У Бобби Кастури (Bobby Kasthuri) есть проблема. Стремясь максимально глубоко понять, что делает нас людьми, он собирается создать полную карту человеческого мозга, где каждый нейрон будет соединён с остальными. Проблема Кастури в том, что нейронных связей больше, чем звёзд в Млечном Пути. Только одна миллионная часть мозга содержит информации больше, чем Библиотека Конгресса США (Library of Congress). Такая карта мозга, если будет создана, станет уникальным самым большим в истории мира набором данных, когда либо собранных о каком-либо предмете.
Создание такой карты кажется задачей, которая будет решена только через поколение или два. Но, возможно, на самом деле, это случится уже через три года.
Кастури, невролог из Аргоннской национальной лаборатории (Argonne National Laboratory), — один из многих учёных, которые будут использовать в исследованиях новый суперкомпьютер, работа над которым сейчас ведётся в лаборатории и будет закончена к 2021-му году. Компьютер, названный Аврора 21 (Aurora 21), будет способен выполнять один квинтиллион операций, то есть, миллиард миллиардов расчётов, одновременно. Это поставит его на один уровень с вычислительной мощностью человеческого мозга. Для США, с 2013-го года отстающих от Китая в ускоряющейся суперкомпьютерной гонке, эта веха — достижение эксафлопсной мощности — и символ национального статуса, и научный фактор, меняющий «правила игры».
Требования к компьютерам для моделирования мозга огромны, и создание такого компьютера как Аврора 21 — это масштабное начинание. Готовый компьютер, по оценкам, будет стоить сотни миллионов долларов и займёт площадь порядка четверти акра (~1 000 квадратных метров), будет иметь тысячи миль проводки и потреблять электроэнергии как средний город.
Компьютер Аврора 21 спроектирован не только для задачи моделирования мозга. Он сможет выполнять вычислительно сложные симуляции для разнообразных задач, таких как прогнозирование погоды, отслеживание развития космоса и содействие пониманию того, какое воздействие на человека могут оказать новые медицинские препараты.
«Каждая веха в развитии суперкомпьютеров открывает новые возможности для исследований», — говорит Рик Стивенс (Rick Stevens), заместитель директора Аргоннской национальной лаборатории по вычислительной технике, окружающей среде и наукам о жизни (Computing, Environment and Life Sciences, CELS). Эта конкретная веха открывает особые перспективы именно для нейронауки. Суперкомпьютер, способный симулировать процессы в мозге, поможет пролить свет на тайны процессов, лежащих в основе обучения, поведения и даже психических расстройств.
По словам Микелы Тауфер (Michela Taufer), профессора высокопроизводительных вычислений в Университете Теннесси, Ноксвилл (University of Tennessee, Knoxville), возможности таких прорывов ускоряют эту «гонку вооружений». Но у победителя в этой гонке не обязательно будет самый большой компьютер, он не получит все медали. «Мера успеха — это то, какие возможности для науки вы открываете».
Картирование мозга
В начале карьеры Кастури был поражён тем, что плодовые мушки вылупляются из кокона уже полностью подготовленными к жизни, они сразу умеют летать, в то время как дети людей рождаются абсолютно беспомощными, они могут умереть от голода, если их никто не будет кормить. Он знал, что эта беспомощность и годы, которые мы тратим на функциональное развитие, должны быть ключевыми для объяснения того, что делает нас людьми.
«Рождение беспомощным — это такая плата за то, что мы способны научиться чему угодно», — говорит Кастури. Человек рождается как чистый лист, его 100 миллиардов нейронов, не связанные изначально, в течение жизни упорядочиваются и перестраиваются, создавая наш «вычислительный процессор».
Но никто до конца не понимает, как именно работает наш процессор-мозг. Но такое понимание хочет получить Кастури, задаваясь задачей смоделировать мозг на уровне нейронов.
С помощью Авроры 21 он сможет объединить миллионы двумерных изображений, воссоздавая мозг в трёх измерениях — по существу создавая карту, известную как коннекто́м. Во многом это похоже на карту города. «Эта карта улиц в городе покажет, какие потоки транспорта там есть, как он устроен в динамике», — говорит Кастури. Она покажет, в каких частях больше движения, как разные части связаны между собой.
Суперкомпьютер с производительностью порядка одного эксафлопса, возможно, станет первой машиной, способной в быстром темпе перемолоть такой большой объём данных, что такие учёные как Кастури смогут оперировать несколькими моделями мозга одновременно. «Мы, конечно, не остановимся на моделировании одного мозга», — говорит Кастури. Самые интересные характеристики будут найдены в сравнении — как коннектомы разных людей отличаются друг от друга? Как они отличаются у взрослых и детей?
Кастури даже надеется сравнить человеческий мозг с мозгом осьминога. Наш последний общий предок, вероятно, был каким-то червеобразным существом, жившим 600 миллионов лет назад, и значит осьминог, способный к обучению и решению проблем подобно людям, развивался независимо от человека. Кастури волнует, какие есть структурные сходства между мозгами двух видов, и что эти принципы говорят нам про мышление и обучение. «Существует ли один единственный сценарий появления мозга, который умеет решать задачи, или их несколько?» — хочет знать Кастури.
Без помощи компьютера, человек не сможет ответить на этот вопрос. Это как одновременно смотреть на развязку дорог в Нью-Йорке, схему метро, авиалинии и судоходные трассы, и пытаться понять, куда идут разные люди. К счастью, для высокопроизводительного компьютера это посильная задача. Стивенс, который работал над проектированием «Авроры 21» с 2007-го года, шутит, что это помогает суперкомпьютерам не скучать, просматривая миллионы изображений. «Нам нужен тип мозга талантливого идиота, чтобы понять реальный мозг», — говорит он.
