Полет в неизвестное
В июне 1985 года Артур Тога был в отличном настроении. Он завершал отпуск с женой в Европе, его Дебби была на седьмом месяце, и в сентябре они ждали ребенка. После трех недель, проведенных в Париже и на Греческих островах им было пора возвращаться домой. Молодой доцент медицинской школы Университета Джорджа Вашингтона не мог тогда знать, чем обернется для него и его семьи отмена прямого рейса в Нью-Йорк. Не попав на него, Тога успел взять последние билеты на самолет, летевший из Каира в Рим с посадкой в Афинах — билеты на рейс TWA 847. После того как самолет взлетел с афинского аэродрома, со своих мест поднялись два человека. Тога не сразу понял, что «боинг» захвачен террористами. Захватчики потребовали освобождения нескольких сотен пленных мусульман-шиитов и вывода израильских войск из Ливана. Самолет направили в Бейрут. После заправки на ливанском аэродроме — в Алжир. Затем снова в Бейрут. И так три дня плененный «боинг» метался над морем. Все это время Тога думал только о жене и возликовал, когда её выпустили вместе с группой заложников в Алжире, в обмен на топливо. Но самому ему пришлось пройти этот путь до конца. Он остался среди тех, кого еще две недели держали в Бейруте. За это время Тога прощался с жизнью несколько раз. Террористы избивали пассажиров и играли ими в русскую рулетку: спускали крючок револьвера с одним патроном в барабане, направив ствол на кого-нибудь из заложников. Последние 39 пленников жили в бейрутской лачуге с крысами и тараканами. Надежда таяла. А когда её уже не осталось, заложников освободили. Три года спустя про теракт сняли фильм, а научившийся ценить жизнь Тога переосмыслил свое призвание. Он невролог, сражается с болезнями мозга, спасает жизни. Но многих ли он успеет спасти? Мы всё еще слишком мало знаем о мозге. Пожалуй, он спасет и продлит больше жизней, если поможет неврологам — добыв новые знания. Тога стал изучать методы обработки данных, перешел в Калифорнийский университет и возглавил там лабораторию визуализации. Он решил, что ученые должны видеть мелкие детали, чтобы понимать, как мозг работает и как угасает. Для этого им нужны карты, снимки мозга: с патологиями и без, молодых и старых, женщин и мужчин. По ним можно будет найти те отличия, что связаны с болезнью. И чем больше снимков, тем надежнее будут выводы. Так Артур Тога стал одним из пионеров «больших данных» в нейронауке. Сегодня он директор Института нейровизуализации и информатики в Университете Южной Калифорнии (USC). На серверах института хранится крупнейший в мире архив сканов мозга. Снимки магнитно-резонансной томографии (МРТ) и позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) занимают почти пять тысяч терабайт — столько бы заняли 50 миллионов фильмов в разрешении 4К. Любой ученый может подать заявку и получить доступ к коллекции. «Наша цель — поделиться богатством, богатством данных, — говорит Тога, — Чем больше умов исследует эти данные, тем лучше для всех нас». В этом году Тога прилетал в Москву на конференцию в Высшую школу экономики. Вместе с ним был Чарльз Лю, профессор неврологической хирургии и биомедицинской инженерии в Университете Южной Калифорнии, один из лучших нейрохирургов США. Два года назад в университете успешно вживили парализованному человеку электродную матрицу в заднюю теменную область коры, где, как полагают, рождаются двигательные намерения. После операции пациент смог заставить руку-протез взять предмет. Причём сделал это буквально — пожелав: с мелкой моторикой рука уже справлялась сама, не требуя мысленных команд типа «вперед-влево-вправо». Операцию по вживлению матрицы делал Лю. — Как хирург я могу и не выяснять, какой участок мозга за что отвечает, — говорит хирург, — это не моя забота. Но на практике выходит, что знать функции важно. Ведь люди разные, и мозг каждого человека все время меняется. Поэтому я здесь, вместе с учеными. Мы пытаемся превратить медицинскую