Воссоздание человеческого мозга в компьютере за €600 млн: Что было достигнуто?

За время существования проекта учёные из проекта Human Brain Project (HBP) опубликовали тысячи работ и добились значительных успехов в нейронауке, таких как создание подробных 3D-карт не менее 200 областей мозга, разработка мозговых имплантатов для лечения слепоты, использование суперкомпьютеров для моделирования таких функций, как память и сознание, а также для разработки методов лечения различных заболеваний мозга.

«Когда проект начинался, почти никто не верил в потенциал больших данных и возможность использования их или суперкомпьютеров для моделирования сложного функционирования мозга», — говорит Томас Скордас, заместитель генерального директора Европейской комиссии в Брюсселе.

Однако практически с самого начала проект HBP подвергался критике. Проект не достиг своей цели — смоделировать весь человеческий мозг, — которую многие учёные изначально считали надуманной. По словам члена HBP Ива Фрегнака (Yves Frégnac), когнитолога и директора по исследованиям французского национального исследовательского агентства CNRS в Париже, проект несколько раз менял направление, а его научные результаты были «фрагментарными и мозаичными». По его мнению, проект не смог дать всеобъемлющего или оригинального понимания мозга. «Я не вижу тут мозг, я вижу лишь кусочки мозга», — говорит Фрегнак.

Руководители HBP надеются ещё на один шаг приблизить это понимание с помощью виртуальной платформы EBRAINS, созданной в рамках проекта. EBRAINS — это набор инструментов и данных визуализации, которые учёные всего мира могут использовать для проведения симуляций и цифровых экспериментов. «Сегодня у нас есть все инструменты для создания настоящего цифрового двойника мозга», — говорит Виктор Джирса, нейробиолог из французского университета Экс-Марсель и член совета директоров HBP.

Но финансирование этого ответвления пока не определено. И в то время, когда в других странах разворачиваются грандиозные и дорогостоящие проекты по изучению мозга, учёные в Европе разочарованы тем, что их версия сворачивается. «Мы были, пожалуй, одними из первых, кто запустил эту волну интереса к мозгу», — говорит Хорхе Мехиас, специалист по вычислительной нейробиологии из Амстердамского университета, который присоединился к HBP в 2019 году. Сейчас, по его словам, «все спешат, у нас нет времени даже поспать».

Спорное прошлое

HBP с самого начала вызывала споры. Когда в 2013 г. она была запущена, одной из её основных целей было создание инструментов и инфраструктуры, необходимых для лучшего понимания функций и организации мозга и его заболеваний, наряду с более мелкими проектами в области фундаментальной и клинической нейронауки. Это была одна из двух долгосрочных исследовательских программ, на которые в том году были выделены средства и которые должны были способствовать развитию промышленности в Европе; второй программой был проект по изучению возможностей графена.

На реализацию HBP было обещано выделить 1 млрд евро (1,1 млрд долл. США). В итоге было получено 607 млн евро, в том числе 406 млн евро от ЕС, которые были распределены по четырём этапам и переданы лабораториям, участвовавшим в конкурсе на получение грантов на каждом этапе.

Но уже в первый год работы HBP возникли проблемы. Основатель и бывший директор, нейробиолог Генри Маркрам из Швейцарского федерального технологического института в Лозанне (EPFL), заявил, что HBP сможет реконструировать и смоделировать человеческий мозг на клеточном уровне в течение десяти лет. Утверждения Маркрама вызвали широкий скептицизм со стороны нейробиологов. «Когда наука выбирает новый курс, за этим, естественно, следуют споры, — говорит Маркрам.

По мнению Тимоти О’Лири (Timothy O’Leary), специалиста по вычислительной нейробиологии из Кембриджского университета (Великобритания), не участвовавшего в проекте HBP, такая высокая цель, возможно, помогла проекту сдвинуться с мёртвой точки. «Вряд ли HBP получил бы финансирование, если бы к нему не прилагалась какая-то нелепая амбициозная цель».

Со временем руководство Маркрама становилось всё более непопулярным. В 2014 г. он и два других члена исполнительного комитета изменили направленность проекта, вычеркнув из него исследования в области когнитивной нейронауки, в результате чего проект покинула сеть из 18 лабораторий. По словам Маркрама, возникли разногласия по поводу финансирования различных направлений. В ответ на это более 150 учёных подписали письмо протеста, призывающее Европейскую комиссию пересмотреть цели HBP ко второму раунду финансирования. В письме говорится, что HBP плохо управляется и частично сбилась с научного курса. «Стало очевидно, что некоторые представители сообщества нейронаук не готовы к объединению под единым началом, — говорит Маркрам.

