Невероятные факты
Безусловно, самый загадочный и малопонятный орган во всем нашем теле – это мозг. Это источник наших мыслей, наших эмоций и нашей памяти. Он отслеживает все, что происходит внутри нашего тела, благодаря ему бьется сердце, течет кровь и работают легкие без сознательных усилий с нашей стороны. Кроме того, он несет ответственность за все сознательные усилия, которые мы делаем. Это своего рода оригинальный суперкомпьютер.
Когда плоду в утробе матери всего лишь 4 недели, клетки головного мозга формируются со скоростью четверть миллиона в минуту. В конце концов, миллиарды нейронов будут между собой взаимодействовать и создавать триллионы соединений. Без мозга контролировать тело и жизнь будет невозможно.
К счастью, человеческий мозг предоставляет нам замечательную способность и возможность его исследовать. Изучение мозга дало потрясающие результаты и помогло нам лучше узнать себя.
Компьютерная томография
Рост передовых медицинских технологий был крупным прорывом в вопросах исследования мозга. Многие методы сканирования мозга уходят своими корнями в 1970-е годы, и именно в это десятилетие была изобретена аксиальная компьютерная томография.
Пациенты проходят эту процедуру лежа на узкой кровати, помещенной в специальную трубу, которая вращается вокруг тела человека. В результате исследователь получает множество рентгеновских снимков с разных углов. Далее эти снимки используются для получения изображения поперечного сечения кости и ткани. В то время как рентгеновский снимок – это одно изображение, к примеру, переломанной кости, томография – это многослойное 3-D изображение.
Так как же это работает в мозге? Исследователи вводят пациенту вещество на основе йода, которое блокирует получение рентгеновских изображений. Затем оно следует своим путем через мозг, преодолевая различные препятствия. Стоит отметить, что при помощи такого рода томографии даже удается обнаружить психические расстройства у людей, в том числе и шизофрению.
Несмотря на то, что томография полезна для изучения структуры мозга, исследователи разработали другой процесс, который использует в работе магнитное поле, обеспечивающее экспертов еще более детальными снимками человеческого мозга.
Магнитно-резонансная томография
В то время, как рентгеновские технологии, ультразвуковая и компьютерная томография помогают нам заглянуть внутрь тела, фактически не повреждая его целостности, ни один из этих способов не мог предложить столь подробный анализ, как это смогла сделать магнитно-резонансная томография (МРТ). Используя радиочастотные импульсы и сильное магнитное поле, данный способ открыл новые горизонты для исследования мозга.
Интересно, что способность мозга выполнять различные задачи не высечена из камня. Исследование с использованием МРТ-технологии изучало студентов с дислексией до и после специализированной годовой программы обучения. После прохождения программы у студентов наблюдалась повышенная активность в области мозга, ответственной за чтение. Это означало, что выполнение определенной задачи может на самом деле улучшить мозговую деятельность той области, которая задействована в решении задачи.
МРТ также полезна и в других исследованиях. К примеру, МРТ однояйцевых и разнояйцевых близнецов помогла специалистам обнаружить связь между интеллектом и количеством серого вещества в лобной доли мозга. Другое исследование, проведенное учеными из университета Монреаля, использовало МРТ для изучения эффекта воздействия медитации на боль. Эксперты обнаружили, что люди, которые медитируют, знают о боли, однако, части их мозга, которые обрабатывают и интерпретируют их боль, менее активны, чем у людей, которые не медитируют.
ПЭТ-сканирование
Позитронно-эмиссионная томография позволяет нам увидеть метаболическое функционирование мозга на клеточном уровне. Это делается путем введения специального препарата, содержащего безопасную дозу радиоактивного материала. Люди, которые проходят данную процедуру, во время какой-либо деятельности (к примеру, чтение вслух или попытка вспомнить какую-либо информацию) привлекают большее количество крови к мозгу, а вместе с тем и радиоактивного материала. Сканер, подключенный к компьютеру, обнаруживает, что началось выделение энергии радиоактивного вещества, далее он обрабатывает полученную информацию в 3-D. Эти изображения дают сведения о потоках крови, глюкозы и кислорода через ткани, что позволяет врачам и исследователям выявить ткани и органы, в работе которых происходят сбои.
Анализируя количество глюкозы, обрабатываемое в каждом регионе мозга, исследователи отметили, что они могут использовать ПЭТ-сканирование для прогнозирования с высокой степенью точности вероятности развития некоторых проблем с памятью в будущем.
При помощи данной методики также можно выявить метаболический дисбаланс в мозге, который ответственен за развитие эпилепсии и других проблем нервной системы. Данное сканирование также помогает врачам выявить инсульт и транзиторные ишемические атаки.
Помимо прочего, этот способ может помочь врачам выявить различие между доброкачественными и злокачественными опухолями головного мозга и способен точно определить в какой именно части мозга произошел сбой, приведший к припадку.
Хотя все перечисленные выше способы являются неинвазивными, иногда исследователям необходимо прибегнуть к инвазивным процедурам, которые буквально шокируют.
Внутричерепная электрофизиология
Исследование человеческого поведения, процессов обучения и функций мозга уже много лет идут рука об руку с проведением подобных процедур на мышах и приматах. Это связано с явным генетическим сходством между видами. Однако, некоторые функции свойственны только человеку, к примеру, способность разговаривать.
Как это часто бывает в процессе исследования мозга, изучение одной его части часто может дать совершенно неожиданные данные о функционировании другой. Одним из таких исследований была имплантация электродов в мозг больных эпилепсией людей. Целью исследования было выявить, какие части мозга могут быть изъяты с целью лечения эпилепсии, при этом, не нарушая работу всех других и без какого-либо вреда для здоровья пациента. Эта процедура известна как внутричерепная электрофизиология. Как только врачи имплантировали электроды, пациентам было поручено молча прозондировать ряд слов, которые они видели на экране. Доктора тем временем фиксировали путь и длительность электрических импульсов в мозгу, пока пациенты выполняли поставленную задачу.
Используя внутричерепную электрофизиологию, исследователи эпилепсии обнаружили, что для идентификации слова человеческому мозгу требуется около 200 миллисекунд. Далее они отметили, что на произношение слова про себя уходит 320 миллисекунд, а для сбора информации, необходимой для подбора мозгом звуков, чтобы произнести слово, уходит еще 450 миллисекунд.
Исследование интеллекта
Психологи, педагоги, философы и нейробиологи уже давно спорят о том, что же такое интеллект. Существует ли единственный, количественный, общий интеллект, который может быть измерен при помощи IQ тестов? Или все же есть несколько форм и типов интеллекта? Какие части мозга за него отвечают?
В настоящее время технологии позволяют нам ответить на некоторые из этих широко обсуждаемых вопросов. При помощи использования различных методов визуализации, исследователи в 2007 году расположили "станции" на пути, по которым информация поступает в мозг. Они полагают, что интеллект связан именно с тем, как хорошо и быстро информация проходит через миллиарды сетей, созданных клетками мозга. В итоге, эксперты выяснили, что самые важные "станции", которые связаны с обработкой информации, - это внимание, память и язык.
Это и доказывает тот факт, что общий интеллект не является отличительной особенностью какой-либо одной части мозга. Напротив, способность мозга использовать различные методы обработки информации и связывать их вместе и определяет насколько мы умны.
В XXI веке перед учеными стоит, возможно, самая сложная задача за всю историю существования науки: понять мозг. Наш век уже окрестили веком наук о мозге и сознании по аналогии с тем, как прошлый век называли веком генетики. Задача невероятно сложная хотя бы потому, что обычно инструмент, с помощью которого проводят исследования, сложнее объекта исследования. Сейчас же с помощью разума мы пытаемся понять сам разум. Удастся ли?
Что такое мозг, для чего он нам нужен?
Мозг - это наиболее сложный и наименее изученный орган нашего тела. Имея массу всего 1–2 кг (среднестатистический вес где-то посередине), он потребляет 20% энергии, вырабатываемой нашим телом. В его клетках активно работают более 70% генов нашего генома (в других клетках эта цифра гораздо меньше). Серое вещество состоит более чем из 90 млрд нейронов, каждый из которых имеет до 10 тыс. связей с другими нейронами (не обязательно соседними - например, отростки двигательных нейронов имеют длину более метра).
Но все это биология, не так интересно. А как быть с сознанием?
Этим вопросом еще с античных времен занималась только философия. Платон и Аристотель считали, что разум существует как отдельная от материи онтологическая реальность. Парменид, напротив, утверждал, что бытие и мышление едины. Сейчас к этому процессу подключились естественные науки.
