Проект голубой мозг кратко

Обновлено: 05.07.2024

Миллионы нейронов - нервных клеток, заключенных в нашем мозгу, соединяются между собой для передачи импульса, таким образом обрабатывается поступающая в мозг информация об окружающем нас мире. Это так называемая синаптическая связь между нейронами. Но как на практике это осуществляется? Как материальные предметы преобразуются в неуловимую, легкую и зыбкую, как божественный эфир, мысль? Этот вопрос не дает покоя не одно десятилетие представителям нейробиологии. До сих пор выдвигались теории относительно химических связей, существующих между нервными клетками коры головного мозга, однако к единому мнению ученые так и не пришли.

Рава Азередо да Сильвейро также отметил ценность проведенной работы и полученных данных, однако призвал соблюдать бдительность. Результаты исследования показывают только структуру синапсов и ничего не говорят о их функциональности. Прозвучала критика и со стороны ряда других неврологов, пишет Le Temps: они отмечают тот факт, что в виртуальную модель включено ограниченное количество нейронов. Это далеко не отражает всю многогранность и сложность миллиардов клеток, заключенных в нашем мозге. Таким образом, полученые результаты смогут помочь проанализировать механизмы мозговой деятельности на локальном уровне, а о работе в масштабах всего мозгового механизма говорить еще рано, считает парижский исследователь. Не зря все же утверждают ученые, что человеческий мозг был и остается одной из величайших тайн и сложнейших структур Вселенной…

Новость

Компьютерное моделирование открывает новые перспективы в изучении головного мозга.

Автор

Редакторы

Один из ключевых вопросов нейробиологии — каким образом определяется расположение синапсов, соединяющих нейроны между собой? Исследователям из проекта Blue Brain удалось создать компьютерную модель, которая с высокой точностью предсказывает расположение синапсов в коре головного мозга крысы. Открытие универсальных принципов образования связей между нейронами позволяет предположить, что описание коннектóма мозга млекопитающих (в том числе, человека) может появиться уже в ближайшее десятилетие.

История проекта Blue Brain началась в 2005 году в Институте Мозга и Сознания (Brain and Mind Institute) политехнического университета Лозанны (Ecole Politechnique Federale de Lausanne) в Швейцарии. Главной целью проекта было объявлено создание полноценной компьютерной модели головного мозга млекопитающих, основанной, прежде всего, не на искусственной симуляции нейронов (математических моделей, пытающихся описать работу отдельного нейрона или нейронной сети, сейчас существует немало), а на биологически реалистичных моделях нейронов. Ученые называют это методом обратного проектирования (reverse-engineering): сперва на компьютере, опираясь на данные биологических экспериментов, моделируются отдельные нейроны [1], а потом из них строятся блоки более высокой организации.

Для начала исследователи под руководством Генри Маркрама создали полное морфологическое описание колонки коры крысы — они исследовали большое количество срезов головного мозга животного и провели ряд экспериментов с окраской и электрической стимуляцией нейронов. В результате они подробно описали шесть типов нейронов и их связи друг с другом через синапсы (контакты нервных клеток между собой). Все синапсы были классифицированы по двум параметрам — удаленность от тела нейрона (часть клетки, содержащая ядро) и расположение на конкретной ветке отростков (отростки нейронов могут ветвиться, образуя ветви первого, второго и т.д. порядков) (рис. 1). Оказалось, что при такой классификации для каждого типа нейронов можно выявить свой паттерн (схему) расположения синапсов (рис. 2). Например, пирамидные нейроны пятого слоя коры типа TTL5 имеют 20–25% синапсов с базальными дендритами третьего порядка других TTL5 нейронов. Таким образом, ученые описали коннектóм нейрональной колонки — полную модель всех синаптических связей в этом участке коры [3].

Рисунок 1. Паттерн распределения синапсов на отростках одного из нейронов — расположение синапсов в зависимости от порядкового номера ветви и удаленности от тела нейрона.

Рисунок 2. а — Полученное с помощью микроскопа изображение реальных нейронов, связанных синаптическими связями. б — Компьютерная реконструкция нейронов. Звездочками отмечены места образования синапсов, справа — визуальное различение синапсов и несинаптических мест пересечения отростков. в — Два разных типа нейронов отличаются паттерном расположения синапсов (отмечены точками).

