Компьютер сымитировал мозг

Работы по моделированию работы головного мозга на компьютере начались еще в июле 2005 года — именно тогда был запущен проект под названием Blue Brain Project. Его основной целью является моделирование работы неокортекса (основной части коры головного мозга) человека. Достижение этой задачи становится возможным благодаря совместной работе ученых из Федерального технического института Лозанны, которые занимаются исследованиями мозга, а также специалистов из компании IBM — именно их детищем является суперкомпьютер Blue Gene, имитирующий работу нейронов.


Спустя всего лишь год после начала проекта ученым удалось смоделировать работу одной нейронной колонки мозга крысы: при этом в работе был задействован один суперкомпьютер из 8192 процессоров, которые имитировали функционирование 10 тыс. нейронов. После выполнения этого этапа работ перед исследователями встали задачи по увеличению числа электронных нейронов и скорости их взаимодействия:

десять лет назад заставить компьютер работать в «режиме реального времени» не удалось.

Несколько дней назад журнал Cell опубликовал статью, описывающую результаты работы 82 ученых из Федерального технического института Лозанны и других университетов Израиля, Испании, Венгрии, США, Китая, Швеции и Великобритании. Исследователям удалось смоделировать работу кусочка неокортекса крысы, объем ткани которого составляет треть кубического миллиметра, число нейронов достигает 30 тыс., а количество синапсов — мест контакта между двумя нейронами — превышает 40 млн. Этот успех стал результатом почти двух десятилетий исследований мозга и десяти лет работы по компьютерному симулированию его работы.

Для того чтобы разработать программное обеспечение, способное сымитировать работу нейронов, исследователям пришлось провести десятки тысяч экспериментов. Они позволили ученым классифицировать нейроны и синапсы по разным категориям, а также вывести серию правил, описывающих, как нейроны формируют между собой разнообразные типы связей. Генри Маркрам, координатор основанного в 2013 году проекта Human Brain Project, комментирует: «Мы не могли измерить все — но в этом не было необходимости. Мозг — это прекрасно организованная структура, поэтому, когда вы начинаете понимать принципы ее работы на микроскопическом уровне, становится возможным предсказать очень многую информацию».

Один из ведущих авторов работы Идан Сегев называет проделанную учеными масштабную работу «продолжением» исследований одного из основоположников современной нейробиологии, испанского врача и гистолога Сантьяго Рамона-и-Кахаля, который в 1906 году стал лауреатом Нобелевской премии по медицине и гистологии. «Рамон-и-Кахаль начал с того, что зарисовывал каждый тип нейронов от руки. Он даже рисовал стрелочки, чтобы показать, как информация передается от одного нейрона к другому.

Сегодня мы делаем то, что делал бы Кахаль, если бы в его распоряжении имелось современное научное оборудование, – мы строим цифровую модель сети нейронов и синапсов и симулируем поток информации на суперкомпьютерах», — комментирует профессор Сегев.

Работа созданного учеными компьютерного алгоритма построена следующим образом: начинает он с того, что создает трехмерную модель нейронов, соблюдая все пропорции их размеров и расстояние, на котором они расположены друг от друга. После того компьютерная программа определяет, в каких местах находятся точки соприкосновения нейронов — таких мест насчитывается около 600 млн. Затем алгоритм отсекает те соприкосновения, которые не вписываются в «правила», заданные реальным мозгом, и не соответствуют действительности, — таким образом остается всего около 37 млн точек соединения. Именно там по команде компьютера и «вырастают» синапсы.

Испытания модели доказали, что работает она в действительности так же, как и настоящий мозг. Так, например,

она оказалась способной симулировать работу «троек» нейронов — мини-систем, которые наблюдались в реальном мозге в ходе экспериментов. Кроме того, компьютер помог получить и новую информацию об этих «тройках», а именно — определить, при каких условиях нейроны начинают работать в группах «по трое».

Дальнейшие эксперименты стали подтверждением недавно сделанного открытия: существования нейронов-«хористов» и нейронов-«солистов». «Хористами» ученые назвали нейроны, активность которых синхронизируется с «соседями», а «солистами» — те, которые работают вне зависимости от того, что делают окружающие их клетки мозга. Компьютерный алгоритм помог выяснить, какие механизмы отвечают за подобное «коллективное» или «индивидуальное» поведение.

Несмотря на такие впечатляющие результаты работы, «эта реконструкция — всего лишь первый шаг, она еще не закончена и не является идеальным цифровым воплощением настоящей биологической ткани», комментирует Генри Маркрам. Хотя, без сомнения, модель уже сейчас помогает ученым лучше понять принципы функционирования реального мозга. Помимо описанных открытий, связанных с «хористами» и «солистами», алгоритм сделал возможным обнаружить важнейшую роль, которую в головном мозге выполняет кальций. Ученые выяснили, что

изменение концентрации кальция способно «переключать» активность некоторых областей головного мозга с режима бодрствования на режим сна — раньше ученые только наблюдали такие сдвиги активности, но не могли понять, чем именно они вызваны.

Создатели алгоритма уверены, что уже сейчас он способен оказать значительную помощь в изучении причин и течения многих заболеваний мозга — от нарушений сна до нейродегенеративных болезней. Как утверждают авторы статьи, плоды их работы и использование алгоритма в качестве экспериментальной модели мозга будут доступны всем ученым, которые занимаются соответствующими исследованиями.