Всё о мозге. The Human Brain Project: Вы спрашивали – мы отвечаем

(продолжение ответов)

Dirty

Вопрос от BbIBuX:

А каковы перспективы постройки биологического процессора?

Ответ:
Смотря, что подразумевать под биологическим процессором. Если это биоморфизм, то есть подражание живой Природе, то на это нацелен подпроект SP9 (нейроморфные чипы). Если же это процессор, работающий на ДНК, РНК или белках, то данная тема вряд ли будет перспективна.

В принципе можно привести ответ одного из идеологов проекта:

Полный ответ на английском

Проще говоря, наш мозг получает информацию, даже когда обрабатывает предыдущую, идея «liquid computing» (вычисления на переходных состояниях) заключается в том, чтобы построить в каком-то смысле аналоговый компьютер, обрабатывающий информацию в любой данный промежуток времени (то есть в реальном времени), а не тактами, как сейчас.

Вопрос от father_gorry:

1. Нельзя говорить о полноценном моделировании мозга, не учтя того, что новые нейроны и нейросвязи образуются в процессе развития, причем в ответ на поступающую с сенсоров информацию. В эксперименте это учтено? Если да, то как именно?

2. Будет ли этот симулированный малый участок способен создавать новые нейроны и связи в ответ на полученную информацию? Поскольку мозг как фило–, так и онтогенетически — продукт адаптации и развивается адаптационно, эта функция, я полагаю, критически важна для его понимания.

Ответ от пользователя neuroscience:
Это вы уже далеко забрались. Адаптационная функция мозга, это, конечно, важно, но она не столь критична, как понимание базовых принципов работы головного мозга. То есть, может быть в рамках HBP и будет изучение формирования новых нейросвязей, но пока это бессмысленно. Воспринимайте мозг просто как еще один орган, как сердце, например, сложнейший механизм, но можно создать симуляцию, не учитывая все внутренние и внешние факторы.

Грубый эксперимент — «есть 3D модель всех нейронов и синапсов передней опоясывающей извилины с прописанной биохимией. При введении вещества А в синаптическую щель — 6% нейронов погибло, активность остальных возросла.» А дальше уже лаборант сидит и делает выводы — что это вообще такое было.

Мозг перестраивается и адаптируется в ответ на биохимию, а не информацию.

То есть ваш вопрос — «как перестроиться мой мозг, если мне сказали „козел!“ в трамвае», ответ — «никак». Он обработает информацию и что–то там себе выделит, а уже это выделенное будет глушить, развивать и всячески перестраивать кирпичики в голове.

Вопрос от Lukashenko:

Какая область мозга отвечает за чувство стыда?

Ответ:
Вентромедиальная префронтальная кора. Вам не нужен BBP, чтобы это выяснить.

Вопрос от ksotar:

Есть ли какой–то начальный импульс, запускающий деятельность мозга? Если есть, откуда он берётся?

Ответ:
Нет такого импульса, как и нет, например, импульса для того, чтобы человек начал дышать. Как только появляется простейшая нейронная структура, она уже функционирующая. А какие решения на простейшем уровне там принимаются – это уже отдельный вопрос.

Вопрос от B0gger:

1. Можно ли будет считать выученный когда–то стих из того самого мозга карту которого вы делаете? Или какие–то эмоции, ненависть к неграм, например?

2. Если мозг запоминает информацию путем создания нейронной сети, формируя коннектом, не значит ли это, что практика крионики сработает? Содержится ли вся личность и память в коннектоме, или закодирована еще как–то, в каких-нибудь хитрых микротрубочках или квантовых состояниях атомов составляющих мозг?

Ответ:
1. Пока, к сожалению, данный мозг (а точнее отдельные его кусочки) читать не умеет. Но, в принципе, в будущем, это вполне возможно, ведь весь мозг будет реализован на виртуальном уровне, подключайтесь и смотрите, читайте.

2. Теоретически это возможно. Далеко за примерами ходить не надо. Потенциально, правильная заморозка не должна ничего нарушать, разрывать связи между нейронами и так далее. А все ваши воспоминания – это лишь биохимия мозга, которая при крионическом замораживании фиксируется и может быть восстановлена.

Вопрос от sometimes:

Какие основные направления исследований? Например, биохимия, структура нейронной сети или что–то другое?
Будет ли рассмотрено влияние ПАВ на сознание и его механизмы?

Ответ:
Основные направления – все биологические, химические, физические процессы, происходящие между нейронами. Определение активностей и построение моделей с уже известными механизмами. В идеале учитывается все, что известно о нейронах и их поведении в определенной среде и с определенными критериями.

Насчет ПАВ (психо-активные вещества) нам ничего неизвестно, однако один из проектов направлен на изучение влияния медицинских препаратов для терапии мозга, возможно, в рамках данного исследования будут изучены и ПАВы, так как сами ПАВ – не что иное, как нейро-медиаторы.

Вопрос от KUTKI:

На каком уровне структуры материи проявляются первые признаки сознания, причем не как психически–социального феномена, а как первичной элементарной субъективной реакции на окружающий мир, разделения внешнего и внутреннего. Есть ли качественный скачек формирования такого сознания у животных, например, оно присуще исключительно высокоразвитым животным, либо животным самой простой нервной системой? Можно ли выделить самую–самую суть, убрав все лишнее?

Являются ли квантово–механические свойства материи основой для существования сознания, или, теоретически, можно создать абсолютно идентичную эмуляцию системы на будущих супер–компьютерах?

Ответ:
Много вопросов про сознание уже было, как и ответов, которые остаются примерно такими же: пока никто не смог смоделировать достаточно сложных нейронных структур для того, чтобы засвидетельствовать первичное появление сознания. И это при условии того, что нейронные структуры и процессы в них это все, что нужно для сознания. Поэтому говорить об этом пока что очень рано. Мы можем судить о сознании пока что исходя из имеющихся поверхностных данных.

Квантово-механический вопрос вряд ли будет рассматриваться, ибо ничего “божественного” (душевного, вселенского) в самом сознании нет, как полагают некоторые. Это всего лишь идея из разряда непонимания, что может быть что-то сложнее, чем человеческое сознание. А оно обязательно есть, мы сами в нем принимаем участие, эволюционируя. Конечно, никто не отрицает, что сознание, какое оно есть, будет со временем достижимо для симуляции. Вопрос только времени и этики.

Вопрос от red_ostrich:

Какова доля учёных из разных областей в Blue Brain Project? Есть ли доля людей, занимающихся теорией, или в основном упор на анализ и описание экспериментальных данных? Кто занимается дизайном экспериментов и как он проходит? На каком уровне нужно изучить биологию, какому-нибудь математику (или физику, или специалисту CS), чтобы участвовать в проекте?

Ответ:
Большинство ученых занимается теорией и построением моделей. Хотя сам проект, прежде всего, нейронаучный, а уже потом вычислительный. В части программирования есть команда высокопроизводительных вычислений, команда визуализаторов и команда построения платформы (самая большая из вычислительных). Какое-то знание нейро-процессов нужно приобрести даже ребятам из CS в начале работы, но все это достаточно быстро понимается на абстрактном уровне. Главное, чтобы всегда был медиатор между вычислителями и теоретиками, ибо эти стороны не всегда способны найти равноправный язык для работы.

Кстати, довольно большая группа учёных занимается нейро-формным робостроением SP10.

Вопрос от vsh:

Можете в двух словах описать модель, которую вы используете для симуляции? Скажите, есть ли вещи, которые она по каким–то причинам не учитывает, а вы бы предпочли, чтобы учитывала?

Ответ:
К сожалению, не можем, все модели в BBP находятся под NDA. Как бы то ни было, вы без проблем можете почитать про механизмы, являющиеся частью моделей (1, 2, 3, 4).

Вопрос от X5robot:

Можно ли сейчас оценить насколько энергозатратен будет аналог?

Ответ:
Если имеется в виду энергия, затраченная на саму симуляцию, то пока даже данный параметр определить достаточно сложно (есть оценки в гигаватты электроэнергии и миллиарды евро инвестиций). Брать текущие модели и текущие машины не совсем честно, ибо затрачиваемых энергоресурсов сейчас больше на меньшее количество нейронов, плюс новое поколение суперкомпьютеров будет потреблять меньше электроэнергии, и в идеале весь human brain должен будет симулироваться на 20 мегаваттном «датацентре».

Nanometer

Вопрос от Пастух Евфграфовича:

А можно перенести модель нейрона на модель какой-либо человеческой организации, заменив аксоны типа телеграфной связью. Сколько минимум человек потребуется для такой модели? Или хотя бы для одного синаптического пузырька? Если, конечно, есть хоть какая программа моделирующая его поведение? Хватит ли для этого обычного спортивного стадиона? И почему бы и нет, если мозг муравья состоит всего из где-то 250 тысяч нейронов...

Ответ:
Модель нейрона можно перенести на все, что угодно, но только зачем? На данный момент ставится цель изучить те самые нейроны и их связи, а потом уже, после построения соответствующих математических моделей, их можно перенести практически на всё, что угодно.

Если что-то мы упустили, то всегда можно обратиться в FAQ самого проекта.

И в завершение сего слегка подзатянутого повествования ещё одно фановое, веселое видео с TED с субтитрами и в оригинале:

Собственно ответы на вопросы

начало - http://donmigel-62.livejournal.com/277025.html

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.

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. 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?

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?
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. 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. 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. 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:

1. 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 о сознании. То, что сейчас люди называют ИИ – это попытка придумать формулу псевдо-сознания, и подогнать ее под общие случаи. У BBP задача абсолютно противоположная: создать структуры, усложнение которых возможно приведет к симуляции ИИ в той или иной степени, или даст большое развитие уже имеющимся подсистемам ИИ. Но этот подход “с низов”, хоть и гораздо более время затратный, намного более фундаментальный и правильный. Мы не используем феноменологических построений для этого.

Конечно, создание искусственного интеллекта путём самостоятельной эволюции программного обеспечения это именно то, чего мы все ждём от HBP, но только после того, как учёные поймут принципы работы мозга и научатся хотя бы его на простейших примерах его симулировать.

К тому же, еще не доказано, что всех нейронных структур будет достаточно для само-сознания. Так что этически это легко можно обойти, используя такую постановку утверждения. Что касается того, как оно будет на самом деле, – кажется, что очень многие забегают вперед. Никто не знает еще, с чем придется столкнуться до тех пор, пока не появятся модели нейронов, близкие к настоящему мозгу человека, в котором 300 миллиардов нейронов. Симуляционные расчёты будут приближаться к реальному времени, а потом и опережать их, – ведь никто не откажется от более быстрых вычислений.

Для симуляции донор-человек, как таковой, не нужен, так как наш мозг работает по определённым алгоритмам на 90% одинаковых у всех людей.
Можно, к примеру, обратиться к данной лекции:

Что понимать под загрузкой сознания? Сознание себя осознает на каком-то этапе: оно либо есть, либо нет. Будьте уверены, не далеки те времена, когда на улицах будут стоять люди с транспорантами “не трогайте модель Т2030, она себя осознала”, – хотя это всего лишь симуляция, и грань там очень тонкая.

И ещё раз повторимся, вопрос о мозге и сознании – это больше даже философский вопрос, нежели научный. Кто может ответить: есть ли у животных сознание, если они сами нам об этом сказать не могут?

Например, в данном видео утверждается, что если у живого существа есть связь между мозговым стволом и корой головного мозга, то такое животное обладает самосознанием, способно запоминать и воспроизводить паттерны:

Что же касается смысла, то он, смысл, переходит в действие всё в той же биологической структуре, мозге, которая получает входной сигнал, «оценивает» его – осмысливает – и выдаёт некоторую выходную информацию, например, что надо переставить ногу из позиции А в позицию Б.

И этот длинный ответ хотелось бы окончить TED-лекцией одного из идеологов проекта – Henry Markram. Стоит отметить, что за всю лекцию он НИ разу не упомянул consciousness – сознание, лишь только perception – чувство, восприятие:

Советую также обратиться к серии TED-лекций “How does my brain works?”, очень рекомендую посмотреть 1,2 и 6,7 лекции.

2. Blue Brain Project – чисто швейцарский проект, который стал в своё время толчком для принятия программы The Human Brain Project. Основная цель обоих проектов – понять, как устроен и как работает мозг, вопрос о сознании вторичен, так как сознание – это наивысшая степень развития мозга. Не понимая, как работает мозг на уровне биохимии, мы просто не в состоянии построить адекватную модель какого-либо сознания, за исключением, феноменологических.

Что же касается чего больше, то это скорее Neuroscience при поддержке и активном участии Computer Science.

Вопросы от CompleteBrains, присланные на почту:

1. Есть ли какие-то способы для одного человека удаленно внести свой вклад в проект? Вакансии в HBP подразумевают переезд в Швейцарию, насколько я понимаю?
Также, в разделе www.humanbrainproject.eu/participate сказано о возможности кооперации с организациями. Возможно, я смогу хотя бы присоединиться к подобной организации и, таким образом, внести свой вклад?

Аналогичный вопрос от пользователя hidoba:

Как добровольцу поучаствовать в проекте? Пусть даже с проживанием на полгода участия за собственный счет.

2. Самый главный вопрос: возможно ли начав с позиции разработчика со временем глубоко вникнуть в тематику и начать вносить свой вклад непосредственно в исследования, а не только в создание программных моделей? HBP – это подходящее место для подобного развития или же наука и разработка в нем сильно разделены (потому что проект огромный, например)?

3. В HBP много подпроектов и поэтому непросто выделить общую суть. Меня интересует, HBP нацелен на изучение и воссоздание принципов разума в любой форме или только человеческого? То есть, чисто гипотетически, получится ли в рамках данного проекта создать зачатки интеллекта разумного, но отличного от человеческого, если это будет целесообразно? Или же проект ограничивается только тем, что относится к человеку, его особенностям и проблемам? Перефразируя в одно предложение: что в проекте важнее: исправлять недостатки человеческого разума или создавать что-то новое на его основе? Немного странный вопрос, но все же.

4. Какая ситуация с кандидатами, очень жесткая конкуренция на данный момент? Просто я по некоторым параметрам слабоват (Linux, English на уровне intermediate, а не fluent) а по другим в относительном выигрыше (Game Engines, 3D Graphics, GPGPU). В общем, есть ли у меня шансы, стоит ли все бросать и срочно сейчас подтягивать английский? Потому что-то мне не совсем понятно, что конкретно подразумевается под «Experienced» или «Expert» в описании вакансий.

5. Если не получиться сейчас, можно ли будет попытаться еще раз, через год, два? Есть ли подпроекты старт которых намечен на будущие несколько лет? Или хотя бы присоединиться к партнерским организациям.

6. И напоследок, сугубо практические вопросы, только на случай если будет лишнее время: Есть ли вероятность использовать в дополнение к C++ еще и C# (Mono, Interop)? Например, для клиента или прототипа модели. Каков примерный процент от задач занимает поддержка, рефакторинг и улучшение существующего кода? График работы обычный или более гибкий? Просто я не в курсе как принято в научной среде.

Ответ:
1. Human Brain Project — это проект по всей Европе, включая также несколько институтов в США и Япониии. Для участия не обязательно приезжать в Швейцарию, где находится штаб Blue Brain Project. Эти административные вопросы желательно решать с соответствующим отделом администрации или отделом кадров.

2. Конечно, все возможно. Но разработка и исследования тесно связаны, одно не может без другого. Люди, приходящие на девелоперские позиции, бывало, уходили целиком в исследования. Такая же ситуация, как и везде.

3. HBP нацелен на человеческий мозг, но, безусловно, на пути к этой цели будут использованы все модели более низких мозговых эволюций, начиная с мышей. Что касается “другого”, отличного от человеческого, разума, то такой цели нет, а как раз наоборот – цель на исправление проблем существующих мозговых активностей.

4. Зачем гадать? Присылайте резюме на вакансию, и будет видно. Кандидатов на позиции не так-то и много, потому что найти хорошего специалиста с нужными навыками очень сложно. Мы получаем резюме из разных точек мира, но почему-то никого конкретно из русскоговорящих стран. Возможно, какое-то усилие нужно сделать именно нашей пиар команде, чтобы проект был более узнаваем в странах, где говорят по-русски. У нас ведь очень много умных и квалифицированных разработчиков. С другой стороны, без хорошего английского попасть в проект будет достаточно сложно, но попытаться стоит.

5. Проект развивается, вакансии обновляются, подпроекты вырастают. Так что опять же – чего гадать, шлите резюме.

6. Конечно, по части программирования, в проекте используются разнообразные виды языков, даже те, о которых не особо услышишь среди большинства разработчиков. Поддержка, рефакторинг – все это насущные проблемы всех кодеров, как и в любой другой компании. Мы тоже боремся за совершенствование кода и его оптимизацию. Конечно же, это одна из ключевых частей проекта. Иначе как можно симулировать нейроны в реальном времени с мЕньшим количеством памяти (и большим количеством нейронов, соответственно). Для этого есть специальная команда High Performance Computing – Software Engineers.

Вопрос от kvz:

Что сейчас выглядит перспективнее — смоделировать искусственный разум на основе биологических структур живых существ или на супер-компьютере, состоящем из классических электронных компонентов?

Ответ:
Что значит смоделировать искусственный разум на основе биологических структур? Вырастить что-то содержащие ДНК? Это довольно сложно провернуть, в первую очередь из-за невоспроизводимости один к одному биологических объектов. Сделать это гораздо сложнее, чем например, построить биоморфные системы в железе. Например, в рамках SP9 создаётся проект нейроморфного чипа, который будет работать быстрее биологического аналога на порядки. Поэтому перспективнее, подглядывая за Природой, переносить всё на существующую компонентную базу.

Источник

Вопросы от SAKrisT:

1. Возможно ли уже сейчас сделать подобный 3D снимок части мозга с живого подопытного без последствий?
И если ответ да на первый, то следующий, может быть наивный вопрос, но все же.
2. Можно ли отследить изменения в мозге после обучения чему-либо новому? Очень интересно узнать, как же хранится информация. Хочется более детально узнать и увидеть изменения. Думаю, самих ученых этот вопрос очень волнует.

Ответ:
1. Для этого как раз и нужна MRI и ЯМР-томография, но с помощью описанного метода (3D FIB/SEM) этого сделать нельзя, так как ионным пучком удаляется часть мозговой ткани, а сама ткань требует определённой пробоподготовки и фиксации.

2. Опять-таки, это вопрос к MRI и функциональному МРТ. Ложитесь в томограф и учите слова, например. Кстати, о языках, тут народ подобное сделал уже. Выборка правда несколько человек но всё же. Идея такова: как люди учат слова и языки. Три группы: билингвы (т.е. двух языковая среда с рождения), дети, начавшие учить язык в раннем возрасте и в позднем. Результат: нормальный мозг у первых и вторых групп детей и увеличенная часть слева, вроде бы, где-то около мозжечка у третьей. Надо бы найти ссылку на это исследование…

По сути заданного вопроса: мне сейчас, если честно, трудно представить, чтобы мы могли это проверить в живом организме на уровне нейронов или их перестроения, как мы учимся, запоминаем — in vivo, что называется. Мы можем к этому теми или иными ухищрениями подобраться поближе, но возможности науки, к сожалению, ограничены.

Вопрос от пользователя Nashev (на комментарий engine9):

«Считаю нужным упомянуть проект, привлекающий силы добровольцев для построения модели нейронных связей посредством игры»

Справка: EyeWire — проект по исследованию сетчатки глаза человека силами добровольцев. Проект был создан в результате кооперации между Массачусетским технологическом институтом (MIT) и Институтом медицинских исследований им. Макса Планка

А вот вопрос в Blue Brain Project — знают ли они об этом проекте, и что они о нём думают?
Готовы ли догнать/перегнать/поддержать/перенять методы? Работают ли точнее/грубее и т.п.?

Ответ:
В BBP скоро запустится проект под названием “Adopt a Neuron”, где каждый сможет принять участие в построении биологически реалистичных нейронов. Это похоже на проект SETI, где пользователи, установившие приложение, помогают обсчитывать сигналы из космоса. Точно также каждый сможет “усыновить” нейрон для его построения и анализа в режиме «screen saver».

Продолжение ответов на вопросы - http://donmigel-62.livejournal.com/277595.html

http://habrahabr.ru/post/214123/

The Human Brain Project: Вы спрашивали – мы отвечаем

http://habrahabr.ru/post/214123/

Источник: Nature

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.
Attention! Впереди очень много текста

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.

SP6 – 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.

SP7 – 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.

SP8 – 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.

SP9 – 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.

SP10 – 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.

SP11 – Applications – данный подпроект больше интересен, скорее всего, для фантастов и футурологов, потому что именно в нём разрабатывается концепции Медицины Будущего:

Нейронаук Будущего:

Вычислительной Техники Будущего:

SP12 – Ethics and Society – фактически данный подпроект будет заниматься разработкой этических норм, расчётом социальных последствий и потенциальных рисков от всего HBP.

Собственно ответы на вопросы во второй части публикации - http://donmigel-62.livejournal.com/277494.html

Предложено новое средство для устранения повреждений головного мозга, вызванных инсультом

AcSDKP оказывает противовоспалительное действие и помогает защитить сердце, когда используется для устранения различных болезней

Вещество, которое в норме вырабатывается в организме человека и крыс, как выяснилось, в значительной степени устраняет повреждения мозга, возникающие в результате острого инсульта, способствуя восстановлению нормальной работы органа. К такому выводу пришли учёные из госпиталя Генри Форда.

Полученные специалистами результаты показывают, что пептид AcSDKP обеспечивает защиту нервной системы при введении в организм через 1–4 часа после возникновения ишемического инсульта.

Данная разновидность инсульта случается, когда происходит закупоривание сгустком крови артерий, питающих головной мозг. В результате его развития к тканям мозга перестаёт подаваться нужное количество кислорода, что может привести к фатальному исходу.

«Инсульт — лидирующая причина гибели и инвалидизации во всём мире. Наши результаты показали, что лечение острого инсульта с помощью одного AcSDKP или сочетания данного пептида с тканевым активатором плазминогена (tPA) в значительной степени устранило нейроваскулярное повреждение и улучшило неврологический исход» — говорит Ли Жань (Li Zhang, ведущий автор исследования).

Тканевой активатор плазминогена (tPA), обычно именуемый охотником за сгустками, является единственным средством, одобренным управлением по контролю качества пищевых продуктов и лекарственных средств США для лечения острого инсульта. Однако tPA нужно применять как можно быстрее после возникновения инсульта, чтобы получить максимально положительный результат. Его недостатком является то, что он повышает вероятность внутримозгового кровоизлияния.

Исследования сотрудников госпиталя Генри Форда показывают, что время с момента возникновения инсульта до введения лекарственного препарата может быть увеличено до 4-х часов. При этом введение tPA совместно с AcSDKP усиливает эффективность тканевого активатора плазминогена. Так же учёные установили, что сам по себе пептид AcSDKP является эффективным средством борьбы с инсультом, если вводить его в течение первого часа после возникновения патологии.

Учёные протестировали действие обеих субстанций на лабораторных крысах, у которых вызывали развитие инсульта. Было известно, что пептид AcSDKP оказывает противовоспалительное действие и помогает защитить сердце, когда используется для устранения различных болезней сердечно-сосудистой системы. Немаловажно, что, как выяснилось, AcSDKP может легко проходить через гематоэнцефалический барьер.

Важно отметить, учёные выяснили, что совместное использование AcSDKP и tPA, способствует восстановлению нормальной работы головного мозга без повышения риска развития внутримозгового кровоизлияния и образования дополнительных сгустков крови.

Более подробное описание результатов проведённого исследования можно найти на веб-страницах журнала Американской ассоциации кардиологов Stroke.

Астральный полет в томографе

Ученые исследуют «мистическое» переживание внетелесных путешествий, и объясняют, откуда оно берется, и как самому испытать такой полет.

Астральный полет

©forwallpaper.com

Наверное, каждому доводилось слышать от кого-нибудь из знакомых историю о том, как он ощущал себя словно вне собственного тела. А может, даже − переживать самому такие мистические моменты?

Вызывать такой «внетелесный опыт» может множество разных причин − и все неприятные: травма головного мозга, сенсорная депривация (недостаток внешних раздражителей), околосмертный опыт, применение диссоциативов и некоторых других наркотиков, искусственная электрическая стимуляция мозга, опасный недостаток сна или дегидратация, и так далее. Однако канадским нейрофизиологам удалось найти женщину, способную создавать его у себя простым усилием воли. Изучив работу ее мозга, они нашли массу интересного.

Сами исследователи описывают уникальные способности своей подопытной так. «Она может видеть себя кружащейся, лежащей или катящейся по горизонтальной плоскости в воздухе над собственным телом. Она сообщала о том, что время от времени наблюдает за своим движущимся телом сверху, ощущая, что ее «настоящее» тело остается неподвижным. По ее словам, с возникновением таких переживаний не связано никакое определенное эмоциональное состояние.

^{В моменты переживания подопытной «внетелесного опыта» заметную активность демонстрировали регионы левого полушария: дополнительная моторная область (F), части мозжечка (B, D, E), надкраевая (D, F) и нижняя височная (B, D, F) извилины, а также верхняя и средняя орбитофронтальные извилины (A, C, D, E)}

^©Frontiers

Как такое вообще возможно? И насколько реально? Чтобы выяснить это, ученые − впервые в истории − проследили за активностью мозга подопытной с помощью фМРТ. В периоды подобных переживаний у нее обнаруживалось выраженное снижение возбуждения в зрительной коре и повышение в областях, связанных с созданием кинестетического, «скелетно - двигательного» образа собственного тела, его положения и движения в пространстве.

Получается, что «внетелесный опыт» − вещь совершенно реальная, по крайней мере, как опыт личного переживания. Подопытная говорила чистую правду и действительно оказалась способной вызывать его усилием воли. Но значит ли это, будто ее «душа» обладает уникальным даром покидать собственное тело? Ничего паранормального и мистического для объяснения этого феномена не требуется. Как же расстроятся приверженцы мистики и верований! :)

Сегодня специалисты уверены, что все подобные «астральные путешествия» являются ничем иным, как родом галлюцинации. Вызывает их небольшой сбой в координации работы нейронов, ответственных за первичную обработку и синтез поступающей информации – скорее всего, это приводит к путанице между визуальными и тактильными стимулами, которые поступают в высшие центры мозга. Примерно так же при синестезии возбуждение «перескакивает» с одной сенсорной системы на другую и может создавать цветовые ощущения звуков.

Кстати, канадские нейрофизиологи полагают, что если уж одна женщина научилась вызывать эти «астральные галлюцинации» по желанию, почему бы и всем остальным не натренироваться делать так же? Если этому умению не найдется полезного применения, мы, по крайней мере, получим новый удивительный опыт внетелесного. Попробуйте сами: для первой попытки наносить себе черепно-мозговую травму необязательно. Среди методов, позволяющих подготовить ум к переживанию внетелесного опыта, применяется и простое самовнушение.

Итак. Найдите тихое спокойное место, где вас никто не потревожит. Сядьте или лягте, расслабьтесь, закройте глаза и представляйте, будто руки ваши перебирают и сматывают бесконечную толстую веревку. Не шевелитесь, но воображайте процесс во всех деталях, старайтесь чувствовать, как двигаются руки и пальцы, как чувствуется веревка на ощупь...

Хорошенько представив это, начинайте мысленно взбираться по веревке вверх. Почувствуйте, как напрягаются при этом мышцы − не пытайтесь не видеть это глазами, будто вы лезете вверх в полной темноте. Если вы будете стараться, то довольно скоро выкарабкаетесь из собственного тела. Останется мысленно открыть глаза , и увидеть себя с высоты. У кого получилось? Напишите в комментариях!

Стимуляция мозга вернула сознание бессознательным больным

Если человека, находящегося в состоянии минимального сознания или в вегетативном состоянии подвергнуть транскраниальной электростимуляции мозга, сознание к нему может вернуться — правда, на короткое время.

Люди, находящиеся в состоянии минимального сознания, могут существовать так неделями и годами, почти не реагируя на внешний мир. По сути, минимальное состояние сознания не отличается от псевдокомы, когда от больного можно ждать лишь того, что он шевельнёт рукой-ногой или глазами (с той лишь разницей, что при псевдокоме сознания нет уже и в помине, а внешние реакции есть следствие каких-то рефлекторных, автоматических процессов, происходящих в полумёртвом мозге). Бывает, что из состояния минимального сознания (СМС) люди выходят, но это всегда почти чудо. Или даже просто чудо.

Однако исследователям из Льежского университета (Бельгия) удалось найти способ это чудо контролировать. В опытах Стивена Лориса (Steven Laureys) и его коллег люди, впавшие в СМС с обширными повреждениями мозга, на время возвращались в сознание, могли реагировать движениями рук и глаз на внешние раздражители. И даже отвечать на вопросы.

Оказывается, некоторых больных можно ненадолго выводить из вегетативного состояния. (Фото Erica Shires.)

Учёные применили метод транскраниальной электростимуляции, при котором определённые зоны мозга стимулируются слабым электротоком без хирургического вмешательства. Опыт проводили с 55 больными, находившимися либо в состоянии минимального сознания, либо уже в вегетативном состоянии. Каждому на голову накладывали электроды так, чтобы стимуляция была направлена на дорсолатеральную префронтальную кору, которая отвечает за память, принятие решений и другие «сознательные» процессы.

Стимуляция длилась 20 минут, и это позволило пробудить сознание у 13 людей в СМС и у двух в вегетативном состоянии — что особенно удивительно, так как считается, что в вегетативном состоянии сознание исчезает стремительно, и восстановить его чем дальше, тем сложнее. Признаки возвращения сознания были умеренными, однако двое больных смогли ответить на вопрос кивком головы и движением глаз. Другие же просто выполняли то, о чём их просили, — например, сжимали руку, шевелили головой и т. д.

Среди тех, с кем ставили опыт, были самые разные больные. У некоторых травма мозга случилась несколько недель назад, другие провели в бессознательном состоянии не один год. Сознание удавалось пробудить и у тех, и у других, но эффект был, увы, временным: через два часа человек снова проваливался в состояние минимального сознания.

Почему же транскраниальная электростимуляция так срабатывает на СМС-больных? Второй главный вопрос: можно ли её эффект как-то продлить? Наконец, не будет ли тут каких-нибудь побочных эффектов? Однако исследования в этом направлении продолжатся, и, возможно, в скором времени врачи и впрямь смогут выводить бессознательных больных в наш мир.

Результаты этой работы должны появиться на страницах журнала Neurology.

Нужно заметить, что это не первый случай, когда больной под действием каких-то медицинских действий на время выходил из бессознательного состояния. В 1999 году внезапно проснулся человек, который до этого три года был в вегетативном состоянии, причём проснулся от золпидема, снотворного, которое ему прописали, чтобы он не слишком активно двигался по ночам. В первый раз пробуждение длилось недолго, однако сейчас этот человек может общаться с окружающими на протяжении 10 часов.

Почему снотворное оказало такой эффект, учёные не знают. В другой статье, которую Стивен Лорис с коллегами опубликовали в Functional Neurology, говорится, что золпидем не оказал никакого существенного влияния на состояние 60 больных с повреждениями мозга. Однако повреждения повреждениям рознь, и в некоторых случаях мозг реагирует на лекарство нестандартным образом...

Подготовлено по материалам NewScientist.

Кирилл Стасевич

Ученые готовятся к созданию бионического мозга

Австралийские ученые планируют создать бионический мозг, который сможет воспроизводить почти все процессы, происходящие в настоящем мозгу. Проект по созданию бионического мозга в течение 10 лет будет притворен в жизнь, если правительство выделит 250 миллионов долларов на развитие исследовательского центра.

Ученые готовятся к созданию бионического мозга

Австралийские ученые намерены создать первый бионический мозг. Он сможет воспроизводить почти все те процессы, которые происходят в настоящем мозгу, а также позволит лучше узнать причины возникновения различных болезней.

По подсчетам экспертов проект по созданию бионического мозга обойдется в 250 миллионов долларов. Мозговой центр, организованный Академией наук, считает необходимым объединение ведущих специалистов из разных областей для работы над бионическим мозгом.

Не так давно ученые из Института молекулярных биотехнологий Австрийской академии наук вырастили из стволовых клеток структуру, состоящую из нейронов и других клеток. По сути, получился человеческий мозг, пригодный для тестирования лекарств.

По словам доктора Винсента Дарии из Австралийского национального университета, проект моделирования мозга нельзя переоценить, поскольку мозг является самым важным органом.

Создание такой модели позволит нам лучше узнать причины таких заболеваний, как болезнь Паркинсона, старческая деменция, посттравматический синдром и некоторых других.

– Боб Уильямсон (Bob Williamson), руководитель исследования

Бионический мозг позволит не только исследовать и лечить психические болезни и травмы мозга, но научит их предотвращать.

The Human Brain Project: откуда мы знаем, как устроен мозг?

В самом начале 2013 года было объявлено о старте европейского мега-проекта по изучению человеческого мозга с бюджетом более миллиарда евро, рассчитанного на 10 лет. В конце же минувшего года проект был официально запущен, и выделены первые средства, но до сих пор не было написано ни единого слова о том, какой научный базис лежит в основе предстоящего титанического труда, сравнимого по значимости и масштабу с расшифровкой генома человека и пилотируемой миссией на Марс.

Вместо предисловия

Итак, весь мега-проект разбит на 12 подпроектов, которые, вроде бы, и реализуются отдельно – как тут скрестить high-load computing с биологией, например – но тесно связаны и переплетены между собой. Не буду утомлять долгими и нудными рассказами о каждом из проектов. Для этого существуют краткие видео-ролики на официальном Youtube-канале The Human Brain Project (HBP, дополнительную информацию можно почерпнуть на официальном сайте проекта ). Общие цели и задачи проекта обозначены в данном видео:

На мой взгляд, одним из базовых, фундаментальных и поэтому важнейшим субпроектом является непосредственное изучение строения нейронов, их контактов и расположения – нейронной сети – в головном мозге (Subproject 1 — The Mouse Brain Subproject), а также визуализация таких сетей для последующего построения моделей и, собственно, претворения этого знания уже в железе, в вычислениях.

Начнём с минутки истории. Точной даты открытия нервных клеток, нейронов , как таковых, пожалуй, привести нельзя. Можно лишь с уверенностью сказать, что к концу 19 века был накоплен достаточный багаж знаний о функционировании нервной ткани, чтобы в 1906 году господа Гольджи и Рамон-и-Кахаль разделили Нобелевскую премию по медицине за работы по структуре нервной системы и классификации нервных клеток.

За последние сто лет мы поняли базовые принципы функционирования нервной ткани, научились даже на относительно примитивном уровне вмешиваться в процессы в ней протекающие (например, обезболивание или операции, затрагивающие непосредственно нервную ткань), но до сего момента большим пятном оставалось то, как конкретно мозг хранит информацию, как она конкретно нейронами обрабатывается, преобразовывается.

Как узнать, откуда и куда идут сигналы в нервной ткани?

Опуская подробности того, что нервные клетки бывают разные, что они по-разному связаны между собой в нервной ткани, выполняют различные функции, можно, однако, выделить общие особенности в строении нейронов:

Модель нейрона. Источник

Основой передачи сигналов служат аксоны, которые как электрические кабели тянутся от одного нейрона к другому и необходимы для передачи импульсов. Теоретически они могут достигать огромной длины – до метра. Прикрепляются же аксоны к другому нейрону с помощью синапса, при этом на конце каждого аксона имеются синаптические пузырьки с нейромедиаторами:

Передача импульсов между двумя нейронами. Источник

Таким образом, перво-наперво нас интересует две вещи: сам аксон и место крепления аксона к следующей нервной клетке, которое может быть определено по синаптическим пузырькам с нейромедиаторами. Для этого нам доступны только два метода, по большому счёту: флуоресцентная оптическая микроскопия и электронная микроскопия.

Предвидя логичный вопрос, а почему я не рассматриваю МРТ (магнитно-резонансную томографию) и функциональную МРТ, то эти методы используются больше для того, чтобы локализовать области, ответственные за те или иные функции (слух, зрение и прочее), но не увидеть отдельные нейроны и их сети.

Далее я буду вести речь о первом субпроекте – изучении мозга мыши, но не человека (к сожалению, этические причины берут верх над разумом). Второй субпроект как раз посвящён использованию МРТ. Таким образом, исследование мозга бедных мышек даёт нам информацию о тонкой структуре мозга, которую затем учёные пытаюсь связать с данными МРТ.

Но вернёмся. В первом случае – случае флуоресцентной микроскопии – необходимо покрасить нейроны с помощью флуоресцентного красителя, а затем получить снимок образца при возбуждении красителя светом определённой длины волны (часто УФ), однако разрешение данного метода позволит увидеть лишь сами аксоны, например, или только дендриты, так как они будут окрашены в разные цвета, но в целом мы с большим трудом сможем определить, как взаимодействуют нейроны.

Несколько примеров:

Новая веха — флуоресцентная 3D-микроскопия. Подробнее на русском

Видео на английском о том, как работает флуоресцентная микроскопия в случае с нервными клетками, можно посмотреть тут . К сожалению, нет встраиваемого плеера, поэтому переходите по ссылке, пожалуйста…

Другой метод – это электронная микроскопия, разрешение которой составляет единицы нанометров в случае сканирующей и доли нанометра в случае просвечивающей. Однако эти методы годятся либо для анализа поверхности (сканирующая) или тонких образцов – до 100 нм (просвечивающая). Кажется, что мы попали в тупик, не так ли?!

Загвоздка усугубляется ещё и тем, что вся ткань (мозговая или какая-либо другая) по большей части состоит из трёх основных элементов: углерода, азота и кислорода, то есть лёгких элементов. Контраста между лёгкими элементами – да ещё и перемешанными и равномерно распределёнными – не даст даже самый продвинутый в мире электронный микроскоп. Это физически не возможно.

Долго ли, коротко ли… но учёные нашли выход из этой западни. Какую информацию мы хотим извлечь? Фактически нам необходимо знать расположение мембран клеток внутри ткани, а дальше мы могли бы «восстановить» расположение самих клеток и их «внутренностей». И выход был найден в использовании солей тяжёлых металлов для «подкрашивания» мембран. Например, оказалось, что соединение осмия – OsO₄ – очень хорошо осаждается на мембранах клеток или, как это принято называть, концентрируется.

Собственно, дело за малым – визуализировать. Долгое время использовалась только просвечивающая электронная микроскопия, требующая очень тонких образцов, что подвигло инженеров на разработку ультра-крио-микротома, способного отрезать от ткани слой до 30–50 нм. Просвечивающая микроскопия позволяла многим поколениям учёных изучать срезы мозга, дала нам знание о внутреннем строение клеток, применялась для изучения био-толерантности имплантатов, но сегодня данный метод сменила другая, сканирующая электронная микроскопия с 3D реконструкцией.

TEM-микрофотография нейропиля – скопление отростков нервных клеток (увеличение 11 000 крат). Источник

3D микроскопия: новые возможности

Хорошо. Тем или иным способом мы смогли в этом хаосе нервных клеток (а это действительно хаос, ведь по мимо самих нейронов в ткани множество вспомогательных клеток) опознать точки сочленения отдельных нейронов, однако с точки зрения построения нейронных сетей, это фактически бесполезная информация, так как нет возможности увидеть расположение клеток в трёхмерном пространстве, то есть информация о трёхмерной организации скрыта от нас. И тут был найден, я бы сказал, уникальный метод – трёхмерная микроскопия, которая стала возможна лишь в последние несколько лет, благодаря развитию вычислительной мощности компьютеров и обрабатывающей электроники микроскопов.

В центре электронной микроскопии EPFL был успешно применён подход совмещающий в себе полный цикл пробоподготовки мозговой ткани и её анализа с последующей 3D реконструкцией. Данное видео представляет основные этапы эксперимента:

Результаты фиксации образца и замещения воды специальной смолой (1:30 на видео): a. Срез мышиного мозга толщиной 80 микрон, b-c. Вырез и фиксация интересующего участка 3×3 мм, d-f. Финальная обработка с помощью микротома.

Принцип работы сканирующей электронной микроскопии с сфокусированным ионным пучком FIB/SEM (4:00 на видео): a-b. Схематическое расположение FIB-пучка, срезающего часть ткани и электронного пучка, дающего изображение, c-d. SEM-микрофотографии обрабатываемой ткани.

a. Визуализация с помощью FIB/SEM (5:55 на видео) и b-c. Конечный результат (8:00 на видео)

Основное достоинство метода – «срезание» всего лишь 5 нм слоя мозговой ткани сфокусированным ионным пучком (FIB) и последующее сканирование для получения изображения электронным пучком (SEM). Таким образом, мы имеем возможность предельно точно изучить строение нервной ткани, но что более важно – теперь процесс обработки таких стеков (до 2000 изображений) может быть выполнен фактически в автоматическом режиме без участия человека, благодаря использованию специальных алгоритмов анализа изображения, дающих точность реконструкции зачастую не ниже, чем профессионалы-микроскописты.

Группа Марко Кантони (Marco Cantoni) использовала free-ware программу специально разрабатываемую для подобного рода анализа – ilastik. Проект имеет своё представительство на github , поэтому, если кому-то из уважаемых читателей Хабра будет интересно поучаствовать в проекте или предложить свои новые идеи, то не думаю, что разработчики откажут.

В конечном счёте, мы имеем 3D карту кусочка мозга в форме кубика с ребром всего лишь несколько десятков микрон (да, мало, но Москва тоже не сразу строилась), однако не стоит отчаиваться и опускать руки. Мы получили практически то, что хотели – достаточно прецизионно визуализировали в 3D не всю нейронную сеть, конечно, но отдельные нейроны, и на один шажочек приблизились к главной цели. Это по замыслу авторов грандиозного проекта позволит лучше понять принципы организации и работы мозга.

SEM-микрофотографии и 3D реконструкция синоптического контакта и всех мембран внутри нейрона головного мозга мыши. Шкала A – 1 микрон, вставка на изображении А – 5 микрон.

PS: Оглядываясь назад и понимая, какой рывок сделала электронная микроскопия за последнее десятилетие, я хотел бы отметить, что автоматизированные системы, в том числе разработанные в рамках данного проекта, позволят через 5–7 лет обрабатывать гораздо большие массивы данных, и тогда, дело останется за малым – лишь создать 3D карту нашего мозга или «устройства, благодаря которому мы думаем, что мы думаем» (Амброз Бирс).

При подготовки были использованы материалы открытых источников:

http://habrahabr.ru/post/168087/

«Большие данные» как новая парадигма в моделировании мозга

Руководители европейского проекта Human Brain (HBP) объявили о заключении множества новых партнерских программ на общую сумму в €8,3 млн. Совместная работа с исследователями из США обсуждалась на ежегодной конференции, проводимой в Чикаго Американской ассоциацией содействия развитию науки (AAAS 2014).

Среди докладчиков были представители ведущих европейских и американских научных учреждений. Генри Маркрэм (Henry Markram) из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) пояснил, какова связь «больших данных» и нейрофизиологии в проекте HBP: «Суперкомпьютерное моделирование внутренней работы мозга позволяет выполнять измерения и манипуляции, невозможные в лаборатории. Оно открывает путь к новому типу научных экспериментов».

Объём данных, доступных в нейробиологии, становится всё больше. Ключевой проблемой остаётся их обработка и поиск взаимосвязей. Поэтому Карлхайнц Майер (Karlheinz Meier) из Гейдельбергского университета выделяет визуализацию данных о работе мозга в самостоятельную задачу. Для её решения предлагается вычислительная система Neuromorphic. Она объединяет в себе наиболее реалистичные компьютерные модели с технологиями обработки «больших данных». Neuromorphic, по словам Майера, создаёт новую парадигму вычислений, которая больше похожа на методы обработки информации самим мозгом: «Мозг обладает способностью эффективно выполнять обработку данных, невозможную даже на самых мощных компьютерах. При этом он потребляет около 30 ватт».

Весной прошлого года администрация президента США утвердила десятилетнюю программу US BRAIN, разработанную Департаментом здравоохранения. Она объединяет усилия различных научных коллективов по детальному изучению головного мозга человека. Конечной целью программы ставится создание компьютерной модели, отображающей работу каждого нейрона. Стоимость проекта оценивается в $3 млрд.

Кристоф Кох (Christof Koch) представлял научную группу Института мозга, основанного Полом Аленом в Сиэтле. Сейчас его основное направление — проект по изучению мозга на клеточном уровне.

Исследователи пытаются понять особенности структуры и функций мозга с помощью компьютерного моделирования, отображая на карте состояние и взаимосвязь между отдельными клетками. Структурный анализ выполняется на нейронах мышей, функциональный — по записи ЭЭГ и другим сведениям о мозговой активности добровольцев.

Собрав все полученные данные, группа Кристофера Коха получила компьютерную модель, в которой ячейки соединяются, кодируют, передают и обрабатывают информацию подобно тому, как это делают нейроны в головном мозге. В рамках проекта планируется собрать и передать в открытый доступ все полученные наборы данных, а также описание методов работы с ними.

Подобная работа ведётся группой Джорджа Чёрча (George Church) из Гарвардского университета. Она также работает над программными инструментами, способными описать в компьютерной модели каждый нейрон и отобразить на цифровом атласе мозга активные взаимосвязи между ними при различных процессах мышления.

Шон Хилл (Sean Hill), выступавший на AAAS 2014 от имени коллектива EPFL, рассказал о создании в рамках проекта HBP нейроинформационной платформы. Она станет тем инструментом, который позволит связать разрозненные экспериментальные данные воедино, аннотировать атласы мозга и создавать ссылки на определённые участки коры больших полушарий.

Сет Грант (Seth Grant) из Эдинбургского университета добавил, что нейроинформационная платформа используется для исследования молекулярных процессов, лежащих в основе биохимии мозга. К примеру, многие изменения при шизофрении и аутизме сопровождаются образованием в тканях мозга суперкомплексов из определённых белков.

Все эти проекты стали возможны благодаря развитию технологий обработки «больших данных». Изучение работы головного мозга человека считается одной из самых сложных научных проблем. Её решение поможет в лечении множества неврологических и психических заболеваний. Оно будет способствовать появлению имплантируемых нейрочипов и созданию новых вычислительных технологий. Благодаря нейрофизиологии мы сможем получить более глубокое представление о том, что именно делает нас людьми

ПОД КОНТРОЛЕМ ЧУЖОГО МОЗГА

Ученые провели эксперимент, в ходе которого одна обезьяна управляла телом другой.

Группа ученых, представившая результаты своей работы в журнале Nature Communications, показала, что мозг одной обезьяны может управлять движениями «аватара» - другой обезьяны, находящейся под действием седативных препаратов.

На первой стадии эксперимента в мозг обезьяны был вживлен электрод, позволяющий контролировать электрическую активность нейронов. А другой обезьяне, «аватару», в спинной мозг имплантировали 36 стимулирующих электродов. В результате ряда экспериментов ученые выяснили, как стимуляция с помощью различных наборов электрических импульсов влияет на движения «аватара» и смогли перевести электрическую активность мозга одной обезьяны в набор команд, управляющих движениями другой.

Обезьяна с помощью своего «аватара», в руке которого находился джойстик, в 98% случаев смогла точно направить движение курсора по экрану.

Цель данного исследования – помочь людям, парализованным в результате повреждения спинного мозга. Когда нечто препятствует передаче нервных импульсов от головного мозга к мышцам, можно создать «обходной путь», превратив человека в собственного «аватара». Похожая технологи может быть использована для управления протезами.

http://www.nature.com/ncomms/2014/140218/ncomms4237/full/ncomms4237.html

Почему мы по-разному помним сны

То, как мы помним сны, зависит от активности некоторых областей мозга: во время сна они периодически выталкивают нас ненадолго в бодрствование, во время которого мозг может запомнить то, что ему приснилось.

Одни люди, проснувшись, могут пересказать свой сон во всех подробностях, а другие, напротив, забывают его, едва открыв глаза. Вероятно, у тех и у других как-то по-разному работает мозг, и учёные из Национального института здравоохранения и медицинских исследований Франции (INSERM) взялись выяснить, в чём кроются различия.

Ранее Перрин Руби (Perrine Ruby) и её коллеги установили, что у тех, кто лучше запоминает сны, мозг во время сна активнее реагирует на звуковые раздражители. Кроме того, у них чаще случаются эпизоды бодрствования, и как раз в такие моменты сновидение может записываться в память.

Память о том, что снилось, зависит от чуткости мозга. (Фото Sandra Hoever.)

В новых экспериментах учёные попытались понять, какие области мозга могут отвечать за запоминание сновидений. В опыте участвовал 41 доброволец, среди которых одним удавалось вспомнить сон 5,2 раза в неделю, а другие вспоминали о сути сновидений всего дважды в месяц. У тех и у других следили за спонтанной активностью мозга с помощью позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ), и оказалось, что у помнящих сны весьма активны средняя префронтальная кора и височно-теменная спайка, которая включается, когда нам нужно переориентировать внимание на какой-то внешний стимул.

Повышенная функциональность височно-теменной спайки объясняет, почему такие люди чаще просыпаются от внешних раздражителей, — но это же позволяет объяснить запоминание снов. Спящий мозг не может записать информацию, для этого ему нужно проснуться, и кратковременные пробуждения как раз помогают записать сон в память. А кратковременные пробуждения провоцируются этой самой спайкой.

И височно-теменная спайка, и медиальная префронтальная кора уже попадали в поле зрения учёных как зоны, помогающие запомнить сон, однако в данной работе удалось впервые сопоставить активность этих областей со способностью человека вспомнить то, что ему снилось. Впрочем, сами авторы исследования не исключают, что различия могут быть не только в механизме запоминания сна, но и в механизме его, если можно так выразиться, производства: к тем, кто запоминает сны лучше, они могут приходить иначе, нежели к остальным.

Результаты исследования опубликованы в журнале Neuropsychopharmacology.

Подготовлено по материалам Medical Xpress. Фото на заставке принадлежит Shutterstock.

Кирилл Стасевич

10 самых прорывных технологий 2013 года и основанные на них стартапы

Пересказ с www.technologyreview.com/featuredstory/513736/supergrids/. MIT опубликовал список самых прорывных технологий за 2013 год.

«Deep-learning» — «Глубокое обучение».

Фундаментальной идеей проекта является идея о создании по-настоящему умного компьютера, который мог бы понимать человеческий язык, а выводы и решения делать самостоятельно. Создателем идеи является американский изобретатель Рэй Курцвейл, и история его стартапа начинается со встречи с генеральным директором Google Ларри Пейджем. Целью их встречи было обсуждение предстоящей книги Курцвейла под названием «Как создать разум» («How to Create a Mind»). Во время встречи Курцвейл поделился своим желанием открыть компанию, чтобы реализовать свою концепцию «умного» компьютера. Конечно, для реализации такой идеи необходимы вычислительные мощности масштаба компании Google и, выслушав идею, такой профессионал как Ларри Пейдж понимал, что ее будет сложно осуществить маленькой компании с собственным источником дохода, так он предложил Р. Курцвейлу присоединиться к Google. Долго не думая Курцвейл стал работать на Google в качестве технического директора. Одной из причин такого быстрого согласия выступили достижения компании в области так называемого «глубокого обучения». Алгоритм программы пытается имитировать деятельность нейронов в новой коре головного мозга, в которой происходит около 80-ти процентов мышления. Программное обеспечение узнает, в самом прямом смысле этого слова, как распознавать закономерности в звуках, изображениях и других данных. Таким образом, основная идея глубокого обучения в том, что программное обеспечение может имитировать большой массив нейронов неокортекса в искусственной «нейронной сети». Сегодня ученые в области теории вычислительных машин и систем, программисты могут моделировать намного больше слоев виртуальных нейронов, чем когда-либо прежде благодаря постоянному совершенствованию математических формул и увеличению мощностей компьютеров, и исследования в этой области продолжаются. Одно из их достаточно весомых достижений было отмечено в июне прошлого года, когда системе глубокого обучения «Гугла» продемонстрировали 10 млн кадров YouTube-видео, и она вдвое эффективнее других программ распознавала кошек и прочие объекты. Интересно, что технология помогла корпорации скорректировать работу приложения по распознаванию речи для мобильных телефонов.

( Read more... )

Молочная кислота усиливает продукцию норадреналина

Клетки головного мозга (нейроны — жёлтые, астроциты — оранжевые)

В рамках очередного исследования, посвящённого проблеме физиологии головного мозга, был выявлен ранее неизвестный механизм регуляции норадреналина — гормона, который принципиально важен для мотивации, стрессовых ответов, контроля кровяного давления, боли и аппетита. Данные, полученные в результате исследования, могут быть использованы в будущем для создания новых лекарственных средств, способных решить проблемы со здоровьем, связанные с нарушением работы норадреналина.

Учёные из Бристольского университета и университетского колледжа Лондона обнаружили, что лактат (молочная кислота) заставляет клетки головного мозга вырабатывать больше норадреналина (в американском варианте английского языка норэпинефрина) — нейротрансмиттера, принципиально важного для нормальной работы головного мозга.

Стимулировать выработку лактата можно путём физической нагрузки, укрепляя связь между физическими упражнениями и психическим благополучием.

Лактат впервые был обнаружен шведским химиком Карлом Вильгельмом Шеелем в 1780 году в простокваше. В норме молочная кислота вырабатывается самим организмом. В головном мозге лактат является источником энергии, который может доставляться в нейроны в качестве энергетического ресурса для поддержания их стабильной работы в периоды увеличения мозговой активности.

Результаты исследования, опубликованные 11 февраля в журнале Nature Communications, называют ещё одну функцию лактата — обеспечение передачи сигналов между нейронами (сигнальную функцию). Это значит, что в головном мозге существует до сих пор неизвестный рецептор для лактата, который должен присутствовать на клетках, продуцирующих норадреналин, делая их чувствительными к молочной кислоте.

«Полученные нами результаты подтверждают, что лактат выполняет более одной функции — помимо источника энергии он является так же и сигналом к выработке нейронами большего количества норадреналина» — говорит профессор Сергей Каспаров (сотрудник факультета физиологии и фармакологии Бристольского университета).

«Следующая серьёзная задача — определение рецептора, который опосредует данный эффект, так как это поможет создать лекарственные средства, способные блокировать или стимулировать этот ответ. Если мы сможем регулировать выработку норадреналина, что является абсолютно необходимым условием для работы головного мозга, то это могло бы иметь важное значение для устранения основных проблем со здоровьем, таких как стресс, давление, боль и депрессия» — говорит доктор Аня Тишемахер (Anja Teschemacher, сотрудница Бристольского университета).

Астроциты — небольшие клетки головного и спинного мозга звёздчатой формы, не являющиеся нейронами, рассматриваемые в качестве важного источника лактата для головного мозга. Обнаружение того, что астроциты напрямую взаимодействуют с нейронами, открывает новую, практически неисследованную область фармакологии.

На математику и искусство мозг реагирует одинаково

Красивые и некрасивые формулы мозг математиков воспринимает так же, как произведения искусства.

Красоту можно видеть в разных вещах — в чужом лице, в пейзаже (реальном или на картине), в симфонической музыке, в еде. Или, например, в математике. Многие наверняка слышали о красивых формулах или красивых научных работах. Однако мы привыкли разделять эстетическое переживание в традиционном смысле, получаемое от разного рода искусств, и интеллектуальные красоты, хотя и пользуемся для выражения того и другого одним языком.

Но, как оказалось, наш язык знает о красоте больше, чем эстетические концепции. Исследователи из Университетского колледжа Лондона (Великобритания) обнаружили, что математическая красота возбуждает в мозге те же зоны, что и красота обычная.

А вы способны оценить красоту математики? (Фото Anna Peisl.)

В эксперименте участвовали 15 математиков, которым показывали 60 разных математических выражений. Сами математики перед этим оценили эти формулы как красивые, некрасивые или никакие, пользуясь 10-балльной шкалой, в которой «–5» соответствовало самому некрасивому примеру, а «+5» — самому красивому. В качестве примеров использовались уравнения таких титанов, как Эйлер, Риман и др.

Через две недели исследователи опять пригласили математиков в лабораторию и с помощью фМРТ проследили за активностью их средней орбитофронтальной коры, пока испытуемые снова разглядывали формулы. Эта зона мозга считается ответственной за красоту, она активируется, когда мы наслаждаемся музыкой или картиной.

В журнале Frontiers in Human Neuroscience авторы пишут, что на красивые формулы мозг отзывался так же, как он реагирует на искусство в широком смысле этого слова: например, реакция на эйлеровское уравнение оказалась сродни восприятию известного монолога Гамлета. (Дифференциальному уравнению Римана, напротив, не повезло — оно было признано одним из самых безобразных.)

Конечно, из этих данных вовсе не следует, что красота искусства и красота математики имеют одну и ту же природу или воспринимаются совершенно одинаково. Осторожней будет сказать, что некоторые характеристики того и другого (например, те, что относятся к простоте, симметрии, элегантности объекта созерцания) действуют на нас схожим образом.

Впрочем, древние греки, например, восприняли бы эти результаты (за вычетом фМРТ, принципов работы мозга и прочего) как само собой разумеющиеся — в конце концов, для многих из них математические абстракции именно что выражали высшую форму красоты.

Подготовлено по материалам Medical Xpress

Кирилл Стасевич

Шизофрения начинается из-за неумения нейронов поедать самих себя

Здоровье нервных клеток зависит от их способности вовремя избавляться от вышедших из строя органелл и молекул; если же эта способность нарушена, то у мозга могут начаться большие неприятности, вплоть до болезни Альцгеймера и шизофрении.

Лишь половина лекарств от шизофрении работают так, как от них того ждут. Почему? Симптомы заболевания довольно размыты, далеко не всегда понятно, как они друг с другом связаны и имеют ли некую общую причину. Исследователи, разумеется, пытаются найти для шизофрении «корень всего», но получается не всегда, с переменным успехом. Так, специалисты Тель-Авивского университета (Израиль) полагают, что причина шизофрении может крыться в нарушении процесса аутофагии в нейронах.

Аутофагия, или самопожирание, — обычная процедура, в ходе которой клетка избавляется от вышедших из строя органелл, их фрагментов, макромолекул и т. п., причём иногда она переваривает себя всю, что сближает аутофагию с апоптозом. Если этой процедуре что-то мешает, клетка болеет и умирает, но умирает неправильно, вредя всему органу. Для нейронов, например, было показано, что при неспособности к аутофагии может начаться болезнь Альцгеймера.

Адекватная работа мозга зависит от умения нейронов убирать внутри себя. (Фото Corbis.)

Иллана Гозес (Illana Gozes) и её коллеги сумели привязать аутофагию ещё и к шизофрении.

Учёные обнаружили, что в гиппокампе больных шизофренией сильно уменьшен уровень беклина 1, необходимого для запуска аутофагии. При этом возрастал уровень нейропротекторного белка ADNP, который, как полагают авторы работы, нужен для компенсации отсутствующего беклина. Известно, что прибавление ADNP характерно для начальных стадий шизофрении, но если сам белок возникает в ответ на снижение беклина 1, получается, что шизофрения развивается из-за нарушений в процедуре аутофагии.

В журнале Molecular Psychiatry авторы высказывают такое предположение: если бы удалось найти способ искусственно стимулировать работу беклина 1, это позволило бы замедлить развитие шизофрении, а то и вообще избавиться от неё.

Впрочем, как мы уже говорили, болезнь эта сложна и многофакторна, и до испытаний на животных и людях следует с большой осторожностью говорить о «новом универсальном лекарстве от шизофрении».

Подготовлено по материалам No Camels.

Кирилл Стасевич

Почему марихуана возбуждает голод?

Каннабиноиды действуют на рецепторы нейронов обонятельного тракта, делая нос чувствительным к пищевым запахам и обостряя чувство голода.

Учёные из Национального института здравоохранения и медицинских исследований Франции (INSERM) выяснили, почему марихуана вызывает аппетит, — и если кому-то кажется, что это важно только для исследователей наркотических эффектов и самих «употребляющих», то мы напомним, что, кроме каннабиноидов, в «косяке» есть ещё и эндоканнабиноиды, которые наш мозг вырабатывает сам для себя. А это значит, что речь тут идёт о некоем общем механизме, регулирующем пищевое поведение.

В 2010 году Джованни Марсикано (Giovanni Marsicano) и его коллеги выяснили, что удаление у мышей каннабиноидного рецептора СВ-1 из корковых нейронов подавляло аппетит у голодных животных. После этого исследователи решили проверить, не связана ли в этом случае работа СВ-1-рецепторов с обонятельными путями. С помощью оптогенетических методов удалось создать мышей, у которых можно было по желанию включать и выключать каннабиноидные рецепторы в нейронах обонятельных путей.

Обонятельный путь человека (иллюстрация Shutterstock).

В результате, как пишут авторы работы в Nature Neuroscience, с помощью СВ-1 получилось связать вместе чувство голода и обонятельные ощущения. Если эти рецепторы выключали, голодные грызуны, несмотря на фактический голод, стремились к еде не больше своих сытых товарищей. Если же каннабиноидные рецепторы СВ-1 активировались (к примеру, с помощью тетрагидроканнабинола), у мышей просыпался аппетит, не соответствующий их действительному голоду. При этом, что важно, после стимуляции каннабионоидных рецепторов животные реагировали на гораздо более слабые пищевые запахи.

Нейроны с рецепторами, подвергавшимися модификации, принадлежали обонятельной луковице, которая принимает информацию от обонятельного эпителия и отправляет её дальше в кору. Получается, что под действием каннабиноидов меняются взаимоотношения воспринимаемых запахов и пищевых центров: нос воспринимает более слабые ароматы пищи, которые подстёгивают чувство голода, — что уж тут говорить про резко выраженные съедобные запахи!

Очевидно, эндоканнабиноиды могут оказывать такой же эффект, и тогда возникает вопрос, не может ли эта система привести нас к ожирению — ведь легко представить, как собственные каннабиноиды мозга без конца стимулируют голодное чувство и заставляют есть всё больше и больше? Однако сами авторы работы подчёркивают, что они экспериментировали именно с голодными мышами, и нужно ещё проверить, будут ли каннабиноиды действовать в том же духе без фонового чувства голода. Кроме того, все эти данные получены опять же на животных, но не на человеке.

С другой стороны, даже если в ближайшее время ни к каким практическим последствиям эти данные не приведут, сведения о действии каннабиноидов на пищевое поведение всё равно можно использовать при дальнейшем исследовании пищевых цепочек в мозге — ведь по большому счёту мы до сих пор не знаем, почему съедобный запах вызывает у нас чувство голода.

Подготовлено по материалам NewScientist. Фото на заставке принадлежит Shutterstock.

Кирилл Стасевич

Полезен ли мозгу никотин? Не курение, а именно никотин?

Самый печально известный алкалоид может оказаться самым эффективным усилителем когнитивной функции.

Американский популяризатор науки Дэн Хёрли опубликовал книгу «Как стать умнее» (Smarter: The New Science of Building Brain Power), в которой, помимо прочего, рассказал о потенциальной пользе никотина.
Да, никотина.

Г-н Хёрли утверждает, что прочитал множество научных статей, повествующих о полезности никотина для когнитивной функции. Да-да, многочисленные исследования людей и животных показали, по его словам, что никотин (ни в коем случае не табак!) хорош для лечения и профилактики множества неврологических расстройств, в том числе болезни Паркинсона, умеренных когнитивных нарушений, СДВГ, синдрома Туретта и шизофрении. Плюс он уже давно коррелирует с потерей веса. Побочные эффекты незначительны.

При этом, как ни странно, никотин не помогает бросить курить. В январе 2012 шестилетнее исследование 787 взрослых, которые попытались отказаться от вредной привычки, показало, что у тех, кто прибегал к заместительной терапии в виде пластыря, жевательной резинки, ингалятора или назального спрея, была та же самая частота рецидивов, что и у тех, кто не пользовался этими средствами. Заядлые курильщики, решившие бросить без консультации с врачом, вдвое чаще начинали курить снова, если помогали себе перечисленными продуктами.

Курить по-прежнему вредно и некрасиво, не обольщайтесь. (Фото bielgrimalt.)

«Курить вредно, я это прекрасно понимаю, — говорит Марика Кик, директор программы нейродегенеративных заболеваний некоммерческого научно-исследовательского института SRI International (США). — Мой отец умер от рака лёгких». Тем не менее г-жа Кик, несмотря на скептицизм и открытую враждебность со стороны многих коллег-нейробиологов, опубликовала приблизительно три десятка исследований, посвящённых действию никотина на мозг млекопитающих.

«Неприятие никотина объясняется очень просто, — поясняет она. — Дело в том, что он содержится в сигаретах. Люди никак не могут понять, что никотин и курение — две большие разницы. Публика меня не раздражает, а вот учёные — да, причём даже не невежеством, а косностью. На самом деле существует огромная литература о том, что курение защищает от болезни Паркинсона».

Насколько смог выяснить г-н Хёрли, первый намёк на полезность никотина обнаружил в 1966 году эпидемиолог Гарольд Кан из Национальных институтов здравоохранения США. С одной стороны, анализ данных медицинского страхования по 293 658 ветеранам, которые служили в армии США в период с 1917 по 1940 год, показал, как и следовало ожидать, корреляцию между курением и смертностью. В любом данном возрасте любители папирос рискуют умереть от рака лёгких в 11 раз больше, чем некурящие, и в 12 раз — от эмфиземы. Автор подчёркивал, что курильщиков не должны удивлять раковые образования во рту, глотке, пищеводе, гортани... С другой стороны, была выявлена обратная тенденция: некурящие в три раза чаще умирали от болезни Паркинсона.

Почему табак, разрушающий сердце, лёгкие, зубы, кожу, в то же время защищает мозг? В 1970-х годах г-жа Кик и её единомышленники выяснили, что молекула никотина, как ключ к замку, подходит к рецептору нейротрансмиттера под названием ацетилхолин. Попутно удалось обнаружить целое семейство ацетилхолиновых рецепторов, остававшихся неизвестными.

Это семейство оказалось весьма примечательным. Выяснилось, что «никотиновые» рецепторы обладают экстраординарной способностью воздействовать на другие классы рецепторов, ослабляя или усиливая их функцию. Как замечает психофармаколог Пол Ньюхаус, директор Центра когнитивной медицины Медицинской школы Университета Вандербильта (США), никотин взбодрит сонного и утихомирит беспокойного.

Нейромедиатор, на который никотин влияет в первую очередь, — это дофамин, играющий важную роль в модуляции внимания, поисков вознаграждения, наркомании и движения. Вот и ответ, почему никотин предотвращает такое двигательное расстройство, как болезнь Паркинсона.

Г-жа Кик пробовала лечить резусов с болезнью Паркинсона никотином. В 2007 году она сообщала, что после восьми недель эксперимента у обезьян было меньше дрожи и тиков. Более того, у обезьян, принимавших препарат леводопу, никотин снизил дискинезию ещё на треть. Аналогичное исследование на людях идёт сейчас полным ходом при поддержке Фонда Майкла Дж. Фокса.

Другое исследование показало, что никотин может защитить от болезни Альцгеймера на ранней стадии. Эксперимент с участием 67 человек, страдавших умеренным ухудшением когнитивной функции (когда память несколько ослабла, но способность к принятию решений и другие аспекты остаются в пределах нормы), позволил установить корреляцию между приёмом никотина и улучшением внимания, памяти и скорости психомоторных реакций без серьёзных побочных эффектов.

Г-н Ньюхаус, проводивший это исследование, признаёт, что результаты маленьких штудий не всегда повторяются в больших экспериментах, но по крайней мере никотин выглядит безопасным. Кроме того, никакого абстинентного синдрома после остановки лечения не замечено, что особенно странно, поскольку никотин постоянно фигурирует в числе веществ, вызывающих самую сильную зависимость, наряду с героином, кокаином, амфетаминами, алкоголем.

На самом деле, подчёркивает г-н Хёрли, это не так. Сам по себе никотин почти не вызывает привыкания, а привычка курить — результат сочетания эффектов никотина и других компонентов табачного дыма: ацетальдегида, анабазина, норникотина, анатабина, котинина, миосмина.

В целом, выходит, что никотин — самый надёжный усилитель когнитивной функции, подчёркивает Дженнифер Растед, специалист по экспериментальной психологии Сассекского университета (Великобритания). В последние годы исследователи из Испании, Германии, Швейцарии и Дании тоже опубликовали более десятка статей, говорящих, что у животных и людей приём никотина временно улучшает визуальное внимание и рабочую память. Г-жа Растед показала, что никотин поощряет также проспективную память, но всего на 15%. Здоровый человек этого не заметит, а вот больному очень пригодилось бы.

Разумеется, любой врач и нейробиолог будут отговаривать вас от использования никотинового пластыря для чего-то, не связанного с отказом от курения. Предстоит провести большие исследования с участием сотен людей, прежде чем станут ясны все преимущества и риски никотина.

Подготовлено по материалам Scientific American.

Дмитрий Целиков

Зачем нужен асимметричный мозг

Частично лишённый асимметрии мозг рыб перестал адекватно воспринимать зрительную и запаховую информацию.

Мы знаем, что левая и правая половины мозга работают по-разному. Но как это «по-разному» сказывается на эффективности? «По-разному» ведь не обязательно значит, что для мозга это лучше, что асимметричный мозг действует с бóльшим КПД.

И тем не менее асимметрия мозга действительно имеет свои плюсы, по крайней мере для рыб. Стивен Уилсон (Stephen W. Wilson) из Университетского колледжа в Лондоне (Великобритания) и его коллеги исследовали активность нейронов в мозге Danio rerio — в той зоне, которая называется уздечкой. Эта область есть не только у рыб, и влияет она на множество поведенческих реакций (например, без неё не обходится формирование аддикций, эмоции страха и чувства удовлетворения).

Уздечка мозга эмбриона D. rerio с двумя функциональными ядрами, правым и левым (фото авторов статьи).

Работает уздечка асимметрично: у D. rerio нейроны, отзывающиеся на зрительные стимулы, сгруппированы на левой половине уздечки, а нейроны, реагирующие на запах, — на правой. Когда зоологи меняли асимметрию уздечки на противоположную или же вообще лишали её асимметрии, то менялся и характер восприятия сигналов. Если асимметрию просто переворачивали наоборот, световые и запаховые сигналы начинали приходить в противоположные области, а если асимметрия попросту отсутствовала, восприятие света или запаха совершенно исчезало.

То есть разные сигналы не просто распределяются между левой и правой половинами, чтобы их обработали те нейроны, которым выпало быть правыми или левыми. Эти зоны должны изначально отличаться друг от друга. Иными словами, между ними должна быть функционально-морфологическая асимметрия.

Исследователи пока не знают, как в этом смысле обстоят дела с несенсорными нейронными сетями, а также можно ли что-то похожее наблюдать у других видов, однако полагают, что в обоих случаях ответ утвердительный. Более того, по их мнению, некоторые психоневрологические расстройства и недостаточное развитие когнитивных способностей у человека могут происходить — хотя бы отчасти — как раз из-за нарушений в латерализации мозга при развитии, из-за того что ему не удалось стать достаточно асимметричным.

Результаты исследований опубликованы в Current Biology.

Подготовлено по материалам Университетского колледжа в Лондоне. Изображение на заставке принадлежит Shutterstock.

Кирилл Стасевич

Помогают ли зеркальные нейроны понимать чужое поведение?

Подавляя активность различных зон мозга, учёные, возможно, в конце концов смогут понять, что зеркальные нейроны делают с нашей психикой.

Зеркальные нейроны были обнаружены в 1990-х. Итальянские исследователи, наблюдавшие за активностью двигательных нейронов в мозге обезьян, вдруг увидели, что некоторые из этих нейронов срабатывают не только тогда, когда обезьяна что-то делает, но и тогда, когда она видит, как кто-то другой делает то же самое. Возникало впечатление, что нейроны отражают, «зеркалят» действия других индивидуумов.

Открытие вызвало большой энтузиазм, зеркальным нейронам тут же приписали ключевую роль в интерпретации чужого поведения, а после того, как что-то похожее на них нашли и у людей, на зеркальные нейроны «повесили» эмпатию и прочие психосоциальные функции мозга. Высказывались предположения, что аутизм и психопатия могут быть напрямую связаны с дефектами в «зеркальной системе».

Зеркальные нейроны помогают нам перенимать чужие движения. (Фото Hero Images.)

Однако экспериментов, которые однозначно подтвердили бы роль этих нейронов в интерпретации чужого поведения и заодно раскрыли бы механизм такой интерпретации, до сих пор поставить так и не удалось. Для этого, как легко понять, нужно отключить зеркальные нейроны, хотя бы на время, и посмотреть, что произойдёт с психикой. Определённые надежды связывали с транскраниальной магнитной стимуляцией, которая позволяет на какой-то срок подавить активность того или иного участка мозга безо всякого хирургического вмешательства. И некоторое время назад с её помощью удалось показать, что, да, если подействовать соответствующим образом на мозг человека, он будет хуже воспринимать действия других. Однако скептики заявили, что магнитная стимуляция вызывает непроизвольные подёргивания лицевых мышц, и это может сильно отвлечь человека от того, чтобы думать над действиями другого, — а значит, результат тех экспериментов довольно трудно однозначно интерпретировать.

Эту проблему как будто удалось решить Джону Михаэлю (John Michael) и его коллегам из Орхусского университета (Дания). Исследователи воспользовались специальной модификацией метода транскраниальной магнитной стимуляции, когда нейронная активность остаётся пониженной ещё 20 минут после отключения магнитного поля. В течение этого времени двадцати участникам эксперимента показывали видео, на котором человек открывал что-то ключом (то есть работал рукой) либо ел мороженное (то есть действовал языком).

Когда магнитное поле направляли на область мозга, контролирующую движения руки, то человек затруднялся догадаться, что на видео делают руками, зато быстро понимал, что там делают ртом, — и наоборот. Эффект, по словам нейробиологов, был невелик, но статистически значим. (Точную величину эффекта можно будет узнать, когда в Psychological Science выйдет статья с результатами.)

По-видимому, зеркальные нейроны действительно помогают нам интерпретировать чужое поведение. Однако, например, Грегори Хикок (Gregory Hickok) из Калифорнийского университета в Ирвайне (США) полагает, что эффект, который наблюдали в эксперименте, слишком невелик, чтобы можно было говорить о нарушенной интерпретации. Авторы работы отвечают на это, что магнитное воздействие лишь подавляет, но не полностью отключает работу нейронов, так что рассчитывать на полный эффект в этом случае было бы странно.

Впрочем, как бы то ни было, такие исследования всё равно помогают нам лучше разобраться в том, как мы понимаем других. Даже если это и не зависит от зеркальных нейронов.

Подготовлено по материалам NewScientist.

Кирилл Стасевич

Скорость реакции нервной цепи не зависит от её размера

Нервная цепь из десяти нейронов откликнется на внешнее раздражение через такое же время, что и имеющая сотню нейронов. И всё благодаря системе ограничений, которые накладываются на скорость накопления возбуждения отельными нейронами и их общение друг с другом.

Работу нервной цепи обычно описывают скоростью реакции: это один из краеугольных параметров любой «науки о мозге», будь то психология или нейробиология. С помощью скорости реакции удалось построить весьма эффективные модели, объясняющие различия в поведении индивидуума: в таких моделях скорость отклика зависит от накопления единичных раздражителей, информационных единиц. То есть мозг, грубо говоря, работает аккумулятором данных, и когда их количество превосходит некий порог, запускается отклик. Сидя на диване, мы можем думать, что нам нужно сделать то-то и то-то, и когда количество (или навязчивость) этих «то-то» достигает некоего уровня, мы с дивана встаём. А различия в скорости реакции можно объяснить тем, насколько быстро и специфично мозг собирает информацию для того или иного действия.

Нейроны коры мозга, растущие в культуре (фото Dennis Kunkel Microscopy, Inc.).

С другой стороны, нейробиологи заметили, что психологическая скорость реакции сопоставима с поведением отдельного нейрона. Активация нервной клетки тоже происходит после преодоления определённого порога раздражения, которое может приходить к ней от соседних клеток, и работу нервной цепи, казалось бы, тоже можно было охарактеризовать скоростью реакции. Но в нервной цепи может быть много, очень много нейронов; точных цифр пока никто не знает, однако, по примерным оценкам, в глазном движении могут участвовать приблизительно 100 тысяч нервных клеток. Вопрос в том, как этот огромный коллектив нейронов аккумулирует сигнал, чтобы потом выдать результат — в полном соответствии с теорией накопления?

Если, допустим, система нейронов ждёт, чтобы каждый её член накопил достаточно входящих сигналов, то скорость реакции будет тем меньше, чем больше сеть. Если же активация нейронного ансамбля определяется только каким-то одним «пусковым» нейроном, то большая сеть будет отзываться быстрее, чем маленькая, так как в большой на «пусковой» нейрон будет приходить больше сигналов.

Другой вопрос — координация нейронного ансамбля. Чем сильнее скоординирована система, тем больше она похожа на единый информационный накопитель. То есть в пределе много нейронов будут работать как один, накапливая раздражение и реагируя на него, подобно одной клетке. Но насколько глубокой должна быть координация нейронов в ансамбле, чтобы все они работали в унисон?

Чтобы ответить на эти вопросы, исследователи из Университета Вандербильта (США) разработали виртуальную модель, в которой можно было сопоставить поведение разного количества информационных аккумуляторов и интенсивность впитывания ими входящих сигналов. Модель оказалась весьма ресурсоёмкой: Джеффри Шеллу (Jeffrey Schall) и его коллегам пришлось ограничиться сетью в 1 000 виртуальных нейронов, большего количества не выдерживал даже сверхмощный компьютер.

Исследователей интересовало, в какой момент происходит запуск ответной реакции, что является тем последним камешком, который вызывает обвал. Происходит ли это, когда «камешек» падает на какой-то один нейрон, или же такие «камешки» должны упасть на всех участников цепи? Оказалось, что ни в первом, ни во втором случае скорость реакции никак не соотносится с тем, что можно наблюдать в настоящей нервной системе. Такой же отрицательный результат учёные получили, когда попытались сделать разные нейроны слишком по-разному накапливающими раздражение.

Однако реальных значений скорости реакции всё же можно было добиться, более или менее уравняв все нейроны по способности накапливать информационные «камешки» и снабдив всю систему ограничительными правилами, которые регулировали бы работу нейронов так, чтобы они выступали в унисон. То есть входящее раздражение падает на нейронный ансамбль так, как будто его воспринимает не набор из ста, тысячи или миллиона нейронов, а как один нейрон. На практике это означает, что время реакции не зависит от размера нейронной цепи: в ней может быть 10 или 1 000 нейронов, но время отклика у них всё равно будет примерно одинаковым. И то же самое, очевидно, верно и для более масштабных цепей.

При этом, конечно же, характеристики нейронов в 10-клеточной и в 1 000-клеточной цепи будут различаться, как и правила, которые ограничивают их общение друг с другом. Мы возьмём на себя смелость сравнить всё это с двумя системами — из 10 и из 1 000 сообщающихся сосудов. Как сделать так, чтобы одним и тем же количеством воды наполнить и ту и другую? Очевидно, уменьшив размер сосудов в той системе, где их больше. Разумеется, тут будет играть роль, во сколько кувшинов мы одновременно льём воду, какого размера перемычки между ними и т. д., но дальше мы фантазировать не будем.

Так или иначе, исследователям удалось теоретически согласовать данные психологии и нейробиологии, и теперь стоит дождаться экспериментов, направленных на проверку именно этих теоретических данных.

Результаты исследования опубликованы в журнале PNAS.

Подготовлено по материалам Университета Вандербильта. Изображение на заставке принадлежит Shutterstock.

Кирилл Стасевич

Всё о мозге. The Human Brain Project: Вы спрашивали – мы отвечаем(продолжение ответов)

Dirty

Собственно ответы на вопросы

The Human Brain Project: Вы спрашивали – мы отвечаем

Предисловие

Основная цель и задачи HBP

Собственно ответы на вопросы во второй части публикации - http://donmigel-62.livejournal.com/277494.html

Предложено новое средство для устранения повреждений головного мозга, вызванных инсультом

Астральный полет в томографе

Стимуляция мозга вернула сознание бессознательным больным

Ученые готовятся к созданию бионического мозга

The Human Brain Project: откуда мы знаем, как устроен мозг?

Вместо предисловия

Как узнать, откуда и куда идут сигналы в нервной ткани?

3D микроскопия: новые возможности

ПОД КОНТРОЛЕМ ЧУЖОГО МОЗГА

Почему мы по-разному помним сны

10 самых прорывных технологий 2013 года и основанные на них стартапы

Молочная кислота усиливает продукцию норадреналина

На математику и искусство мозг реагирует одинаково

Шизофрения начинается из-за неумения нейронов поедать самих себя

Почему марихуана возбуждает голод?

Полезен ли мозгу никотин? Не курение, а именно никотин?

Зачем нужен асимметричный мозг

Помогают ли зеркальные нейроны понимать чужое поведение?

Скорость реакции нервной цепи не зависит от её размера

Syndicate

Page Summary

Style Credit

Expand Cut Tags

Всё о мозге. The Human Brain Project: Вы спрашивали – мы отвечаем

(продолжение ответов)