Исследования на модельных животных хороши тем, что ученые могут получить в свои руки достаточно много экспериментального материала. Биологических данных по устройству колонки в коре мозга крысы было достаточно, чтобы создать пространственную модель этой системы на компьютере. Группа Blue Brain Project смогла показать, где в пространстве находится каждый нейрон, и где расположены все синапсы, которые связывают его с соседями. Как создать такую модель для мозга человека? Получить достаточное количество образцов для картирования каждого нейрона и синапса не представляется возможным, да и нейронов в одной колонке коры человека гораздо больше, чем у крысы. Вот бы найти принципы, которые помогут смоделировать связи в коре больших полушарий мозга человека без обязательного описания положения каждого нейрона и всех его связей.

В недавней статье, опубликованной в октябре 2012 года в Докладах АН США исследователями из Blue Brain Project, убедительно доказывается, что такой принцип обнаружен [3].

Приворот или случай?

Рисунок 3. Компьютерная модель колонки коры мозга. Разные типы нейронов обозначены разными цветами.

Таким образом, в руках ученых оказалось два набора данных, описывающих коннектóм — полученный при исследовании реального мозга и рассчитанный из модели статистической структуры коннектома. Осталось их сравнить!

Оказалось, что использованный способ моделирования описывает почти 75% связей, обнаруженных в живом мозге. Получается, что значительная часть синапсов образуется просто там, где отростки разных нейронов встречают друг друга.

Таким образом, исследователи из Blue Brain Project нашли способ с достаточно высокой точностью предсказывать связи между нейронами, создавая модель коннектóма. Работа показала, что знание конкретного положения нейрона внутри определенного слоя коры не является необходимым для моделирования его связи с соседями. Достаточно расположить нейроны разных типов в правильных слоях, с подходящей плотностью и в необходимом количестве. Этот многообещающий вывод делает гораздо более реальным проект по моделированию коннектóма мозга человека — нам не обязательно картировать положение каждого нейрона, достаточно гораздо более общих представлений о распределении нервных клеток в коре.

Успехи в моделировании колонки коры больших полушарий крысы показали достижения в развитии методов компьютерного моделирования и правильность выбранного учеными подхода. Но это, конечно же, всего лишь первый шаг на пути к главной цели — моделированию головного мозга человека. Для этого группа Blue Brain Project объединилась с 80 другими научными партнерами в разработке проекта Human Brain (Мозг человека). Команда проекта включает ведущих нейробиологов, медиков, физиков, математиков и специалистов в области программирования. В конце января 2013 года Еврокомиссия объявила о поддержке Human Brain Project исследовательским грантом Future and Emerging Technologies (Будущее и Развивающиеся технологии) суммой в 1,19 млрд. евро и сроком на 10 лет (вторым поддержанным стал проект с говорящим названием Graphene).

Исследования в области нейробиологии проводятся во многих городах, сотнями институтов и частных компаний. За последние годы мы узнали много нового о тонком строении головного мозга и отдельных нейронов, о взаимодействиях разных нейронных путей и отдельных белков в синапсе, о том, какие нарушения в работе нервной системы приводят к различным заболеваниям. Но стало понятно, что в ближайшие годы массив данных будет продолжать стремительно расти, а значит, жизненно необходимыми становятся методы систематизации и упорядочивания этих данных и подходы компьютерного моделирования для более продуманного дизайна экспериментов. Поэтому особое место в современной нейробиологии занимает проект Blue Brain, с помощью моделирования позволяющий ученым находить общие закономерности строения и функционирования головного мозга.

Видео 1. Генри Маркрам о проекте Blue Brain на TED talks.

Видео 2. Руководитель проекта Blue Brain Генри Маркрам рассказывает о своем открытии.

Фото: RichVintage / Getty Images

— создать общеевропейскую инфраструктуру для нейробиологических исследований, обмена опытом между научными организациями, хранения и обработки накопленных больших данных;

— организовать сбор и систематизацию информации об организации мозга на нейронном уровне, функционировании отдельных нейросетей и основных заболеваниях мозга;

— создать компьютерную симуляцию нейронной модели мозга животных и человека.

