«В ближайшие годы нас ждут большие открытия о работе мозга»

Нейробиолог Константин Анохин — о невероятном прогрессе последних лет

Reminder Editors
Oct 28, 2019 · 9 min read
Image for post
Image for post
Фото: Анна Теплова

Недавно Reminder провел конференцию Brain Talks, в которой о мозге и нейронауках говорили ученые и предприниматели. Знаменитый нейробиолог, директор Института перспективных исследований мозга МГУ имени М. В. Ломоносова Константин Анохин рассказал о важнейших достижениях нейробиологии последних лет, а предприниматель Станислав Никольский (Genotek, SciOne) задал ему свои вопросы. Вот расшифровка разговора.

Последние десятилетия произошла настоящая революция в методах исследования мозга. Мы знаем и можем в этой области то, что было совершенно немыслимо несколько десятилетий назад. Все крупнейшие страны создали свои национальные проекты в области исследования мозга, и это ведет к огромному росту данных в области изучения мозга. Однако половодье фактов пока не приводит к крупным обобщениям и решению неких принципиальных вопросов о том, как собственно мозг работает.

О революции в методах исследованиях

Image for post
Image for post

По оси «y» показано пространственное разрешение, которое колеблется от всего мозга до экстремных размеров и контактов между отдельными объектами. По оси «x» — временное разрешение, от миллисекунд до дней и месяцев. Каждый метод показан в рамках соответствующего разрешения. Вы видите, сколько методов появилось с 1988 года? Многие из них преодолели барьер способности видеть мозг на уровне работы его отдельных клеток.

Революция в молекулярной биологии произошла тогда, когда единицы информации были соотнесены с отдельными молекулами, генами, а не хромосомами. Так же и сегодняшняя революция в нейронауках связана с пониманием того, что мозг — это огромное сообщество клеток. Они разговаривают друг с другом, они информационная единица. У нас появились методы, которые позволяют в бодрствующем живом мозге со своими мыслями, намерениями, переживаниями видеть, как работают огромные популяции таких клеток. Вы можете видеть их в большем разрешении, их отростки, как они соединяются друг с другом. Мозг для нас стал в этом отношении в значительной степени прозрачным.

Этой прозрачности позволили добиться методы нейрофотоники, лазерной микроскопии, оптогенетики, которая соединяет оптические методы с методами молекулярной биологии. Все они были созданы в последние несколько лет. Метод оптогенетики, например, позволил вживить в мозг мыши специальные отводы. Каждый раз, когда мы включаем свет, это заставляет мышь вращаться против часовой стрелки. Таким образом, можно дистанционно управлять поведением этого животного, активируя отдельные клетки.

Image for post
Image for post

Вот пара статей, которые вышли летом этого года и в которых использовались такие методы. Мы можем, стимулируя найденные и помеченные нейроны, изменять внутренние образы, которые управляют поведением. Причем эффект достигается стимуляцией небольшого количества нейронов. В этой работе их всего 20. А в другой работе, использующей специальные алгоритмы, достаточно стимуляции всего двух нейронов для изменения поведения: чтобы мышь подумала, что она видит сигнал, который заставляет ее принять решение, идти вправо или влево. Два нейрона. Почему это важно? Потому что такие же вещи разрабатывают сейчас для человека.

Вы знаете, наверное, компанию Neurolink Илона Маска. Она занимается такими вещами. Там работают над имплантацией тысяч электродов, которые позволяют снимать сигналы, кодирующие в мозге мысли, намерения; это соединит мозг с интерфейсом машины. Ведутся эксперименты на обезьянах. Планируется делать это вначале на пациентах, а затем на здоровых людях.

Этим очень много занимаются и военные. Американское министерство обороны поставило задачу к 2021 году создать устройство, которые позволило бы регистрировать в мозге человека до 100 тысяч нейронов, и значительную часть из них контролировать с помощью тех или иных воздействий. Пока это невозможно себе представить, но на этот проект выделены семь грантов университетам.

Все эти невиданные возможности ведут к стремительному росту количества исследований. Это то, что привлекает молодежь в университетах. Как рассказывал мне один американский профессор, в 50-е годы, кто не знал какой предмет выбрать, приходил на физику. Потом так же было с молекулярной биологией. Сегодня так с нейронаукой. Джеймс Уотсон, получивший Нобелевскую премию за открытие структуры молекулы ДНК, еще в 1990 году сказал, что для XXI века мозг будет тем же, чем гены для XX века.

Рост числа данных

Image for post
Image for post

Это ежегодный съезд Общества нейронаук. В прошлом году там было 30 000 участников из 80 стран. Утром и вечером здесь идут лекции, симпозиумы, минисимпозиумы, наносимпозиумы. Каждый постер с исследованием занимает два метра. Если сложить все постеры, то получится 40 километров.

C 2009 года количество публикаций в нейронауках превышает число публикаций в физике и химии. С 2009 по 2013 годы опубликовано 1,79 млн научных статей. Это составляет 16% мировой научной продукции за этот период. Никто не способен обобщить эти данные, ни у одного ученого они не будут сходиться вместе.

