Мозг на чипе

«Однако по аналогии с компьютером в мозге ничего похожего даже нет»

Как сейчас считывают информацию с нейронных сетей мозга? Как создать человека на чипе, и как обстоят дела с исследованиями памяти и мышления с физико-биологической точки зрения сегодня в России и в мире? Обо всем этом расскажет Алексей Сергеевич Пимашкин - кандидат физико-математических наук, руководитель отдела нейроинженерии университета Лобачевского Нижнего Новгорода. С Алексеем Сергеевичем Пимашкиным мы познакомились благодаря прошедшей пару недель назад выставке-конференции «Hi, future». Алексей Сергеевич приехал в наш город вместе с другими талантливыми молодыми учеными, а также со студентами, аспирантами и предпринимателями, чтобы показать достижения своих проектов и стартапов, рассказать о методах и разработках передовой науки. Нам удалось лично пообщаться с Алексеем Сергеевичем. Мы поговорили о его основном проекте и институте, о современных научных методах и о проблеме развития исследования нейронных сетей в России.

- Расскажите, пожалуйста, в общих чертах, чем вообще занимается Ваш институт?

Мы в университете давно занимаемся фундаментальными исследованиями понимания, как кодируется информация в мозге, как формируется память и как происходит обучение. Ведь все эти вещи они до сих пор не известны. То есть мы знаем, что в мозге у нас есть спайки и бегающие по ним электрические импульсы, но каким образом они кодируют информацию – до сих пор не известно. Однако самое интересное - это, конечно, память. Все думают, что она записана и хранится где-то в синаптических контактах между нейронами, но каким образом это реализовано в мозге – никому не известно. Мы, например, можем сделать микрочип для компьютера, в котором точно знаем, где расположить транзисторы, а между этими транзисторами есть определенные устройства, которые могут менять свое физическое положение, и так можно сделать память и обработку информации. Однако по аналогии с компьютером в мозге ничего похожего даже нет. В этом и состоит наша задача: понять, как сложные процессы памяти и обучения реализуются простыми нейронными системами Например, улитка, нервная система которой состоит всего из 300 нейронов, может обучаться: у неё может выработаться условный рефлекс и она может обрабатывать информацию о внешнем мире! Однако, как это происходит в улитке, до сих пор это почему-то никто не понял. Мы можем параллельно со всех органов чувств принимать большие потоки информации и параллельно, в отличие от обычного компьютера, их отрабатывать. А компьютер - он однозадачный. Чтобы это изучать мы можем использовать целое животное – мышь – «воткнуть» в неё электроды и смотреть на эти сигналы. Но в одной мышке 60 млрд нейронов, а у нас всего лишь пара десятков электродов, и таким образом мы мало что поймем. Однако есть и другой подход: взять слой первичных клеток эмбриона мыши и посадить их на специальное устройство, матрицу, на дне которой есть несколько десятков электродов, меряющих электрическую активность этих нейронов. Так мы можем вырастить искусственную однослойную нейронную сеть из нескольких тысяч нейронов и смотреть на ее электрическую активность. Т.е. там будут формироваться отслеживаемые электрические спайки, которые будут бегать от нейрона к нейрону. Это упрощенная модель того, как различные сложные процессы происходят у нас в мозге. На такой простой модели можно изучать базовые вещи: обработку информации, кодирование и т.д. Так же можно тестировать различные фармакологические вещества, которые должны лечить нейродегенеративные болезни: эпилепсия, болезнь Альцгеймера, различные ишемические заболевания и т.д. Ведь на этой матрице у нас все «под рукой», все под микроскопом, видно каждую клетку: простимулировав один нейрон, можно понять, по каким законам, с нарушениями ли, спайки от одного нейрона «бегут» к другим нейронам.

- А чего же вы добились уже сейчас? И каков ваш следующий шаг?

