Коннектомы и когнитом: гиперсетевые модели мозга

Наш мозг на нейронном уровне работает подобно Всемирной паутине — распределённой системе веб-документов, объединённых гипертекстовыми связями между собой.

Время чтения: 11 минут
Коннектомы и когнитом: гиперсетевые модели мозга

Небольшая часть Всемирной паутины с Википедией в центре. Источник: Википедия

Наверняка вы уже слышали два слова, упомянутые в заголовке. Идея о том, что когда-нибудь психику человека станет возможно моделировать — одна из любимых фантазий фантастов, которые видят в этом шанс на цифровое бессмертие. Потерянные воспоминания научатся восстанавливать, утерянные участки мозга — заменять идеально точными цифровыми копиями-протезами. Всё это станет возможно, если мы научимся достаточно подробно моделировать связи внутри мозга, работу нейронов и обеспечивающих их глиальных клеток. На пути к этой вековой мечте человечества лежит новая наука коннектомика.

В первой серии третьего сезона сериала Black Mirror («Чёрное зеркало») как раз развивается тема создания полной цифровой копии человеческого сознания. Вот в этом маленьком яйцеподобном гаджете находится сознание одного из персонажей.

Связи решают все?  

Термин «коннектом» предложен в 2005 году независимо двумя исследователями Олафом Спорнсом и Патриком Хэгмэнном по аналогии с «геномом» (полное описание всех генов) и «протеомом» (полное описание строения и функций всех белков). Сегодня под «коннектомом» понимают полное описание связей в нервной системе того или иного организма. 

Чтобы понять, как работает психика, нам не обойти этап создания полной карты всех нейронов и связей между ними. Считается, что именно в этой информации кроется ключ к загадке человеческой психики.

Подобная работа применительно к микроскопическому круглому червю Caenorhabditis elegans уже сделана южноафриканским биологом и лауреатом Нобелевской премии 2002 года Сиднеем Бреннером (Sidney Brenner). В нервной системе червя всего 302 нейрона, распределенных по всему телу, и 7 000 связей. На всю работу по описанию нейронов и связей между ними у ученого и его группы ушло 12 лет упорного труда.

Для сравнения: в центральной нервной системе человека приблизительно 140 миллиардов нейронов.

Понятно, что для подобной работы потребуются гораздо более совершенные технологии и гораздо большие ресурсы. 

В 2009 году опубликовано исследование коннектома аксонов, иннервирущих межщитковые мышцы ушных раковин мышей. Сегодня уже сделаны частичные коннектомы сетчатки и зрительной коры мозга мыши. Огромный массив данных (12 терабайт) выложен в открытый доступ в рамках проекта Open Connectome. Помимо мыши и нематоды в данный момент учёные используют в качестве моделей для коннектомов дрозофилу и сову вида обыкновенная сипуха (Tyto alba).

Обыкновенная сипуха. Источник: Википедия

Создание этакого атласа нейронов и связей человеческого мозга — главная цель коннектомики. Этим в данный момент занят проект Human Connectome Project, который с 2009 года спонсируется Национальным Институтом Здоровья (National Institutes of Health) США. Первоначальный бюджет проекта был заявлен в 30 миллионов долларов. Он сфокусирован на создании сетевой карты мозга здоровых живых взрослых людей.

В 2013 году был запущен еще один глобальный проект BRAIN, в рамках которого коннектом человека признан одним из приоритетов. На это направление выделено целых три миллиарда долларов. В качестве первых шагов в рамках этого проекта запланировано полное картирование мозга дрозофилы (130 тысяч нейронов) и картирование мозга аквариумной рыбки «Дамский чулок» (Danio rerio), а также некоторых областей коры мозга мышей. Сроки, в течение которых ожидаются первые «черновые» коннектомы этих объектов — 10–15 лет.

Как описывают связи в мозге?

Для создания карт нейронных связей используются послойные снимки электронных микроскопов, которые сравниваются между собой вручную. На основе этих снимков создаются модели нейронов и связей между ними.

Здесь обязательно нужно рассказать об уже легендарном проекте EyeWire, в рамках которого усилиями сотен тысяч интернет-пользователей на примере сетчатки человека обучается искусственный интеллект, который в будущем сможет автоматически анализировать миллионы микроскопических срезов нервной ткани. Этот проект — дитя сотрудничества двух институтов — Массачусетского технологического института и Института  медицинских исследований имени Макса Планка.

