Европейский мегапроект по исследованию структуры человеческого мозга – «The Human Brain Project» (HBP) ставит своей задачей ни много ни мало, понимание работы головного мозга человека. И если мы сможем воплотить эту мечту в жизнь, то мы поймём, как лечить различные заболевания головного мозга, сможем осознать, что же всё-таки делает нас людьми, а также создадим революционные компьютерные технологии. Чем же занимаются химики, физики, биологи, математики, инженеры и программисты в рамках этого проекта?

Внимание: большое количество видео, заметно тормозит загрузку страницы

Некоторое время назад на Хабре была опубликована заметка о возможностях 3D SEM-микроскопии применительно к исследованию структуры человеческого мозга в рамках европейского мегапроекта «The Human Brain Project». Под катом мы постарались максимально подробно – а это значит будет много текста – ответить на заданные вопросы, но начнём по традиции с некоторого введения.

Источник: Nature

Предисловие

Как показала практика предыдущей статьи и комментариев к ней на трёх ресурсах: HabraHabr, Nanometer.ru и Dirty. Чтобы пояснить, а чем собственно занимаются химики, физики, биологи, математики, инженеры и программисты в рамках The Human Brain Project (HBP), поэтому я хотел бы сначала остановиться более подробно на главной цели проекта и описании 12 субпроектов (SP), объединённых в HBP.

Основная цель и задачи HBP

Начнём с глобального. Итак, HBP ставит своей задачей ни много ни мало, а понимание работы головного мозга человека. И если мы сможем воплотить эту мечту в жизнь, то мы поймём, как лечить различные заболевания головного мозга, сможем осознать, что же всё-таки делает нас людьми, а также создадим революционные компьютерные технологии.

Краткое описание всех 12 подпроектов (в конце каждого ролика приводится список организаций, работающих над их реализацией):

SP 1 – Strategic Mouse Brain Data – Основная цель данного проекта: получить всю недостающую основную информацию о структуре головного мозга мышей и упростить сравнение между мышиным мозгом и человеческим.

Фактически часть данного подпроекта по исследованию мозга с помощью трёхмерной электронной микроскопии была разобрана в предыдущей статье. Как правильно заметили в комментариях к посту, мыши умеют решать простейшие головоломки, например, целенаправленно нажимать кнопочку для получения еды или искать кратчайший путь в лабиринте с оной.

SP 2 – Strategic Human Brain Data – Основная цель: получение многоуровневого набора данных о человеческом мозге, который сходен с данными, полученными для мозга мышей, и упрощение использования данных проекта SP 1 для предсказания процессов в мозге человека.

Таким образом, команда данного проекта будет заполнять пустоту между микроскопическими данными, полученными в проекте SP 1 и макроскопическими данными, которые можно получить, например, с помощью МРТ. В том числе планируется создать 3D “Google”-map мозга, каждый пользователь которой сможет увидеть где и какие области находятся, как происходит передача сигналов и так далее.

Пользователь Хабра vaborg проговорился, что вовлечён в проект по МРТ (SP2), так что просим его написать нам подробнее об изучении мозга с помощью МРТ и ЯМР и связи этого подпроекта с SP1 и SP3.

SP 3 – Cognitive Architectures – Основная цель: более глубокое познание когнитивной архитектуры мозга (пардон за тавтологию), то есть как мы читаем, как распознаём вещи, лица, в чём заключается мотивация и как она работает и так далее.

Другими словами, эти ребята занимаются определением, какие области мозга и как взаимодействуют между собой (например, как зрительная или слуховая информация обрабатывается, какие части мозга задействованы при этом), то есть это классический «top-down» подход, в отличие от двух первых – «bottom-up».

SP 4 – Mathematical and Theoretical Foundations of Brain Research – Основная цель подпроекта: разработка теорий, математический теорий, которые лягут в основу всех дальнейших проектов по созданию модели мозга. Фактически, этот подпроект о том, как, зная структуры мозга на разных уровнях, построить единую математическую модель, включающую в себя также такое важное свойство мозга, как гибкость.