Предстоит также разработать теоретические модели работы мозга (гипотезы и теории), вычислительных систем, необходимых для симуляции мозга и инспирированных механизмами работы мозга (суперкомпьютеры, роботы и т. д.).

В настоящий момент этот грандиозный проект включает 121 научный институт в 20 европейских странах и состоит из 12 подпроектов-направлений, каждое из которых решает свою узкую задачу, но все объединены общими целями в рамках HBP. Можно сказать, что проект подходит к концу и пора уже подводить некоторые итоги.

Проект Маркрама был рассчитан на несколько фаз исследований для достижения конечной цели — моделирования человеческого мозга со всеми его связями. При этом начало было положено собственными исследованиями ученого над корковой колонкой. Колонка — это вертикальная структура в коре головного мозга, объединяющая клетки из шести разных слоев, минимальная функциональная единица. Чем больше площадь коры, тем больше таких вычислительных единиц — колонок — в ней умещается. Первой

Даниил Бережной, кандидат биологических наук, научный сотрудник лаборатории прикладных кибернетических систем МФТИ, научный сотрудник кафедры высшей нервной деятельности биологического факультета МГУ, научный сотрудник лаборатории клинической и экспериментальной нейрохимии ФГБНУ НЦН

Blue Brain Project запущен 11 лет назад и за это время он уже успел завоевать статус одного из самых амбициозных проектов современности.

Немножечко предыстории

Структура мозга человека и особенности взаимосвязей между нейронами — эти знания откроют новые возможности не только для искусственного интеллекта, но и раскроют тайну восприятия окружающего мира.

Предпосылки к запуску проекта Blue Brain Project

О скорости развития современных технологий дополнительно говорить не приходится: мы на пороге создания сверхбыстрого квантового компьютера, а что за возможности появятся в результате открытия гравитационных волн, нам еще только предстоит узнать. Так почему же создание искусственного разума так затруднительно? Давайте копнем глубже и узнаем больше о подходах к реализации искусственного интеллекта (ИИ).

Первый, символьный, подход, получив в качестве надежной опоры первый язык программирования ИИ LISP, ученые считали реальной возможностью для создания искусственного разума. Однако ограничения данного направления проявились буквально сразу: интеллектуальная задача поручалась аналитику или программисту, умеющему на необходимом уровне абстрагировать условия задания, и только после этого создавался программный код для машины. В результате получалось, что компьютер лишь имитировал интеллект человека.

Вот так исследователи искусственного интеллекта и пришли к агентноориентированному подходу, включающему в себя такое популярное ныне направление, как распознавание образов. В основе этого подхода лежит способность машины воспринимать окружающий мир с помощью датчиков и реагировать на него соответственно результатам работы исполнительных механизмов.

На основе агентноориентированного возник гибридный подход. Его приверженцы считают, что комбинация нейронных и символьных моделей позволит создать сильную интеллектуальную систему. Этот подход лежит в основе машинного обучения.

Blue Brain Project на пути к Разгадке главных феноменов мозга — восприятия и сознания

История проекта по компьютерному моделированию неокортекса человека (полное название Blue Brain Project) берет свое начало в июле 2005 г. В реализации этого проекта принимают участие компания IBM и Швейцарский федеральный технический институт Лозанны (École Polytechnique Fédérale de Lausanne — EPFL).

А что такое собственно неокортекс? Неокортекс (он же — новая кора, или изокортекс) — часть коры больших полушарий головного мозга. Степень его развитости — это как раз то, что отличает человека от других животных. У рыб неокортекс отсутствует, у рептилий он весьма мал и просто устроен, у млекопитающих получил многослойное строение и делится на доли, а у человека имеет рекордное количество слоев и составляет основную часть коры головного мозга. Располагается новая кора в верхнем слое мозговых полушарий. Ее толщина — от 2 до 4 мм. Неокортекс отвечает за сенсорное восприятие, осознанное мышление, речь и выполнение моторных команд.

