МОСКВА, 5 ноя — РИА Новости, Татьяна Пичугина. В 2023-м европейский проект Human Brain Project по созданию модели человеческого мозга завершается, так и не достигнув цели. Выбранный путь оказался слишком сложным. Российские ученые предложили решать обратную задачу — искать параметры, при которых модель воспроизводит экспериментальные данные. О том, как этот подход работает для описания ритмов мозга, рассказал РИА Новости кандидат биологических наук Иван Мысин, старший научный сотрудник лаборатории системной организации нейронов имени О. С. Виноградовой в Институте теоретической и экспериментальной биофизики РАН.
Ученые задумались над моделью мозга
В 2013 году в ЕС запустили масштабный проект Human Brain Project с финансированием в миллиард евро. Его основатель — Генри Маркрам из Федерального института технологии в Лозанне — полагал, что за десять лет можно создать модель мозга на клеточном уровне. Идея изначально вызвала скептицизм в научной среде, пишет Nature.
Маркрам руководил большим проектом Blue Brain по компьютерному моделированию зрительной коры мозга. Если иметь много экспериментальных данных и вычислительных ресурсов, цель достижима, утверждал он. Ученому поверили, прошло десять лет, однако модель не создали до сих пор.
Начиная работать в этом направлении, Иван Мысин часто слышал от старших коллег два противоположных мнения. Одни считали, что надо моделировать отдельные эмпирические явления, другие — мозг в целом. Позднее ученый понял, что это не разные точки зрения, а проявление кризиса: никто на самом деле не знал, как создавать эти модели.
Моделирование позволяет объяснить экспериментальные данные и находить в них неожиданные связи. В науке о мозге это один из основных методов исследования.
Это важно для понимания работы мозга и решения прикладных задач, в первую очередь лечения болезни Альцгеймера, эпилепсии, паркинсонизма.
Тайные сигналы мозга. Ученые нашли неизвестные связи между разумом и телом 25 апреля, 08:00
Проблема больших моделей в том, что для них нужно много параметров, которые непросто измерить. Один из подходов — решать маленькие задачи, объясняющие отдельные экспериментально обнаруженные закономерности. Небольшая модель требует малое число параметров, которые можно настроить, исходя из гипотезы о механизмах описываемого явления. Одну из первых работ Иван Мысин посвятил тому, как формируется тета-ритм и передается в гиппокамп. Модель описывает взаимодействие всего шести популяций нейронов.
Для моделирования всего мозга, как задумывали в проекте Human Brain Project, необходимо иметь данные о большом количестве популяций нейронов. Предполагалось экспериментально измерить все эти параметры, заложить их в модель и посмотреть, что получится. Однако такой подход не сработал по нескольким причинам. Во-первых, данные разнородны — полученные на множестве животных, они недостаточно точны и не всегда сопоставимы. Во-вторых, нужны большие вычислительные мощности. Для Blue Brain взяли самый мощный на тот момент суперкомпьютер из использовавшихся для невоенных целей — Blue Gene. Тем не менее прорывных результатов не добились. В таких масштабных проектах пытаются строить слишком детальные модели, что часто избыточно. Многие процессы можно описать проще.
Российские ученые раскрыли один из секретов работы памяти 16 июля 2019, 11:32
Гиппокамп и его ритмы
Самая изученная структура мозга — гиппокамп. Недаром это модельный объект для нейробиологии. По сути, это упрощенная версия коры больших полушарий, эволюционно более древняя. Он важен для формирования внимания и памяти.
В гиппокампе выделяют несколько зон, функционально связанных друг с другом пучками волокон, которые видны в микроскоп. Это помогло еще в 1970-е раскрыть многие тайны памяти. Одно из самых значительных достижений принадлежит советскому нейробиологу Ольге Сергеевне Виноградовой, работавшей в Пущино. Экспериментально она установила, что высокочастотная стимуляция пучка волокон приводит к усилению ответов, а низкочастотная — напротив, к уменьшению. Это было одним из первых доказательств того, что пластичность мозга достигается за счет изменения силы связей между нейронами. На сегодняшний день концепция о том, что память хранится в связях между нейронами, считается общепринятой. Эксперимент по стимуляции пучков волокон в гиппокампе стал классическим.
？ Graphic by Michael Vincent Гиппокамп
？ Graphic by Michael Vincent
Всю научную карьеру О. С. Виноградова исследовала роль гиппокампа в формировании памяти. Руководила экспериментами по регистрации нейронной активности во всех областях этого отдела мозга. Это помогло разработать теорию, известную как "велосипед Виноградовой", согласно которой гиппокамп "решает", какая информация новая и требует запоминания, а какую следует проигнорировать. На этом основывается внимание.
Тогда же, в 1970-е, другие научные группы открыли нейроны, определяющие положение животного в пространстве, показав тем самым, что гиппокамп — это хранилище пространственной памяти. Позже нашли нервные клетки, кодирующие этапы поведенческих актов у животных, а у людей — реагирующие на образы известных актрис и политиков. Это означало, что гиппокамп хранит все виды памяти в виде последовательности образов.
Сейчас таких эмпирических закономерностей о кодировании информации в гиппокампе установлено много. Задача состоит в том, чтобы обобщить их в стройную теорию, которую можно реализовать в компьютерной модели.
Нейроны гиппокампа на 90 процентов — пирамидальные клетки. Именно они кодируют информацию. Остальные — тормозные нейроны, регулирующие активность пирамидных клеток, то есть генерацию импульсов (или, по-другому, потенциалов действия). Их можно зарегистрировать приборами и таким образом отслеживать передачу сигналов между нейронами. Почти вся их активность ритмична.
Российские ученые выяснили, как можно вылечить височную эпилепсию 26 декабря 2017, 15:13
В гиппокампе выражены тета- и дельта-ритмы. У первого частота — от четырех до восьми колебаний в секунду. Тета-ритм регистрируют, когда животное что-то изучает, ищет, реагирует на внешний стимул, например на резкий звук. Это ритм внимания. Он выражен, когда нужно запомнить информацию, вспомнить, сравнить с ожидаемым.
Дельта-ритм (частота 1-4 герц) появляется в состоянии отдыха и сна. Он необходим для закрепления памяти.
Тета-ритм открыли в 1930-е и долгое время не могли понять, как он возникает. Оказалось, есть особая структура мозга — медиальная септальная область, чьи сигналы заставляют нейроны гиппокампа работать ритмически.
По одной из гипотез, ритмы упорядочивают активность нейронов и потоки информации. Если клетки мозга активируются совместно, связи между ними усиливаются.
На поведенческом уровне это приводит к формированию ассоциаций. Как в опытах Павлова: загорелась лампочка — выделяется слюна. Активизировались одни нейроны, следом другие. Создалась устойчивая ассоциация.
Работе мозга свойственна упорядоченность — сначала активируется одна группа нейронов, затем другая. Чтобы связь усилилась, необходимы импульсы с разницей не более 30 миллисекунд