проблему в инженерную. Я инженер по первой специальности, так что считаю себя нейроинженером. А карты мозга подсказывают нам, где искать. В Россию американцев привез академик РАН Владимир Зельман. Он работает в США с 1975 года, руководит отделением анестезиологии и реаниматологии Университета Южной Калифорнии. Зельман живет идеей наладить научные связи между США и Россией и открыть лабораторию с участием Сколтеха, НИУ ВШЭ и USC. Там будут изучать развитие мозга, его пластичность, искать пути ранней диагностики и лечения болезней, испытывать интерфейсы мозг-компьютер. «Я на этом не зарабатываю, пусть и трачу много сил, — признается Зельман, — Но если мы объединим усилия, выиграют все». Россия уж точно выиграет. В стране пока мало мест, где мозг изучают на таком уровне. На фоне бурного роста исследований в остальном мире — слишком мало. В 2013 году в США объявили инициативу BRAIN с бюджетом 4.5 млрд долл. на двенадцать лет. За эти деньги ученые и инженеры создадут новые инструменты для изучения мозга. А общие расходы на нейронауку Национальныхи нститутов здравоохранения США (NIH) — 5.7 млрд долл. ежегодно. Есть и частные проекты, такие как Институт мозга, детище миллиардера Пола Аллена, сооснователя Microsoft. В том же 2013 году Европейский Союз запустил Human Brain Project, большой научный проект по изучению и моделированию мозга. Он рассчитан на десять лет и стоит свыше миллиарда евро. Следом японцы объявили о старте Brain/MINDS, проекта картирования мозга мартышки и поиска генетических маркеров нервных болезней. А год назад включился Китай: в рамках China Brain Project ученые хотят найти в мозге «фабрику мыслей» и связать её с машиной. Программа исследований расписана аж до 2030 года. Артур Тога рассказывает о достижениях своего института, но в его голосе звучит нотка печали. Да, наука совсем недавно не умела разглядеть в мозге то, что может видеть сегодня. Но область неизвестного все еще велика. Тога смотрит на мозг как на континуальное множество объектов и событий, от нанометрового масштаба до метрового, от взаимодействий молекул, занимающих мгновение — до психики, где изменения длятся годами. Он говорит, что пока мы видим отдельные части этого континуума в отдельные моменты времени, имеем дело лишь с обрывками единой картины жизни мозга. — Молекулярные события, благодаря которым вы сможете запомнить мои слова, длятся от пикосекунд до десятилетий. А наша способность наблюдать эти процессы в мозге очень ограничена. Мы делаем снимки, которые отражают события в миллисекундном масштабе, и не умеем делать их быстрее. Нам нужны стратегии вычислений, чтобы измерения в миллисекундах связать с поведением, которое мы наблюдаем спустя минуты, часы или даже годы. Учёный признается, что изучение мозга все больше напоминает изучение математики. Данные слишком сложны и разнообразны, и связи между ними можно найти лишь с помощью вычислений. — Я хочу, чтобы вы ощутили, насколько наши умения все еще примитивны. Мы по-прежнему не можем измерить этот континуум в нужных диапазонах времени и пространства. Поэтому нам неизбежно придется придумать новые инструменты и модели для работы с данными, чтобы собрать воедино разные типы наблюдений. Тога ничуть не преувеличивает, когда говорит о континуальной мощности проблемы, и когда сравнивает исследования мозга с математическими исследованиями. С приходом эры мощных компьютеров и машинного обучения нейронаука изменилась. Она отчасти повторяет путь биоинформатики, которая «взошла» на том, что начала «кормить» компьютерные алгоритмы оцифрованными генетическими данными. И получила на выходе новое знание об эволюции генов и связи генов с болезнями. Но биоинформатика имеет дело с одномерными цепочками букв генетического «алфавита». Со снимками мозга все намного сложнее. Так что нейронауке понадобятся приемы похитрее. И вот уже математики и программисты приходят в лаборатории: работать в связке с неврологами, искать