Международные проекты по изучению мозга обсуждают координацию своих усилий

Портал МЕДИЦИНСКАЯ НАУКА

Зарегистрированкачествесетевогоиздания. Свидетельство регистрацииСМИ РоскомнадзораЭЛ № 77-67621 от10 ноября2016 года.

Международныепроектыпо изучениюмозгаобсуждают координациюсвоихусилий

28.10.2015 , — + КОММЕНТАРИЙ

ПереводстатьиZ. Josh Huang, Liqun Luo. It takes the world to understand the brain// Science, 2 October 2015, Vol. 350 no. 6256 pp. 42-44. DOI: 10.1126/science.aad4120.

Мы находимсянапорогефундаментальногопрорывак пониманиюдеятельности человеческогомозга, последствиякоторогодляздоровьячеловекаи общества, в целом,

весьмаглубоки. Крупномасштабныепроектыпоизучениюмозгауже запущенылибо планируютсяк запускунанесколькихконтинентах. В июне с.г. около 50 ведущихученыхиз США , Европы, Японии, Кореии Китаявстретилисьнаконференциив Сучжоу(Cold Spring Harbor Asia Conference on International Brain Projects, 19-22 June 2015, Suzhou, China), чтобы обсудитьвозможностии проблемы, связанныесисследованиямиголовногомозга. Они отметилипреимуществамеждународнойкоординацииусилийи сотрудничества,

обсуждениязаложилиосновубудущихвстреч, нацеленныхнауточнениепроблем,

связанныхконкретнымицелями.

СЛОЖНОСТИ

Человеческиймозгявляется, пожалуй, самым сложным объектомдляизучения— извсех известныхвовсейВселенной, и эта сложностьлучшевсегоотражаетсятемфактом, что мозгстремитсясамсебяпонять— какименноегомолекулы, клетки, схемыи системы делаютвозможнымвосприятие, познание, память, эмоции, мышление, язык, искусство созерцаниеместачеловечествареальноммире. Вопросо происхожденииумственных способностейи нарушенийработымозговойдеятельностиотноситсяк античнойэпохе.

Более100 летназад, смоментаопубликованиядоктриныо нейронахи подробных структурныхисследований, однимизосновоположниковсовременнойнейробиологии,

лауреатомНобелевскойпремиипофизиологиии медицинеза1906 годС. Рамон-и-

Кахалем, произошлопониманиеосновыфункционированиямозга, в частности, на клеточномуровне. За последнеедесятилетиетехнологическиедостиженияв нескольких дисциплинахускорилиэтотпрогресс. Новые механизмывизуализации, записи, а также управлениянейронамии нейроннымицепями, сегодняпозволяютглубжепонять, как именномозгобрабатываетинформацию и выстраиваетсвоеповедение. Достиженияв областивычислительныхсистемв геометрическойпрогрессииувеличилипотенциальные возможностианализа, рассмотренияи обменаогромныхнаборовданных.

А расшифровкагеномачеловекавыявилогенетическиемутации, являющиесяпричиной разнообразныхзаболеванийчеловеческогомозга. Для болееполнойоценкипроблем,

связанныхпониманиеммозговойдеятельности, полезносравнитьпроектыпоизучению мозгаспервойкрупномасштабноймеждународнойсовместнойработойв областибионаук,

начатойв конце1980-хгодах— спроектомподназванием«Геном Человека». Он был нацеленнаопределениеполнойпоследовательностистроениягеномачеловека, который зашифрованв ~ 3 миллиардахнуклеотидов, выстроенныхвдоль23 хромосом.

Геном, побольшомусчету, представляетсобойстатическуюлинейную последовательность, состоящуювсегоизчетырехобособленныхнуклеотидов; около20 500 генов, кодирующихбелки, образуют1-2 % отэтойпоследовательности. Проект послужилосновойбурногоразвитияисследований областибиомедицины. Человеческий мозгможно считатьзначительноболеесложным понесколькимпричинам. Так, он содержит~ 1011 нейронов, соединенных~1014 синаптическимисвязями. Посколькулюбой нейронполучаети передаетимпульс, тысячидругихнейронов, распределенныхна различныхрасстоянияхв мозговомпространстве, формируютчрезвычайносложную схему.