За последние годы исследования достигли уровня, на котором мы можем позволить себе приступить к изучению мозга в действии. Оно охватывает молекулы, клетки, их связи, а также высшую материю - поведение, которое и есть сознание.
Фантасты уже давно мечтают об искусственном разуме, но чаще всего рисуют его в виде вышедшего из под контроля монстра, действующего отнюдь не на благо человечества (фантастические фильмы «Терминатор», «На крючке», «Я, робот»).
В одном из недавних фильмов, «Превосходство», для создания искусственного интеллекта была использована речевая модель и специальные алгоритмы ее обработки. Такие идеи небеспочвенны. Считается, что именно речевая модель способствует активному развитию полушарий, и она ответственна за нашу способность к обучению и прогнозированию событий и, в конечном итоге, за принятие решений.
Действительно - опираясь на имеющийся опыт, мы принимаем решения о поступках, а после их совершения сравниваем предполагаемый результат с действительным. Так что мозг дает нам возможность заглянуть в будущее.
Восставший искусственный интеллект - тема не одного фантастического романа и фильма
Но как заставить мыслить машину?
Камнем преткновения любого искусственного интеллекта являются именно алгоритмы его обучения. Преимущество людей над всеми остальными обитателями нашей планеты - умение абстрактно мыслить, строить обобщения различного уровня. Сейчас разработка так называемых алгоритмов «глубинного обучения» - весьма востребованная область знаний. Такими алгоритмами активно интересуются крупные IT-компании. Например, Google недавно приобрела компанию DeepMind Technologies, специализирующуюся как раз на таких задачах. Ведь рынок здесь огромен. Они могут использоваться для распознавания речи, лиц, разработки «умных» пользовательских интерфейсов в электронных устройствах, протезировании и пр. Успехи в этой области уже сейчас приносят свои плоды.
Такие идеи как процессор «Терминатора» Т-800 совершенно новой архитектуры или Скайнет, или создание клонов в «Шестом дне» и «Острове» уже не кажутся несбыточными.
Исследования продолжаются. На изучение мозга тратятся колоссальные средства по всему миру. В 2013–2014 гг. в США, Европе и Японии стартовали масштабные проекты по исследованию мозга (Россия на подходе). Кто знает - может, будущее, о котором пишут фантасты, уже не за горами.
Зачем изучать мозг?
Здоровый мозг человека - невероятно сложная, тонко настроенная система, для нормального функционирования которой важен каждый ее элемент, и это не только нейроны и их сети. Мозг - это еще и множество вспомогательных элементов: глиальные клетки, которые осуществляют питательные и защитные функции для нейронов, клетки сосудистой системы, различные внеклеточные белки, нейромедиаторы. Малейшее изменение работы любого компонента мозга может привести к возникновению и развитию его патологий.
Условно патологии мозга можно разделить на три группы.
Нейродегенеративные заболевания - группа медленно прогрессирующих заболеваний нервной системы, связанных с гибелью нервных клеток, внешне выражающиеся в виде деменции и расстройства двигательных функций (болезни Альцгеймера, Хантингтона и Паркинсона - наиболее известные представители данной группы).
Психические расстройства, связанные с нарушениями в сфере чувств, мышления, поведения. К этой группе относятся депрессия, анорексия, булимия, нарушения сна, алкогольные и наркотические зависимости, шизофрения.
Заболевания, связанные с сосудистой системой.
Все перечисленные заболевания возникают по разным причинам, но на уровне нейронов их проявление всегда одно: нарушается передача нервных импульсов. В зависимости от причины таких нарушений требуется и разное лечение. Но проблема в том, что мы до сих пор не знаем причин этих заболеваний.
Есть теории, предположения, некоторые из них частично подтверждаются, другие - нет. Но в настоящее время все без исключения методы лечения этих заболеваний действуют на симптомы, а не на причины. Так что исследования механизмов возникновения и развития таких болезней в прямом смысле жизненно необходимы, это именно те знания, которых так не хватает, и финансирование таких экспериментов - весьма кстати.
Убить Альцгеймера
Cчиталось, что болезнь Альцгеймера развивается по причине недостатка нейромедиатора ацетилхолина (основной медиатор парасимпатической нервной системы). Тогда придумали лечить болезнь ингибиторами фермента ацетилхолинэстеразы. Фермент находится в месте соединения нейронов и разрушает ацетилхолин, обеспечивая таким образом прерывание нервного импульса. К слову, многие сельскохозяйственные пестициды и боевые отравляющие вещества (зарин, зоман и VX) - сильнейшие ингибиторы этого фермента, они вызывают паралич парасимпатической нервной системы (человек просто перестает дышать). Эффект от терапии был минимальным. Другой теорией было образование амилоидных бляшек, их научились растворять с помощью антител, но этот способ также не давал результата. Есть теория, согласно которой нарушается структура тау-белка, поддерживающего структуру транспортной системы внутри нейрона. Сейчас ее активно проверяют.
Новые подходы к лечению расстройств нервной системы
В настоящее время уже существует множество современных технологий лечения заболеваний, некоторые из которых используются в клинической практике, а другие - только проходят адаптацию. Поскольку многие расстройства центральной нервной системы связаны с неправильной работой генов (наличием в них ошибок, нарушением систем регуляции их работы) молекулярные и клеточные технологии терапии направлены на исправление подобных ошибок.
Идея таких методов проста: используя подходящие средства, мы доставляем терапевтический агент к нужному месту и на нужный уровень клетки, где и происходит коррекция. Уровни - ДНК, РНК, белки, простые вещества. Агентами могут выступать простые вещества (большинство современных лекарственных препаратов), активные белки, ферменты, специфические антитела, фрагменты РНК, даже ДНК. В качестве средств доставки могут использоваться, например, вирусы.
Ниже приведены некоторые примеры таких технологий .
Терапия с использованием миРНК. Молекулы миРНК связываются с матричной РНК (промежуточный элемент на пути синтеза белков, основных действующих элементов нашего организма); такие комплексы распознаются клеточными системами и разрушаются (так можно снизить синтез какого-либо белка в клетке).
Синтетические транскрипционные факторы. Эти вещества связываются с ДНК и активируют процесс синтеза матричной РНК (эти средства, напротив, позволяют повысить продукцию белка).
Синтетические нуклеазы для редактирования генов. Данные методы позволяют напрямую осуществлять коррекцию генома (устраняем дефект и вновь синтезируем компоненты клетки будут работать без нарушений).
Использование антител. Антитела вырабатываются нашим организмом в ответ на появление в нем посторонних веществ - например, вирусов, чужеродных белков. Люди уже давно научились синтезировать искусственные антитела. С их помощью можно устранять различные образования в мозге (пример - устранение амилоидных бляшек при болезни Альцгеймера).
Проблемы с активным применением данных методов связаны с недостатком знаний об объекте лечения. Мозг и центральная нервная система слишком сложны и многокомпонентны, а их патологии чаще всего вызваны несколькими факторами. Исследования в данной области позволят разработать и испытать новые прорывные технологии лечения нейропатологий.
Программы исследований мозга
Мозг как объект исследований интересует научное сообщество уже давно. Колоссальное количество проектов завершено, такое же количество находится в активной фазе или на стадии разработки. Их задачи охватывают весь спектр интересов научного сообщества: это и исследования молекулярных механизмов процессов передачи нервных импульсов, и поиск новых терапевтических средств, инструментов, разработка новых методов исследований, диагностики и лечения патологий, разработка карт разной степени разрешения. Пионерами исследований мозга являются Европейский союз, США и Япония.
Общий недостаток всех инициатив - их разрозненность. До настоящего момента исследования проводились в рамках интересов отдельных научных групп. Сейчас эту ситуацию собираются исправить.
В Европе, США и Японии запущены национальные инициативы по исследованию мозга и сознания. Они частично пересекаются, что может способствовать созданию удачных исследовательских консорциумов и получению наиболее полной информации об объекте исследования. Но главные задачи этих проектов хорошо дополняют друг друга, что позволит научному сообществу получить максимальную выгоду.
Европейские программы
Основным инструментом финансирования научных исследований в Европейском союзе являются Рамочные программы исследований и технологического развития (The Framework Programmes for Research and Technological Development, FP). Программы впервые были введены в 1984 году (FP1). С тех пор объем финансирования научных исследований неуклонно рос, и к 2014 году рост составил более 20 раз. Программа FP8, или „Horizon 2020” предполагает общее финансирование в размере более €80 млрд.