SP 5 – Neuroinformatics – один из основных подпроектов в рамках HBP. Его основная цель – организовать и сделать максимально доступной для нейроучёных весь тот массив различных данных, знаний и инструментов для изучения мозга, который был наработан международным коллективом учёных. В частности, для реализации этого уже функционирует web-site, на котором можно, например, взглянуть на мозг мышки и увидеть в каких регионах мозга производится тот или иной белок.

Более подробно о том, как собираются и обрабатываются данные можно посмотреть на TED с русскими или английскими субтитрами.

SP 6 – Brain Simulation – Главная цель подпроекта: создать такие инструменты, которые позволят нам, основываясь на биологических данных проводить симуляцию, моделирование отдельных частей и даже целого мозга. Это будет открытая платформа. Возможно, также, что удастся в моделировании учесть воздействие и взаимодействия на молекулярном уровне.

SP 7 – High Performance Computing – Данный подпроект имеет своей целью предоставить всем вовлечённым в HBP широкий доступ к суперкомпьютерам, Big Data и облачным технологиям, а также поддержку в визуализации, создании и симулировании многоуровневых моделей мозга и так далее.

SP 8 – Medical Informatics – Основная цель подпроекта: разработать методы, которые позволят выявлять болезни (сюда войдут клинические и генетические данные, данные МРТ, собираемые в госпиталях и так далее), а также понять симптоматику болезни и как можно было бы их лечить на фактически молекулярном уровне.

SP 9 – Neuromorphic Computing – В рамках данного подпроекта планируется создать, внедрить в производство и развивать конфигурируемые нейроморфных платформы и чипы, внутри которых будут сидеть модели мозга, разработанные в SP6. Каждый такой чип по задумке авторов будет работать на принципе смешения сигналов (фактически аналоговый процессор) и будет содержать до четырёх миллионов нейронов с миллиардов синаптических связей, что должно обеспечить скорость работы быстрее до 10 000 раз, по сравнению с обычным мозгом.

SP 10 – Neurorobotics – Целью подпроекта является создание программной и аппаратной платформы, позволяющей учёным совмещать апробированную модель мозга или отдельных его участков к телу робота для создания нейроморфным роботических систем.

SP 11 – Applications – данный подпроект больше интересен, скорее всего, для фантастов и футурологов, потому что именно в нём разрабатывается концепции Медицины Будущего:

Нейронауки Будущего:

Вычислительной Техники Будущего:

SP 12 – Ethics and Society – фактически данный подпроект будет заниматься разработкой этических норм, расчётом социальных последствий и потенциальных рисков от всего HBP.

Собственно ответы на вопросы

После публикации первой части статьи мы дали около недели, чтобы все смогли высказать свои вопросы и комментарии, после чего собрали всё вместе и начали плакать обрадовались неимоверному количеству вопросов, которые к нам поступили. После нескольких бессонных недель поиска информации, обзванивания соседей и знакомых, мы-таки готовы представить ответы.

Каждый вопрос содержит ник того, кто этот вопрос задал, поэтому если вам не хочется читать всё целиком, то можете смело переходить к нужному ответу. Также часть вопросов объединена, так как тематика и цель вопроса приблизительно одна и та же (например, сознание vs симуляция мозга).

HabraHabr

Вопрос от NadezdaSh:

Цель проекта — создать единую открытую платформу для экспериментов с симуляцией функций человеческого мозга, некий единый открытый фреймворк. Можно будет разработать и новые компьютерные модели эмуляции, и тестировать новые методы лечения болезней.

Из того что описано как цель становится непонятно зачем эмулировать в железе нейрон, если это можно сделать програмно. В цели так и написано создать открытый фреймворк.