В состав изокортекса входит два типа нейронов: пирамидальные, из которых почти на 80 % состоит новая кора, и вставочные (на них, соответственно, приходится 20 % нейронов неокортекса).

Эти нейроны объединены в нейронные колонки (в одной такой колонке около 103–104 нейронов). Дендриты в таких колонках проходят через всю их высоту. Нейробиологи выяснили, что количество слоев неокортекса значительно влияет на мыслительный процесс. Так, например, новая кора в мозге собаки состоит из четырех слоев, поэтому у этого животного нет способности к прогнозированию ситуации и вычислению дальнейших логических действий на основе этого прогноза. В человеческом мозге неокортекс шестислойный.

Моделированием нейронных колонок изокортекса занимается суперкомпьютер Blue Gene (разработка компании IBM). Первым достижением в его работе была одна колонка неокортекса мозга молодой крысы. Для получения этого результата команда Blue Brain Project использовала один суперкомпьютер, 8 192 процессора которого моделировали 10 000 нейронов. Чтобы соединить искусственные нейроны, Blue Gene создал около 3 х 10 7 синапсов. Такие результаты команда профессора EPFL Генри Маркрама получила в рамках первой фазы проекта спустя год с его старта.

Еще около 10 лет понадобилось программистам и нейрофизиологам из Blue Brain Project на то, чтобы создать первый искусственный аналог мозга крысы, состоящий из 31 000 нейронных колонок. Такое количество времени, по словам Маркрама, понадобилось его команде потому, что для создания этой модели необходимо было изучить свойства разных типов клеток мозга и особенности взаимодействия между ними. Для эмуляции работы компьютерного аналога такого небольшого участка мозга крысы (объемом всего 0,29 мм 3 ) понадобилась вся вычислительная мощность суперкомпьютера Blue Gene — 209 терафлопс. Благодаря полученной модели исследователи подсчитали, что эта небольшая часть мозга содержит в себе 40 миллионов синапсов, при этом каждый нейрон связан с соседними и отдаленными клетками с помощью 2 000 таких связей.

Искусственный аналог крысиного мозга также позволил ученым докопаться до основы одного из феноменов разума. Нейрофизиологи выяснили, что любое периодическое изменение в концентрации ряда веществ (в числе которых и ионы кальция) может влиять на то, что взаимодействие индивидуальных нервных клеток будет перепрограммировано. Руководитель проекта Blue Brain Project привел в качестве примера такого феномена реакцию на страх: повышение уровня адреналина и ряда других гормонов могут включить в мозге режим либо агрессии, либо побега. Понимать влияние концентрации определенных веществ на работу мозга, отмечает Маркрам, позволит понять, почему человек может вести себя неадекватно в той или иной ситуации.

Визуальное отображение разнообразия нейронов в неокортексе с помощью специального ферросплава — силикомарганца

С помощью компьютерного моделирования исследователи создали статистическую модель небольшого участка неокортекса, которая позволяла отследить связи между 298 нейронами шести типов, расположенных в объеме, который соответствует одной нейронной колонке в новой коре мозга мыши (каждый из этих нейронов был взят из базы ранее смоделированных мозговых клеток). На отдельных уровнях колонки расположение клеток производилось с учетом двух параметров — плотности их размещения и относительного количества нейронов каждого типа на каждом уровне. В остальном клетки размещались в случайном порядке. Сами нейроны из базы также выбирали не конкретные, а случайным образом.

Моделирование электрической активности в виртуальном срезе части крысиного мозга (части цифровой модели неокортекса, состоящей из семи нейронных колонн)

В полученной модели исследователи стали отмечать место для синапсов. В основу работы ученые положили теорию о том, что связи между нейронами образуются в местах их столкновения. В результате у нейрофизиологов было два набора данных для сравнения — первый, полученный в результате исследований реального мозга, и второй, который получили в рамках проекта Blue Brain Project. Их и использовали для сравнения, в ходе которого выяснилось, что связи между нейронами в компьютерной модели соответствуют реальным практически на 75 %. Это означает, что значительная часть синапсов образуется в местах стыков нейронных отростков.