Крометого, Коннектомнеявляетс статическойсетью, т.е. шаблоныподключенияи преобладающиесвязиизменяютсястечениемэтаповжизнии модифицируютсяв процессеполученияиндивидуальногоопытаи обучения. К томуже, отображение Коннектомом— толькоодиншагк пониманиюфункционированиямозга. Мозг— это динамическаяработанейронныхгруппи ихсвязейчерезлокальныеи глобальныесети,

выложенныеслояминаструктурныерамкиКоннектома, последние, в своюочередь,

создаютвосприятие, познаниеи действие.

ШЕСТЬ НАПРАВЛЕНИЙ

Конечно, всенейробиологисоглашаютсястем, чтодостижениеглубокогопониманиятого,

какмозгобрабатываетинформацию и организуетумственныефункции, возможнолишь приналичиизначительногопрогресса, покрайнеймере, в шестинаправлениях:

идентификацияосновныхкомпонентовмозговыхсхем— классынейронов, различающие подобныесвойстваи выполняющиенеобходимыефункции(принадлежаттемже самым типамклеток);

расшифровканейронныхсхемподключенияобъединяласьнанесколькихуровнях, от отдельныхсинапсов(микроскопическийуровень) навесьмозг(макроскопическийуровень);

записьшаблоновзапуска— общий словарьнейроннойкоммуникаци — большого количестванейроновчерезразличныеотделыголовногомозга, в товремя, как подопытноеживотноелибочеловеквыполняютхорошохарактеризуемыеповеденческие илипознавательныезадачи;

управляющиенейронныешаблонызапускапространственно-временнойточностью,

чтобыустановитьпричиннуюсвязьмежду нейроннойдеятельностьюи функциейсхемы,

котораяспособствуетповедению;

изобретениевычислительныхприборовдляинтеграции анализабольшихи сложных наборовданных;

формулировкавсеобъемлющихмозговыхтеорий, которыепревышаютуровнии масштабы, концептуализируютэкспериментальныерезультатыи предсказываютновые свойствасхемы, которыележатв основефункционированиямозга.

ОБЗОР ПРОЕКТОВ

Существующиепроектыпоизучениюмозга, запущенныев работулибопланируемыек запускув разныхстранах, имеют различныеакценты. Проект«BRAIN» в США (Изучение мозгачерезпродвижениеинновационныхнейротехнологий) находитсянавторомгоду работыиз12-типланируемых. На начальномэтапеисследователиуделяютвнимание разработкеновыхинструментов, которые, какожидается, наболеепозднихстадиях стануткатализаторамиоткрытийв сферефункцийнейронныхцепей в здоровьеи болезнях.

ПроектЕвропейскогоСоюза «Изучениечеловеческогомозга», запущенный в 2013 годуи финансируемыйпрограммойЕС «Перспективные зарождающиесятехнологии»,

фокусируетсянакрупномасштабномкомпьютерноммоделировании создании стандартовнейроинформатикидлябазыданныхмозга, и, может извлечьвыгодуиз информации, накопленнойпроектами поизучениюмозгавовсеммире.

Японскийпроектпоизучениюмозга/ MINDS (Картографиямозгапутеминтегрированных нейротехнологийдляизучениязаболеваний), запущенныйв конце2014 года, для фундаментальныхисследований моделированиязаболеванийчеловеческогомозга используетприматов— в частности, обезьян, сравнительноновуюгенетическуюмодель приматов.

В этомгодутакжеобъявленоо запускепроектапоисследованиюмозгав Канаде,

поддерживающегосовместное, многопрофильное межинституциональноеисследование в областиневрологии. И Ю .Кореятолькозапустиласвойпроектпоизучениюмозга— о

системнойневрологиипознанияи расстройствамозговойдеятельности, акцентируя вниманиенанейронныхцепяхи визуализациимозга. ОфициальноКитайеще должен

объявитьо своемпроектепоизучениюмозга, нообсуждениеегоуже идетполнымходом, а

сферадействияпроекта, вероятн, будетвключатьв себяизучениенейронныхцепей познания, заболеванийголовногомозгаи инспирированныемозгоминтеллектуальные технологии. Изучениенепринадлежащихк человеческомуродуприматов, включая обезьянумакаку, долгоевремяслужившей модельюдляисследованийв области неврологии, вероятнеевсего, такжестанетчастьюкитайскогопроекта.

