Мозг — предмет темный

Иллюстрация Петра Перевезенцева

Помните, как Доктор в фильме «Формула любви» говорил: «Голова — предмет темный, исследованию не подлежит»? Действительно, исследовать мозг чрезвычайно трудно, потому что мозг исследует сам себя. И тем не менее первые попытки понять, что же там у человека в голове, ученые датируют 4-м тысячелетием до нашей эры.

Сегодня мы уже знаем, что у нас в голове около 100 миллиардов нейронов, связанных между собой 100 триллионами способов, и столько же ненейронных клеток, так называемых глиальных клеток. А кроме того, существует множество типов нейронов и глиальных клеток. Одним словом, клеточный мир мозга огромен и невероятно разнообразен.

Сегодня техника исследования мозга настолько изощрённа и прецизионна, что позволяет наблюдать за работой одного единственного нейрона в живом мозге. Данные накапливаются стремительно. И ученые не прекращают своих усилий. Потому что понимают, что знание того, как работает мозг, может принести огромную пользу человечеству. Но для этого нужна полная, исчерпывающая картина, полное знание о мозге во всех мельчайших деталях.

Неудивительно, что в 2014 году в США стартовал десятилетний международный проект BRAIN. Он ставил перед собой заоблачную цель — полностью картировать мозг человека. То есть создать объемный атлас мозга, где каждая клетка со всеми ее связями будет стоять на своем месте.

Прошло десять лет. И что же? Полного картирования пока не получилось, только отдельных фрагментов. Исследователи создали и объединили 3D-карты около 200 структур коры головного мозга и более глубоких его отделов.

Например, ученые составили подробную карту области гиппокампа, важной для памяти. Карта только этого небольшого участка содержит около 5 миллионов нейронов и 40 миллиардов синапсов. Работа, безусловно, гигантская.

Конечно, в ходе проекта появились уникальные методики и алгоритмы, исследователи набили руку. Глупо было бы не продолжить проект. Это и случилось.

В октябре 2022 года было объявлено о продолжении проекта — BRAIN 2.0 стоимостью 500 миллионов долларов. В нем участвуют 17 научных организаций из США, Европы и Японии. Теперь ученые не сомневаются, что за пять лет создадут самую подробную карту мозга за всю историю.

В каком-то смысле проект BRAIN 2.0 сродни проекту «Геном человека», который объявили в 1990 году и должны были завершить в 2005-м. Тоже ведь казалось невозможно расшифровать геном человека, очень много скептиков из числа уважаемых ученых высказывались, что это никак не получится.

И тем не менее проект завершили даже на два года раньше, в 2003-м — геном человека полностью расшифровали. Начинали исследователи с простейшего генома круглого червячка нематоды С. Elegans — он стал первым многоклеточным организмом, чей геном полностью секвенировали.

Вот и с мозгом похожая ситуация. В октябре опубликованы результаты о полном картировании мозга самки плодовой мушки дрозофилы (Nature). У этой крохи размером 2–2,5 миллиметра тоже есть мозг. Он, правда, и вовсе ничтожный по размерам, но содержит примерно в миллион раз меньше нейронов, чем мозг человека. Однако этот крошечный орган помогает им летать, ориентироваться в пространстве и взаимодействовать с сородичами.

Исследователи разрезали крошечный мозг самки плодовой мухи шириной менее миллиметра на семь тысяч тонких ломтиков. Трудно представить, как это можно было сделать. Но сделали, а затем каждый ломтик просканировали в электронном микроскопе. Получился 21 миллион изображений с высоким разрешением (около 100 терабайт). Теперь предстояло состыковать их вместе и отобразить положение каждой отдельной клетки и всех ее соединений.

Конечно, тут не обошлось без искусственного интеллекта (ИИ). Но поскольку ИИ делает ошибки, исследователи воспользовались помощью волонтеров по всему миру, чтобы проверять за ИИ. Этим можно было заниматься на специальной онлайн-платформе, которую создали исследователи. В результате волонтеры и ученые внесли в версию, созданную ИИ, три миллиона правок.

Объемная карта мозга дрозофилы включает около 140 тысяч нейронов и более 50 миллионов нейронных связей. И здесь не обошлось без сюрпризов. Когда нейробиологи сгруппировали все нейроны по типам, то их насчиталось почти 8,5 тысяч.

Причем больше половины типов ученые описали впервые.

И это был не единственный сюрприз. Оказалось, например, что нейроны, передающие зрительную информацию, принимают сигналы и от нейронов, передающих слуховые, осязательные и другие сенсорные импульсы.

На основе карты ученые создали компьютерную модель мозга дрозофилы. На нее можно воздействовать виртуальными стимулами — теплом, холодом, сладостью, горечью и тому подобными — и смотреть, как модель реагирует. Оказалось, что в 90% случаев сигналы в живом мозге шли теми же путями и давали ту же реакцию, что и сигналы в модели.

Вот такую же объемную карту мозга человека планируют создать участники международного проекта BRAIN 2.0 через несколько лет. Посмотрим, получится ли. Здесь скептиков тоже хватает.