В играх можно эмулировать вселенную и полеты к звездам, в низкоуровневых языках контролировать перемещение байтов. Неужели нельзя програмно эмулировать нейрон. Возможно это не та цель, которую преследует проект…

1. Пояснить основную цель проекта. Цель — сделать новое запоминающее устройство?
2. Как эмуляция нейрона позволит лечить болезни? Человеческий мозг состоит из ряда других частей, а не только из нейронов. Помимо того, что еще есть тело.

Аналогичные вопросы от пользователя Dedushka_shubin:

1. Какая конечная цель проекта? Что предполагается получить в результате?
2. (ответ 3) Какое значение это будет иметь для медицины и социальных наук?

Ответы:

1. Цель проекта как раз та, что заявлена: создать единую базу данных нейронных структур и механизмов, которые к ним применимы, для возможности симулировать различные нейронные соединения в частности, и дойти до масштабов человеческого мозга в целом. Симуляция нейронов как раз происходит программно, после тщательного изучения того, что происходит с нейронами на реальном микро и макроуровне. Все аккумулированные данные будут как раз в байтах, в структурах нейронной сети, но вместе с тем, планируется их реализация в рамках SP9 в железе, в нейроморфных чипах.
2. При успехе проекта это будет колоссальный прорыв в области медицины. Сейчас больных заболеваниями, связанными с различными поражениями мозга, лечат таблетками, хотя понятия не имеют точно, на что они именно влияют. При анализе нейронных структур можно будет видеть болезнь “изнутри”, и уже от этого отталкиваться, что должно быть изменено на каком-то уровне, чтобы человек стал “здоровее” (т.е. более адекватный по общепринятым нормам общества). К примеру, в данном видео рассказывается о потенциальной пользе изучения мозга для медицины:

Насчет социальных наук — это уже вопрос о взаимодействии различных видов нейронных структур, грубо, разных мозгов. Этот вопрос пока что задавать достаточно преждевременно, да и никакой заявленной цели проекта в этом отношении нет.

Если будет интересно, то в открытом доступе есть небольшой симулятор работы нейронов на мембранном уровне, в нём можно строить синоптические, ионные связи, обрабатывать систему спайков и так далее.

1. 3. Все сигналы, исходящие от нашего тела, проходят через мозговые процессы. В мозгу присутствует физико-химико-электронная среда, которая и является частью симуляций. Модели не только включают в себя сами нейроны и их топологию, но также предполагают активность вне нейронов, в среде, где они находятся.

Про взаимодействие мозга с мышцами можно посмотреть данное видео с субтитрами или в оригинале:

Вопрос от Anc:

1. 1. В таких исследованиях основная суть смоделировать реальные нейроны. Будет ли кто-нибудь в проекте заниматься трактовкой смоделированных процессов? Первые искусственные нейронные сети основывались на предположении о суммации входящих сигналов в нейроне. Потом появились спайковые нейронные сети. Сейчас зародились нейросети с различным влиянием на результат входных сигналов по дендритам или в зависимости от типа синапса. Ваши исследования вполне могут стать основой для новых моделей искусственных нейронных сетей.

Аналогичный вопрос задал waphyld:

Расскажите о критериях сопоставления их модели на предмет соответствия функционирующему мозгу. Если таковые имеются. Другими словами — как они поймут, когда следует остановиться?

1. 2. Какие структурные части мозга будут сканироваться, моделироваться и различаться в проекте? Только нейроны? Миелин? Глия? Кровеносные сосуды? Гемато-энцефалический барьер в целом? Микротрубочки, слои неокортекса, какой-то участок неокортекса или другие части мозга?
2. 3. Будет ли модель динамической или статической в плане установления новых связей и отмирания старых? Как-никак за день прожитой жизни в мозге устанавливается и разрывается огромное количество синапсов.

