Исследователи до сих пор ломают голову над тем, как работает человеческий мозг – он остается наименее изученным органом в нашем теле. И, как бы парадоксально это ни звучало, специалисты пытаются создать его самостоятельно – в «пробирке», чтобы лучше понять устройство этой системы.
Так, ученые из Нижнего Новгорода уже около 15 лет выращивают искусственные мозговые ткани. По каким принципам работает эта технология, о чем думает искусственный мозг и сможет ли он заменить человеческий, порталу наука.рф рассказала директор института фундаментальной медицины Приволжского исследовательского медицинского университета (ПИМУ), профессор кафедры нейротехнологий Нижегородского государственного университета им. Лобачевского (ННГУ) Ирина Мухина.
Матрица для нейронов
Еще в 2010 году на базе двух нижегородских вузов – ПИМУ и ННГУ им. Лобачевского – Ирина Мухина вместе с другими учеными начала выращивать культуры мозговых тканей на матрицах. На тот момент это были клетки мозга мыши.
«Мы выращивали клетки мозга в «пробирке», как многие говорили. Однако это не совсем пробирка – это чип. У него на дне располагались электроды, которые снимали активность от той культуры, которую мы выращивали», – рассказала Ирина Мухина.
Сегодня по подобной технологии университет воссоздает ткани уже человеческого мозга. Сначала эти культуры были двухмерными, теперь речь идет уже о трехмерных моделях. Причем в них есть не только нейроны, но и все необходимые элементы для их работы: клетки нейроглии, микроглии и макроглии. По словам эксперта, единственное, чего системе сейчас не хватает – это кровеносных сосудов, которые обеспечивали бы питательными веществами выращенные клетки мозга. Из-за этого и размер культуры нейронных тканей пока совсем невелик – не превышает нескольких сантиметров.
«Сейчас искусственный мозг – это фантастика. Это обусловлено тем, что просто не существует современных технических подходов, чтобы обеспечить те клетки, которые мы выращиваем, достаточным кровоснабжением», – отметила эксперт.
Нейроны-долгожители
Мозговая ткань в искусственной среде может существовать не так долго. В лаборатории Ирины Мухиной нейроны-рекордсмены человека жили около девяти месяцев. Дольше работали мышиные мозговые клетки – за ними ученые наблюдали порядка двух лет.
Однако это не предел для нейронов. Ирина Мухина объяснила, что они могут жить несколько тысяч лет, но для этого необходимо хорошее кровоснабжение. Кровеносная система в целом остается камнем преткновения в таких исследованиях – без нее нейроны не могут долго существовать. Ведь даже в организме человека мозговые ткани не могут работать «на износ».
«Кровоснабжение нарушается в пожилом возрасте. Это приводит к ишемическим и гипоксическим осложнениям работы самих клеток мозга. Появляется старческая деменция, невозможность запомнить материал и многие другие проблемы», – рассказала спикер.
Однако, по мнению эксперта, уже в ближайшие пять лет микрофлюидные технологии позволят снабжать искусственные ткани питанием – это будет эффективнее, чем технологии, которые сейчас используются в нейробиологии. Кроме того, уже существуют разработки по выращиванию искусственной кровеносной системы. Вопрос лишь в том, как правильно интегрировать ее с другими созданными в лаборатории тканями.
Конечно, пока о морфологических особенностях наподобие отделов и долей в искусственном мозге речи не идет. Но, как отмечает собеседница, если проблему с кровоснабжением удастся решить, то в будущем можно будет выращивать и полноценный искусственный мозг из органоидов – трехмерных клеточных структур.
О чем говорит искусственный мозг
Как работает наш мозг? Мы думаем, анализируем. У нас есть глаза, уши, нос – мы видим, слышим и чувствуем запахи. Мозг же обрабатывает все эти ощущения и на их основе строит свои умозаключения об окружающем мире. В случае с искусственной тканью все намного сложнее. Она не имеет ни глаз, ни ушей, ни каких-либо других сенсоров. Как же понять, что она «чувствует», о чем «думает»?
«Основным продуктом, который мозг перерабатывает, является потенциал действия, или спайк. Чтобы «слышать» искусственный мозг, нам важно понимать последовательность этих спайков, их чередование и их длительность», – рассказала Ирина Мухина.
Читать эти спайки ученые уже научились, в том числе и на уровне целостного мозга. Но не стоит думать, что в таком случае следить за мозгом в «пробирке» – это пустая трата времени. Эксперт объяснила, что нейронные сети состоят из множества структур. При этом в них миллиарды клеток, в то время как в искусственной культуре – всего около 20 тыс. Проследить за нейронными сигналами в голове довольно тяжело, а вот в искусственных культурах все они находятся под контролем.