За пределами структурной карты
Создание структурной карты — это лишь часть задачи. Кастури говорит, что, имея карту улиц, нельзя узнать, где происходит само движение и почему. Аналогично, моделирование структуры мозга является лишь отправной точкой.
Кастури надеется совместить структурную карту мозга с картой электрической активности, над которой работают его коллеги. Это карта «движения в городе», и вместе эти две карты помогут увидеть более детально процессы обучения и поведения человека.
В случае успеха эта технология может помочь в развитии медицины. Сьюзи Хуан (Susie Huang), радиолог из Массачусетской больницы общего профиля (Massachusetts General Hospital) и исследователь проекта «Коннектом человека» (Human Connectome Project), говорит, что многие нарушения, такие как аутизм и шизофрения, скорее всего, связаны с аномалиями в структуре нейронов.
«Многое в диагностике сводится к использованию микроскопа для подтверждения изменения клеток и факта болезни», — говорит она. Но МРТ и другие современные методы визуализации мозга слишком грубы и неточны. Они не могут связать причины со следствиями.
Она считает, что мелко детализированная карта мозга может изменить ситуацию и помочь врачам диагностировать или даже предсказывать психические расстройства.
Изменяющееся поле исследований
Для других нейробиологов, например для Рафаэля Юсте (Rafael Yuste) из Колумбийского университета (Columbia University), самой захватывающей частью является не сама карта, а то, как Национальная лаборатория нейронауки может изменить направление нейронауки в целом. «Нейронаука работает как семейная лавка», — говорит он. Маленькие лаборатории работают в рамках своих бюджетов, они ограничены тем, какие инструменты они могут использовать и изобрести на эти деньги. Но совсем недавно нейронаука начала перерастать эту модель.
Кастури считает, что она постепенно превратилась в поле использования больших данных — «а мы и не предполагали подобного пять или десять лет назад».
Другие области проходили через такие же этапы. Физика пережила аналогичную фазу десятилетия назад, когда исследователи всего мира начали получать данные из многочисленных обсерваторий и ускорителей заряженных частиц. Сейчас Юсте и Кастури верят, что нейронаука также должна стать масштабнее.
«Аврора 21» поможет ускорить этот переход. Подобное происходило и в других областях, например в физике дороговизна оборудования мотивировала учёных работать по очереди на одном приборе, позволяя, таким образом, всем, а не только богатым лабораториям, совершать открытия. В процессе такой совместной работы прогресс двигается быстрее, чем когда сотни независимых учёных работают по отдельности на своих аппаратах. Юсте надеется, что мы переживаем начало более сплочённой и амбициозной нейронауки.
Юсте возглавлял команду, впервые предложившую карту мозговой активности летом 2011-го года на совещании, посвящённом будущему направления. Он тогда высказался, что Святой Грааль нейронауки — это прочитать «нейронный код», то есть, детектировать активность каждого нейрона в мозге и сопоставить её с поведением. Это был проект, независимый от проекта коннектома Кастури, но сопоставимый по своим масштабам. «Многие были настроены критически, — вспоминает Юсте. — Они говорили, что мы пытаемся делать невозможное».
Он рассказывает, что в какой-то момент на совещании Джордж Чёрч (George Church), один из пионеров проекта «Геном человека» (The Human Genome Project), встал со стула и сказал, что уже слышал подобную критику раньше. Люди говорили то же самое о проекте «Геном человека», но они ошибались. И после, со слов Юсте, разговор потёк в другое русло.
Чёрч скромнее, чем Юсте, говорит о своём значении в проекте. «Я не из тех, кто выламывает руки, — говорит Чёрч. — Я многое довожу до конца, но если меня никто не поддерживает, я поджимаю хвост». Но он рассказывает, что тогда был пойман момент. Технологии, азарт и амбиции — все сошлось в одной точке.
Юсте и Чёрч поддержали идею, ставшую в конечном итоге многомиллиардным проектом периода президентства Обамы BRAIN Initiative. Этот проект финансирует исследования, направленные на понимание работы мозга. Работа Юсте и Кастури по картированию мозга — это всего лишь два «невозможных» проекта, которым дала толчок эта инициатива.
«Это не совсем точная метафора, но я часто вспоминаю о полете на Луну», — говорит Кастури. На момент первой посадки в 1969-м году средний возраст учёного из НАСА был всего лишь 28 лет, и о том, как этот вызов завораживал поколение учёных.
Кастури не уверен, как именно будет развиваться его проект. «Возможно, меня постигнет неудача, — с улыбкой говорит он. — Это кажется грандиозным и монументальным, но многое из всего этого не сработает. Это всего лишь стремление сделать что-то невероятно тяжёлое». Но он вдохновлён тем, что у него есть цель, захватывающая воображение.
Для Тауфер, учёной в сфере высокопроизводительных вычислений, такие суперкомпьютеры как «Аврора 21» открывают двери для нереальных возможностей: тестирования лекарственных средств, инфраструктуры и даже оружия — без затрат, опасностей и этических проблем, сдерживающих реальные эксперименты.
Тауфер подчёркивает, что помимо этих грандиозных возможностей такие приложения будут работать в нашей повседневной жизни, решая задачи от прогнозирования погоды до оценки безопасности стареющих мостов и борьбы с распространёнными заболеваниями, такими как болезнь Альцгеймера.
Несмотря на жёсткую конкуренцию между США и Китаем, в конечном счёте суперкомпьютерная эра выше стран и проектов, говорит Тауфер. Более важно, насколько разнообразной станет наука. «Я смотрю на этот компьютер, и вижу ключ к решению многих проблем».