Ответ:

1. 1. Чтобы построить адекватную модель нейронных сетей каждый слайс (срез) мозга подвергается длительной и нудной процедуре проверок, эмуляций и очередных проверок. То есть, для установления связи между отдельными нейронами используются электроды и датчики, которые вживляются в определённые области мозговой ткани. На эти электроды подаётся некий импульс и с помощью датчиков регистрируется направления распространения импульсов.
   
   Далее это переносится на конкретную модель и проводится симуляция аналогичного стимулирующего воздействия на модели. Если всё работает хорошо, то эта часть оставляется, если нет, то проводятся новые эксперименты с мозговой тканью. Таким образом, компьютерные результаты сравниваются с реальным откликом нейронов в мозге. Естественно, что для одних и тех же областей вся процедура проделывается несколько раз, чтобы получить статистически верные результаты.
2. 2. Всё смоделировать сразу не представляется возможным. Сначала это будут только нейроны, как основные клетки и структуры, участвующие в обработки информации, и по большому счёту только неокортекса, самой поздней с точки зрения эволюции части мозга определяющей наши мыслительные процессы.
   
   Что же касается симуляций, то третий-четвертый уровень – это построение нейронных сетей, где нейрон рассматривается как единое целое, без дальнейшего масштабирования, то есть нейрон и определенные связи с другими нейронами – сеть. А уже на основе этого можно симулировать запросто и 75 миллионные нейронные сети. Но это совершенно другая тема: называется такой симулятор NEST, и он тоже часть нашего проекта Blue Brain Project.
3. 3. На данный момент рассматриваются только статические связи. Когда симуляции на имеющихся моделях достигнут определенного уровня совершенства, можно будет начать говорить об изменяющихся связях. Прежде чем забегать вперед, нужно сначала установить правомерные результаты текущих тестов. Сейчас самая большая модель в исследованиях обсчитывается в пределах 12.5 миллисекунд реального времени. Не думаю, что изменения связей в таких масштабах очень актуальны к рассмотрению.

Вопрос от whileNotFalse:

На каком уровне Вы моделируете нейроны: на детально-физическом или абстрактно-функциональном? Возможно, есть какие-нибудь аналогии и интересные факты о работе нейронов?

Ответ:

Как происходит моделирование нейронов: во-первых, по слайсам мыши (подпроект SP1) с помощью автоматизированных комплексов микроскопов составляются топологии нейронов. В принципе, такую работу можно проводить в автоматическом режиме, но пока это находится в зачаточном состоянии (см. предыдущую статью о 3D-реконструкции головного мозга). Поэтому сейчас это делается в смешанном режиме: вручную плюс некоторая автоматическая обработка/коррекция/постобработка. Фотографии и точность построения таких карт определяется высоким разрешением микроскопов. Далее, как уже отмечалось выше происходить проверка связей между нейронами путём подачи электрических импульсов в соответствующие участки мозговой ткани.

Во-вторых, данные других подпроектов помогают понять, в чём заключается роль тех или иных областей мозга. В результате, на выходе мы имеем копию нейронной сети, которая построена, как физическая копия реального мозга с присвоенным ей функционалом.

Вопрос от esir_pavel:

Меня волнует вот какой вопрос. Проект The Human Brain ставит своей целью создать модель целого мозга. А дальше, используя эту модель, чего фантазия пожелает, хоть моделировать нейродегенеративные заболевания и тестировать лекарства от них, хоть моделировать сознание.

Ясно, что для вычислительного тестирования лекарств нужны биологически правдоподобные модели нейрона, вроде Ходжкина-Хаксли. А вот, что касается сознания, есть такое предчувствие, что его можно смоделировать используя и гораздо более простые модели нейронов, не учитывающие всякие физиологические особенности, вроде феноменологической модели Ижикевича.

Поэтому мой вопрос в уточнённом варианте звучит так: «Ведутся ли в рамках проекта Мозг Человека исследования возможности реализации сильного или хотя-бы слабо сознательного существа на основе простых феноменологических нефизиологических моделей нейронов?»