Генри Макрам (Henry Markram) - профессор нейронаук в Швейцарском Федеральном Технологическом Институте (EPFL). Он является основателем Института наук о мозге и сознании, инициатором и руководителем проекта Blue Brain и координатором основной подпрограммы (SP6) проекта Human Brain. Его научные интересы лежат в области синоптической пластичности (способности нейронов образовывать связи друг с другом), структурной организации и функций мозга, а также передачи сигналов в неокортексе (новая кора головного мозга). Он первым сформулировал фундаментальные принципы функционирования этих процессов.
Другим невероятно важным его достижением была разработка концепции «Жидкой машины», или «Машины неустойчивых состояний» (Liquid State Machine, LMS). Это особая сеть нейронов (узлов, если мы говорим о машинах), связанных друг с другом случайным образом. Каждый узел непрерывно получает сигналы от других узлов и/ или внешних источников и сразу же начинает их обрабатывать. На выходе система также выдает непрерывный сигнал. Уникальность такого подхода в том, что в единицу времени машина может содержать важную информацию обо всех прошлых входных сигналах, при этом информационные потоки могут обрабатываться одновременно, совершенно не мешая друг другу.
Эту модель Генри Макрам использовал для симуляции работы нейронных сетей в проекте Blue Brain. Данный проект - пример того, как один человек может изменить мир. Благодаря собственным достижениям и энергии Генри Макраму удалось получить грант на исследования, считавшимися до него неосуществимыми.
Объем финансирования научных исследований в Европе
При этом исследования, связанные с мозгом, в период с 2007 по 2013 гг. получили порядка €2 млрд. Для сравнения, к 2005 году общий объем финансовых вливаний в данную область знаний не превысил €4,1 млрд. Эта сумма включает частные и государственные инвестиции; доля последних при этом едва достигает €900 млн (в США частные и государственные инвестиции за тот же период составили $6,1 и $8,4 млрд соответственно).
Среди многих исследовательских программ, одобренных Европейским союзом, стоит выделить несколько наиболее значимых и/или масштабных проектов. Одним из них является программа Blue Brain.
Blue Brain
В данном проекте были разработаны принципы построения моделей мозга, которые, доказав свою эффективность, впервые заставили научное сообщество поверить в их прогностический потенциал. Эти принципы легли в основу платформы «Симуляция мозга» (SP6) проекта Human Brain (см. далее). Идейным вдохновителем и директором программы стал Генри Макрам (профессор нейронаук в Швейцарском Федеральном Технологическом Институте).
Название проекта произошло от названия суперкомпьютера Blue Gene, предоставленного компанией IBM и используемого для распределенных вычислений, и собственно объекта исследований - мозга (англ. brain).
Моделирование как инструмент исследований давно вошло в научную практику. Например, методы молекулярного докинга активно используются для поиска новых мишеней при разработке лекарственных препаратов.
Результатом проекта Blue Brain стала действующая компьютерная модель, которая способна с высокой вероятностью (около 74%) предсказывать расположение синапсов в коре головного мозга. В своих разработках авторы использовали данные, полученные в ходе собственных биологических экспериментов, а не математические модели (таких к моменту реализации проекта было создано довольно много).
Точный механизм образования синапсов до сих пор неизвестен. Есть две гипотезы: связи между нейронами образуются случайным образом в местах соприкосновения их отростков и связи образуются под контролем химических соединений, выделяемых клетками.
В ходе морфологических экспериментов в проекте Blue Brain (модельным животным была крыса) его авторы выделили шесть типов нейронов и их синоптические связи. Далее, используя всего два параметра (удаленность синапса от тела нейрона и расположение на нем отростков), исследователи выявили схему расположения синапсов, характерную для каждого типа нейронов.
В модельном эксперименте внутри строго определенного объема серого вещества нейроны были расположены случайным образом с учетом всего двух параметров: плотность расположения и относительное количество клеток каждого типа. Почти в 75% случаях модель правильно указала на наличие связей между клетками. Отсюда можно сделать вывод о случайном механизме образования синапсов. Оставшиеся проценты могут свидетельствовать о более сложных молекулярных механизмах, вовлеченных в данный процесс.
Изучение процессов работы памяти человека в Sandia National Laboratories (США) путем снятия электроэнцефалограммы головного мозга
Как бы то ни было, работа показала, что для построения коннектома (модели мозга, пространственного расположения клеток и, главное, связей между ними) достаточно разместить нейроны разных типов в правильных областях коры мозга с подходящей плотностью и в необходимом количестве. Получается, нет необходимости картировать положение каждого нейрона в коре, как считалось ранее, а достаточно иметь лишь общее представление об их расположении.
Именно этот вывод дал начало мероприятиям проекта Human Brain. В январе 2013 года было объявлено о его поддержке Европейским Союзом.
Тем не менее на данный момент мы все еще имеем недостаточно знаний о типах нервных клеток, присутствующих в нашем теле, их различиях на молекулярном уровне. А кроме нейронов, есть еще глиальные клетки и клетки сосудистой системы, без которых нейроны не смогут осуществлять своих функций. И одной из приоритетных задач Human Brain является восполнение недостающих данных, с использованием которых работа модели станет более точной.
Проект «Мозг человека»
(The Human Brain Project, HBP)
Проект «Мозг человека» (номер гранта 604102) стартовал в начале октября 2013 года. Данная инициатива является флагманским проектом в исследованиях мозга Европейской комиссии будущего и новейших технологий в течение ближайших теперь уже 8 лет (окончание проекта запланировано на 2023 год). За это время планируется не только проведение научных исследований, но и активное внедрение полученных результатов в виде методов, новых знаний, технологий в жизнь.
Подпрограммы проекта Human Brain
По словам Генри Маркрама (Henry Markram), профессора, основателя Института мозга и разума, в его рамках ученые намерены воссоздать мозг человека в самых мелких деталях.
«От генетического, молекулярного уровня к нейронам и синапсам, далее к цепям нейронов, макроцепям, мезоцепям, долям мозга - до тех пор, пока не возникнет понимание того, как связаны между собой все эти уровни и как они определяют поведение и формируют сознание», - говорит Маркрам.
Таким образом, глобальной задачей проекта HBP является создание точной модели, которая позволит понять, как работает наш мозг, как мы думаем, принимаем решения, чувствуем. Какие процессы лежат в основе памяти. Ведь четкое представление о том, как работает полтора килограмма биоматериала у нас в голове, потребляя при этом 20% энергии, вырабатываемой всем телом, позволит разработать инструменты для лечения нейродегенеративных заболеваний, которыми все больше страдает стареющее человечество.
Более того: имея такие модели, мы сможем приблизиться к идее создания искусственного разума. Но не все так просто. По словам самого же Генри Маркрама, если сознание появляется в результате критической массы взаимодействий - тогда это может быть возможно, но мы действительно не понимаем, что есть сознание, поэтому трудно об этом говорить. По крайней мере, сейчас.
В проекте участвуют 113 организаций-партнеров, 21 организация-исполнитель, среди которых ведущие университеты мира (всего 24 страны), что делает проект международным. Коммерческие компании, специализирующиеся на изучении патологий мозга, разработке и внедрении в практику новых терапевтических подходов к лечению нейродегенеративных заболеваний, основанных на последних достижениях и разработках науки и техники, также принимают активное участие в данном проекте.
Дорожная карта проекта включает следующие задачи:
Симуляция мозга;
Разработка вычислительных и роботизированных систем;
Разработка интерактивной системы вычислений;
Карта патологий мозга;
Создание карт мозга мыши и человека;
Разработка теорий мозга;
Ускорение революционных исследований;
Коллаборация с другими исследовательскими проектами;
Трансляция результатов Программы в технологии, продукты и сервисы;
Проведение политики ответственных исследований и инноваций.
Инициатива разделена на несколько подпроектов (SP1–SP13), каждый из которых исполняет свою функцию. При этом проекты SP5–SP10 по своим масштабам и значимости имеют статус платформ.
Всего на проект «Мозг человека» планируется потратить порядка €1,2 млрд. Финансирование предварительной фазы проекта, в течение которой происходит адаптация новых методов исследований, установление связей, контактов между организациями-участниками, составляет €54 млн.
В апреле 2015 года на сайте проекта после обобщающей встречи основных участников был опубликован технический отчет о работе, проделанной в течение года с момента начала проекта.
Первый год работы программы стал организационным. Ее участники осваивали, разрабатывали новые методы, совершенствовали инструментарий. В целом, результаты каждой исследовательской группы (конечно, всегда есть исключения) укладываются в установленный календарный план. Общее замечание ко всем участникам следующее: между ними не хватает перекрестных коммуникаций. Причем это единственное замечание существенно влияет на планы реализации всего проекта.