способ зачерпнуть из континуума неврологических данных как можно больше. Параллельно идет поиск новых инструментов сбора данных и новых методов их обработки. И совсем не случайно в Москве, куда приехали Тога с Лю, обсуждали картирование мозга. Такие карты что координатная сетка, с ней легче ориентироваться в структуре мозга. На сетку можно наложить слои данных: об электрической активности клеток, движении крови по сосудам, экспрессии генов и так далее. Если создать карту со множеством слоев, мы сразу на нескольких уровнях увидим, как мозг учится, вспоминает или заболевает. Мы найдем связи между ними. Но — совместить уровни не так просто. — То, что мы видим на электроэнцефалограмме, — говорит Лю — воспроизводится хуже по сравнению с тем, что мы видим на МРТ. Причина в разных интервалах времени. Если мы сделаем снимки дорожного движения Москвы и потом сделаем по этим данным усредненную картину движения за неделю, то все недели будут похожи. Это — аналог МРТ. Но трафик в час пик, в выходной день или ночью отличается от среднего. Так и активность мозга в один краткий миг может сильно не совпадать с активностью в другой. Мы не изолированы от окружающего мира, мы каждую секунду его воспринимаем, о чем-то думаем. И это влияет на реальную, не усредненную, активность клеток. Она никогда не повторяется в точности. И все же карты строят, преодолевая трудности; архивы Тоги и других исследователей мозга растут. Появляются проекты, такие как ENIGMA, где на огромной базе снимков и данных исследуют предрасположенность мозга к разным заболеваниям. Другой такой проект, ABCD (Adolescent Brain Cognitive Development), будет десять лет следить за тем, как развивается мозг десяти тысяч подростков по мере их взросления. Новые инструменты и знания нужны, прежде всего, чтобы победить заболевания нервной системы: депрессию, болезни Альцгеймера и Паркинсона. Они почти не лечатся, причиняют людям тяжкие страдания, а нагрузка на общество с каждым годом растет. В США на разные виды деменций потратят $ 259 млрд в этом году и свыше триллиона долларов в 2050-м, если лекарства так и не найдут. И если смертность от заболеваний сердца с двухтысячного года упала на 14%, то смертность от болезни Альцгеймера, наоборот — повысилась почти вдвое, на 89%. Сегодня каждые 66 секунд болезнь Альцгеймера приходит к одному из граждан США. Эта болезнь забрала у Артура Тога бабушку, затем тетю, потом мать. — Я как невролог знал, какая стадия за какой следует, но ты никогда не готов к такому. Люди уходят в себя, обрывают общение и перестают взаимодействовать с миром. Они буквально прекращают жить. Ты даже не успеваешь с ними попрощаться. Там уже нет личности. Его мать пала духом за годы до того, как ей поставили диагноз. Тога считает, она была в смятении, пытаясь скрыть то, чего не замечали члены семьи: ее падающие когнитивные способности. Болезнь начинает атаку задолго до того, как проявит себя явно. Люди перестают заниматься тем, что им всегда нравилось, например, выпекать десерт в честь Дня благодарения или возиться по весне с газонокосилкой. Они сами не знают, почему. Это психика просто удерживает их от занятий, с которыми они уже не могут справиться. Бороться с таким врагом тяжело — если ты его заметил, уже поздно. Тога основал сеть «Глобальная ассоциация Альцгеймера», первую платформу с открытым доступом. Там собраны данные более чем 366 000 пациентов и ученые могут найти себе данные для глубокого изучения. Ни одна лаборатория мира не справится с дегенеративным заболеванием в одиночку. Только совместные усилия будут двигать познание вперед. Потому и множатся глобальные проекты и совместные исследования по изучению мозга. — Я считаю, что для науки нет границ, — признается профессор Зельман. — И мои коллеги американцы думают так же. Потому они здесь. Знания важнее политических трений. В начале следующего года наши ученые полетят в Университет Южной Калифорнии. Этот полет — один