Автор проекта — бывший физик Себастьян Сеунг (Sebastian Seung), который сегодня работает в Принстонском университете, возглавляя там проект по анализу коннектома дрозофилы.  Когда-то он оставил перспективную работу в Кембридже и уехал в Германию, чтобы заняться созданием системы искусственного интеллекта, способной создавать из двухмерных изображений гистологических срезов трёхмерные модели различных микрообъектов.

Следующим этапом было выведение этой системы в интернет (в виде онлайн-игры) и использование краудсорсинговой мощи для обучения системы и исправления ошибок автоматического распознавания. Проект стартовал в 2012 году и уже успел стать культовым. С его помощью созданы полные трехмерные модели примерно трёхсот нейронов человеческой сетчатки. Общее число онлайн-игроков в EyeWire сегодня уже превышает 180 тысяч человек из 150 стран мира, и каждый день к игре подключаются новые и новые участники.

После создания карты трёхмерных моделей нейронов авторы проекта собираются провести картирование всех синаптических контактов сетчатки. Объёмы предстоящей работы настолько масштабны, что полный анализ срезов человеческого мозга (путь от 300 нейронов до 140 миллиардов) займёт, по разным оценкам, от четырёх до пяти десятков лет. С другой стороны, всё ещё остается надежда, что алгоритмы автоматического распознавания усовершенствуются настолько, что на долю человека останется не так уж много работы.

Если так произойдёт, полную карту человеческого коннектома мы увидим уже в конце двадцатых–начале тридцатых годов нынешнего столетия.

 

 

 Обзор достижений коннектомики и описание проекта EyeWire в TED-лекции создателя проекта Себастьяна Сеунга

У проекта EyeWire есть важное преимущество. Состоит оно в том, что для участия в нём не нужно быть биологом. С задачкой «найди недостающий участок картинки» справится даже ребенок. Сам проект не требует установки на компьютер специального софта и реализован прямо в браузере. Раcскажем о нём чуть подробнее.

Анатомия EyeWire

Для работы сайта идеально подходит браузер Chrome. Чтобы не было проблем при воспроизведении трёхмерной модели нейрона, нужно включить в настройках браузера поддержку WebGL (технологию аппаратного ускорения трехмерной графики) — сайт вам любезно сообщит, если поддержка у вас отключена.

Внутри EyeWired каждый нейрон разбивается на микроразмерные «кубики» ткани, содержимое которых послойно анализируется искусственным интеллектом и добровольцами. Первое, что видит свежезарегистрированный участник проекта — два окошка. В левом находится модель анализируемого фрагмента нейрона, а в правом — набор микросрезов, на основе которых и составляется это трехмерное изображение.

Каждому игроку достается куб с частично реконструированными ветвями модели нейрона. Цель игры состоит в том, чтобы максимально точно указать принадлежащие изучаемому нейрону фрагменты микрофотографий в правом окне. По сути это уточнение результатов работы, которую предварительно проделал искусственный интеллект.

Поскольку игроков в игре множество, один и тот же кубик распознается многократно, а итоговая модель кусочка нейрона внутри него определяется итогом работы каждого участника игры. Упущения одних при таком подходе компенсируются находками других, что делает итоговую модель очень точной: в EyeWired можно играть, не боясь ошибиться — на научном результате ошибки отдельных игроков не отразятся.

По мере продвижения вперед растёт опыт игрока и результативность распознавания микросрезов. Участники получают очки в зависимости от объёма сделанной работы и соревнуются между собой.

Нейроны анализируются по очереди, и на главной страничке сайта всегда видна клетка, над которой идёт работа сообщества в данный момент. Все участники игры могут посмотреть на место распознанных ими фрагментов в общей картине.

Хотя русской версии сайта пока нет, наглядно поможет сориентироваться в несложном интерфейсе серия видеомануалов на YouTube-канале проекта. Также есть вики-справочник по проекту EyeWiki.

Когнитом и коги

Нельзя не рассказать о самом перспективном направлении исследования психики человека, к которому приложил руку наш соотечественник Константин Анохин — внук легендарного советского физиолога Петра Кузьмича Анохина (создателя теории функциональных систем).