Какие вопросы критические? Я считаю, что главный вопрос — это mind-brain question. Это цитата из работы Выготского о сути исторического кризиса философии. То же самое происходит сегодня. Мы до сих пор не знаем принципов работы разума и сознания. Мир разделен сейчас на два лагеря: те, кто воспринимает мозг и разум как нечто единое, и значительное большинство считает, что есть два мира, психический и физический. Как они соединены?

Нам нужна теория, которая, по сути, ответит на вопрос, какая часть нашего мозга наполняет наш разум сознанием. Это обычные клетки, но эти клетки способны увидеть, понимать и воспринимать сложнейшие концепции в окружающем мире. Это такие же клетки, как клетки печени, почки, сердца. Критический вопрос сегодня — это нейронный код мыши. Для того, чтобы его понять, нужна теория.

Я думаю, что наука о мозге в ближайшие годы приведет к большим открытиям, и это может быть передний фронт развития технологий. Когда-то это была география, потом физика, химия, открытие новых интеллектов, открытие тайн микромира, а сегодня это исследования мозга.

Вопросы задает Станислав Никольский,

инвестор Genotek, основатель научно-популярного канала SciOne

— Как вы оцениваете положения дел в сфере искусственного интеллекта? В каком направлении стоит ожидать прорыва?

— Сегодняшний искусственный интеллект, конечно же, не похож на человеческий. Мы имеем сегодня ряд решений, алгоритмов, которые с надеждой названы нейронными сетями, механизмами обучения машинного искусственного интеллекта. Это не похоже на работу человеческого мозга. В этом смысле, это тупиковая ветвь. И авторы этих решений говорят, что, возможно, надо начинать все сначала, возможно, пошли не по тому пути. Каким образом?

Первое — компьютеры работают последовательно. Мозги работают как синхроны: за счет специальных механизмов сетей, устроенных во всех нервных системах по схожим принципам, клетки, отвечающие за образ, мышление, распознавание, активируются вместе. Это не быстрые и последовательные операции. Совершенно другие принципы. Пока не будет создано новое железо, мы не создадим разум, сознание и интеллект такими, которыми обладает любая биологическая система, начиная от пчелы и кончая человеком.

Можно ли это сделать? Я считаю, что принципиально запретов нет, и, более того, это важно делать. Возможно, разработка нейроботного железа, которая ведется в разных крупных компаниях, и появляется в России — это подходящий путь. Это позволит имплементировать в эти системы с распределенной памятью, другой архитектурой связей, вещи гораздо более похожие на работу головного мозга.

Можно ли делать промежуточные шаги? Я думаю, можно. Cтремясь к этой задаче, можно очень сильно оптимизировать и совершенствовать и современные системы устройства интеллекта, пускай работающие не как головной мозг. Нужно ввести другие, известные нейрофизиологам и нейробиологам трюки и принципы работы огромных сетей, которые просто туда не были заложены. Надо понимать, что все эти ключевые, которые есть сегодня в искусственном интеллекте, заложены по аналогии с нервной системой, но это знания 50–80-летней давности.

— Есть ли какие-то вдохновляющие и воодушевляющие новости о борьбе с нейродегенеративными заболеваниями вроде Альцгеймера?

— Моя основная специальность — это фундаментальные механизмы памяти и их нарушения. Ситуация с нейродегенеративными заболеваниями не очень оптимистична. Давайте сравнивать: cколько исследований рака было сделано и сколько миллиардов в них было вложено? Мы так сильно и не продвинулись в области нейродегенеративных заболеваний. Решение будет тогда, когда будет понято, каким образом они возникают. Когда есть десятки гипотез, это означает, что нет ни одной хорошей. Пока мы не поймем причины их развития и возможности воздействия, все решения будут временные.

Но такие решения есть. В том числе и мы их разрабатываем. Есть способы существенно стимулировать память и у здоровых людей, и у больных. Но только в той ситуации, когда она совсем еще не разрушена. Если вы имеете дело с пациентом, у которого уже тяжелый этап Альцгеймера, очень сложно что-то сделать. Тем не менее сегодняшняя наука может отодвинуть момент развития заболевания, хоть и не может убрать его причину.

Есть одна очень интересная вещь, которую мы разрабатываем последние пятнадцать лет. У меня когда-то была совместная российско-британская лаборатория, которая в конце 90-х годов обнаружила, что маленький фрагмент бета-амилоидного пептида способен потрясающе усиливать память, если его вводить в организм. Я никогда не видел таких эффектов от других соединений. У мышей, которым вводят маленький пептид, развивается практически фотографическая память.

— Как вы оцениваете перспективы Neurolink Илона Маска?

— Я первым в 2003 году предложил такие подходы у нас в стране, чтобы делать инвазивные интерфейсы, как делает Neurolink. Знаю команду, которая там работает. Оценить, думаю, надо следующим образом.

Вещь, которую они сделали — это шаг вперед, она одна из многих разработок, которая сейчас существует и делается другими людьми. Это существенный шаг, но не более. Там огромное количество подводных камней. Насколько эти микроволны, которые там используются, приживутся, не будет ли воспалений, сколько они лет могут просуществовать в мозге? Чтобы все это сделать необходим большой труд.