Требуемая производительность компьютерного кластера для реализации проектов по моделированию мозга
И не сосчитать!
Участникам платформы «Высокопроизво-дительные вычисления» (SP7) предстоит нелегкая задача. Дело в том, что для реализации амбициозных целей проекта Human Brain потребуются вычислительные системы колоссальной мощности. Использованный в проекте Blue Brain суперкомпьютер Blue Gene от IBM имел достаточно ресурсов (300 тыс. терафлоп и 10 ТБайт оперативной памяти) для симуляции работы одной колонки неокортекса крысы (структурная единица мозга, всего в мозге крысы 100 тыс. таких колонок). Для симуляции работы человеческого мозга потребуется более чем в 100 тыс. раз мощный кластер (см. рисунок). Для сравнения, 6-ядерный процессор Intel Core i7-4930K с частотой 3,7–4,2 ГГц имеет производительность 130–140 гигафлопсов (теоретический пик 177 ГФлопс). Это означает, что теоретически для создания подобного кластера потребуется свыше 7 миллионов таких процессоров.
В общем, невозможного здесь ничего нет, были бы деньги. К примеру, Intel планирует к 2020 году создать суперкомпьютер производительностью 4 эксафлопса. Тем не менее работа по введению в эксплуатацию и поддержке подобных систем крайне нелегка, поэтому пожелаем исследователям удачи.
Поскольку приоритетным научным результатом проекта Human Brain должна стать модель мозга человека (по ее аналогии легко можно будет разработать модель мозга любого млекопитающего), построенная на данных, полученных из биологических экспериментов, ее авторы (подпрограмма SP6) просто обязаны активно взаимодействовать с другими участниками данной инициативы, чтобы эту информацию получить и использовать. Причем от такого взаимодействия - двойная выгода. С одной стороны, на основании таких данных строится действующая модель (SP6), с другой, по мере ее тестирования становится очевидным, каких исследований еще не хватает (SP1, SP2, SP3, SP4). Такой процесс позволит более целенаправленно планировать эксперименты.
По отзывам экспертов создается впечатление, что SP1 и SP2 проводят работу независимо от целей и задач SP6. Аналогичная ситуация и с SP3 и SP4. При этом именно «сырых» данных пока недостаточно для построения работающей модели мозга.
Группа исследователей из Йельского университета изучает работу мозга с помощью массива из 64 датчиков на голове пациентов
Примечательно, что именно к разработчикам моделей - а они являются сердцем проекта - у экспертов возникло большинство претензий. Досталось и инженерам платформы «Нейророботы» (SP10), построившим модель «Виртуальная мышь», где они использовали упрощенную модель мозга, привязанную к модели тела (все это расположено в виртуальной окружающей среде). В основу модели легли данные института мозга Аллена (Сиэтл, США), Биомедицинской информационной исследовательской сети (Сан-Диего, США) и данные, полученные в результате исполнения проекта Blue Brain (Женева, ЕС). В представленной упрощенной модели было использовано 200 тыс. нейронов (всего в мозге мыши 75 млн нейронов).
Такая модель, несомненно, интересна сама по себе, поскольку, во-первых, является примером решения задачи по интеграции различного рода данных, полученных из различных источников, а во-вторых, представляет собой мощный инструмент не только для проведения исследований, но также для отработки интеллектуального поведения объектов в робототехнике (механизм ответа на внешнее возбуждение).
Однако претензии экспертов к группе SP10 заключались в том, что последние сосредоточились больше на эргономике разрабатываемого инструментария, а также на пакетах визуализации в ущерб свойствам самих моделей (мозг, тело, окружающая среда). Данное обстоятельство, по мнению экспертов, ставит под сомнение возможность использования и научную ценность подобного инструментария.
В защиту проекта можно сказать, что к моменту предоставления результатов прошел лишь год с его начала, и при должных усилиях указанные недочеты легко можно исправить.
Исследования в США
Инициатива B.R.A.I.N.
Название „B.R.A.I.N.” расшифровывается как „Brain Research Through Advancing Innovative Neurotechnologiеs” («Изучение мозга путем развития инновационных нейротехнологий»). Инициатива трансформировалась из программы Brain activity map («Карта активности мозга»), которая предполагала научиться регистрировать импульсы всех нейронов в мозге животных. Задачи инициативы серьезно расширились и теперь данный проект выглядит еще более амбициозным, чем Human Brain, и как большинство американских инициатив.
«Нам предстоит открыть глубокую тайну, и проект B.R.A.I.N. поможет в этом. Он даст ученым возможность составить в динамике картину деятельности головного мозга и лучше понять, как мы думаем, учимся и запоминаем», - заявил президент США Барак Обама, объявляя о запуске программы.
Глобальные цели исследований не новы: углубление научных знаний о болезни Альцгеймера, аутизме, эпилепсии и других расстройствах, связанных с высшей нервной деятельностью, исследование возможности ранней диагностики и лечения этих заболеваний. Но авторы проекта не исключают возможности появления прорывных открытий в процессе исполнения инициативы.
B.R.A.I.N. предполагает создание атласа клеток головного мозга на основе их полных молекулярных характеристик (ДНК, РНК, белки, простые молекулы), карты их связей друг с другом (коннектом), инструментов для объединения этих данных с информацией о когнитивных функциях. Инициатива также предполагает построение моделей здорового мозга и мозга с различными патологиями, что позволит исследовать причины их возникновения и развития. Все это в том или ином виде присутствует в европейском Проекте Human Brain.
B.R.A.I.N. - доступным языком
Сейчас для того, чтобы провести операцию на человеческом мозге (например, удалить эпилептический участок или вживить имплантат для устранения тремора), хирург каждый раз должен проводить его картирование. Происходит это следующим образом. На операционном столе лежит человек в полном сознании, его череп вскрыт. Врач осторожно касается специальным стимулятором различных областей мозга, а пациент должен отвечать ему, что он чувствует, как изменилось его состояние. Во время почти 4-часовой операции в 2008 году врачи стимулировали различные участки мозга американскому музыканту Эдди Эдкоку, а он играл на банджо и сообщал, есть ли эффект от такой стимуляции (у него был тремор, мешающий играть). Локализовав участок, ответственный за проявление патологии, в него вживили электрод. Пациент выздоровел и дал концерт по окончании операции.
Неинвазивные методы картирования головного мозга, его подробные карты, а также методы адресной стимуляции (физической или лекарственной) определенных участков серого вещества могли бы существенно упростить подобные процедуры. Только представьте: пациенту надевают шлем и начинают последовательно с некоторыми интервалами возбуждать те участки мозга, которые предположительно могут быть ответственны за недуг. И все, что нужно пациенту - вовремя нажать на кнопку, чтобы дать системе сигнал: мне стало лучше. Легкая калибровка, точечное воздействие - лечение завершено, пациент здоров.
Основное отличие этих двух проектов в том, что европейцы сосредоточились на создании компьютерных моделей, симулирующих работу мозга, а американцы будут в первую очередь разрабатывать новые технологии, инструменты, методы проведения исследований, точечного воздействия на мозг (по возможности неинвазивные), и только потом приступят к фундаментальным задачам.
О запуске инициативы B.R.A.I.N. стало известно в 2013 г. Сроком начала ее реализации был объявлен сентябрь 2014 г. (с этого месяца начинается финансирование большинства проектов). Программа рассчитана на 12 лет.
В работе над проектом принимают участие пять федеральных агентств: Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA), Агентство передовых исследований в сфере разведки (IARPA), Национальный институт здравоохранения (NIH), Агентство передовых оборонных разработок (DARPA) и Национальный научный фонд (NSF). Помимо этого, участники Национальной инициативы в фотонике, а также компании GE, Google, GlaxoSmithKline и Inscopix предоставили свою инфраструктуру в качестве вклада в B.R.A.I.N., а многие частные фонды, организации и университеты согласились участвовать в финансировании исследований.
Как планируют идеологи инициативы (главный координатор - Национальный институт здоровья, NIH), первые два года (финансовые 2014-й и 2015-й) станут подготовительными, основной фокус первой «пятилетки» (финансовые 2016–2020 гг.) будет направлен на разработку новых технологий исследований мозга, а в течение следующей «пятилетки» (2021–2025 гг.) с использованием разработанных технологий будут, как надеются ученые, сделаны фундаментальные открытия.
Основные цели B.R.A.I.N.
1. Исследование разнообразия: экспериментальное описание всех типов клеток головного мозга, их роли в здоровом и больном мозге. Это необходимо для систематизации клеточного разнообразия. С помощью полученных данных будут разработаны инструменты записи, маркировки и манипуляции нейронами на живом мозге, а также методы избирательной доставки генов, белков и простых веществ в клетки мозга.