Оставшаяся часть смоделированных синапсов была ошибочной, что, в свою очередь, говорит о влиянии химических веществ на процесс образования связей между клетками мозга. К примеру, в модели, созданной учеными из Blue Brain Project, были синапсы на теле нейрона или на отростках, расположенных очень близко к телу клетки. В реальном мозге такой структуры нет. То есть вероятно, что определенные химические вещества не допускают развития синапсов в непосредственной близости к нейрону.

Модель нейронной колонки со связями, созданная исследователями из Blue Brain Project, показала, что не нужно знать конкретное место расположения нейрона внутри определенного слоя коры, чтобы в результате смоделировать синапсы, соединяющие его с соседними мозговыми клетками. Чтобы прогнозировать с высокой точностью нейронные связи, достаточно расположить нейроны определенного типа в соответствующих слоях, при этом учитывая такие параметры, как плотность их размещения и необходимое количество. Это значит, что исследователям теперь достаточно более общих представлений о расположении нейронов.

На рисунке А изображены связи между нейронами в реальном мозге, обнаруженные с помощью микроскопа.
На рисунке Б представлены результаты компьютерного моделирования синаптических связей между нейронами.
Рисунок В подтверждает тот факт, что в зависимости от своего типа нейроны образуют разные узоры связей друг с другом

Что даст человечеству успех Blue Brain Project?

Сейчас команда Blue Brain Project расширяет масштабы своих исследований. Ученые объединились с 80 научными партнерами в рамках проекта The Human Brain Project, и теперь они будут совместно работать над компьютерной реконструкцией целых отделов мозга (сенсомоторная кора, гиппокамп, мозжечок, базальные ганглии), а впоследствии — всего мозга крысы. Полученные результаты станут основой для реконструкции человеческого мозга.

Такой масштабный и амбициозный проект, как Blue Brain Project, инициировался не только ради решения проблем искусственного интеллекта. Мы слишком мало знаем о своем мозге, чтобы создать его синтетический аналог. Структура головного мозга только на 15 % состоит из нейронов, помимо их есть еще вспомогательные клетки под названием глии. Нейробиологи также акцентируют внимание на том, что мозг — лишь часть центральной нервной системы, поэтому для его функционирования важна целостность связей со спинным мозгом. Эти и ряд других вопросов ученым еще предстоит тщательно изучить. А пока команда Маркрама работает над тем, чтобы разгадать феномены человеческого разума.

Во время своего выступления в рамках конференции TED Генри Маркрам рассказал, что получит человечество в результате их работы над созданием точной компьютерной модели человеческого мозга. По словам ученого, знание об особенностях мозговой деятельности позволит людям эволюционировать, поняв принципы мирного сосуществования обществ.

Во-вторых, добавил Маркрам, нам на каком-то этапе придется отказаться от опытов на животных, т. е. исследователям понадобится компьютерная модель, которая будет содержать в себе весь опыт и знания человека (другими словами, это будет большой архив уже полученных данных о том или ином объекте или явлении).

Отдельное внимание руководитель проекта Blue Brain Project уделил значимости работы его команды для двух миллиардов людей, страдающих сегодня от психических расстройств. Первый шаг для понимания того, как происходят нарушения в работе мозга, исследователи уже сделали: они открыли взаимосвязь концентрации химических веществ и перестройки связей между нейронами. Такое достижение позволит разобраться в дальнейшем, как развивается, например, шизофрения, и на основе знания об устройстве мозга можно будет не гасить симптоматику данного заболевания, а устранить его причину.

Генри Маркрам также рассказал, что он и его коллеги в рамках своего проекта исследуют теорию, согласно которой человеческий мозг сначала создает некую модель Вселенной, а после проецирует ее на реальность. Это предположение объясняет, как человек принимает решения — важную составляющую повседневной жизни каждого из нас. На основе созданной в рамках Blue Brain Project модели, отмечает Маркрам, можно будет ответить, имеет ли такая теория реальные подтверждения, т. е. достаточно ли вычислительной мощности мозга для того, чтобы создать модель Вселенной, а также мы сможем понять, что такое восприятие действительности и по каким причинам в нем происходят сбои (развиваются психические отклонения).