Тайваньпланируетзапуститьнебольшойпроектпоизучениюмозганатему нейродегенерациихроническойболи, уделяявниманиемеждисциплинарным исследованиям разработкеоригинальныхнейротехнологий. Австралияв текущемгоду объединиласовместныеусилиясамериканскимпроектомСША «BRAIN». В дополнениек этимпроектампоизучениюмозга, субсидируемымгосударствоми основаннымв Сиэтле,

финансируемыйизчастныхисточниковАлленовскийинститутнауко мозге, запустил10-

летнийпроектпоисследованиюполушариймозга. Проектнамеренсоздатьсистему публичныхобщедоступныхданныхи инструментовдляизучениязрительнойсистемы человекаи мыши .

Следуетотметить, чтониоднастраналибопроектпоизучениюфункционированиямозга,

в одиночкунеобладаютсовокупнымнабороминтеллектуальных, технологических,

финансовыхи человеческихресурсов, необходимымдляуспешногорешениязадачи.

Конференцияв Сучжоуобозначиланесколькобластей, гдемеждународнаякоординация особенноважнаи, скореевсего, даствысокиерезультаты— еслиусилитьконкретные преимуществаотдельныхпроектовпоизучениюмозгаи внедритьстандартизацию.

Возьмём, к примеру, проблемутиповклеток. Мозгсостоитизбольшогоколичества различныхтиповклеток, служащихрабочимиединицамиширокораспределённых нейронныхсетей. Системаидентификациии классификациинабораэтихтипов необходимадлясоставлениясхемысоединений, записии воздействиянаактивность клетокопределённоготипа, а также расшифровкицепейпроцессов, лежащих в основе обработкиинформациии поведениямозга. Недавнеесближениеисследованийпо развитиюнейроннойсистемыотбеспозвоночныхдо млекопитающих, а такжеразвитие геномныхи генетическихтехнологий, сделаловозможнымсистематическую идентификациюконкретныхтиповклеток.

Определениепрофиляодноклеточноготранскриптома( .е. количественноеопределение уровняпроявленияактивностивсехгенов) создаетпредпосылкидляболееточного определениятипаклетоки увеличенияточностигенетическогод ступадляотдельных типовклеток(используягенетическиеинструментыдлязаписи, маркирования воздействиянауровнеконкретноготипаклеток).

Такимобразом, проблематиповклетоксущественнаяи сложная, однакохорошо обозначенаи решаемаспомощью усилениясовокупныхресурсов, которыеестьупроектов поизучениюмозга.

Чтодолжнобытьстандартизированоэтойситуации? Клеточныетранскриптомымогут бытьприобретеныв определенномформате, которыйзаложенв общую базуданных, и

проанализированытакже, каки данныегенома. Наборыданныхо местоположении клеток, ихморфологиии проекционныхмоделях(местоположенияв головноммозгу, куда клеткипосылаютинформацию) такжемогутбытьстандартизированы. Сравнениятипов

клетокнанесколькихмодельныхорганизмах, включаячеловека, должны выявитьобщие закономерности, такжеосновные различия, касающиесяорганизацииработыполушарий мозга. Имея этотпереченьдеталейнаруках, ученыемогутсистематическиустанавливать экспериментальныйдоступк определеннымтипамклеток, чтозначительнопродвинет объединитнесколькоуровнейисследованийнейронныхцепей. Координацияи стандартизацияданных(неговоряуже о сбореметаданных, курированиии анализе) —это болеесложныепроцессыв определенныхобластяхисследованийейронаук, таких, как нейрофизиологиятомографиямозга.

Ярким примеромявляетсяповедение, окончательныйвыходоперации нейроннойцепии окончательноепроявлениефункциимозга. Посколькуповедениеявляетсярезультатом интеграциисенсорныхвходов(иными словами— состояниймозга) и когнитивного принятиярешения, а поведениепроявляетсякаквысоко-размернаядвигательная функция, онопосвоейсути— сложныйи переменныйпроцесс, даже в оченьограниченных экспериментальныхусловиях, неговоряуже о болеенатуралистическихпарадигмах.