2. Картирование в крупных масштабах: создание диаграмм нейронных связей в разрешении от отдельных синапсов до мозга в целом. Такая карта позволит выявлять связи не только между соседними клетками, но также клетками, расположенными в разных участках мозга, исследовать взаимосвязь между отдельными его областями. В перспективе будут разработаны быстрые и менее дорогие технологии реконструкции нейронных сетей в любом масштабе (от неинвазивного исследования целого мозга до исследования отдельных синапсов на субклеточном уровне).
3. Мозг в действии: получение динамических картин функционирования мозга с использованием новых методов мониторинга нейронной активности (запись сигналов всех нейронных сетей в течение длительных временных интервалов). Данные исследования позволят усовершенствовать существующие и разработать новые технологии работы с нейронами, включая методы, основанные на использовании электродов, оптики, молекулярной генетики и др.
4. Демонстрация причинно-следственных связей: соотнесение активности мозга с поведенческими рефлексами с использованием инструментов, изменяющих динамику нейронных сетей (активация или торможение популяций нейронов). Будут разработаны специальные инструменты для манипуляции нейронными сетями модельных животных и впоследствии человека (для оптогенетических, хемогенетических, биохимических и электромагнитных модуляций).
The NPI brings together experts from industry, academia and government to assemble recommendations that will help guide US funding and investment in five key photonics-driven fields: advanced manufacturing, communications & IT, defense & national security, energy and health & medicine.
5. Идентификация фундаментальных принципов: разработка моделей биологических основ психологических процессов с использованием новых теоретических инструментов. Теория, моделирование и статистический анализ позволят провести комплексный нелинейный анализ функциональных особенностей мозга. Разработка новых методов анализа и интерпретации данных будет осуществляться в тесном сотрудничестве с учеными в области статистики, физики, математики, инженерных и компьютерных наук.
6. Исследования человека: разработка инновационных технологий исследования мозга человека и лечения его патологий, создание и поддержка интегрированных исследовательских консорциумов. Разработка системы привлечения людей, страдающих различного рода патологиями мозга и проходящих обследование и лечение в клиниках, к научным исследованиям. Такая система помимо создания инструментов сбора и обработки данных о пациентах потребует формирования строгих этических норм и систем защиты персональных данных о пациентах.
7. От инициативы B.R.A.I.N. к мозгу: новые технологии и подходы, описанные в п. 1–6, продемонстрируют, как динамические массивы нейронной активности трансформируются в такие действия человеческого мозга как познание, эмоции, восприятие и действие. Это станет наиболее важным результатом работы инициативы.
Помимо исследовательских задач, инициатива предполагает развитие инфраструктурных проектов, среди которых наибольшую важность представляют:
Организация параллельных исследований человеческих и «нечеловеческих» моделей;
Механизмы междисциплинарного взаимодействия;
Интеграция данных в пространственных и временных шкалах (динамические модели);
Разработка платформы для хранения и обмена данными;
Валидация и внедрение новых технологий в практику;
Этические последствия применения результатов исследований;
Механизмы налоговой отчетности участников проекта.
Распределение финансирования ФГ14-ФГ25 между дисциплинами.
Две масштабных программы США и Европейского союза, очевидно, дополняют друг друга. Наличие же точек их пересечения позволяет организовывать совместные международные исследования. Например, цели подпрограмм SP1–SP5 проекта Human Brain совпадают с задачами, заявленными в п. 1–5 B.R.A.I.N., а цели SP8 совпадают с задачами п. 6. Что касается инфраструктуры, то она уже давно общая для научных сообществ США и Европы.
Инициатива B.R.A.I.N. предусматривает общее финансирование в объеме $4,9 млрд. Ожидания затрат авторов проекта показаны на рис. ниже. Таким образом, в течение ближайших 10 лет можно ожидать появления прорывных технологий в исследовании мозга и лечении его патологий.
Исследования в Японии
Проект под названием «Картирование мозга с использованием интегрированных нейротехнологий для изучения патологий» (Brain Mapping by Integrated Neurotechnologies for Disease Studies), сокращенно - Brain/MINDS, стартовал в июне 2014 года. Финансирование проекта в 2014 году составило ¥3 млрд ($27 млн), в 2015 году оно должно вырасти до ¥4 млрд.
Программа поддержана Министерством образования, науки и технологии (MEXT). Головной организацией выступит Институт науки о мозге RIKEN (BSI).
本プロジェクトは、神経細胞がどのように神経回路を形成し、どのように情報処理を行うことによって、全体性の高い脳の機能を実現しているかについて、革新的技術を生かし、その全容を明らかにし、精神・神経疾患の克服につながるヒトの高次脳機能の解明のための基盤を構築することを目的として実施します。
Проект направлен на изучение фундаментального вопроса: как работает сознание человека? Инициатива имеет следующие цели: выяснить все функции человеческого мозга; усовершенствовать методы диагностики и лечения его патологий; разработать информационные технологии, основанные на механизмах работы мозга.
Важной особенностью проекта Brain/MINDS является то, что его авторы большинство исследований будут проводить на модельных животных - мартышках Callithrix jacchus. Они небольшого размера и хорошо размножаются, поэтому с ними удобно работать и легко пополнять популяцию. Кроме того, по анатомии мозга, социальному поведению (включая отношения между родителями и потомством) эти обезьяны похожи на людей. Они обладают уникальными голосовыми способностями, к тому же модели их нейродегенеративных заболеваний и человека весьма схожи.
Другие важные преимущества работы именно с модельными животными и именно с мартышками Callithrix jacchus:
Фронтальная лобная кора хорошо развита и более соответствует коре человека, чем у других модельных животных - например, грызунов, часто используемых в экспериментах;
Компактный мозг (весом всего 8 г) является преимуществом при проведении анализа нейронных сетей целого мозга;
Мозг имеет меньше слоев, что упрощает процедуру его изучения методами функциональной магнитно-резонансной томографии, оптическими, контрастными и электрофизиологическими методами;
С мартышками можно проводить генетические эксперименты, модификации и манипуляции - это крайне важный аспект данного проекта, поскольку позволяет in vivo моделировать и изучать многие процессы (например, можно создать линию, которая обязательно будет болеть, скажем, болезнью Альцгеймера).
С помощью исследований трансгенных животных (в Японии, в отличие от США и ЕС, законодательство позволяет проводить подобные эксперименты) ученые смогут определить отправные точки развития нейродегенеративных заболеваний. Когда диагностируется болезнь Альцгеймера, то есть когда начинают проявляться первые ее симптомы, сделать уже ничего нельзя. Процесс деградации нервных волокон запущен, клетки гибнут, мозг сжимается, человек теряет память, наступает смерть. Ранняя диагностика - залог успешного лечения при любых патологиях. Таким образом, определив точку отсчета, изучив процесс возникновения и развития заболевания целиком, можно разработать терапевтические средства не только лечения, но предотвращения подобных патологий в принципе.
Кроме того, на животных будут отработаны современные технологии терапии - все те, которые упоминались в начале статьи.
Подробнее о DTI-MRI
Метод диффузионной тензорной магнитно-резонансной томографии с трактографией основан на измерении величины и направления диффузии молекул воды в веществе мозга. Было установлено, что движение молекул воды вдоль волокон белого вещества происходит гораздо активнее, чем в перпендикулярных направлениях, эта разница и легла в основу получения диффузионных тензорных изображений. С помощью данного метода можно оценить степень поражения мозга. Она позволяет создать трехмерную реконструкцию волокон белого вещества, а также обнаружить и оценить повреждение нервных связей. Кроме того, получаемые с ее помощью данные можно использовать для установления корреляций между поражением нейронных связей и неврологическим дефицитом в соответствующей системе.
Для выявления механизмов, лежащих в основе процессов, происходящих в нашей голове (чувства, поведение, патологии), исследователи должны интегрировать большое количество данных разного уровня.
Для этого задачи проекта разделены на три категории, каждой из которых занимается отдельна группа исследователей:
Группа A - структура и функциональное картирование мозга мартышки Callithrix jacchus;
Группа B - разработка инновационных нейротехнологий для картирования мозга;
Группа C - картирования мозга человека и клинические исследования.
Группа A находится под управлением профессора Хидеюки Окано (Институт наук о мозге RIKEN и Школа медицины университета Кейо). Исследования разделены на несколько уровней: макро-, мезо- и микроскопический.