Евросоюз сформировал комитет независимых специалистов для изучения хода реализации проекта и пересмотра его научных целей. Комитет рекомендовал HBP пересмотреть и более чётко сформулировать свои научные цели, а также включить в основную программу когнитивные и системные нейронауки. В феврале 2015 г. совет директоров HBP принял решение о роспуске исполнительного комитета из трёх человек и замене его более многочисленным советом.

Эта ситуация заставила некоторых учёных насторожённо отнестись к проекту. «Этот скептицизм понемногу затягивался», — говорит Меджиас.

Тем временем в других странах стартовали или начали разворачиваться крупные проекты по созданию мозга. США и Япония приступили к реализации «мозговых» проектов примерно в то же время, что и HBP: первый будет продолжаться до 2026 года, а второй рассчитывает на 15 лет. Китайский «мозговой» проект стартовал в 2021 году, а австралийский и южнокорейский проекты вступили в седьмой год.

Срез человеческого мозга, демонстрирующий архитектуру волокон, соединяющих различные области.

«Драма» HBP не закончилась со смещением исполнительного комитета. В период с 2016 по 2020 год произошёл ряд изменений в верхних эшелонах руководства проекта. Тем временем наука начала набирать обороты. В 2016 году по итогам этапа развития проекта HBP были запущены шесть специализированных операционных платформ, охватывающих такие области, как моделирование мозга, высокопроизводительная аналитика и вычисления, нейроробототехника.

Идея заключалась в том, чтобы со временем интегрировать эти шесть направлений, но вначале «они были достаточно независимы», — говорит Катрин Амунтс, нейробиолог из исследовательского центра Юлих (Германия) и директор по научным исследованиям HBP. «Такой большой проект, как HBP, подразумевает некий процесс обучения — не всё работает идеально с самого начала», — говорит она.

Хит-парад

Если не говорить об управлении, то в рамках HBP накоплен ряд важных и полезных научных данных. Создав и объединив 3D-карты около 200 структур коры головного мозга и более глубоких отделов мозга, учёные HBP создали «Атлас мозга человека», доступный через систему EBRAINS. Атлас отображает многоуровневую организацию мозга, начиная с его клеточной и молекулярной архитектуры и заканчивая функциональными модулями и связностью.

«Атлас мозга человека — это что-то вроде Google Maps, только для мозга», — сказал Амунтс на пресс-брифинге в рамках HBP Summit 2023 в марте.

В атласе используются данные посмертного исследования мозга для создания стандартных карт, учитывающих естественные различия между людьми. Используя атлас, учёные HBP выявили шесть ранее неизвестных областей мозга в префронтальной коре, которые участвуют в развитии памяти, языка, внимания и обработки музыки. Кроме того, атлас связывает свои карты с данными об экспрессии генов, содержащимися в Allen Human Brain Atlas — базе данных, разработанной Алленовским институтом науки о мозге в Сиэтле (штат Вашингтон) и описывающей нейроны всего мозга. Используя парные атласы, исследователи выяснили, как изменения в экспрессии генов, связанные с депрессией, связаны со структурными и функциональными изменениями в одной из областей лобной коры головного мозга.

Исследователи HBP также разработали уникальные алгоритмы, позволяющие строить полномасштабные модели участков мозга на основе микроскопических изображений. С помощью этого инструмента учёные составили подробную карту области CA1 гиппокампа, важной для памяти. Карта содержит около 5 млн нейронов и 40 млрд синапсов.

Некоторые результаты исследований HBP нашли своё применение в клинической практике: персонализированные модели мозга, или «цифровые двойники», были использованы для совершенствования методов лечения эпилепсии и болезни Паркинсона. Цифровые двойники — это математические представления мозга человека, в которых сканы, полученные от отдельного человека, объединены с моделью, объясняет Джирса.

В июне 2019 г. Джирса и его коллеги начали клиническое испытание под названием EPINOV с целью проверить, могут ли цифровые модели, построенные на основе данных сканирования мозга, помочь определить происхождение припадков и повысить процент успешных операций по лечению эпилепсии. Это «то, что я не смог бы сделать вне EBRAINS», — говорит Джирса.

В исследовании EPINOV приняли участие 356 человек из 11 французских больниц. Джирса надеется, что данные визуализации, полученные в ходе испытания, будут доступны другим исследователям через EBRAINS.

Первоначальный план проекта HBP предусматривал разработку вычислительных систем, смоделированных на основе мозга. Учёные HBP внесли свой вклад в создание нейронных сетей, которые могут моделировать большие системы, похожие на мозг, либо для проверки идей о работе мозга, либо для управления другим оборудованием, например роботами или смартфонами.

Неполная картина

Организаторы и критики проекта отмечают общую черту HBP: фрагментарность. Это давняя проблема в области нейронаучных исследований. «Я вижу очень умные приложения, но не вижу многомасштабной интеграции, не вижу решения больших проблем», — говорит Фрегнак.

