Скорость технологических изменений
В 1965 г. Гордон Мур, один из основателей компьютерного гиганта Intel, высказал предположение о скорости роста вычислительной мощности компьютеров. Закон Мура предсказывает, что транзисторы уменьшаются в размерах и их число на полупроводниковом кристалле будет удваиваться каждые два года, что приводит к экспоненциальному росту вычислительной мощности компьютеров. Предсказание Мура подтверждалось на протяжении всех прошедших десятилетий и стало выражением экспоненциального роста скорости технологических изменений. Закон Мура используется производителями компьютеров для долгосрочного планирования и постановки задач совершенствования технологии. Поскольку закон предсказывает экспоненциальное, а не линейное технологическое развитие, то некоторые исследователи полагают, что при сохранении сегодняшних темпов следующие 100 лет будут эквивалентны предыдущим 20 000. В таком случае можно ожидать коренных изменений в технологии, которую мы используем.
Срез коннектома: эти удивительные двумерные изображения являются первым шагом к получению самой сложной в мире схемы соединений. Маленькие черные точки – это ДНК внутри отдельных клеток; правильные окружности на изображении – крошечные сферические пузырьки нейротрансмиттеров.
Учитывая потенциал развития вычислительной техники, можно предположить, что когда-нибудь у нас появится возможность скопировать рабочую копию человеческого мозга. Теоретически этому ничто не препятствует, однако следует реалистически оценивать сложность подобной задачи.
Мозг человека состоит в среднем из 86 миллиардов нейронов, у каждого из которых имеется около 10 тысяч связей. Все нейроны соединены между собой особым образом, уникальным для каждого человека. Опыт, память – все, что определяет вашу личность, – представлено неповторимой структурой квадриллиона связей между клетками мозга. Эта структура – слишком большая, чтобы ее можно было представить, – получила название «коннектом». Группа доктора Себастьяна Сына из Принстонского университета работает над амбициозным проектом, выясняя строение коннектома.
Для такой микроскопической и сложной структуры составить карту соединений очень трудно. Доктор Сын использует метод последовательной электронной микроскопии, при котором берутся очень тонкие срезы ткани мозга. (На данном этапе анализируется мозг мыши, а не человека.) Каждый срез делится на крошечные области, которые сканируются сверхмощным электронным микроскопом. В результате получается картинка, которую назвали электронной микрофотографией: на ней отображается участок мозга, увеличенный в сто тысяч раз. При таком разрешении можно увидеть тонкую структуру мозга.
Изображения срезов загружаются в компьютер, и начинается чрезвычайно сложная работа. Границы клеток в каждом срезе тщательно отслеживаются – поначалу вручную, но теперь все чаще применяются специальные алгоритмы. Затем изображения накладываются друг на друга и делается попытка показать все клетки срезов – получить полное трехмерное изображение исследуемого образца. Эта трудоемкая работа позволяет создать модель, отображающую связи нейронов.
Плотный клубок связей в образце величиной с булавочную головку – это лишь миллиардная доля мозгового вещества. Нетрудно понять, почему реконструкция полной картины связей в мозгу представляет собой такую трудную задачу и почему не стоит рассчитывать на ее скорое решение. Для этого необходим гигантский объем данных: для хранения архитектуры одного человеческого мозга во всех подробностях потребуется емкость размером в зеттабайт, что сопоставимо с объемом всей имеющейся в настоящее время цифровой информации на планете.
Этот крошечный образец мозговой ткани мыши содержит приблизительно 300 связей (синапсов). Образец такого размера в 2 000 000 000 раз меньше всего мозга мыши или примерно в 5 000 000 000 000 раз меньше мозга человека.
Попробуем заглянуть в далекое будущее и представить, что мы можем получить скан вашего коннектома. Достаточно ли этой информации, чтобы отобразить вашу личность? Может ли мгновенный снимок всех нейронных сетей вашего мозга отражать сознание – ваше сознание? Вероятно, нет. Ведь схема соединений (на которой показаны связи) – это лишь половина магии работающего мозга. Вторая половина состоит из электрической и химической активности, которая имеет место в этих связях. Алхимия мысли, чувства или сознания возникает в результате квадриллионов взаимодействий между клетками, которые происходят ежесекундно: выработка химических соединений, изменение формы белков, передача волн электрического возбуждения по аксонам нейронов.
Возьмите необыкновенную сложность коннектома и умножьте на гигантское количество событий, которые каждую секунду происходят во всех этих соединениях, и вы получите представление о масштабе задачи. К сожалению, такие сложные системы человеческий мозг проанализировать не в состоянии. Однако наши вычислительные мощности постоянно растут, что в конечном итоге открывает возможность для симуляции системы. Поэтому следующая задача заключается в том, чтобы не просто понять систему, но и заставить ее работать.
Именно над такой симуляцией работает группа исследователей из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) в Швейцарии. Они поставили перед собой цель к 2023 г. разработать программное обеспечение и аппаратную инфраструктуру, которые способны выполнить симуляцию всего человеческого мозга. Human Brain Project – это амбициозный проект, который получает данные из всех нейробиологических лабораторий на нашей планете, от информации об отдельных клетках (их составе и структуре) до данных о коннектоме и рисунков возбуждения больших групп нейронов. Очень медленно и постепенно каждое новое открытие ученых из любого уголка земли дает крошечный фрагмент гигантской головоломки. Цель Human Brain Project – создать симуляцию мозга, которая использует подробную информацию о нейронах, воспроизводит их структуру и поведение. Несмотря на эту амбициозную цель и более миллиарда евро, выделенных Европейским союзом, мозг человека пока еще остается абсолютно недоступным. Ближайшая цель – симуляция мозга мыши.
Последовательная электронная микроскопия и коннектом
Данные из окружающей среды преобразуются в электрохимические сигналы, которые передаются клетками мозга. Это первый этап обработки мозгом информации из внешнего мира.
Описание плотного клубка миллиардов взаимосвязанных нейронов требует специальной технологии, а также самого острого в мире лезвия. Метод, получивший название «последовательная сканирующая электронная микроскопия», позволяет из крошечных срезов мозговой ткани получить трехмерные модели нейронных путей с нанометровым (одна миллиардная метра) разрешением.
