В рамках проекта Blue Brain, начавшегося в 2005 году, методами компьютерного моделирования предполагается воссоздать один из элементов коры головного мозга. У млекопитающих, включая человека, именно кора больших полушарий отвечает за такие важные функции, как мышление, речь и обработка информации о внешнем мире.

Процессоры вместо нейронов

Ученые из Швейцарского научного центра уже смоделировали 10 тыс. искусственных нейронов и связали их в единую сеть: для этой цели им пришлось использовать суперкомпьютер Blue Gene. Несмотря на то что в реальности мозг несоизмеримо больше (100 млрд нервных клеток, то есть в 10 млн раз больше уже созданных учеными), 10 тыс. нейронов – уже немало, а для некоторых исследований и вполне достаточно.

В проекте Blue Brain речь идет не просто о случайной сети нервных клеток. Команда Генри Маркхама строит модель нейрональной колонки. Такие колонки есть во всех участках коры, и при этом они достаточно универсальны: в зрительной коре они могут обрабатывать изображение, в моторной – обеспечивать управление движением рук, а в височной – формировать ассоциативные связи.

Если исследователям удастся получить работающую модель одного из базовых блоков мозга млекопитающих, это поможет не только нейробиологам, но и медикам. Меняя параметры модели, можно будет воспроизвести симптомы болезни и отследить действие тех или иных препаратов. Сейчас известно, как те или иные лекарства влияют на связи между нервными клетками. Но вот как это изменение отражается на отдельном участке мозга и почему вообще оно таково – эти вопросы остаются без ответа.

Триллионы комбинаций

Основная проблема, с которой, по словам Маркхама, столкнулась его команда, состоит в определении связей между нейронами. Реальная нервная клетка имеет тысячи контактов, что в колонке из 10 тыс. клеток дает астрономическое число возможных вариантов.

Кроме того, надо добавить, что один и тот же нейрон за счет разных нейромедиаторов, обеспечивающих передачу сигнала веществ, может использовать несколько типов связей независимо друг от друга. Нервные импульсы также могут приводить как к активации, так и к торможению нейрона. Вдобавок и сами нейроны бывают нескольких разных типов. Все это множество факторов и объясняет причину, по которой начатую в 2005 году работу можно будет завершится не раньше чем через 10 лет.

Следует отметить, что сам Маркхам начал заниматься созданием исскуственного мозга задолго до проекта. В своем докладе он отметил, что уже 15 лет описывает реальные нейроны: «Это похоже на работу ботаника в тропическом лесу, который описывает различные виды деревьев с их ветвящимися кронами. Но наша работа усложняется тем, что мы еще изучаем связи между нейронами и пытаемся понять правила, по которым эти связи строятся».

От молекул к мозгу

В ноябре 2007 года завершилась первая стадия проекта Blue Brain. Тогда ученым удалось построить первую, еще очень несовершенную модель нейрональной колонки. Тем не менее это дало возможность продолжить работу уже в двух направлениях – вниз, к молекулярному уровню, и вверх, к мозгу в целом.

Уровень «вниз» подразумевает учет молекулярных процессов внутри нервных клеток. Каждая клетка в модели требует для моделирования отдельного процессора: если когда-то, на заре нейронауки, ученые рассматривали нейрон как простой узел нервной сети, то современные экспериментальные данные описывают его как едва ли не самостоятельный организм.

В ответ на нервные импульсы нейроны начинают менять работу своих генов: в них синтезируются различные белки, меняются связи с соседними клетками – все это может радикально изменить работу мозга в целом. Чтобы проиллюстрировать важность таких процессов, скажем, что иногда их итогом становится даже смерть нейрона или рождение новых клеток: мнение о том, что нервные клетки не восстанавливаются, в последние десятилетия тоже было опровергнуто. В рамках проекта Blue Brain предполагается проанализировать и то, как внутренняя жизнь нейрона, отдельные гены и молекулы влияют на работу нейрональных колонок.

С другой стороны, при движении вверх наличие отдельной нейрональной колонки поможет и в моделировании мозга целиком. Создать столько же колонок, сколько существует в мозге хотя бы мыши, пока вряд ли получится, но и более примитивные модели способны существенно продвинуть медицинские исследования: с них можно считать полную информацию о любой «клетке», обо всех ее связях, о концентрации тех или иных веществ.

Если в экспериментах на живой мыши добиться точности в исследованиях затруднительно (животное приходится убивать, а потом делать тонкие срезы мозга, проводить сложные и дорогие анализы), то на человеке эти опыты невозможны в принципе. В том случае если группе ученых, занятых в проекте Blue Brain, удастся в итоге довести модель до желаемого уровня, эти исследования смогут помочь двум миллиардам людей. Именно столько, по словам Генри Маркхама, сейчас страдает от тех или иных заболеваний мозга, болезни Альцгеймера, шизофрении и им подобных недугов.