Международные программы исследования мозга

Что такое мозг, для чего он нам нужен 28 Октябрь 2015, 11:45


В XXI веке перед учеными стоит, возможно, самая сложная задача за всю историю существования науки: понять мозг. Наш век уже окрестили веком наук о мозге и сознании по аналогии с тем, как прошлый век называли веком генетики. Задача невероятно сложная хотя бы потому, что обычно инструмент, с помощью которого проводят исследования, сложнее объекта исследования. Сейчас же с помощью разума мы пытаемся понять сам разум. Удастся ли?

Что такое мозг, для чего он нам нужен?

Мозг — это наиболее сложный и наименее изученный орган нашего тела. Имея массу всего 1–2 кг (среднестатистический вес где-то посередине), он потребляет 20% энергии, вырабатываемой нашим телом. В его клетках активно работают более 70% генов нашего генома (в других клетках эта цифра гораздо меньше). Серое вещество состоит более чем из 90 млрд нейронов, каждый из которых имеет до 10 тыс. связей с другими нейронами (не обязательно соседними — например, отростки двигательных нейронов имеют длину более метра).

Но все это биология, не так интересно. А как быть с сознанием?

Этим вопросом еще с античных времен занималась только философия. Платон и Аристотель считали, что разум существует как отдельная от материи онтологическая реальность. Парменид, напротив, утверждал, что бытие и мышление едины. Сейчас к этому процессу подключились естественные науки.

За последние годы исследования достигли уровня, на котором мы можем позволить себе приступить к изучению мозга в действии. Оно охватывает молекулы, клетки, их связи, а также высшую материю — поведение, которое и есть сознание.

Фантасты уже давно мечтают об искусственном разуме, но чаще всего рисуют его в виде вышедшего из под контроля монстра, действующего отнюдь не на благо человечества (фантастические фильмы «Терминатор», «На крючке», «Я, робот»).

В одном из недавних фильмов, «Превосходство», для создания искусственного интеллекта была использована речевая модель и специальные алгоритмы ее обработки. Такие идеи небеспочвенны. Считается, что именно речевая модель способствует активному развитию полушарий, и она ответственна за нашу способность к обучению и прогнозированию событий и, в конечном итоге, за принятие решений.
Действительно — опираясь на имеющийся опыт, мы принимаем решения о поступках, а после их совершения сравниваем предполагаемый результат с действительным. Так что мозг дает нам возможность заглянуть в будущее.
Восставший искусственный интеллект — тема не одного фантастического романа и фильма
Но как заставить мыслить машину?
Камнем преткновения любого искусственного интеллекта являются именно алгоритмы его обучения. Преимущество людей над всеми остальными обитателями нашей планеты — умение абстрактно мыслить, строить обобщения различного уровня. Сейчас разработка так называемых алгоритмов «глубинного обучения» — весьма востребованная область знаний. Такими алгоритмами активно интересуются крупные IT-компании. Например, Google недавно приобрела компанию DeepMind Technologies, специализирующуюся как раз на таких задачах. Ведь рынок здесь огромен. Они могут использоваться для распознавания речи, лиц, разработки «умных» пользовательских интерфейсов в электронных устройствах, протезировании и пр. Успехи в этой области уже сейчас приносят свои плоды.

Такие идеи как процессор «Терминатора» Т-800 совершенно новой архитектуры или Скайнет, или создание клонов в «Шестом дне» и «Острове» уже не кажутся несбыточными.

Исследования продолжаются. На изучение мозга тратятся колоссальные средства по всему миру. В 2013–2014 гг. в США, Европе и Японии стартовали масштабные проекты по исследованию мозга (Россия на подходе). Кто знает — может, будущее, о котором пишут фантасты, уже не за горами.

Зачем изучать мозг?

Здоровый мозг человека — невероятно сложная, тонко настроенная система, для нормального функционирования которой важен каждый ее элемент, и это не только нейроны и их сети. Мозг — это еще и множество вспомогательных элементов: глиальные клетки, которые осуществляют питательные и защитные функции для нейронов, клетки сосудистой системы, различные внеклеточные белки, нейромедиаторы. Малейшее изменение работы любого компонента мозга может привести к возникновению и развитию его патологий.

Условно патологии мозга можно разделить на три группы.

Нейродегенеративные заболевания — группа медленно прогрессирующих заболеваний нервной системы, связанных с гибелью нервных клеток, внешне выражающиеся в виде деменции и расстройства двигательных функций (болезни Альцгеймера, Хантингтона и Паркинсона — наиболее известные представители данной группы).

Психические расстройства, связанные с нарушениями в сфере чувств, мышления, поведения. К этой группе относятся депрессия, анорексия, булимия, нарушения сна, алкогольные и наркотические зависимости, шизофрения.

Заболевания, связанные с сосудистой системой.
Все перечисленные заболевания возникают по разным причинам, но на уровне нейронов их проявление всегда одно: нарушается передача нервных импульсов. В зависимости от причины таких нарушений требуется и разное лечение. Но проблема в том, что мы до сих пор не знаем причин этих заболеваний.

Есть теории, предположения, некоторые из них частично подтверждаются, другие — нет. Но в настоящее время все без исключения методы лечения этих заболеваний действуют на симптомы, а не на причины. Так что исследования механизмов возникновения и развития таких болезней в прямом смысле жизненно необходимы, это именно те знания, которых так не хватает, и финансирование таких экспериментов — весьма кстати.

Убить Альцгеймера

Cчиталось, что болезнь Альцгеймера развивается по причине недостатка нейромедиатора ацетилхолина (основной медиатор парасимпатической нервной системы). Тогда придумали лечить болезнь ингибиторами фермента ацетилхолинэстеразы. Фермент находится в месте соединения нейронов и разрушает ацетилхолин, обеспечивая таким образом прерывание нервного импульса. К слову, многие сельскохозяйственные пестициды и боевые отравляющие вещества (зарин, зоман и VX) — сильнейшие ингибиторы этого фермента, они вызывают паралич парасимпатической нервной системы (человек просто перестает дышать). Эффект от терапии был минимальным. Другой теорией было образование амилоидных бляшек, их научились растворять с помощью антител, но этот способ также не давал результата. Есть теория, согласно которой нарушается структура тау-белка, поддерживающего структуру транспортной системы внутри нейрона. Сейчас ее активно проверяют. 

