку й таламус, є набагато складнішими, аніж досі вважалося, бо складають перший етап обробки візуальної інформації, засвоєної досвідом.
Перші підсумки їхнього дослідження були викладені в статті, нещодавно опублікованій у науковому часописі “Cell” (“Клітина”).
- Якщо ви заглибитеся лише на один синапс – глибше, ніж впорядкована структура, така як сітківка ока, на вас чекає вибух складності. Замість того, щоб мати контакт, пов’язаний із одним типом аксонів сітківки, та інший контакт, пов’язаний з іншим типом клітин, ми побачили повністю змішану мережу – кожна клітина сітківки розбудована так, щоб одночасно контактувати з різними видами таламічних клітин, а кожна таламічна клітина отримує конвергентну інформацію від багатьох різних типів клітин сітківки.
Ця конвергенція (процес зближення, сходження – у різному сенсі, – компромісів. – О.Р.) особливо важлива, коли ви вивчаєте, як працюють клітини сітківки. Вихідні дані сітківки розділені на набори спеціалізованих нервових клітин, причім кожен набір налаштований відповідати виключно на певні види зорових відчуттів: одні розпізнають колір, інші налаштовані на рух, а треті розрізняють дрібні деталі зорової сцени. Надаючи вхідні дані від кількох видів різних клітин сітківки на одну таламічну клітину, мозок інтегрує всю візуальну інформацію і в такий спосіб формує загальну картину великого світу.
Скажімо, у вуличного гризуна є клітини, які реагують на чорну пляму, що рухається на синьому тлі, оскільки це може значити “хижак”. Професор Джефф Ліхтман закінчує думку:
- Досі ми абстрактно вважали, що це повинно десь існувати у мозку, але відтепер така здогадка точно і науково доведена. Бо нам вдалося просунутися на один синапс далі, ніж сітківка ока... і раптом виявити раніше невідомі типи неймовірних змішаних зв’язків.
1 мм³ МОЗКУ ЛЮДИНИ ЗБЕРІГАЄ БІЛЬШ ЯК МІЛЬЙОН ГІГАБАЙТІВ ІНФОРМАЦІЇ
Отже, поки що кінцевий 3D-том, який “Google” назвав набором даних “H01”, є однією з найточніших мап людського мозку, які коли-небудь складалися. У нього запаковані 50 000 клітин, що мають 130 мільйонів синапсів, а також менші сегменти клітин, як-то: аксони – нейрити (довгі циліндричні відростки нервових клітин), якими нервові імпульси передаються від тіла клітин (соми) до іннервуючих органів та інших нервових клітин, дендрити – розгалужені відростки нейронів, які отримують інформацію через хімічні (або: електричні) синапси від аксонів (або дендритів і соми), інших нейронів та передають її через електричний сигнал тілу нейрона (перікаріона), з якого виростають мієліни – структури, які формуються безліччю шарів плазмолеми шванівської клітини, що утворює миєлінову оболонку нервових волокон, та джгутики – рухома структура, присутня на поверхні клітин багатьох прокаріотів і еукаріотів.
Не втомилися? Мабуть, найбільш приголомшливим фактом став той, що 1 кубічний міліметр мозку містить у собі 1,4 петабайта даних, тобто зберігає більш як мільйон гігабайтів інформації. На голову не налазить!
Разом із тим – і це слід знову підкреслити! – це досліджено лише крихітний фрагмент, що створило більш-менш точну модель однієї мільйонної частини об’єму людського мозку. Складання повної мапи “Коннектома людини” – ще попереду.
ЧИМ БІЛЬШЕ ЗАПИТАНЬ, ТИМ ЧІТКІША КАРТИНА
Відкритих питань – безліч.
По-перше, масштаби дослідницької роботи над одним об’єктом; по-друге – пошуки способу отримання та зберігання величезного Big Data; по-третє – розробка нової методології нейронауки; по-четверте – практичне використання отриманих даних.
І – останнє. Група американських програмістів та нейронауковців порушила глобальну проблему, яку одній, нехай навіть найґрунтовніше підготовленій команді – не вирішити. Бо результати таких наукових студій стосуються цілого людства – не лише нас, сучасників, а й численних наступних поколінь.
Ось саме за якої причини набір даних щодо “H01” викладений в Інтернеті й відтепер доступний для усіх професійних дослідників та допитливих аматорів. Анотація наукової статті лежить на профільному біологічному ресурсі bioRxiv.
КОЛИ МИ ДОСЯГНЕМО МЕНТАЛЬНОГО БЕЗСМЕРТЯ?
Тепер – найпростішими словами про найскладніші речі. Навіщо все це?
Розшифрувати геном людини нам потрібно, аби досягти фізичного безсмертя. Детально описати зв’язки, які діють у людському мозку, створити коннектом людини нам потрібно, аби досягти безсмертя ментального.
- Адже все, що існує на фізичному рівні, – резонно зауважили б трансгуманісти, – може бути збережене після смерті та відновлене у потрібний момент у більш-менш схожій формі.
А ось тут починається незаймана цілина кріоніки, завдяки фахівцям із якої цілі тіла, або просто унікальний мозок, заморожуватимуться після смерті, щоб до кращих часів, завдяки стабілізованій альдегідом кріоконсервації (Aldehyde-Stabilized Cryopreservation, ASC), зберігати якомога більше цієї дорогоцінної мислячої тканини, сподіваючись на те, що одного дня люди зможуть повернути її до життя... Лишень мене, благаю, не вставляйте в 10-метрового робота з двигуном “Godzilla V8 Premium”.
Але… Які саме мозкові структури нам слід навчитися зберігати?
І чи насправді вони складні?
Майже про це, але іншими словами запитали професора молекулярної та клітинної біології Джеффа Ліхтмана:
- Який об’єм інформації містить людський мозок?
Вчений замислився, шукаючи образне порівняння, а потім відповів:
- Його можна порівняти з кількістю цифрового змісту, що генерується за рік всією планетою Земля.
ДЕДАДІ БІЛЬШЕ МИ РОЗУМІЄМО, СКІЛЬКИ ЩЕ НЕ ЗНАЄМО
Коннектом – це, по суті, електрична схема мозку. Така собі фізична карта всіх нейронів мозку – а то й усієї нервової системи – та синаптичних зв’язків між ними. І це те, що відтепер людство може фізично побачити за допомогою різних технологій візуалізації у різних масштабах. Досить узяти кубічний міліметр речовини мозку, нарізати його дрібно на скибки, а потім створити 3D-куб.
Так можна бачити приголомшливо складну фізичну структуру, за якою збудований найпростіший мозок безхребетних. На макромасштабі товсті гілки нейронів звиваються навколо і переплітаються з незліченними іншими.
Науково просуваючись уперед, дедалі більше ми розуміємо, скільки ще не знаємо. До речі, тепер можете збоку подивитися, що діється у вас в голові та як крутяться думки:
Олександр Рудяченко
Використані джерела: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16