В последние три года HBP пытается преодолеть разрозненность своих междисциплинарных подпроектов, объединяя их технологии в EBRAINS. Инициативы по шести платформам HBP начали разрабатывать совместимые инструменты и общие стандарты данных, а некоторые группы были реорганизованы, чтобы сосредоточиться на конкретных научных проблемах, а не на дисциплинах. «Но впереди ещё много работы», — говорит Джирса. «Нейроробототехника [по-прежнему] не имеет связи с группой, занимающейся более клиническими исследованиями».

В рамках HBP была детально изучена анатомия человеческого мозга и разработаны инструменты, позволяющие связать структуру и функции мозга с экспрессией генов.

По мнению некоторых исследователей, фрагментарные научные результаты HBP обусловлены отсутствием чёткой направленности проекта. «От проекта, который длится более десяти лет, я ожидал бы концептуального прорыва», — говорит Фред Вольф, нейрофизик-теоретик из Гёттингенского университета (Германия), который покинул HBP после подписания открытого письма. Однако, по его словам, в случае с HBP дело обстояло иначе.

Дэвид Хансел, нейробиолог из парижского Центра интегративной нейронауки и познания, не участвовавший в проекте, считает, что отсутствие приоритетов и ограниченное сотрудничество HBP не позволили ему воспользоваться своим масштабом и по-настоящему объединить нейронаучное сообщество вокруг общей цели. «У проекта не было списка первостепенных и разумных вопросов, которые необходимо было решить. По сути, «целью» было понять мозг».

Джон Нгай, директор Инициативы по исследованию мозга с помощью инновационных нейротехнологий (BRAIN) Национального института здоровья США в Бетесде (штат Мэриленд), которая занимается разработкой инструментов для каталогизации, мониторинга и измерения состояния мозга, считает, что акцент на сбор данных, а не на выдвижение гипотез, вполне оправдан. «Большая наука не всегда стремится к запредельным вершинам, особенно когда шаги к достижению основных целей не определены достаточно хорошо».

Наследие проекта

В конце сентября финансирование проекта прекратится. Несмотря на то, что некоторые начинания, возникшие в рамках проекта, уже получили гранты на продолжение своей работы, будущее многих исследователей, частично или полностью сотрудничавших с HBP, остаётся неопределённым.

Но Амунтс и другие надеются, что работа HBP и платформа EBRAINS станут основой европейской нейронауки на долгие годы. «Исследования мозга требуют понимания многоуровневости и значительной масштабности мозга», — говорит Амунтс.

В январе 2018 года HBP получил 50 млн евро, в том числе 25 млн евро от ЕС, на разработку интерактивных суперкомпьютерных инструментов и сервисов хранения данных для EBRAINS.

Исследователи уже используют эту платформу, например, для изучения реакции мозга на стимуляцию, а также для разработки роботов, имитирующих мозг. Нгай считает, что переход HBP на EBRAINS позволил получить ценный инструмент. Подобные платформы существуют и в других странах, но им не хватает масштаба и услуг, предоставляемых EBRAINS.

В марте Европейская комиссия отклонила заявку на 38 млн евро для поддержания работы EBRAINS, но в июне после переговоров с HBP вновь открыла тот же конкурс на финансирование, предоставив команде ещё одну возможность подать заявку. В случае неудачи платформа будет рассчитывать на сочетание частного финансирования и финансовой поддержки со стороны отдельных стран ЕС.

Тем временем Европейская комиссия готовится подвести итоги. Окончательный обзор проекта начнётся в ноябре, а его публикация ожидается в январе 2024 года. «Если мы не хотим пережить эквивалент «зимы ИИ» в мировой нейронауке, нам нужно сделать её респектабельной. Нам нужно оценить, насколько хороша или нет такая флагманская инициатива», — говорит Фрегнак.

Однако завершение HBP — это не конец нейронауки в Европе, считает Павел Свьебода, исполнительный директор EBRAINS и генеральный директор HBP.

Европейская комиссия и страны-члены ЕС планируют следующий этап европейских исследований в области здоровья мозга, который будет направлен на использование персонализированных моделей мозга для поиска лекарств и совершенствования методов лечения заболеваний мозга.

Однако, по мнению исследователей, будущие проекты должны избежать тех проблем, которые возникли при проведении HBP. «Мы не хотим делать ещё один HBP, как это было в самом начале», — говорит О’Лири. «Мы должны поддерживать как небольшие целенаправленные научные исследования, так и амбициозные комплексные проекты».

В конечном итоге, по его словам, мегапроект создал сообщества учёных, сосредоточенных на достижении общих целей. «Это наследие, которое останется с нами надолго».

 

Источник