Новые подходы к лечению расстройств нервной системы

В настоящее время уже существует множество современных технологий лечения заболеваний, некоторые из которых используются в клинической практике, а другие — только проходят адаптацию. Поскольку многие расстройства центральной нервной системы связаны с неправильной работой генов (наличием в них ошибок, нарушением систем регуляции их работы) молекулярные и клеточные технологии терапии направлены на исправление подобных ошибок.

Идея таких методов проста: используя подходящие средства, мы доставляем терапевтический агент к нужному месту и на нужный уровень клетки, где и происходит коррекция. Уровни — ДНК, РНК, белки, простые вещества. Агентами могут выступать простые вещества (большинство современных лекарственных препаратов), активные белки, ферменты, специфические антитела, фрагменты РНК, даже ДНК. В качестве средств доставки могут использоваться, например, вирусы.

Ниже приведены некоторые примеры таких технологий.

Терапия с использованием миРНК. Молекулы миРНК связываются с матричной РНК (промежуточный элемент на пути синтеза белков, основных действующих элементов нашего организма); такие комплексы распознаются клеточными системами и разрушаются (так можно снизить синтез какого-либо белка в клетке).

Синтетические транскрипционные факторы. Эти вещества связываются с ДНК и активируют процесс синтеза матричной РНК (эти средства, напротив, позволяют повысить продукцию белка).

Синтетические нуклеазы для редактирования генов. Данные методы позволяют напрямую осуществлять коррекцию генома (устраняем дефект и вновь синтезируем компоненты клетки будут работать без нарушений).

Использование антител. Антитела вырабатываются нашим организмом в ответ на появление в нем посторонних веществ — например, вирусов, чужеродных белков. Люди уже давно научились синтезировать искусственные антитела. С их помощью можно устранять различные образования в мозге (пример — устранение амилоидных бляшек при болезни Альцгеймера).

Проблемы с активным применением данных методов связаны с недостатком знаний об объекте лечения. Мозг и центральная нервная система слишком сложны и многокомпонентны, а их патологии чаще всего вызваны несколькими факторами. Исследования в данной области позволят разработать и испытать новые прорывные технологии лечения нейропатологий.

Программы исследований мозга

Мозг как объект исследований интересует научное сообщество уже давно. Колоссальное количество проектов завершено, такое же количество находится в активной фазе или на стадии разработки. Их задачи охватывают весь спектр интересов научного сообщества: это и исследования молекулярных механизмов процессов передачи нервных импульсов, и поиск новых терапевтических средств, инструментов, разработка новых методов исследований, диагностики и лечения патологий, разработка карт разной степени разрешения. Пионерами исследований мозга являются Европейский союз, США и Япония.
Общий недостаток всех инициатив — их разрозненность. До настоящего момента исследования проводились в рамках интересов отдельных научных групп. Сейчас эту ситуацию собираются исправить.
В Европе, США и Японии запущены национальные инициативы по исследованию мозга и сознания. Они частично пересекаются, что может способствовать созданию удачных исследовательских консорциумов и получению наиболее полной информации об объекте исследования. Но главные задачи этих проектов хорошо дополняют друг друга, что позволит научному сообществу получить максимальную выгоду.

Европейские программы

Основным инструментом финансирования научных исследований в Европейском союзе являются Рамочные программы исследований и технологического развития (The Framework Programmes for Research and Technological Development, FP). Программы впервые были введены в 1984 году (FP1). С тех пор объем финансирования научных исследований неуклонно рос, и к 2014 году рост составил более 20 раз. Программа FP8, или „Horizon 2020” предполагает общее финансирование в размере более €80 млрд.

Генри Макрам (Henry Markram) — профессор нейронаук в Швейцарском Федеральном Технологическом Институте (EPFL). Он является основателем Института наук о мозге и сознании, инициатором и руководителем проекта Blue Brain и координатором основной подпрограммы (SP6) проекта Human Brain. Его научные интересы лежат в области синоптической пластичности (способности нейронов образовывать связи друг с другом), структурной организации и функций мозга, а также передачи сигналов в неокортексе (новая кора головного мозга). Он первым сформулировал фундаментальные принципы функционирования этих процессов.

Другим невероятно важным его достижением была разработка концепции «Жидкой машины», или «Машины неустойчивых состояний» (Liquid State Machine, LMS). Это особая сеть нейронов (узлов, если мы говорим о машинах), связанных друг с другом случайным образом. Каждый узел непрерывно получает сигналы от других узлов и/ или внешних источников и сразу же начинает их обрабатывать. На выходе система также выдает непрерывный сигнал. Уникальность такого подхода в том, что в единицу времени машина может содержать важную информацию обо всех прошлых входных сигналах, при этом информационные потоки могут обрабатываться одновременно, совершенно не мешая друг другу.

Эту модель Генри Макрам использовал для симуляции работы нейронных сетей в проекте Blue Brain. Данный проект — пример того, как один человек может изменить мир. Благодаря собственным достижениям и энергии Генри Макраму удалось получить грант на исследования, считавшимися до него неосуществимыми. 

Объем финансирования научных исследований в Европе

При этом исследования, связанные с мозгом, в период с 2007 по 2013 гг. получили порядка €2 млрд. Для сравнения, к 2005 году общий объем финансовых вливаний в данную область знаний не превысил €4,1 млрд. Эта сумма включает частные и государственные инвестиции; доля последних при этом едва достигает €900 млн (в США частные и государственные инвестиции за тот же период составили $6,1 и $8,4 млрд соответственно).
Среди многих исследовательских программ, одобренных Европейским союзом, стоит выделить несколько наиболее значимых и/или масштабных проектов. Одним из них является программа Blue Brain.

Blue Brain

В данном проекте были разработаны принципы построения моделей мозга, которые, доказав свою эффективность, впервые заставили научное сообщество поверить в их прогностический потенциал. Эти принципы легли в основу платформы «Симуляция мозга» (SP6) проекта Human Brain (см. далее). Идейным вдохновителем и директором программы стал Генри Макрам (профессор нейронаук в Швейцарском Федеральном Технологическом Институте).

Название проекта произошло от названия суперкомпьютера Blue Gene, предоставленного компанией IBM и используемого для распределенных вычислений, и собственно объекта исследований — мозга (англ. brain).
Моделирование как инструмент исследований давно вошло в научную практику. Например, методы молекулярного докинга активно используются для поиска новых мишеней при разработке лекарственных препаратов.

Результатом проекта Blue Brain стала действующая компьютерная модель, которая способна с высокой вероятностью (около 74%) предсказывать расположение синапсов в коре головного мозга. В своих разработках авторы использовали данные, полученные в ходе собственных биологических экспериментов, а не математические модели (таких к моменту реализации проекта было создано довольно много).

Точный механизм образования синапсов до сих пор неизвестен. Есть две гипотезы: связи между нейронами образуются случайным образом в местах соприкосновения их отростков и связи образуются под контролем химических соединений, выделяемых клетками.

В ходе морфологических экспериментов в проекте Blue Brain (модельным животным была крыса) его авторы выделили шесть типов нейронов и их синоптические связи. Далее, используя всего два параметра (удаленность синапса от тела нейрона и расположение на нем отростков), исследователи выявили схему расположения синапсов, характерную для каждого типа нейронов.

В модельном эксперименте внутри строго определенного объема серого вещества нейроны были расположены случайным образом с учетом всего двух параметров: плотность расположения и относительное количество клеток каждого типа. Почти в 75% случаях модель правильно указала на наличие связей между клетками. Отсюда можно сделать вывод о случайном механизме образования синапсов. Оставшиеся проценты могут свидетельствовать о более сложных молекулярных механизмах, вовлеченных в данный процесс.
Изучение процессов работы памяти человека в Sandia National Laboratories (США) путем снятия электроэнцефалограммы головного мозга
Как бы то ни было, работа показала, что для построения коннектома (модели мозга, пространственного расположения клеток и, главное, связей между ними) достаточно разместить нейроны разных типов в правильных областях коры мозга с подходящей плотностью и в необходимом количестве. Получается, нет необходимости картировать положение каждого нейрона в коре, как считалось ранее, а достаточно иметь лишь общее представление об их расположении.

Именно этот вывод дал начало мероприятиям проекта Human Brain. В январе 2013 года было объявлено о его поддержке Европейским Союзом.

Тем не менее на данный момент мы все еще имеем недостаточно знаний о типах нервных клеток, присутствующих в нашем теле, их различиях на молекулярном уровне. А кроме нейронов, есть еще глиальные клетки и клетки сосудистой системы, без которых нейроны не смогут осуществлять своих функций. И одной из приоритетных задач Human Brain является восполнение недостающих данных, с использованием которых работа модели станет более точной.

Проект «Мозг человека»
(The Human Brain Project, HBP)

Проект «Мозг человека» (номер гранта 604102) стартовал в начале октября 2013 года. Данная инициатива является флагманским проектом в исследованиях мозга Европейской комиссии будущего и новейших технологий в течение ближайших теперь уже 8 лет (окончание проекта запланировано на 2023 год). За это время планируется не только проведение научных исследований, но и активное внедрение полученных результатов в виде методов, новых знаний, технологий в жизнь.

Подпрограммы проекта Human Brain

По словам Генри Маркрама (Henry Markram), профессора, основателя Института мозга и разума, в его рамках ученые намерены воссоздать мозг человека в самых мелких деталях.

«От генетического, молекулярного уровня к нейронам и синапсам, далее к цепям нейронов, макроцепям, мезоцепям, долям мозга — до тех пор, пока не возникнет понимание того, как связаны между собой все эти уровни и как они определяют поведение и формируют сознание», — говорит Маркрам.

Таким образом, глобальной задачей проекта HBP является создание точной модели, которая позволит понять, как работает наш мозг, как мы думаем, принимаем решения, чувствуем. Какие процессы лежат в основе памяти. Ведь четкое представление о том, как работает полтора килограмма биоматериала у нас в голове, потребляя при этом 20% энергии, вырабатываемой всем телом, позволит разработать инструменты для лечения нейродегенеративных заболеваний, которыми все больше страдает стареющее человечество.

Более того: имея такие модели, мы сможем приблизиться к идее создания искусственного разума. Но не все так просто. По словам самого же Генри Маркрама, если сознание появляется в результате критической массы взаимодействий — тогда это может быть возможно, но мы действительно не понимаем, что есть сознание, поэтому трудно об этом говорить. По крайней мере, сейчас.

В проекте участвуют 113 организаций-партнеров, 21 организация-исполнитель, среди которых ведущие университеты мира (всего 24 страны), что делает проект международным. Коммерческие компании, специализирующиеся на изучении патологий мозга, разработке и внедрении в практику новых терапевтических подходов к лечению нейродегенеративных заболеваний, основанных на последних достижениях и разработках науки и техники, также принимают активное участие в данном проекте.
Дорожная карта проекта включает следующие задачи:
• симуляция мозга;
• разработка вычислительных и роботизированных систем;
• разработка интерактивной системы вычислений;
• карта патологий мозга;
• создание карт мозга мыши и человека;
• разработка теорий мозга;
• ускорение революционных исследований;
• коллаборация с другими исследовательскими проектами;
• трансляция результатов Программы в технологии, продукты и сервисы;
• проведение политики ответственных исследований и инноваций.
Инициатива разделена на несколько подпроектов (SP1–SP13), каждый из которых исполняет свою функцию. При этом проекты SP5–SP10 по своим масштабам и значимости имеют статус платформ.
Всего на проект «Мозг человека» планируется потратить порядка €1,2 млрд. Финансирование предварительной фазы проекта, в течение которой происходит адаптация новых методов исследований, установление связей, контактов между организациями-участниками, составляет €54 млн.