Достижения Blue Brain Project поражают уже на данном этапе. Исследователи выяснили, что нет двух одинаковых нейронов даже в мозге двух разных людей. Тем не менее при таком разнообразии структуры мозга люди могут общаться друг другом, потому что узор взаимосвязей между нейронами у нас одинаковый, т. е. ткань мозга у всех нас идентична. Модель, созданная командой Маркрама, позволяет отображать на компьютере нейронную колонку мозга любой структуры, что дает возможность понять принципы восприятия мира разными людьми.

Человеческий мозг был описан как самая сложная из существующих систем, но это не мешает нейробиологам и инженерам мечтать о том, чтобы полностью понять ее работу. На самом деле, некоторые из них были предложены для создания цифрового воспроизведения человеческого головного мозга уметь проводить с ним исследования, которые невозможно провести из наблюдений и экспериментов с действующей нервной системой.

Что уже сделано в IBM

На протяжении более десяти лет Blue Brain Project Он строит компьютерную модель, которая содержит информацию о структуре и функционировании небольшой части мозга крысы. Эта цифровая реконструкция, которая сегодня соответствует чуть более трети кубического миллиметра ткани, направлена на то, чтобы точно воспроизвести способ, которым нервные клетки соединяются и активируют друг друга, и даже как тот факт, что эти паттерны активации заставляют мозг физически изменяться со временем из-за пластичности мозга.

В дополнение к покрытию многих других областей мозга, проект Blue Brain должен сделать качественный скачок, который включает переход от цифровой реконструкции мозга крысы, чтобы сделать то же самое с человеческим мозгом гораздо больше и сложнее.

Для чего можно использовать этот цифровой мозг?

Короче говоря, цель проекта Blue Brain - создать компьютерную модель, с помощью которой вы можете до некоторой степени предсказать, каким образом область нейрональной ткани будет активирована, если она стимулируется определенным образом , То есть предполагается создать инструмент, позволяющий проверить гипотезу и попытаться многократно повторять все виды экспериментов, выполняемых с реальным мозгом, чтобы увидеть, являются ли полученные результаты надежными, а не случайными.

С помощью этой модели мы могли бы, например, изучить, как работают все виды когнитивных процессов, такие как наш способ вызывать воспоминания или воображать планы действий, и мы могли бы также предсказать, какой тип симптомов может привести к травме в определенных областях кора головного мозга Но, кроме того, это может помочь разгадать одну из великих загадок человеческого мозга: как возникает сознание, субъективное переживание того, чем мы живем.

Изучение сознания

Идея о том, что сознание возникает в результате скоординированной работы больших сетей нейронов, распределенных по всему мозгу, а не зависит от четко определенной структуры и скрыта какой-либо частью центральной нервной системы, имеет очень хорошее здоровье. Это заставляет многих неврологов полагать, что Чтобы понять, какова природа сознания, важно взглянуть на паттерны синхронизированной активации многих тысяч нейронов одновременно. И не столько изучать анатомические структуры мозга, сколько отдельно.

Проект Голубой мозг позволит нам наблюдать и вмешиваться в режиме реального времени о паттернах активации многих нейронных сетей что может быть сделано только очень ограниченным способом с реальным мозгом, и посмотрите, например, какие изменения происходят, когда кто-то переходит из бодрствования в сон без сновидений, и что происходит, когда сознание возвращается в форме снов во время фазы REM.

Подсчитано, что человеческий мозг содержит около ста миллиардов нейронов. К этому следует добавить, что функционирование нервной системы объясняется в большей степени тем, как нейроны взаимодействуют друг с другом, чем их количеством, которое может сильно различаться, не влияя на общее функционирование мозга, и, следовательно, актуальны тысячи синаптических связей. что каждый нейрон может установить с другими. Кроме того, в каждой синаптической связи между двумя нейронами присутствуют миллионы нейротрансмиттеров, которые высвобождаются непрерывно. , Это означает, что добросовестно воссоздать человеческий мозг - это невыполнимая задача, независимо от количества лет, посвященных этой компании.

Читайте также: