Компьютерное моделирование: мозг в коробке
D. BALIBOUSE / REUTERS
Генри Маркрам ожидал, что это будет не совсем то, что он хотел. Но поток скептических комментариев от его коллег-нейробиологов - «Это дерьмо», - сказал один из них, - определенно заставил день почувствовать себя трибуналом.
Официально встреча Швейцарской академии наук в Берне 20 января стала обзором крупномасштабного компьютерного моделирования в нейробиологии. Неофициально, это был первый реальный шанс для нейробиологов получить ответы о противоречивом предложении Маркрама о проекте «Человеческий мозг» (HBP) - попытке построить суперкомпьютерное моделирование, объединяющее все известное о человеческом мозге из структур ионных каналов в нервной клетке. мембраны до механизмов, стоящих за сознательным принятием решений.
Маркрам, электрофизиолог мозга, родившийся в Южной Африке, который десять лет назад присоединился к Швейцарскому федеральному технологическому институту в Лозанне (EPFL), может вскоре увидеть, что его амбиции осуществятся. Проект является одним из шести финалистов, претендующих на победу в размере 1 млрд евро (1,3 млрд долларов США) в качестве одной из двух новых флагманских инициатив Европейского союза, рассчитанных на десятилетие.
«Исследователи мозга производят 60 000 работ в год», - сказал Маркрам, объясняя концепцию в Берне. «Все они прекрасные, фантастические исследования - но все они сосредоточены на одном маленьком уголке: этой молекуле, этой области мозга, этой функции, этой карте». Он сказал, что HBP объединит эти открытия и создаст модели, чтобы исследовать, как нейронные Схемы организованы, и как они порождают поведение и познание - среди самых глубоких загадок в нейронауке. В конечном счете, сказал Маркрам, HBP даже поможет исследователям справиться с такими расстройствами, как болезнь Альцгеймера. «Если у нас не будет комплексного подхода, мы не поймем эти болезни», - заявил он.
Однако, как показал ответ на встрече, в отношении Маркрама возникло глубокое беспокойство. Многие нейробиологи считают его непродуманным, не в последнюю очередь потому, что особенный подход Маркрама к моделированию мозга делает их гротескно громоздкими и чрезмерно детализированными. Они видят HBP как преувеличенный, благодаря затаившим дыхание сообщениям средств массовой информации о том, чего он достигнет. И они вовсе не уверены, что могут доверять Маркраму запуск проекта, который действительно открыт для других идей.
«Нам нужны различия в нейробиологии», - заявил Родни Дуглас, со-директор Института нейроинформатики (INI), совместной инициативы Университета Цюриха и Швейцарского федерального технологического института в Цюрихе (ETH Zurich). Учитывая, как мало известно о мозге, он сказал: «нам нужно, чтобы как можно больше разных людей выражали как можно больше разных идей» - разнообразие, которому угрожало бы, если бы столько скудных денег на исследования в области нейробиологии было бы отвлечено в одно дело.
Маркрам был не смущен. Прямо сейчас, утверждал он, у неврологов нет плана для достижения полного понимания мозга. «Так что это план», сказал он. «Построить объединяющие модели».
Большая идея Маркрама
Маркрам стремится к единству с 1980 года, когда он начал обучение в университете Кейптауна в Южной Африке. Он отказался от своей первой области исследования, психиатрии, когда решил, что это главным образом связано с тем, чтобы помещать людей в диагностические ямы и лечить их соответствующим образом. «Это никогда не скажет нам, как работает мозг», - вспоминает он в Берне.
Его поиски нового направления привели Маркрама в лабораторию Дугласа, тогда молодого нейробиолога в Кейптауне. Маркрам был в восторге. «Я сказал:« Вот и все! На всю оставшуюся жизнь я буду копаться в мозгу и понимать, как он работает, вплоть до мельчайших деталей, которые мы можем найти ».
Этот энтузиазм привел Маркрама к аспирантуре в Научном институте Вейцмана в Реховоте, Израиль; в докторантуре в Национальном институте здравоохранения США в Бетесде, штат Мэриленд, и в Институте медицинских исследований им. Макса Планка в Гейдельберге, Германия; и, в 1995 году, на должность преподавателя в Weizmann. Он заслужил огромную репутацию экспериментатора, особенно продемонстрировав пластичность, зависящую от времени спайка, в которой сила нейронных связей изменяется в зависимости от того, когда импульсы приходят и уходят ( H. Markram et al . Science 275, 213–215; 1997 ).
К середине 1990-х годов отдельные открытия оставляли его недовольным. «Я понял, что могу делать это в течение следующих 25, 30 лет моей карьеры, и это все равно не поможет мне понять, как работает мозг», - сказал он.
По его мнению, нейробиологам придется систематически объединять свои открытия. Каждый эксперимент, по крайней мере, негласно включает модель, будь то молекулярная структура ионного канала или динамика кортикального контура. Маркрам понял, что с компьютерами можно явно кодировать все эти модели и заставить их работать вместе. Это поможет исследователям найти пробелы и противоречия в своих знаниях и определить эксперименты, необходимые для их устранения.
ИСТОЧНИК: BBP / EPFL
Понимание Маркрама не было оригинальным: ученые разрабатывали математические модели нейронной активности с начала двадцатого века и использовали компьютеры для этой задачи с 1950-х годов ( см. стр. 462 ). Но его амбиции были огромны. Вместо того чтобы моделировать каждый нейрон как, скажем, точечный узел в более крупной нейронной сети, он предложил смоделировать их во всех деталях их разветвленности - вплоть до их бесчисленных ионных каналов (см. «Создание мозга» ). И вместо того, чтобы моделировать только нервные цепи, участвующие, скажем, в обонянии, он хотел смоделировать все: «от генетического уровня, молекулярного уровня, нейронов и синапсов, как образуются микросхемы, макросхемы, мезосхемы, области мозга». - пока мы не поймем, как связать эти уровни, вплоть до поведения и познания ».
Мощность компьютера, необходимая для управления такой великой единой теорией мозга, была бы примерно exaflop, или 1018 операций в секунду - безнадежная в 1990-х годах. Но Маркрам был неустрашим: доступная мощность компьютеров удваивалась примерно каждые 18 месяцев, а это означало, что к 2020-м годам компьютеры станут доступными (см. «Куда идти» ). А тем временем, утверждал он, нейробиологам следует готовиться к ним.
Амбиции Маркрама полностью совпадают с амбициями Патрика Эбишера, нейробиолога, который стал президентом EPFL в 2000 году и хотел сделать университет мощным центром как компьютерных, так и биомедицинских исследований. Маркрам был одним из его первых новобранцев в 2002 году. «Генри дал нам повод купить Blue Gene», - говорит Эбишер, имея в виду новый суперкомпьютер IBM, оптимизированный для крупномасштабного моделирования. Один из них был установлен в EPFL в 2005 году, что позволило Маркраму запустить проект «Голубой мозг»: его первый эксперимент в интегративной нейробиологии и, ретроспективно, прототип для HBP.
По словам Маркрама, часть проекта была демонстрацией того, что может означать объединяющая модель, которая начала с набора данных по коре головного мозга крысы, которые он и его ученики накапливали с 1990-х годов. Он включает в себя результаты около 20 000 экспериментов во многих лабораториях, говорит он: «Данные о каждом типе клеток, с которым мы столкнулись, морфологии, реконструкции в трех измерениях, электрических свойствах, синаптической коммуникации, где расположены синапсы, как ведут себя синапсы, даже генетические данные о том, какие гены выражены ».
ИСТОЧНИК: BBP / EPFL
К концу 2005 года его команда объединила все соответствующие части этого набора данных в модель с одним нейроном. К 2008 году исследователи связали около 10 000 таких моделей в симуляцию трубчатой части коры, известной как кортикальный столб. Теперь, используя более продвинутую версию Blue Gene, они смоделировали 100 взаимосвязанных столбцов.
По словам Маркрама, эти усилия привели к некоторым открытиям, таким как еще неопубликованное статистическое распределение синапсов в столбце. Но его реальное достижение заключается в том, чтобы доказать, что объединяющие модели, как и было обещано, могут служить хранилищами данных о структуре и функционировании коры. Действительно, большая часть усилий команды была направлена на создание «огромной экосистемы инфраструктуры и программного обеспечения», необходимой для того, чтобы сделать Blue Brain полезным для каждого невролога, говорит Маркрам. Это включает в себя автоматические инструменты для преобразования данных в симуляции, а также инструменты информатики, такие как http://channelpedia.net - редактируемый пользователем веб-сайт, который автоматически собирает структурные данные по ионным каналам из публикаций в базе данных PubMed и в настоящее время содержит около 180 000 рефератов.
По словам Маркрама, конечной целью всегда была интеграция данных по всему мозгу. Возможность приблизиться к этому масштабу, наконец, появилась в декабре 2009 года, когда Европейский союз объявил, что он готов вложить около 1 млрд. Евро в каждый из двух высокопрофильных, но потенциально трансформационных, флагманских проектов. Маркрам, входивший в консультативную группу из 27 человек, которая поддержала эту инициативу, не терял времени на организацию своей собственной записи. А в мае 2011 года HBP был назван одним из шести кандидатов, которые получат стартовые деньги и подготовят полномасштабное предложение, которое должно быть в мае 2012 года.
По словам Маркрама, если будет выбран HBP, одной из ключевых целей будет сделать его совместным и доступным для Интернета, открытым для исследователей со всего мира, добавив, что консорциум проекта уже насчитывает около 150 основных исследователей и 70 учреждений в 22 странах. страны. «Будет много Эйнштейнов, собравшихся вместе, чтобы построить мозг», - говорит он, каждый из которых привносит свои собственные идеи и опыт.
Снизу вверх
Описание HBP как объекта открытого пользователя вызвало интерес и энтузиазм на встрече в Берне. Но гораздо более громкими были критики Маркрама, многие из которых сосредоточились на воспринимаемых недостатках модели Blue Brain и подхода Маркрама к интеграции данных.
В основе этого подхода лежит убеждение Маркрама в том, что хорошая объединяющая модель должна ассимилировать данные снизу вверх. По его мнению, моделисты должны начинать с самого базового уровня - он фокусируется на ионных каналах, потому что они определяют, когда запускается нейрон, - и заставить все работать на одном уровне, прежде чем переходить к следующему. Это требует много образованных догадок, но Маркрам утверждает, что по мере публикации экспериментов, по общему признанию, огромные пробелы в знаниях о мозге могут быть заполнены - модель Blue Brain обновляется раз в неделю. По словам Маркрама, альтернативный подход, аппроксимирующий и абстрагирующий биологические детали, не дает никаких гарантий того, что поведение модели имеет какое-либо отношение к работе мозга.
Это где другие вычислительные нейробиологи скрежещут зубами. Большинство из них уже используют простые модели отдельных нейронов для изучения функций высокого уровня, таких как распознавание образов. Восходящий подход Маркрама рискует пропустить древесину для деревьев, многие из них утверждают в Берне: модель может быть настолько детальной, что ее будет легче понять, чем настоящий мозг. И это если Маркрам может построить его вообще. По мнению критиков, судя по тому, что Blue Brain достигла за последние шесть лет, это маловероятно. Крошечная полоса имитируемой коры головного мозга крысы не имеет входов от сенсорных органов или выходов в другие части мозга и почти не проявляет интересного поведения, отметил в своем электронном письме Кеван Мартин, со-директор INI. «Конечно, это не так», - сказал Маркрам, имитируя колонку так, как она работает у целого животного.
Ответ Маркрама на такую критику в Берне заключался в том, что в симуляцию «Голубого мозга» всегда добавляются новые возможности. Но Мартин остался не впечатленным. «Я не могу себе представить, как этот уровень детализации, который все еще очень неполный даже после значительных трудов Генри, когда-либо будет получен из более чем нескольких областей мозга грызунов в следующем десятилетии, не говоря уже о мозгах дрозофилы , рыбок данио, певчая птица, мышь или обезьяна, - продолжил его адрес электронной почты.
«Конечно, - добавил Мартин, - все это было бы лишь штормом в чашках профессоров», если бы HBP не пришел и не поднял ставки. Слишком легко представить себе, что другие области нейробиологических исследований нуждаются в ресурсах со стороны ГНБ, особенно в Швейцарии, которая в качестве принимающей страны должна будет предоставить значительную, но все еще неопределенную часть финансирования. Дуглас спрашивает: должна ли Европа потратить 1 млрд. Евро на поддержку страстных поисков одного человека? Он признает, что мечтатели иногда необходимы для продвижения вперед. «Но что, если они страстно неправы?»
Также разжигает беспокойство - и раздражение - широко распространенное мнение о том, что Маркрам высказывал свое мнение через средства массовой информации, а не через публикации, конференции и другие традиционные каналы науки. Репортеры видят многое из того, что нравится: Маркрам высокий, яркий и объясняет свои идеи ясностью, краткостью и срочностью южноафриканской версии покойного Карла Сагана. У него «гипнотический эффект», говорит Ричард Ханлозер, вычислительный нейробиолог из INI. Но критики говорят, что это приводит к появлению слишком большого количества новостных сообщений, из-за которых создается впечатление, что HBP, скажем, устранит необходимость в экспериментальных животных.
«Все сообщество нейробиологов будет в беде через десять лет», когда предполагаемые предсказания не сбудутся, говорит другой исследователь INI, который беспокоится, что политики тут же скажут: «Но вы обещали!»
Марш прогресса
В Берне Маркрама обвинили в обвинениях в том, что он намеренно развил ажиотаж. «Я никогда не говорил, что HBP заменит эксперименты на животных», - ответил он в ответ на вопрос. «Я сказал, что симуляция помогает вам выбрать эксперименты, которые лучше всего добавят ценность».
Маркрам также старался настаивать на том, что HBP будет открыт для других подходов к моделированию. «Эта озабоченность необоснованна, потому что они просто не удосужились выяснить, что предлагается», - сказал он Nature после встречи. Последнее средство «позволит любому человеку создавать модели с различными уровнями биологической детализации, используя как можно больше данных из любого места».
Маркрам, кажется, строит поддержку. В прошлом году правление, курирующее как ETH, так и EPFL, с энтузиазмом одобрило проект Blue Brain после тщательного рассмотрения группой из четырех человек, которая включала двух откровенных скептиков подхода Маркрама. Совет просил парламент Швейцарии выделить 75 миллионов швейцарских франков (81 миллион долларов США) на этот проект на 2013–16 годы, что более чем в десять раз превышает текущий бюджет Blue Brain. Решение парламента ожидается в следующем месяце.
Маркрам надеется, что Европейский Союз придет к такому же выводу относительно HBP. Однако, если проект не будет одобрен, говорит Маркрам, «мы просто продолжим работу с Blue Brain», хотя для достижения полной имитации мозга может потребоваться гораздо больше времени.
Маркрам ясно чувствует, что история на его стороне. «Исследование на основе моделирования неизбежно», - заявил он в Берне. «Если я остановлюсь от этого, это случится. Это уже произошло во многих областях науки. И это произойдет в науке о жизни ».
Евро на поддержку страстных поисков одного человека?«Но что, если они страстно неправы?