Мы можем взять и смоделировать не просто слой клеток нейронов, как делают во всем мире. Ведь на самом деле наш мозг очень структурирован, разные слои клеток у нас формируются, когда мы ещё находимся на стадии эмбриона. Т.е. слои клеток могут быть разных типов, и каждый тип связан определенными связями, по которым бегут электрические импульсы. Сейчас мы научились выращивать два слоя клеток и заставлять один слой нейронов растить отростки к другому слою клеток, но не в обратном направлении. Так что электрический импульс от одного слоя клеток всегда стремится к другому. Это и происходит у нас во время внутриутробного развития мозга. Т.е. мы научились уже формировать такие простые и элементарные, но необходимые вещи в мозге, как направленные связи и слои. Следующим этапом будет формирование чего-то минимально похожего на отдел мозга. Например, у нас есть гиппокамп, ответственный за кратковременную память. Т.е. можно смоделировать уже маленький отдел мозга и посмотреть, при каких связях или при какой химической активности и он работает, грубо говоря, хорошо или плохо. Например, чтобы понять, как лечить болезни памяти.

- Скажите, а как много лабораторий и институтов в мире занимаются подобными проектами при помощи этой технологии?

Наверное, примерно пять лабораторий именно такой технологией и занимаются. И более ста занимаются выращиванием нейронов на матрице.

- Вы сотрудничаете с кем-то?

Конечно. Да, мы даем международные совместные гранты с европейскими лабораториями Германии, Италии, Швеции…

- А именно по этому проекту?

По этому проекту мы планируем отправить запрос в Нидерланды.

- Т.е. все это вы сделали только в своем институте?

Да.

- Такой большой проект, наверное, объединяет большое количество ученых и специалистов, не так ли? Ведь, понятное дело, на практической части ваша работа не останавливается, далее анализ огромного количества данных…

Да, в нашей лаборатории есть и студенты, и аспиранты, и доктора наук различных дисциплин. Например, возвращаясь к вопросу, всем направлением анализа данных и остальной биоинформатикой и биоинженерией у нас занимаются и физики, и биологи. Можно сказать, здесь все подряд работают. Наша главная математическая задачка – построить математическую модель, отражающую все процессы, происходящие в нервной ткани мозга. Но если мы хотим такую модель, со всеми записанными на неё «бегающими» сигналами, то одного специалиста не достаточно. А когда у тебя есть модель, ты можешь пойти на завод и построить с её помощью чип, выполняющий все то же самое, что происходит и в нервной ткани. Это больше всего похоже на современное направление «человек на чипе». Берут больного, делают биопсию тканей, например, его кишечника, желудка – всех органов пищеварения. Далее высаживают все на специальный чип в маленькие камеры, соединенные микроканалами толщиной 5 мкм, и пускают специальную питательную жидкость, которая и соединяет все эти камеры. Точно так же, как и у нас, в пищеварительном тракте. Далее можно взять и на таком «человеке на чипе» проверить реакцию на какое-либо вещество Например, я – больной, и есть различные вещества, которые, возможно, вылечат мою болезнь. Но как это отразится на остальных органах? Проще всего сделать такой чип, пустить в него эти вещества. И потом под микроскопом смотреть на реакцию, как эти клетки будут реагировать. В будущем такие чипы упростят и ускорят и диагностику, и лечение. С ними будет гораздо проще тестировать различные вещества. Здесь такой же подход, но «Мозг на чипе» .То есть можно собрать отделы мозга и посмотреть, как они между собой взаимодействуют, когда мы добавляем разные фармакологические вещества, если хотим вылечить человека от каких-то заболеваний.

- Удивительно, что такой поразительный проект делается всего лишь в нескольких лабораториях мира, одну из которых Вы представляете здесь. Скажите, есть ли в России ещё лаборатории и институты с похожей задачей?

Такие вещи мы параллельно начали делать с Курчатовским институтом в Москве, но у них, к сожалению, не получилась эта работа. Ведь для работы с такими матрицами и клеточными технологиями нужна своя специфика, школа и опыт. Также есть похожий институт в Санкт-Петербурге, но там решаются немного другие задачи. А так… в этом плане остались мы одни.

#hifuture #Наука #нейробионика #мозг #медицина #интервью