И в лаборатории ученые учатся «говорить» с искусственной тканью. Нейронные культуры «откликаются» на изменения условий, в которых они живут: смену температуры, содержания кислорода, углекислого газа, субстрата глюкозы.
«Если мы изменим метаболическую стабильность культуры, она ответит нам – изменит свой паттерн активности. Она расскажет, хорошо ей или плохо. Если ей что-то понравится, она сделает ответ более богатым, увеличится количество сигналов, они начнут поступать чаще – мы увидим более красивый паттерн активности. Если же культуру «губить», она начинает откликаться хуже: ее активность снизится», – объяснила эксперт.
Однако пока ученые могут работать только с нейронным откликом – анализировать паттерн с помощью математического анализа. Но сказать, о чем «думает» клеточная культура и что конкретно она «чувствует», пока нельзя. «Заставить искусственные нейронные ткани переживать эмоции – это тоже что-то на грани фантастики. Тем более мы еще не знакомы с тем, как мы сами строим эти эмоции», – добавила физиолог.
Кто умнее?
Зачем же выращивать нейроны? Дело в том, что исследования помогают как бы заглянуть внутрь мозга: посмотреть, по каким законам работает нейронная сеть. В будущем эти технологии позволят создать нейроморфный интеллект, который работает по принципам действия человеческого мозга. Его можно применять для решения разных задач: от математических вычислений до постановки медицинских диагнозов.
Однако эксперт отметила, что машина часто проигрывает мозгу. Конечно, она научилась решать часть задач, которые раньше брал на себя человек. Но ей для работы нужен мощный процессор, много энергии и дополнительных ресурсов.
«Машина не может заменить человека. Дело в том, что человек порождает ее, а не наоборот. И она должна рассматриваться как помощник. Но как нам сделать так, чтобы эти искусственные системы работали так же хорошо, как наш мозг? Мы должны его изучить. Выращивание искусственных тканей – это попытка изучить более детально – на клеточно-молекулярном уровне – как устроен мозг, который выдает серьезные заключения быстро, четко и при этом работает с фантазией», – рассказала эксперт.
Она также добавила, что, когда мы пробуем соединять мозг и машинный интерфейс, мы учимся управлять нашим сознанием и превращать его в паттерны, которые можно заложить в электронную систему. По сути, чтение мыслей, передвижение предметов с помощью нейронных сигналов – это уже вполне реализуемые идеи. Чтобы их осуществить, достаточно соединить электронику и живую ткань.
Нейроны-подкидыши
К числу ключевых сфер, где может пригодиться выращивание мозговых культур, относятся биология и медицина. Сегодня многие ткани в организме уже научились замещать, но в случае с мозгом технологии еще далеки от совершенства. Впервые подобная операция была проведена в 1998 году в Питтсбурге. Но несмотря на то, что с тех пор прошло уже четверть века, поставить операции по трансплантации искусственно выращенной мозговой ткани «на поток» все еще нельзя.
Ирина Мухина объяснила, что сегодня технологии генной инженерии позволяют вырастить клетки мозга, аналогичные клеткам конкретного человека. Они помещаются в специальные матриксы, которые можно пересаживать в мозг.
«В физиологии существует понятие ниши – это окружение тканей тела, благодаря которому орган принимает к себе «подкидыша», чужеродный элемент, и буквально воспитывает его. Эта ниша заставляет его работать в том направлении, в котором она сама функционирует», – добавила она.
Это применимо пока лишь для замещения небольших участков органа. Пересадить же полноценный мозг в черепную коробку, соединить его с черепно-мозговыми нервами, продолговатым мозгом и со спинным пока не выйдет.
Разработки ученых будут использоваться также для синхронизации имплантов с мозгом. Благодаря этому они будут работать как реальные конечности – ими можно будет управлять, просто представив то или иное действие. «Например, если человек хочет что-то взять, ему достаточно подумать об этом – и имплант заработает. Улучшение работы между живой тканью и электроникой – это одна из задач в лабораториях, где умеют выращивать ткани», – объяснила физиолог.
Технологии позволят также проводить тестирование лекарственных препаратов на искусственной ткани, причем даже на клетках конкретного человека. Это позволит подбирать наиболее эффективное лечение для каждого пациента.
Вопрос о том, можно ли вырастить искусственный мозг и будет ли он думать, как реальный, остается открытым. Но пусть пока подобное кажется чем-то фантастическим, а при мысли об этих технологиях вспоминается история о голове профессора Доуэля, важно помнить: в науке все фантастичное рано или поздно становится реальностью…
Полина Казакова