На макроуровне авторы продемонстрировали потенциал метода диффузионной тензорной магнитно-резонансной томографии с трактографией (DTI-MRI) в диагностике болезни Паркинсона. Исследования, проведенные на модельных животных (мартышках, страдающих паркинсонизмом) показали, что метод позволяет выявить изменения в областях мозга, ответственных за развитие данного заболевания, что может использоваться в клинической практике. С использованием DTI-MRI была построена трехмерная модель мозга мартышки, которую можно использовать для сравнения мозга с патологией и мозга контрольной группы. Авторы намереваются в тесном сотрудничестве с клиницистами (группа В) исследовать возможность использования данного метода в диагностике различных нейродегенеративных заболеваний.
Волокнистая структура белой материи и областей целого мозга мартышки была реконструирована в виртуальном пространстве с использованием данных, полученных с использованием метода DTI-MRI с трактографией. Волокна белой материи содержат множество продолжительных нитей, соединяющих различные области мозга. На структуре целого мозга также можно увидеть связи областей друг с другом
Методами световой микроскопии (уровень среднего разрешения), введением флуоресцентных меток и гибридизации in situ будет исследоваться экспрессия генов, ответственных за возникновение и развитие патологий мозга, а также таких физиологических функций как зрение. С использованием аденовирусов группа будет внедрять гены синтеза разных флуоресцентных белков (эти белки светятся при их возбуждении излучением определенной длины волны) и, таким образом, отслеживать нейроны, распределение их аксонов, связей с другими клетками. Кроме того, специально для целей разработки карт будут созданы уникальные линии мартышек, дефектные по одному или нескольким генам, связанным с организацией работы мозга.
Психология – одна из древнейших наук в современной системе научного знания. Она возникла как результат осознания человеком самого себя. Само название этой науки – психология (psyche – душа, logos – учение) указывает, что основное ее предназначение – познание своей души и ее проявлений – воли, восприятия, внимания, памяти и т.д. Нейрофизиология – специальный раздел физиологии, изучающий деятельность нервной системы, возникла намного позже. Практически до второй половины XIX века нейрофизиология развивалась как экспериментальная наука, базирующаяся на изучении животных. Действительно, «низшие» (базовые) проявления деятельности нервной системы одинаковы у животных и человека. К таким функциям нервной системы относятся проведение возбуждения по нервному волокну, переход возбуждения с одной нервной клетки на другую (например, нервную, мышечную, железистую), простые рефлексы (например, сгибания или разгибания конечности), восприятие относительно простых световых, звуковых, тактильных и других раздражителей и многие другие. Только в конце XIX столетия ученые перешли к исследованию некоторых сложных функций дыхания, поддержания в организме постоянства состава крови, тканевой жидкости и некоторых других. При проведении всех этих исследований ученые не находили существенных различий в функционировании нервной системы как в целом, так и ее частей у человека и животных, даже очень примитивных. Например, на заре современной экспериментальной физиологии излюбленным объектом была лягушка. Только с открытием новых методов исследования (в первую очередь электрических проявлений деятельности нервной системы) наступил новый этап в изучении функций головного мозга, когда стало возможным исследовать эти функции, не разрушая мозг, не вмешиваясь в его функционирование, и вместе с тем изучать высшие проявления его деятельности – восприятие сигналов, функции памяти, сознания и многие другие.
Как уже указывалось, психология как наука намного старше, чем физиология, и на протяжении многих веков психологи в своих исследованиях обходились без знаний физиологии. Конечно, это связано прежде всего с тем, что знания, которыми располагала физиология 50–100 лет тому назад, касались только процессов функционирования органов нашего тела (почек, сердца, желудка и др.), но не головного мозга. Представления ученых древности о функционировании головного мозга ограничивались только внешними наблюдениями: они считали, что в головном мозге – три желудочка, и в каждый из них древние врачи «помещали» одну из психических функций (рис. 1).
Перелом в понимании функций головного мозга наступил в XVIII столетии, когда стали изготавливать очень сложные часовые механизмы. Например, музыкальные шкатулки исполняли музыку, куклы танцевали, играли на музыкальных инструментах. Все это приводило ученых к мысли, что наш головной мозг чем-то очень похож на такой механизм. Только в XIX веке окончательно было установлено, что функции головного мозга осуществляются по рефлекторному (reflecto – отражаю) принципу. Однако первые представления о рефлекторном принципе действия нервной системы человека были сформулированы еще в XVIII столетии философом и математиком Рене Декартом. Он полагал, что нервы представляют собой полые трубки, по которым от головного мозга, вместилища души, передаются животные духи к мышцам. На рис. 2 видно, что мальчик обжег ногу, и этот стимул запустил всю цепь реакций: вначале «животный дух» направляется к головному мозгу, отражается от него и по соответствующим нервам (трубкам) направляется к мышцам, раздувая их. Здесь без труда можно увидеть простую аналогию с гидравлическими машинами, которые во времена Р. Декарта были вершиной достижения инженерной мысли. Проведение аналогии между действием искусственных механизмов и деятельностью головного мозга – излюбленный прием при описании функций мозга. Например, наш великий соотечественник И. П. Павлов сравнивал функцию коры больших полушарий головного мозга с телефонным узлом, на котором барышня-телефонистка соединяет абонентов между собой. В наше время головной мозг и его деятельность чаще всего сравнивают с мощным компьютером. Однако любая аналогия весьма условна. Не вызывает сомнений, что головной мозг действительно выполняет огромный объем вычислений, но принцип его деятельности отличен от принципов действия компьютера. Но вернемся к вопросу: зачем психологу знать физиологию головного мозга?
Вспомним идею рефлекса, высказанную еще в XVIII веке Р. Декартом. Собственно зерном этой идеи было признание того, что реакции живых организмов обусловлены внешними раздражениями благодаря деятельности головного мозга, а не «по воле Божьей». В России эта идея была с воодушевлением воспринята научной и литературной общественностью. Вершиной этого был выход в свет знаменитого труда Ивана Михайловича Сеченова «Рефлексы головного мозга» (1863), оставившего глубокий след в мировой культуре. Свидетельством служит тот факт, что в 1965 г., когда исполнилось столетие со дня выхода этой книги в свет, в Москве под патронажем ЮНЕСКО прошла международная конференция, на которой присутствовали многие ведущие нейрофизиологи мира. И. М. Сеченов впервые полно и убедительно доказал, что психическая деятельность человека должна стать объектом изучения физиологами.
И. П. Павлов развил эту мысль в виде «учения о физиологии условных рефлексов».
Ему принадлежит заслуга в создании метода экспериментального исследования «высшего этажа» головного мозга коры – больших полушарий. Этот метод назван «методом условных рефлексов». Он установил фундаментальную закономерность: предъявление животному (И. П. Павлов проводил исследования на собаках, но это верно и для человека) двух стимулов – вначале условного (например, звук зуммера), а затем безусловного (например, подкармливание собаки кусочками мяса). После некоторого числа сочетаний это приводит к тому, что при действии только звука зуммера (условного сигнала) у собаки развивается пищевая реакция (выделяется слюна, собака облизывается, скулит, смотрит в сторону миски), т.е. образовался пищевой условный рефлекс (рис. 3). Собственно этот прием при дрессировке был давно известен, но И. П. Павлов сделал его мощным инструментом научного исследования функций головного мозга.
Физиологические исследования в сочетании с изучением анатомии и морфологии головного мозга привели к однозначному заключению – именно головной мозг является инструментом нашего сознания, мышления, восприятия, памяти и других психических функций.
Основная трудность исследования заключается в том, что психические функции чрезвычайно сложны. Психологи исследуют эти функции своими методами (например, при помощи специальных тестов изучают эмоциональную устойчивость человека, уровень умственного развития и другие свойства психики). Характеристики психики исследуются психологом без «привязки» к мозговым структурам, т.е. психолога интересуют вопросы организации самой психической функции, но не то, как работают отдельные части головного мозга при осуществлении этой функции. Только относительно недавно, несколько десятилетий назад, появились технические возможности для исследования методами физиологии (регистрация биоэлектрической активности головного мозга, исследование распределения тока крови и др., подробнее см. далее) некоторых характеристик психических функций – восприятия, внимания, памяти, сознания и др. Совокупность новых подходов к исследованию головного мозга человека, сфера научных интересов физиологов в области психологии и привели к появлению в пограничной области этих наук новой науки – психофизиологии. Это обусловило взаимопроникновение двух областей знаний – психологии и физиологии. Поэтому физиологу, который исследует функции головного мозга человека, необходимы знания психологии и применение этих знаний в своей практической работе. Но и психолог не может обойтись без регистрации и исследования объективных процессов головного мозга с помощью электроэнцефалограмм, вызванных потенциалов, томографических исследований и пр. Какие же подходы к исследованию физиологии головного мозга человека привели ученых к современной сумме знаний?