Чтобыосмыслитьосновынейроннуюповедения, ученыеиспользуютмножестворазличных и, зачастую, узкоспециализированныхэкспериментальныхпроектов длязаписии управлениянейроннымипроцессамив различныхотделахголовногомозга, в товремя, как животныеи люди выполняютзадачиразныхуровнейсложности. Такимобразом, нетолько поведенческиеданные, нотакжеи синхроннаязапись, и манипуляциянервной деятельностью, могутстатьсложнойзадачейдлястандартизации. Действительно,

обсуждениянаконференциив Сучжоуперешлив бурныедебатыотносительно возможностистандартизироватьнескольконаборовсогласованныхповеденческих парадигмдляполучения накопленияданныхи сравненияпоследнихнетолькомежду различнымилабораториями, нои различнымивидами.

ОБМЕН

Стоитостраяпотребностьв инфраструктуре, котораяпозволитпроектампоизучению мозгаобмениватьсяданнымимежду собой. Но созданиетакойсистемы— трудновыполнимаязадача, а вопросыфинансирования требования к персоналу зачастуюнедооцениваются. Тем неменее, преимуществасовместногоиспользования данныхпридаютэтомувопросуособуюзначимость. К примеру, генетическиеданные пациентов, страдающихумственными расстройствами, могутбытьоткрытыдлявсегомира;

такойобменданнымидо сихпорпомогаетидентифицироватьгенетическиепричины,

способствующиевозникновениюрасстройств, такихкакшизофренияи аутизм.

В 2005 годуМеждународныйКоординационныйЦентрНейроинформатики(МКЦН ) был инициированВсемирнымНаучнымФорумом поОрганизацииЭкономического СотрудничестваРазвитиядляпомощи в продвиженииповторногоиспользования данныхи воспроизводимостиисследованиймозгазасчетразвитиямировыхстандартов,

лучшихпрактик, инструментовинфраструктуры. МКЦН и другиеорганизациитакоготипа могутпозиционироватьсялучшевсегов поддержкеобменаданными (также, какв вопросе выстраиваниялиниисотрудничествамежду научными, клиническими, техническими,

промышленнымии финансовымигруппами).

Другаяпотребность— совместноеиспользованиересурсов. Например, исследования

приматов(заисключениемчеловека) представляютвысокуюценностьдляопределения биологиизаболевания, новместестем, имеют высокуюстоимость занимаютмного времени, чтосвязаносэтическимвопросами.

Геннаяинженерияи генноемоделированиенарушенийработымозга намоделях нечеловекообразныхприматовмоглиизвлечьбольшуюпользуоткоординациипроведения исследованийнаоднихи техже экспериментальныхживотных. Созданиемеждународных центровсприматами, какнекогоконцентраторавниманиядлятакихсовместныхработ моглобы продвинутьданноенаправление.

ОБУЧЕНИЕ

В ответнабольшойпотокданныхразногомасштаба, и, сучетомособойсложности нейронныхцепей, в своюочередь, наделенныхмножествомцепейобратнойсвязи,

существуетнеобходимостьв расширенииролитеориии компьютерногомоделирования.

Вычислительнаяневрологияобеспечиваетнеобходимуюсвязьмеждунейробиологией инспирированнымимозгоминтеллектуальнымитехнологиями. Обсужденияв Сучжоу отметиливажностьвопросакасательноснащенияученыхновогопоколениязнаниямии инструментамив несколькихобластяхизучениямозга.

В частности, появилосьединодушноемнениекасательнотого, чтоанализи концептуализациябольшогонабораданныхотпроектовпоизучению мозга, потребуют определенныхспособностей, которые смогутлучшимобразоминтегрировать экспериментальнуюневрологиюсвычислительныманализом, моделированиеми теорией. «Гибридные» междисциплинарныепрограммыпополучениюстепени и учебныецентрыпо всемумирунеобходимыдляусиленияпроектовпоизучениюмозгав международном масштабе, т.к. онимогутпредложитьтеоретические, компьютерныеи экспериментальные курсы. Другойполезныймеханизмдляисследованияконкретныхэкспериментальных методовилиинструментованализа— поддержкадлительныхпрограмм пообмену студентамимежду совместнымиисследовательскимигруппами.