Также подобными вопросами задавались kvz:

Планируется ли в дальнейшем на основе результатов выполнения данного проекта попытаться смоделировать сознание, или это совсем другого рода исследование? Если да, то со стороны это похоже на то, как если бы мы рассматривали под микроскопом магнитные накопители жесткого диска и резали бы нано-ножами процессор с целью разобраться в принципах работы Windows XP.

andreyis:

Вопрос о мозге человека это всегда вопрос о сознании. Как рождается сознание? Где то место, в котором смысл переходит в действие?

wilderwind:

Возможно ли, программно смоделировать эволюцию возникновения сознания?

Возможен ли, путь создания искусственного интеллекта путём самостоятельной эволюции программного обеспечения?

И M_Romul:

Если я не ошибаюсь, в декларации намерений HBP сказали, что цель — симуляция работы головного мозга (гм) человека БЕЗ симуляции сознания. Как так? Если гм человека работает целиком — будет сознание. Биоэтики настояли на такой формулировке? И да, симуляция работы будет в реальном времени? Кто донор, подаривший вам мозг? Его пол\возраст\культура? Это же будет считаться загрузкой сознания, когда все получится?

2. Есть два крупных проекта государственного уровня — The Human Brain Project и Blue Brain Project. Однако сложилось такое впечатление, что все они связаны с исследованием в первую очередь биологических и химических процессов мозга с применением всевозможных микроскопов и прочего измерительного оборудования. Выделяются ли крупные гранты именно на моделирование сознания? Ученые по какому именно направлению ближе по своей специальности к моделированию сознания именно как информационной оболочки (а не на уровне биологической структуры) — Computer Science или Neuroscience?

Долгий и нудный ответ:

1. Сознание – это побочный эффект, но никак не передовая, приоритетная цель HBP. Сознание – это как видеть то, что происходит на экране монитора, при этом, не понимая, из чего устроена начинка компьютера – тут Вы абсолютно правы. В HBP же занимаются, грубо говоря, построением различных систем той самой начинки (отдельно CD, процессор, память), и уже потом из них будет можно собирать различные конфигурации.

Или вот другой пример, как создавалась медицина. Долгое время люди и понятия не имели о ДНК, причинах болезней и так далее, но лечили, резали, кровопусканием занимались. А сейчас у нас есть доступ к молекулярной медицине, когда эффективное лекарство или кандидаты в них могут быть рассчитаны на компьютере, ДНК-терапии, выращиванию органов и тканей, а также клонированию. HBP – попытка перескочить «средневековье» в понимании принципов работы мозга за 10 лет.

В основе проекта лежит цель изучения механизмов нейро-физико-химического взаимодействия нейронов между собой и окружающей средой. Это именно та основа, которая может дать ответы на фундаментальные вопросы о работе самих нейронов. Мозг – биологическая структура, которая, собственно, и изучается в HBP, а сознание есть побочный результат эволюционного усложнения этой биологической структуры. В какой-то момент времени мозгу наших далёких предков пришлось начать обрабатывать всё возраставшие объёмы информации, и эволюцией был найден отличный механизм для этого – колонны неокортекса, которые работают фактически, как ядра в нашем многоядерном мозге, а уж затем развилось сознание на базе этого эволюционного ухищрения.

Источник

Про сознание в этом контексте говорить еще рано, ведь мы пока хотим научиться лишь симулировать мозговую деятельность. Но, если оно, сознание, зависит только от нейронных, синаптических и молекулярных взаимодействий, оно безусловно появится как побочный эффект все более сложных взаимодействий нейронов в бОльшем количестве. Если так, то мы сами станем свидетелями его возникновения с момента симуляции достаточно сложных нейронных структур, позволяющих достичь определенного уровня развития мозговой деятельности.

Вопрос искусственного интеллекта (ИИ) напрямую коррелирует с вопросом