Успехи в исследовании мозга человека в настоящее время
В биологии существует принцип, который может быть сформулирован как принцип единства структуры и функции. Например, функция сердца (проталкивать кровь по сосудам нашего организма) полностью определяется строением и желудочков сердца, и клапанов, и прочего. Этот же принцип соблюдается и для головного мозга. Поэтому вопросы морфологии и анатомии головного мозга всегда считались очень важными при изучении деятельности этого сложнейшего органа.
Анатомия и морфология головного мозга – древняя наука. В названиях структур головного мозга сохранены имена древних анатомов – Виллизия, Сильвия, Роланда и многих других. Головной мозг человека состоит из больших полушарий – высшего центра его психической деятельности (см. приложение 1). Это самая большая часть нашего головного мозга. Промежуточный мозг состоит из двух неравноценных частей: таламуса, который является своеобразным распределителем (коллектором) сигналов, направляющихся к областям коры, в том числе сигналов от органов зрения, слуха и др., и гипоталамуса (расположенного под таламусом), который «заведует» в нашем организме вегетативными (обеспечивающими «растительную» жизнь нашего организма) функциями. Благодаря гипоталамусу происходят рост и созревание (в том числе половое) нашего организма, поддерживается постоянство внутренней среды, например поддержание температуры тела, выведение из организма шлаков, потребление пищи и воды и многие другие процессы.
Наконец, заднюю часть головного мозга занимает мозговой ствол, который, в свою очередь, состоит из ряда отделов: среднего мозга, моста и продолговатого мозга. Эти структуры принимают участие в осуществлении сложнейших функций организма – поддержании уровня кровяного давления, дыхании, установке взора, регулировании цикла сон–бодрствование, в проявлении ориентировочных реакций и многих других. Из мозгового ствола выходят 10 пар черепных нервов, благодаря деятельности которых осуществляется множество функций: регуляции функций сердца и дыхания, деятельность лицевой мускулатуры, восприятие сигналов из внешнего мира и внутренней среды. Всю сердцевину мозгового ствола занимает ретикулярная (сетчатая) формация. Деятельность этой структуры определяет цикл сон–бодрствование, нарушение ее целостности приводит к грубым нарушениям сознания, которое врачи называют комой. Над мостом находится мозжечок, или малый мозг.
Мозжечок у человека (в дословном переводе мозжечок это – малый мозг) состоит из полушарий и соединяющего их червя. Функции мозжечка многообразны, его поражение вызывает расстройства в регуляции движений: человек неспособен совершать правильную последовательность движений отдельных частей своего тела, при ходьбе не успевает перемещать центр тяжести, походка становится неуверенной, он может упасть на ровном месте. Самой каудальной (от cauda – хвост, задний отдел) частью ЦНС (центральной нервной системы) является спинной мозг.
Спинной мозг человека состоит более чем из трех десятков сегментов и заключен в позвоночник. Каждому сегменту примерно соответствует позвонок. Основная функция спинного мозга – передача к частям тела сигналов от вышележащих отделов центральной нервной системы, а также направление сигналов от соответствующих частей тела к вышележащим отделам мозга. Спинной мозг способен также к довольно сложной самостоятельной деятельности. На уровне спинного мозга осуществляются весьма сложные вегетативные рефлексы, определяющие мочеиспускание, дефекацию, потоотделение, покраснение кожи и многие другие. На уровне отдельных сегментов спинного мозга могут осуществляться рефлексы, участвующие в управлении движениями, например коленный, ахиллов и др. Спинной мозг дает начало вегетативной нервной автономной системе, деятельность которой весьма важна для защиты организма от неблагоприятных воздействий – холода, перегрева, кровопотери и т.п.
Методы исследования головного мозга человека постоянно совершенствуются. Так, современные методы томографии позволяют увидеть строение головного мозга человека, не повреждая его. На рис. 4 показан принцип одного из таких исследований – методом магнитно-резонансной томографии. Головной мозг облучают электромагнитным полем, применяя для этого специальный магнит. Под действием магнитного поля диполи жидкостей мозга (например, молекулы воды) принимают его направление. После снятия внешнего магнитного поля диполи возвращаются в исходное состояние, при этом возникает магнитный сигнал, который улавливается специальными датчиками. Затем это эхо обрабатывается с помощью мощного компьютера и методами компьютерной графики отображается на экране монитора. Благодаря тому что внешнее магнитное поле, создаваемое внешним магнитом, можно сделать плоским, таким полем как своеобразным «хирургическим ножом» можно «резать» головной мозг на отдельные слои. На экране монитора ученые наблюдают серию последовательных «срезов» головного мозга, не нанося ему никакого вреда. Этот метод позволяет исследовать, например, злокачественные образования головного мозга (рис. 5).
Еще более высоким разрешением обладает метод позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). Исследование основано на введении в мозговой кровоток позитрон-излучающего короткоживущего изотопа. Данные о распределении радиоактивности в мозге собираются компьютером в течение определенного времени сканирования и затем реконструируются в трехмерный образ. Метод позволяет наблюдать в головном мозге очаги возбуждения, например, при продумывании отдельных слов, при их проговаривании вслух, что свидетельствует о его высоких разрешающих возможностях. Вместе с тем многие физиологические процессы в головном мозге человека протекают значительно быстрее тех возможностей, которыми обладает томографический метод. В исследованиях ученых немаловажное значение имеет финансовый фактор, т.е. стоимость исследования. К сожалению, томографические методы очень дороги: одно исследование мозга больного человека может стоить сотни долларов.
В распоряжении физиологов имеются также различные электрофизиологические методы исследования. Они также совершенно не опасны для мозга человека и позволяют наблюдать течение физиологических процессов в диапазоне от долей миллисекунды (1 мс = 1/1000 с) до нескольких часов. Если томография – продукт научной мысли XX века, то электрофизиология имеет глубокие исторические корни.
В XVIII столетии итальянский врач Луиджи Гальвани заметил, что отпрепарированные лапки лягушки (сейчас мы называем такой препарат нервно-мышечным) сокращаются при соприкосновении с металлом. История сохранила нам легенду: молодая красивая жена Гальвани заболела чахоткой. Согласно предписаниям медицины того времени больной требовалось усиленное питание бульоном из лягушачьих лапок. Для этой цели заботливый муж заготовил много таких лапок и развесил их на веревке на балконе. Они раскачивались под легким ветром и изредка прикасались к медным перилам балкона. Каждое такое соприкосновение приводило к сокращению лапки. Гальвани обнародовал свое замечательное открытие, назвав его биоэлектричеством. Нам известно также имя его замечательного оппонента и соотечественника физика – А. Вольта, который представил доказательства, что ток возникает на границе двух металлов (например, цинка и меди), помещенных в раствор соли. Таким образом, Вольта утверждал, что биоэлектричества не существует, и как физик привел простое физическое доказательство. Однако Гальвани доказал, что лапка лягушки может сокращаться и без соприкосновения с металлом. Он придумал опыт, который до сих пор выполняют в физиологическом практикуме студенты – медики и биологи. Опыт состоит в следующем. Если две отпрепарированные лягушачьи лапки положить рядом, затем икроножную мышцу одной лапки рассечь скальпелем и на место разреза пинцетом быстро набросить нерв от неповрежденного нервно-мышечного препарата, то его икроножная мышца в этот момент сократится. Как часто бывает в научных спорах, оба ученых оказались правы: Вольта изобрел устройство для производства электрического тока, которое вначале было названо вольтовым столбом, а в наше время называют гальваническим элементом, но имя Вольта осталось в науке как наименование единицы электрического напряжения – вольт.
Пропустим значительный отрезок истории и обратимся к XIX столетию. К этому времени уже появились первые физические приборы (струнные гальванометры), которые позволяли исследовать слабые электрические потенциалы от биологических объектов. В Манчестере (Англия) Г. Катон впервые поместил электроды (металлические проволочки) на затылочные доли головного мозга собаки и зарегистрировал колебания электрического потенциала при освещении светом ее глаз. Подобные колебания электрического потенциала сейчас называют вызванными потенциалами и широко используют при исследовании мозга человека. Это открытие прославило имя Катона и дошло до нашего времени, но современники замечательного ученого глубоко чтили его как мэра Манчестера, а не как ученого.
В России подобные исследования проводил И. М. Сеченов: ему впервые удалось зарегистрировать биоэлектрические колебания от продолговатого мозга лягушки. Другой наш соотечественник, профессор Казанского университета И. Правдич-Неминский изучал биоэлектрические колебания мозга собаки при различных состояниях животного – в покое и при возбуждении. Собственно, это были первые электроэнцефалограммы. Однако мировое признание получили исследования, проведенные в начале XX века шведским исследователем Г. Бергером. Используя уже значительно более совершенные приборы, он зарегистрировал биоэлектрические потенциалы головного мозга человека, которые теперь называют электроэнцефалограммой. В этих исследованиях впервые был зарегистрирован основной ритм биотоков мозга человека – синусоидальные колебания с частотой 8–12 Гц, который получил название альфа-ритма. Это можно считать началом современной эры исследования физиологии головного мозга человека (рис. 6).
Современные методы клинической и экспериментальной электроэнцефалографии сделали значительный шаг вперед благодаря применению компьютеров. Обычно на поверхность скальпа при клиническом обследовании больного накладывают несколько десятков чашечковых электродов. Далее эти электроды соединяют с многоканальным усилителем. Современные усилители очень чувствительны и позволяют записывать электрические колебания от мозга амплитудой всего в несколько микровольт (1 мкВ = 1/1000000 В). Далее достаточно мощный компьютер обрабатывает ЭЭГ по каждому каналу. Психофизиолога или врача, в зависимости от того, исследуется мозг здорового человека или больного, интересуют многие характеристики ЭЭГ, которые отражают те или иные стороны деятельности мозга, например ритмы ЭЭГ (альфа, бета, тета и др.), характеризующие уровень активности мозга. В качестве примера можно привести применение этого метода в анестезиологии. В настоящее время во всех хирургических клиниках мира во время операций под наркозом наряду с электрокардиограммой регистрируется и ЭЭГ, ритмы которой могут очень точно указывать глубину наркоза и контролировать деятельность мозга. Ниже мы столкнемся с применением метода ЭЭГ и в других случаях.
Нейробиологический подход к исследованию нервной системы человека
В теоретических исследованиях физиологии головного мозга человека огромную роль играет изучение центральной нервной системы животных. Эта область знаний получила название нейробиологии. Дело в том, что мозг современного человека является продуктом длительной эволюции жизни на Земле. На пути этой эволюции, которая на Земле началась примерно 3–4 млрд лет тому назад и продолжается в наше время, Природой перебирались многие варианты устройства центральной нервной системы и ее элементов. Например, нейроны, их отростки, процессы, протекающие в нейронах, остаются неизменными как у примитивных животных (например, членистоногих, рыб, амфибий, рептилий и др.), так и у человека. Это означает, что Природа остановилась на удачном образце своего творения и не изменяла его на протяжении сотен миллионов лет. Так произошло со многими структурами головного мозга. Исключение представляют большие полушария головного мозга. Они уникальны в мозге человека. Поэтому нейробиолог, имея в своем распоряжении огромное число объектов исследования, всегда может изучать тот или иной вопрос физиологии головного мозга человека на более простых, дешевых и доступных объектах. Такими объектами могут быть беспозвоночные животные. На рис. 7 схематично показан один из классических объектов современной нейрофизиологии – головоногий моллюск кальмар и нервное волокно (так называемый гигантский аксон), на котором были выполнены классические исследования по физиологии возбудимых мембран.
В последние годы для этих целей все шире применяют прижизненные срезы головного мозга новорожденных крысят и морских свинок и даже культуру нервной ткани, выращенную в лаборатории. Какие же вопросы способна решить нейробиология своими методами? Прежде всего – исследование механизмов функционирования отдельных нервных клеток и их отростков. Например, у головоногих моллюсков (кальмара, каракатицы) имеются очень толстые, гигантские аксоны (диаметром 500–1000 мкм), по которым из головного ганглия передается возбуждение на мускулатуру мантии (см. рис. 7). Молекулярные механизмы возбуждения исследуются на этом объекте. У многих моллюсков в нервных ганглиях, заменяющих у них головной мозг, есть очень большие нейроны – диаметром до 1000 мкм. Эти нейроны являются излюбленными объектами при изучении работы ионных каналов, открытие и закрытие которых управляется химическими веществами. Ряд вопросов передачи возбуждения от одного нейрона другому исследуется на нервно-мышечном соединении – синапсе (синапс в переводе с греческого означает контакт); эти синапсы по размерам в сотни раз больше подобных синапсов в головном мозге млекопитающих. Здесь протекают весьма сложные и до конца не изученные процессы. Например, нервный импульс в синапсе приводит к выбросу химического вещества, вследствие действия которого возбуждение передается на другой нейрон. Исследование этих процессов и их понимание лежат в основе целой современной индустрии производства лекарственных средств и других препаратов. Список вопросов, которые может решать современная нейробиология, бесконечно велик. Некоторые примеры мы рассмотрим далее.
Для регистрации биоэлектрической активности нейронов и их отростков применяют специальные приемы, которые называются микроэлектродной техникой. Микроэлектродная техника в зависимости от задач исследования имеет много особенностей. Обычно применяют два типа микроэлектродов – металлические и стеклянные. Металлические микроэлектроды часто изготавливают из вольфрамовой проволоки диаметром 0,3–1 мм. На первом этапе нарезают заготовки длиной по 10–20 см (это определяется глубиной, на которую будет погружен микроэлектрод в мозг исследуемого животного). Один конец заготовки электролитическим методом затачивают до диаметра 1–10 мкм. После тщательной промывки поверхности в специальных растворах ее покрывают лаком для электрической изоляции. Самый кончик электрода остается неизолированным (иногда через такой микроэлектрод пропускают слабый толчок тока, чтобы дополнительно разрушить изоляцию на самом кончике).
Для регистрации активности одиночных нейронов микроэлектрод закрепляют в специальном манипуляторе, который позволяет продвигать его в мозге животного с высокой точностью (рис. 8). В зависимости от задач исследования манипулятор может крепиться на черепе животного или отдельно. В первом случае это очень миниатюрные устройства, которые получили название микроманипуляторов. Характер регистрируемой биоэлектрической активности определяется диаметром кончика микроэлектрода. Например, при диаметре кончика микроэлектрода не более 5 мкм можно зарегистрировать потенциалы действия одиночных нейронов (в этих случаях кончик микроэлектрода должен приблизиться к исследуемому нейрону на расстояние около 100 мкм). При диаметре кончика микроэлектрода больше 10 мкм одновременно регистрируется активность десятков, а иногда сотен нейронов (мультиплай-активность).
Другой широко распространенный тип микроэлектродов изготавливают из стеклянных капилляров (трубочек). Для этой цели используются капилляры диаметром 1–3 мм. Далее на специальном устройстве, так называемой кузнице микроэлектродов, выполняют следующую операцию: капилляр в средней части разогревают до температуры плавления стекла и разрывают. В зависимости от параметров этой процедуры (температуры нагрева, величины зоны нагрева, скорости и силы разрыва и пр.) получают микропипетки с диаметром кончика до долей микрометра. На следующем этапе микропипетку заполняют раствором соли (например, 2М КС1) и получают микроэлектрод. Кончик такого микроэлектрода можно вводить внутрь нейрона (в тело или даже в его отростки), не сильно повреждая его мембрану и сохраняя его жизнедеятельность. Примеры внутриклеточной регистрации активности нейронов приведены в гл. 2.
Еще одно направление исследования головного мозга человека возникло в годы Второй мировой войны – это нейропсихология. Одним из основоположников этого подхода был профессор Московского университета Александр Романович Лурия. Метод представляет собой сочетание приемов психологического обследования с физиологическим исследованием человека с поврежденным головным мозгом. Результаты, полученные в таких исследованиях, будут многократно цитироваться далее.
Методы исследования головного мозга человека не исчерпываются описанными выше. Во введении автор скорее стремился показать современные возможности исследования головного мозга здорового и больного человека, а не описать все современные методы исследования. Эти методы возникли не на пустом месте – одни из них имеют уже многовековую историю, другие стали возможными только в век современных вычислительных стредств. При чтении книги читатель столкнется с другими методами иследования, суть которых будет разъясняться по ходу описания.
Вопросы
1. Зачем психологу нужно знать физиологию головного мозга человека?
2. Каковы современные методы исследования физиологии головного мозга?
3. Чем оправданы исследования на нервной системе животных?
Литература
Ярошевский М. Г. История психологии. М.: Мысль, 1985.
Шеперд Г. Нейробиология. М.: Мир, 1987. Т. 1, 2.
Лурия А. Р. Этапы пройденного пути (научная автобиография). М.: Изд-во Моск. ун-та, 1982.