В апреле 2015 года на сайте проекта после обобщающей встречи основных участников был опубликован технический отчет о работе, проделанной в течение года с момента начала проекта.
Первый год работы программы стал организационным. Ее участники осваивали, разрабатывали новые методы, совершенствовали инструментарий. В целом, результаты каждой исследовательской группы (конечно, всегда есть исключения) укладываются в установленный календарный план. Общее замечание ко всем участникам следующее: между ними не хватает перекрестных коммуникаций. Причем это единственное замечание существенно влияет на планы реализации всего проекта.

Требуемая производительность компьютерного кластера для реализации проектов по моделированию мозга

И не сосчитать!

Участникам платформы «Высокопроизво-дительные вычисления» (SP7) предстоит нелегкая задача. Дело в том, что для реализации амбициозных целей проекта Human Brain потребуются вычислительные системы колоссальной мощности. Использованный в проекте Blue Brain суперкомпьютер Blue Gene от IBM имел достаточно ресурсов (300 тыс. терафлоп и 10 ТБайт оперативной памяти) для симуляции работы одной колонки неокортекса крысы (структурная единица мозга, всего в мозге крысы 100 тыс. таких колонок). Для симуляции работы человеческого мозга потребуется более чем в 100 тыс. раз мощный кластер (см. рисунок). Для сравнения, 6-ядерный процессор Intel Core i7-4930K с частотой 3,7–4,2 ГГц имеет производительность 130–140 гигафлопсов (теоретический пик 177 ГФлопс). Это означает, что теоретически для создания подобного кластера потребуется свыше 7 миллионов таких процессоров.
В общем, невозможного здесь ничего нет, были бы деньги. К примеру, Intel планирует к 2020 году создать суперкомпьютер производительностью 4 эксафлопса. Тем не менее работа по введению в эксплуатацию и поддержке подобных систем крайне нелегка, поэтому пожелаем исследователям удачи. 
Поскольку приоритетным научным результатом проекта Human Brain должна стать модель мозга человека (по ее аналогии легко можно будет разработать модель мозга любого млекопитающего), построенная на данных, полученных из биологических экспериментов, ее авторы (подпрограмма SP6) просто обязаны активно взаимодействовать с другими участниками данной инициативы, чтобы эту информацию получить и использовать. Причем от такого взаимодействия — двойная выгода. С одной стороны, на основании таких данных строится действующая модель (SP6), с другой, по мере ее тестирования становится очевидным, каких исследований еще не хватает (SP1, SP2, SP3, SP4). Такой процесс позволит более целенаправленно планировать эксперименты.

По отзывам экспертов создается впечатление, что SP1 и SP2 проводят работу независимо от целей и задач SP6. Аналогичная ситуация и с SP3 и SP4. При этом именно «сырых» данных пока недостаточно для построения работающей модели мозга.
Группа исследователей из Йельского университета изучает работу мозга с помощью массива из 64 датчиков на голове пациентов 
Примечательно, что именно к разработчикам моделей — а они являются сердцем проекта — у экспертов возникло большинство претензий. Досталось и инженерам платформы «Нейророботы» (SP10), построившим модель «Виртуальная мышь», где они использовали упрощенную модель мозга, привязанную к модели тела (все это расположено в виртуальной окружающей среде). В основу модели легли данные института мозга Аллена (Сиэтл, США), Биомедицинской информационной исследовательской сети (Сан-Диего, США) и данные, полученные в результате исполнения проекта Blue Brain (Женева, ЕС). В представленной упрощенной модели было использовано 200 тыс. нейронов (всего в мозге мыши 75 млн нейронов).

Такая модель, несомненно, интересна сама по себе, поскольку, во-первых, является примером решения задачи по интеграции различного рода данных, полученных из различных источников, а во-вторых, представляет собой мощный инструмент не только для проведения исследований, но также для отработки интеллектуального поведения объектов в робототехнике (механизм ответа на внешнее возбуждение).
Однако претензии экспертов к группе SP10 заключались в том, что последние сосредоточились больше на эргономике разрабатываемого инструментария, а также на пакетах визуализации в ущерб свойствам самих моделей (мозг, тело, окружающая среда). Данное обстоятельство, по мнению экспертов, ставит под сомнение возможность использования и научную ценность подобного инструментария.

В защиту проекта можно сказать, что к моменту предоставления результатов прошел лишь год с его начала, и при должных усилиях указанные недочеты легко можно исправить.

Исследования в США

Инициатива B.R.A.I.N.

Название „B.R.A.I.N.” расшифровывается как „Brain Research Through Advancing Innovative Neurotechnologiеs” («Изучение мозга путем развития инновационных нейротехнологий»). Инициатива трансформировалась из программы Brain activity map («Карта активности мозга»), которая предполагала научиться регистрировать импульсы всех нейронов в мозге животных. Задачи инициативы серьезно расширились и теперь данный проект выглядит еще более амбициозным, чем Human Brain, и как большинство американских инициатив.
Notice of Intent to Publish a Funding Opportunity Announcement for BRAIN Initiative: Foundations of Non-Invasive Human Brain Imaging and Neuro-Recording Techniques (R01) and Participation by the..
«Нам предстоит открыть глубокую тайну, и проект B.R.A.I.N. поможет в этом. Он даст ученым возможность составить в динамике картину деятельности головного мозга и лучше понять, как мы думаем, учимся и запоминаем», — заявил президент США Барак Обама, объявляя о запуске программы.

Глобальные цели исследований не новы: углубление научных знаний о болезни Альцгеймера, аутизме, эпилепсии и других расстройствах, связанных с высшей нервной деятельностью, исследование возможности ранней диагностики и лечения этих заболеваний. Но авторы проекта не исключают возможности появления прорывных открытий в процессе исполнения инициативы.

B.R.A.I.N. предполагает создание атласа клеток головного мозга на основе их полных молекулярных характеристик (ДНК, РНК, белки, простые молекулы), карты их связей друг с другом (коннектом), инструментов для объединения этих данных с информацией о когнитивных функциях. Инициатива также предполагает построение моделей здорового мозга и мозга с различными патологиями, что позволит исследовать причины их возникновения и развития. Все это в том или ином виде присутствует в европейском Проекте Human Brain.

B.R.A.I.N. — доступным языком

Сейчас для того, чтобы провести операцию на человеческом мозге (например, удалить эпилептический участок или вживить имплантат для устранения тремора), хирург каждый раз должен проводить его картирование. Происходит это следующим образом. На операционном столе лежит человек в полном сознании, его череп вскрыт. Врач осторожно касается специальным стимулятором различных областей мозга, а пациент должен отвечать ему, что он чувствует, как изменилось его состояние. Во время почти 4-часовой операции в 2008 году врачи стимулировали различные участки мозга американскому музыканту Эдди Эдкоку, а он играл на банджо и сообщал, есть ли эффект от такой стимуляции (у него был тремор, мешающий играть). Локализовав участок, ответственный за проявление патологии, в него вживили электрод. Пациент выздоровел и дал концерт по окончании операции.
Неинвазивные методы картирования головного мозга, его подробные карты, а также методы адресной стимуляции (физической или лекарственной) определенных участков серого вещества могли бы существенно упростить подобные процедуры. Только представьте: пациенту надевают шлем и начинают последовательно с некоторыми интервалами возбуждать те участки мозга, которые предположительно могут быть ответственны за недуг. И все, что нужно пациенту — вовремя нажать на кнопку, чтобы дать системе сигнал: мне стало лучше. Легкая калибровка, точечное воздействие — лечение завершено, пациент здоров. 
Президент США Барак Обама анонсирует проект B.R.A.I.N. 2 апреля 2013 г. 

Основное отличие этих двух проектов в том, что европейцы сосредоточились на создании компьютерных моделей, симулирующих работу мозга, а американцы будут в первую очередь разрабатывать новые технологии, инструменты, методы проведения исследований, точечного воздействия на мозг (по возможности неинвазивные), и только потом приступят к фундаментальным задачам.
О запуске инициативы B.R.A.I.N. стало известно в 2013 г. Сроком начала ее реализации был объявлен сентябрь 2014 г. (с этого месяца начинается финансирование большинства проектов). Программа рассчитана на 12 лет.

В работе над проектом принимают участие пять федеральных агентств: Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA), Агентство передовых исследований в сфере разведки (IARPA), Национальный институт здравоохранения (NIH), Агентство передовых оборонных разработок (DARPA) и Национальный научный фонд (NSF). Помимо этого, участники Национальной инициативы в фотонике, а также компании GE, Google, GlaxoSmithKline и Inscopix предоставили свою инфраструктуру в качестве вклада в B.R.A.I.N., а многие частные фонды, организации и университеты согласились участвовать в финансировании исследований.
The Mercury program seeks to develop methods for continuous, automated analysis of foreign SIGINT...
Как планируют идеологи инициативы (главный координатор — Национальный институт здоровья, NIH), первые два года (финансовые 2014-й и 2015-й) станут подготовительными, основной фокус первой «пятилетки» (финансовые 2016–2020 гг.) будет направлен на разработку новых технологий исследований мозга, а в течение следующей «пятилетки» (2021–2025 гг.) с использованием разработанных технологий будут, как надеются ученые, сделаны фундаментальные открытия.

Основные цели B.R.A.I.N.

1. Исследование разнообразия: экспериментальное описание всех типов клеток головного мозга, их роли в здоровом и больном мозге. Это необходимо для систематизации клеточного разнообразия. С помощью полученных данных будут разработаны инструменты записи, маркировки и манипуляции нейронами на живом мозге, а также методы избирательной доставки генов, белков и простых веществ в клетки мозга.
 
2. Картирование в крупных масштабах: создание диаграмм нейронных связей в разрешении от отдельных синапсов до мозга в целом. Такая карта позволит выявлять связи не только между соседними клетками, но также клетками, расположенными в разных участках мозга, исследовать взаимосвязь между отдельными его областями. В перспективе будут разработаны быстрые и менее дорогие технологии реконструкции нейронных сетей в любом масштабе (от неинвазивного исследования целого мозга до исследования отдельных синапсов на субклеточном уровне).

3. Мозг в действии: получение динамических картин функционирования мозга с использованием новых методов мониторинга нейронной активности (запись сигналов всех нейронных сетей в течение длительных временных интервалов). Данные исследования позволят усовершенствовать существующие и разработать новые технологии работы с нейронами, включая методы, основанные на использовании электродов, оптики, молекулярной генетики и др.

4. Демонстрация причинно-следственных связей: соотнесение активности мозга с поведенческими рефлексами с использованием инструментов, изменяющих динамику нейронных сетей (активация или торможение популяций нейронов). Будут разработаны специальные инструменты для манипуляции нейронными сетями модельных животных и впоследствии человека (для оптогенетических, хемогенетических, биохимических и электромагнитных модуляций).
The NPI brings together experts from industry, academia and government to assemble recommendations that will help guide US funding and investment in five key photonics-driven fields: advanced manufacturing, communications & IT, defense & national security, energy and health & medicine.
5. Идентификация фундаментальных принципов: разработка моделей биологических основ психологических процессов с использованием новых теоретических инструментов. Теория, моделирование и статистический анализ позволят провести комплексный нелинейный анализ функциональных особенностей мозга. Разработка новых методов анализа и интерпретации данных будет осуществляться в тесном сотрудничестве с учеными в области статистики, физики, математики, инженерных и компьютерных наук.

6. Исследования человека: разработка инновационных технологий исследования мозга человека и лечения его патологий, создание и поддержка интегрированных исследовательских консорциумов. Разработка системы привлечения людей, страдающих различного рода патологиями мозга и проходящих обследование и лечение в клиниках, к научным исследованиям. Такая система помимо создания инструментов сбора и обработки данных о пациентах потребует формирования строгих этических норм и систем защиты персональных данных о пациентах.

7. От инициативы B.R.A.I.N. к мозгу: новые технологии и подходы, описанные в п. 1–6, продемонстрируют, как динамические массивы нейронной активности трансформируются в такие действия человеческого мозга как познание, эмоции, восприятие и действие. Это станет наиболее важным результатом работы инициативы.

Помимо исследовательских задач, инициатива предполагает развитие инфраструктурных проектов, среди которых наибольшую важность представляют:

• организация параллельных исследований человеческих и «нечеловеческих» моделей;
• механизмы междисциплинарного взаимодействия;
• интеграция данных в пространственных и временных шкалах (динамические модели);
• разработка платформы для хранения и обмена данными;
• валидация и внедрение новых технологий в практику;
• этические последствия применения результатов исследований;
• механизмы налоговой отчетности участников проекта.

Распределение финансирования ФГ14-ФГ25 между дисциплинами.
Две масштабных программы США и Европейского союза, очевидно, дополняют друг друга. Наличие же точек их пересечения позволяет организовывать совместные международные исследования. Например, цели подпрограмм SP1–SP5 проекта Human Brain совпадают с задачами, заявленными в п. 1–5 B.R.A.I.N., а цели SP8 совпадают с задачами п. 6. Что касается инфраструктуры, то она уже давно общая для научных сообществ США и Европы.
Инициатива B.R.A.I.N. предусматривает общее финансирование в объеме $4,9 млрд. Ожидания затрат авторов проекта показаны на рис. ниже. Таким образом, в течение ближайших 10 лет можно ожидать появления прорывных технологий в исследовании мозга и лечении его патологий.

Исследования в Японии

Проект под названием «Картирование мозга с использованием интегрированных нейротехнологий для изучения патологий» (Brain Mapping by Integrated Neurotechnologies for Disease Studies), сокращенно — Brain/MINDS, стартовал в июне 2014 года. Финансирование проекта в 2014 году составило ¥3 млрд ($27 млн), в 2015 году оно должно вырасти до ¥4 млрд.

Программа поддержана Министерством образования, науки и технологии (MEXT). Головной организацией выступит Институт науки о мозге RIKEN (BSI).
本プロジェクトは、神経細胞がどのように神経回路を形成し、どのように情報処理を行うことによって、全体性の高い脳の機能を実現しているかについて、革新的技術を生かし、その全容を明らかにし、精神・神経疾患の克服につながるヒトの高次脳機能の解明のための基盤を構築することを目的として実施します。
Проект направлен на изучение фундаментального вопроса: как работает сознание человека? Инициатива имеет следующие цели: выяснить все функции человеческого мозга; усовершенствовать методы диагностики и лечения его патологий; разработать информационные технологии, основанные на механизмах работы мозга.
More research highlights
Важной особенностью проекта Brain/MINDS является то, что его авторы большинство исследований будут проводить на модельных животных — мартышках Callithrix jacchus. Они небольшого размера и хорошо размножаются, поэтому с ними удобно работать и легко пополнять популяцию. Кроме того, по анатомии мозга, социальному поведению (включая отношения между родителями и потомством) эти обезьяны похожи на людей. Они обладают уникальными голосовыми способностями, к тому же модели их нейродегенеративных заболеваний и человека весьма схожи.
Другие важные преимущества работы именно с модельными животными и именно с мартышками Callithrix jacchus:

• фронтальная лобная кора хорошо развита и более соответствует коре человека, чем у других модельных животных — например, грызунов, часто используемых в экспериментах;
• компактный мозг (весом всего 8 г) является преимуществом при проведении анализа нейронных сетей целого мозга;
• мозг имеет меньше слоев, что упрощает процедуру его изучения методами функциональной магнитно-резонансной томографии, оптическими, контрастными и электрофизиологическими методами;
• с мартышками можно проводить генетические эксперименты, модификации и манипуляции — это крайне важный аспект данного проекта, поскольку позволяет in vivo моделировать и изучать многие процессы (например, можно создать линию, которая обязательно будет болеть, скажем, болезнью Альцгеймера).
С помощью исследований трансгенных животных (в Японии, в отличие от США и ЕС, законодательство позволяет проводить подобные эксперименты) ученые смогут определить отправные точки развития нейродегенеративных заболеваний. Когда диагностируется болезнь Альцгеймера, то есть когда начинают проявляться первые ее симптомы, сделать уже ничего нельзя. Процесс деградации нервных волокон запущен, клетки гибнут, мозг сжимается, человек теряет память, наступает смерть. Ранняя диагностика — залог успешного лечения при любых патологиях. Таким образом, определив точку отсчета, изучив процесс возникновения и развития заболевания целиком, можно разработать терапевтические средства не только лечения, но предотвращения подобных патологий в принципе.
Кроме того, на животных будут отработаны современные технологии терапии — все те, которые упоминались в начале статьи.
東京大学のオフィシャルサイトです。大学案内、学部・大学院等の紹介、研究活動・国際活動、入学案内等、東京大学の情報をご覧いただけます。

Подробнее о DTI-MRI

Метод диффузионной тензорной магнитно-резонансной томографии с трактографией основан на измерении величины и направления диффузии молекул воды в веществе мозга. Было установлено, что движение молекул воды вдоль волокон белого вещества происходит гораздо активнее, чем в перпендикулярных направлениях, эта разница и легла в основу получения диффузионных тензорных изображений. С помощью данного метода можно оценить степень поражения мозга. Она позволяет создать трехмерную реконструкцию волокон белого вещества, а также обнаружить и оценить повреждение нервных связей. Кроме того, получаемые с ее помощью данные можно использовать для установления корреляций между поражением нейронных связей и неврологическим дефицитом в соответствующей системе. 
Для выявления механизмов, лежащих в основе процессов, происходящих в нашей голове (чувства, поведение, патологии), исследователи должны интегрировать большое количество данных разного уровня.

Для этого задачи проекта разделены на три категории, каждой из которых занимается отдельна группа исследователей:

• группа A — структура и функциональное картирование мозга мартышки Callithrix jacchus;
• группа B — разработка инновационных нейротехнологий для картирования мозга;
• группа C — картирования мозга человека и клинические исследования.
Группа A находится под управлением профессора Хидеюки Окано (Институт наук о мозге RIKEN и Школа медицины университета Кейо). Исследования разделены на несколько уровней: макро-, мезо- и микроскопический.

На макроуровне авторы продемонстрировали потенциал метода диффузионной тензорной магнитно-резонансной томографии с трактографией (DTI-MRI) в диагностике болезни Паркинсона. Исследования, проведенные на модельных животных (мартышках, страдающих паркинсонизмом) показали, что метод позволяет выявить изменения в областях мозга, ответственных за развитие данного заболевания, что может использоваться в клинической практике. С использованием DTI-MRI была построена трехмерная модель мозга мартышки, которую можно использовать для сравнения мозга с патологией и мозга контрольной группы. Авторы намереваются в тесном сотрудничестве с клиницистами (группа В) исследовать возможность использования данного метода в диагностике различных нейродегенеративных заболеваний.
Волокнистая структура белой материи и областей целого мозга мартышки была реконструирована в виртуальном пространстве с использованием данных, полученных с использованием метода DTI-MRI с трактографией. Волокна белой материи содержат множество продолжительных нитей, соединяющих различные области мозга. На структуре целого мозга также можно увидеть связи областей друг с другом
Методами световой микроскопии (уровень среднего разрешения), введением флуоресцентных меток и гибридизации in situ будет исследоваться экспрессия генов, ответственных за возникновение и развитие патологий мозга, а также таких физиологических функций как зрение. С использованием аденовирусов группа будет внедрять гены синтеза разных флуоресцентных белков (эти белки светятся при их возбуждении излучением определенной длины волны) и, таким образом, отслеживать нейроны, распределение их аксонов, связей с другими клетками. Кроме того, специально для целей разработки карт будут созданы уникальные линии мартышек, дефектные по одному или нескольким генам, связанным с организацией работы мозга.

С использованием нового метода последовательной электронной микроскопии (микроуровень), разработанного лабораторией профессора Джеффри Лихтман (Jeff Lichtman) из Гарвардского университета, будут созданы карты мозга мартышек с нанометровым разрешением. В первую очередь будут исследованы области мозга, тесно связанные с высшими функциями мозга или патологиями.

Схема взаимодействия Группы C с Группой А

Группа B находится под руководством профессора Атсуши Мияваки (Институт наук о мозге RIKEN) и разделена на три подгруппы: B1 — разработка техник для быстрой и длительной глубокой томографии структур и функций мозга высокого разрешения; B2 — разработка техник для контроля нейронной активности; B3 — разработка биоинформатических подходов для интеграции получаемых данных разного уровня. Разрабатываемые технологии будут основаны на методах оптогенетики и сверхразрешающей микроскопии, появившихся на базе последних достижений молекулярной биологии, электрофизиологии, анатомии мозга и оптической физики. Эти технологии все больше становятся популярными в среде исследователей мозга, где в центре внимания всегда находятся нейроны и процессы передачи нервных импульсов через синапсы.

Работа группы C будет заключаться в передаче результатов исследований проекта Brain/MINDS в клиническую практику. Руководство группой взял на себя профессор Кийото Касаи (Университет Токио, Высшая школа медицины). Цель работы группы — картирование мозга пациентов с расстройствами психики и группы контроля. Будет организовано три команды для исследования: психиатрических заболеваний (руководитель Кийото Касаи), нейродегенеративных заболеваний (руководитель Хитоши Оказава, Токийский медико-стоматологический университет), цереброваскулярных заболеваний и нейрореабилитации (Рйосуке Такахаши, Университет Киото). Для слаженной работы команд будет создана база данных для хранения и обработки информации о молекулярных биомаркерах и данных томографии.

Проект Brain/MINDS использует две стратегии управления: централизованную (проект Human Brian, ЕС) и децентрализованную (инициатива B.R.A.I.N., США). Группы A и B сосредоточены в Институте наук о мозге RIKEN, выступающем в роли головной организации, и Университетах Кейо и Киото. Группа C рассредоточена по различным организациям и полностью вовлечена в клиническую практику. Камнем преткновения и этого проекта, очевидно, станет процесс взаимодействия групп между собой.

Проект дополняет описанные инициативы США и Европы возможностями изучения процессов, протекающих в здоровом и больном мозге, на модельных животных. В остальном, что касается исследований, составления нейрокарт, клинических испытаний новых препаратов, указанные проекты будут исполняться в сотрудничестве с ними.
About BNE - BrainNet Europe is a "Network of Excellence" of European brain banks funded by the EU Commission in the 6th Framework Programme

Программы России

В России в настоящий момент обсуждается инициатива под названием NeuroNet.

Основные мероприятия программы:
• создание карт мозга и построение модели эмоционально-смысловых состояний;
• разработка алгоритмов «глубинного обучения», что ляжет в основу разработок «умных» интерфейсов;
• разработк нейроморфных цифро-аналоговых компьютеров (на основе технологий, имитирующих работу мозга).

Успех программы связан с наличием в России уникальных заделов и научных школ по изучению центральной нервной системы, разработке нейроморфных технологий и математическому моделированию. Кроме того, на российском рынке IT есть конкурентоспособные лидеры (Abbyy, Yandex, Kaspersky, Parallels, Acronics и др.), которые смогут воспользоваться результатами разработок данной программы.
Программа рассчитана на 5 лет и будет сосредоточена на разработке алгоритмов «глубинного обучения» — это ее отличительная особенность от проектов США, Европы и Японии. Алгоритмы «глубинного обучения» — востребованная область знаний (см. введение), и исследования в этой области действительно могут привести к прорыву в знаниях о мозге. Остается надеяться, что политическая ситуация в мире не повлияет на возможность сотрудничества российских ученых с мировым научным сообществом, и Россия сможет взаимовыгодно воспользоваться плодами научных изысканий.

Инфраструктура

Для проведения международных научных исследований на высоком уровне очень важно иметь доступ к высокотехнологичному оборудованию, реагентам, а главное — к образцам для исследований. Для этого создаются национальные депозитарии и соответствующие производства.