Но с другой стороны, Маск привлек к этому гораздо большее внимание, чем было у этих исследований на протяжении энного количества лет. Это прогресс. Если человечество сталкивается с какой-то проблемой, оно рано или поздно ее решает. Найдутся другие способы вживления, решения проблем отторжения, совместимости.

DARPA (Управление перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США. — Reminder) объявило очень интересный конкурс. Оно призвало специалистов в области нейрофизиологии, физики, астрономии, биологии, нанотехнологий разработать подходы, чтобы регистрировать активность отдельных нейронов головного мозга бодрствующего человека неинвазивным способом. Пока немыслимо, мы не понимаем таких физических принципов, что должно быть таким инструментом. Но я разговаривал с одним из ученых, который проходил собеседование в Darpa, и он мне рассказал, что ему задали два вопроса. Первый: как вы видите перспективы в своей области через 25 лет? Он рассказал. Второй вопрос: теперь расскажите, как это можно сделать за 3 года?

Вопросы гостей конференции

— Вы говорили о том, что сейчас технологии позволяют рассмотреть связи между активными нейронами. Можно ли сейчас отследить, что чтение книги или изучение языка помогло вырастить конкретную нейронную сеть в мозгу?

— Нельзя, потому что методы визуализации человека имеют сегодня пространственное разрешение около миллиметра. В миллиметре может быть от 50 до 100 тысяч нейронов. Что при этом важно? Что у вас нейронные соединения принадлежат к разным сетям. Один нейрон работает с теми и с теми, с целым облаком в других частях.

Тем не менее перспективы есть. Есть методы статистического анализа данных фМРТ, которые, несмотря на отсутствие точечного разрешения, позволяют картировать понятия и концепции, когда человек слышит 1000 слов или рассматривает десятки и сотни видео. Становится ясно, что разные участки все-таки специализированны, несмотря на гетерогенность.

Например, концепция молотка лежит у вас здесь, здесь и здесь. И когда вы думаете «молоток», эти области вместе работают. Одна из них отвечает за действия, вторая — за вид молотка. На этом построены технологии, которые получили название brainreading. Они позволяют читать, по сути дела, мысли. Хотя «читать» — это неправильное слово. Вы должны знать ряд концептов, которые есть у человека. И когда система снимает активность головного мозга, она может идентифицировать, что из набора этих концептов человек обдумывает.

— Вы сказали, искусственный интеллект, возможно, сейчас на тупиковой ветви развития, текущего железа недостаточно. Мой вопрос — недостаточно для чего?

— Это зависит от того, какую задачу вы хотите решать. Одна из моих любимых моделей, с которой мы многие десятилетия работаем, это поведение цыплят. Ему достаточно несколько раз клюнуть бусинку, приклеенную к полу, как он понимает, что они несъедобны, в отличие от разбросанного корма. Ему не нужны десятки, тысячи примеров. Как мозг цыпленка делает это? Он моментально категоризует большое количество предметов. Значит, возможны такие подходы. И это можно делать в существующих системах искусственных нейронных сетей. Но у этих сетей нет свойств ни разума, ни интеллекта, который вырабатывается эволюцией.

Зачем то эволюция придумала разум, психику? Они были очень эффективны в условиях быстрой адаптации к меняющимся условиям, в условиях пластичного переноса навыков из одной области в другую, в условиях огромной ассоциативности, когда решение задачи можно искать в своем опыте. Этих свойств мы пока не видим. И для того, чтобы создать их, нужна другая физическая основа. Это не ускорение тактовых частот и быстрых последовательных вычислений. Мозг работает по-другому.

— Ждет ли нас на обозримом будущем — 20–30 лет — разделение общества на людей, которые прокачали свой мозг и тело с помощью новых технологий, и тех, у кого нет на это денег?

— Будущее очень сложно. Все так стремительно развивается, что никто из экспертов пять лет назад не мог сказать, что будет происходить сейчас. Вещи, которые стали возможны сейчас, несколько лет назад казались невозможными. Например, идентификация мыслей, чтение намерений, чтение зрительного восприятия — когда по активности нейронов мозга, вы можете прочитать слово, которое видит сетчатка этого животного или человека. Что же делать? Во всех мировых программах исследования мозга, начиная от американской и европейской и кончая австралийской и израильской, сейчас приняты специальные секции по нейроэтике. Это абсолютно необходимо.

Reminder

Здоровье, сознание, мир.

Medium is an open platform where 170 million readers come to find insightful and dynamic thinking. Here, expert and undiscovered voices alike dive into the heart of any topic and bring new ideas to the surface. Learn more

Follow the writers, publications, and topics that matter to you, and you’ll see them on your homepage and in your inbox. Explore

If you have a story to tell, knowledge to share, or a perspective to offer — welcome home. It’s easy and free to post your thinking on any topic. Write on Medium

Get the Medium app

A button that says 'Download on the App Store', and if clicked it will lead you to the iOS App store
A button that says 'Get it on, Google Play', and if clicked it will lead you to the Google Play store