Как известно, главной задачей нейронаук является понимание того, как из работы материальных и доступных изучению приборами элементов нервной системы получается неуловимая работа психики. Создание сетевых моделей формальных элементов мозга (когнитома) — всего лишь один из этапов. Для понимания того, как из работы отдельных нейронов и их групп получается, например, воспоминание, придётся выработать совершенно новую теоретическую основу.

Первый набросок такой «теории разума» и предлагает Константин Анохин. Для её понимания он вводит новый термин «ког» — элемент психического опыта, связанный с работой какого-то участка нейронной сети. Из множества связанных друг с другом когов строится когнитом — сеть психики, внутренний мир животного или человека, которому принадлежит данная нейронная сеть.

 

 

Другие подходы

Создание коннектома человека — задача космических масштабов. По меткому выражению Константина Анохина, коннектомика «подобна изучению подробной модели дома, в котором живет человек, чтобы понять сущность этого человека».

Здесь надо уточнить очень важный момент. Структура нервной сети и геометрия связей между нейронами сама по себе не идентична живой психике. Чтобы узнать, как нейроны взаимодействуют друг с другом и с окружающим их миром, образуя нас с вами, нужно учесть очень много дополнительных вещей.

Например, «вес» всех синаптических контактов между нейронами. Как известно, каждая нервная клетка постоянно обновляет силу связи с теми или иными нейронами из своего «окружения», отражая психический опыт животного или человека. Одни синапсы тормозят клетку, другие возбуждают. И вклад того или иного синапса в работу нервной клетки постоянно меняется. Пока эту величину измерять не научились, и здесь открывается перспектива для будущих исследователей того, что можно было бы назвать «синаптомикой».

В общем, если мы хотим разобраться в том, как из работы мозга получается психика, недостаточно создать его детальную карту на клеточном уровне. Необходимо изучать, как всё это работает в динамике. Здесь учёных первым делом интересуют процессы образования новых клеток и связей в мозге при его обучении. И тут на помощь исследователям приходят некоторые другие интересные методы.

 «Мозг — это мир, состоящий из множества неоткрытых континентов и огромных неизведанных пространств», — такую надпись можно прочитать на фотографии в одном из номеров Nature за 2013 год. Примечательна эта фотография тем, что поверх этой надписи лежит мозг мыши, который исследователи из Стэнфордского университета сделали полностью прозрачным. Источник: med.stanford.edu

Зачем это могло понадобиться? Нейробиологам удалось совершить чудо: в прозрачном мозге грызуна при помощи обычного светового микроскопа отныне можно изучать отдельные нейроны, которые светятся в темноте желтым, красным и синим флюоресцентным светом.

 

 

Откуда берётся этот свет? В исследовательских целях уже научились выводить линии биоинженерных мышей, в геном которых вживлены флюоресцентные белки, которые экспрессируются только в новых нейронах и нейронах, образующих новые связи при обучении. C помощью технологий оптогенетики можно на практике выявить все нейроны, которые отвечают в мозге мыши за тот или иной психический акт, за тот или иной выученный рефлекс. Это открывает новую главу в исследованиях мозга.

Вместо заключения

Нейронауки — область исследования, в которой новые открытия совершаются буквально каждый день. Подходов, которые остались за пределами этого текста, очень много. Например, вот Ларри Суонсон (Larry Swanson), профессор из USC Dornsife College of Letters, Arts and Sciences, проанализировал данные исследований за 40 лет и пришёл к выводу, что мозг крыс устроен и работает аналогично Всемирной паутине — с локальными сетями и хабами, которые вливаются в единую большую магистраль.

Когда-нибудь мы накопим критическую массу таких исследований, и случится то, что постоянно случается в науке. Из обрывков точечного знания сложится большой прорыв в понимании того, что происходит у нас в голове.

Огромное спасибо Ренату Атаеву за терпеливую игру в EyeWire и нечеловеческую помощь в составлении текста.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
12 апреля 2015, 19:00

Оставайтесь в курсе


У вас есть интересная новость или материал из сферы образования или популярной науки?
Расскажите нам!
Присылайте материалы на hello@newtonew.com
--