В 2001 году была запущена программа формирования банка мозга (BrainNet Europe, BNE). Проект был продлен в 2004 году под названием BNE II. В настоящее время банк мозга объединяет 18 организаций — постоянных членов консорциума и 2 партнеров. Цель проекта — обеспечить лабораториям легкий доступ к образцам ткани мозга (здоровой и с патологиями) для проведения исследований.
Управляющий совет консорциума — основной орган, принимающий решения, он состоит из всех исследователей, работающих в консорциуме. 

Схема взаимодействия участников европейского проекта банка мозга

Группы 1–23 — управляющие группы соответствующих рабочих программ (РП), их члены входят в управляющий совет консорциума:
• РП01 — сбор образцов;
• РП02 — этические и правовые задачи;
• РП03 — контроль качества;
• РП04 — безопасность;
• РП05 — IT (сетевой портал, поиск образцов);
• РП06 — психиатрические случаи;
• РП07 — донорская программа;
• РП08 — защита данных;
• РП09 — необъяснимые случаи;
• РП10 — пользователь образцов;
• РП11 — критерии клинической диагностики;
• РП12 — клинический набор данных;
• РП13 — морфометрия;
• РП14 — тренинги и образование;
• РП15 — диагнозы нейропатологий;
• РП16 — организация банка мозга;
• РП17 — хранение РНК;
• РП18 — хранение белков;
• РП19 — хранение ДНК;
• РП20 — микродессекция;
• РП21 — хранение нейроактивных химических веществ;
• РП22 — в настоящий момент закрыта;
• РП23 — лазерный захват;
• РП24 — управление консорциумом;
• РП25 — связи с общественностью.

Схема взаимодействия рабочих программ

Координационный комитет консорциума определяет направление исследований, осуществляет взаимодействие и отчитывается перед управляющим советом консорциума. Правовой консул — арбитражная группа, решающая споры между участниками консорциума по вопросам интеллектуальной собственности. Координационная группа (5 членов) управляет консорциумом и помогает координатору сети. Центральный офис находится в Мюнхене и осуществляет функции руководства, контроля, коммуникации, а также разработки и поддержки баз данных и программного обеспечения.
Подобные структуры в менее масштабном виде есть в других странах — например в США и Китае.
About BNE - BrainNet Europe is a "Network of Excellence" of European brain banks funded by the EU Commission in the 6th Framework Programme

Премия за исследования мозга

Премия The brain prize (Grete Lundbeck European Brain Research Prize) была учреждена в 2010 году фондом Лундбека (Lundbeck Foundation, Дания). Премия присуждается активным исследователям (это одно из главных условий) за достижения в областях знаний, так или иначе связанных с науками о мозге.

В данном контексте к исследованиям мозга относят изыскания, связанные с любыми аспектами мозга и нервной системы в здоровом или больном состоянии. Эта область охватывает множество дисциплин от простых основ наук о мозге до прикладных клинических исследований в области этиологии, патогенеза, диагностики, лечения и профилактики патологий всей нервной системы.

Номинант может иметь любое гражданство, однако исследование, за которое присуждается премия, должно быть проведено в европейской организации или в тесном сотрудничестве с ней. В случае, если открытие было сделано при сотрудничестве нескольких ученых, все они могут быть номинированы на присуждение премии. Размер индивидуальной премии составляет €1 млн. Номинированный кандидат рассматривается комитетом в течение трех лет (каждый последующий год, если не выиграл в предыдущем), по истечении данного срока он может быть номинирован повторно. Комитет по присуждению премий состоит из 8–12 членов не старше 75 лет как минимум из четырех разных стран. Фонд, распределяющий данную награду, имеет собственный независимый совет директоров и международный наблюдательный совет.

Заключение

Количество проектов исследования мозга и центральной нервной системы в настоящий момент достаточно велико, объем их финансирования — колоссален. Пока мы все еще далеки от создания универсальных решений для ранней диагностики и лечения дегенеративных заболеваний, но, вне сомнений, значительно продвинулись в данном направлении.
Даже такие проекты как пересадка головы уже не кажутся столь фантастическими. Речь идет о программисте из Владимира, страдающего синдромом синдромом Верднига-Хоффмана, и итальянском нейрохирурге Серджио Канаверо (Sergio Canavero), который собирается повторить подвиг профессора Доуэля из романа Беляева. Подобных прецедентов в мире еще нет, но простая операция по удалению аппендицита тоже когда-то была совершена впервые. Научное сообщество заняло однозначную позицию: такая операция невозможна, и если сшивать ткани мы научились, то восстанавливать спинной мозг после такого рассечения — нет. Голова просто не сможет пошевелить телом. Передача нервных импульсов — очень сложный процесс, от аксона (который может иметь длину в метр) одного нейрона к другому нейрону или мышце. Когда организм только растет, программа развития делает все автоматически. Но как запустить процесс направленного нейрогенеза во взрослом организме? Есть удачные эксперименты в пробирке и на модельных животных. На человеке — нет. Кроме того, иммунная система может начать отторжение чужеродных тканей. В таком эксперименте понадобятся все знания и разработки, которыми располагает человечество.
Установка сверхвысокопольного магнитно-резонансного томографа
в Институте МакГоверна (США)
Впервые в истории исследования в области мозга приобретают настолько колоссальные масштабы. Несомненно, вышеописанные проекты позволят ответить на многие вопросы, столь долгое время не дававшие покоя человечеству: что есть мозг, сознание, в чем причины их патологий и как с ними бороться. Сейчас подобные исследования — крупные наднациональные проекты, но для их успешной реализации необходима эффективная инфраструктура (банки образцов, масштабные производства средств для научных исследований и т. п.), дополнительные независимые системы мотивации. Различные государства в сотрудничестве с частными компаниями должны принимать активное участие в организации таких проектов: развивать правовые основы использования результатов научных исследований (например, обеспечить законность пересадки головы одного человека другому), развивать рынок новых технологий. Только общими усилиями человечество сможет добиться результатов и обеспечить себе светлое здоровое будущее.