ФИНАНСИРОВАНИЕ

Даже в техстранах, гдепроектыпо изучениюмозгафункционируютуже сегодня,

устойчиваяподдержкаим негарантирована. Например, несмотрянато, чторабочаягруппа американскогопроекта«BRAIN Initiative» определилаконкретныепараметры, точнее консервативныерекомендациипобюджетунапоследующие12 лет, реальное финансированиетребуетежегодногодобренияКонгрессаи подвергаетсявлиянию краткосрочныхполитическихколебаний. В настоящиймоментвсепроектыпоизучению мозга, организованы, первуюочередь, насредстваисследовательскихгруппв рамках отдельныхстраниликонтинентов. Такимобразом, международнымколлаборациям необходимоподдержатьстратегиимеханизмыфинансированияинноваций.

Следовательно, поддержкачастными организациямиинвесторамможет стимулировать проектыпоисследованиюмозга. Например, Алленовскийинститутнауко мозге,

основанный10 летназад, произвелмножествонаборовданных(такихкакэкспрессия геновмышей и нейронныепроекциикарт) которыепринеслипользувсемирному нейробиологическомусообществу. Крометого, ФармацевтическийИсследовательский

КампусДжанелиянабазеМедицинскогоИнститутаГовардаХьюза, такжеоснованный10

летназад(специализируетсянаизучениипринциповобработкиинформациив нейронных сетяхи разработкиновыхинструментов), внесогромныйвкладв основаниепроектовпо исследованиюмозга. Фонд Саймоназапустилсовместныйпроект«ГлобальныйМозг» для исследованияпопуляционныхнейронныхданныхнаклеточномрешениии продвинутого статистическогом делирования, а Фонд Кавлиоказалподдержкунейробиологическим центрами первоначальномуобсуждениюпроектаU.S. BRAIN.

Стратегическиесотрудничества, капитализирующиеуникальныеэкспертныезнания относительнонебольшихисследовательскихгрупп— соднойстороны, и

высокопроизводительнаямощностьбольшихданныхотчастныхисследовательских институтов— сдругойстороны, смогутдостичьэпохальногопрогресса, возможноготолько присовместнойработе. Конечно, непрерывноеи эффективноевовлечение общественностимеетрешающее значениев созданиии сохранениподдержкипроектов,

изучающихмозг.

СЛЕДУЮЩИЕ ШАГИ

Наиболееважный итогобсужденийнаконференциив Сучжоу— единодушноесогласие энтузиазмпоповодутого, чтокоординациямногочисленныхпроектов, изучающихмозг,

необходимаи осуществима, даже есликонкретныемеханизмыреализацииеще только предстоитпроработать. В самомначалеустановленияпоследовательностигенома, ряд встреч, в томчисле— организованныхЛабораториейв Колд-Спринг-Харборе,

сформировалиосновуи международноесотрудничествоПроекта«ЧеловеческийГеном».

Успехэтогопроектакореннымобразомизменилбиологиюи медицинуи показал исключительновысокийуровеньрентабельностиинвестиций.

В отличиеотэтогопроектаи другойкрупномасштабнойнациональнойилимеждународной программепофизике(ЦЕРН , Европейскаяорганизацияпоядернымисследованиям) и

техническихпрограмм(космическиепрограммы), которыевсехарактеризуютсячетко определеннымицелямии стратегиями, особаяпроблемапроектовпоизучениюмозга заключаетсяв том, чтообщаяцельможет бытьдостигнутатолькопутемрешения большогонаборамногостороннихвзаимосвязанныхмежду собойпроблемв нескольких организмах(включаячеловека), причемвысокогоуровнямеждисциплинарныеподходы применяютсявомногихлабораторияхповсемумиру.

Существуетнесколькопрецедентовдлятакихкрупномасштабныхи весьмасложныхсфер научнойдеятельности. Мы предполагаем, чтодискуссии, начатыев Сучжоу, будут продолженыи набудущихвстречах— помереразвитиянациональныхпроектов,

изучающихмозг. Коллективныйуспехтакихпроектовбудетогромным: онприведетк болееполномупредставлениювнутреннейработычеловеческогомозга, зачастую рассматриваемогокакпоследнийрубежв научныхисследованиях; поможетлечить ужасающие расстройстваумственнойдеятельности, которыепредставляютосновную нагрузкудлянастоящегои будущегопоколений; позволитсоздатьподобныемозгу компьютерноеконструированиеинтеллектуальныетехнологии; зародитновыеотрасли промышленностии стимулируетновыеэкономическиесистемы; построит