Завършен е проектът на стойност 600 милиона евро за пресъздаване на човешкия мозък в компютър. Ето какво се получи

Human Brain Project приключва към края на месец септември 2023 г. след десет години работа. Nature анализира неговите постижения и проблемното му минало.

Необходими бяха 10 години, около 500 учени и приблизително 600 милиона евро и сега проектът „Човешки мозък“ – едно от най-амбициозните изследвания, финансирани някога от Европейския съюз – е към своя край. Неговата смела цел бе да се разбере функционирането на човешкия мозък чрез моделирането му на компютър.

От началото на проекта досега учените от проекта „Човешки мозък“ (Human Brain Project – HBP) са публикували хиляди статии и са постигнали значителен напредък в неврологията, като например създаването на подробни 3D карти на поне 200 области на мозъка, разработването на мозъчни импланти за лечение на слепота, използването на суперкомпютри за моделиране на функции като памет и съзнание и разработването на лечения за различни мозъчни заболявания.

„Когато проектът стартира, почти никой не вярваше в потенциала на големите данни и възможността да се използват те или суперкомпютрите за моделиране на сложното функциониране на мозъка“, казва Томас Скордас, заместник генерален директор на Европейската комисия в Брюксел.

Почти от самото начало обаче проектът HBP е критикуван. Проектът не постигна целта си за моделиране на целия човешки мозък – която много учени още от самото начало смятаха за пресилена. Според члена на HBP Ив Френяк, когнитивен учен и директор на научните изследвания във френската национална агенция за научни изследвания CNRS в Париж, проектът няколко пъти е променял посоката си и научните му резултати са били „фрагментарни и мозаечни“. Според него проектът не е успял да осигури цялостно или изчерпателно разбиране на мозъка.

„Тук не виждам мозък, а само парчета от мозъка“, казва Фрегнак.

Ръководителите на HBP се надяват да се доближат до това разбиране с помощта на създадената от проекта виртуална платформа EBRAINS. Тя представлява набор от инструменти и данни за визуализация, които учените от целия свят могат да използват за провеждане на симулации и цифрови експерименти.

„Днес разполагаме с всички инструменти, за да създадем истински цифров близнак на мозъка“, казва Виктор Жирса, невролог от френския университет Екс-Марсилия и член на борда на директорите на HBP.

Но финансирането на този филиал все още не е определено. И в един период от време, когато в другите страни се развиват грандиозни и скъпи проекти за изследване на мозъка, учените в Европа са разочаровани, че тяхната версия се отхвърля.

„Вероятно бяхме едни от първите, които стартираха тази вълна на интерес към мозъка“, казва Хорхе Мехиас, компютърен невролог от Амстердамския университет, който се присъедини към HBP през 2019 г. Сега, казва той, „всички бързат, дори нямаме време да спим“.

Спорното минало

От самото начало HBP предизвика спорове. Когато стартира през 2013 г., една от основните му цели бе да създаде инструментите и инфраструктурата, необходими за по-доброто разбиране на функцията и организацията на мозъка и неговите заболявания, наред с по-малки проекти в областта на фундаменталните и клиничните невронауки. Това бе една от двете дългосрочни научноизследователски програми, финансирани през тази година, които имаха за цел да стимулират промишлеността в Европа, а другата бе проект за проучване на потенциала на графена.

На HBP бяха обещани 1 млрд. евро (1,1 млрд. долара). В крайна сметка бяха получени 607 млн. евро, включително 406 млн. евро от ЕС, които бяха разпределени на четири етапа и предоставени на лабораториите, които се състезаваха за безвъзмездни средства във всеки един етап от работата.

Но още през първата година от функционирането си HBP се сблъска с проблеми. Основателят и бивш директор, неврологът Хенри Маркрам от Швейцарския федерален технологичен институт в Лозана (EPFL), твърди, че HBP ще може да реконструира и симулира човешкия мозък на клетъчно ниво в рамките на едно десетилетие. Твърденията на Маркрам предизвикаха силен скептицизъм от страна на невролозите. „Когато науката избере нова посока, естествено е да има спорове„, казва Маркрам.

Според Тимъти О’Лиъри, компютърен невролог от Университета в Кеймбридж, Великобритания, който не е участвал в проекта HBP, подобна висока цел може да е помогнала на проекта да продължи напред. „Малко вероятно е HBP да беше получил финансиране, ако не беше свързан с някаква абсурдно амбициозна цел„.

С течение на времето ръководството на Маркрам става все по-непопулярно. През 2014 г. той и още двама членове на изпълнителния комитет променят фокуса на проекта, като изключват от него изследванията в областта на когнитивната неврология и оставят проекта с мрежа от 18 лаборатории. Според Маркрам възникнали са разногласия относно финансирането на различните области. В отговор на това над 150 учени са подписали протестно писмо, в което призовават Европейската комисия да преразгледа целите на HBP за втория кръг на финансиране. В писмото се казва, че HBP е лошо управляван и отчасти е загубил пътя си в научно отношение.

„Стана ясно, че някои членове от общността на невронауките не са готови да се обединят под един покрив“, казва Маркрам.

ЕС сформира комитет от независими експерти, които да прегледат напредъка на проекта и да преразгледат научните му цели. Комитетът препоръча HBP да преразгледа и по-ясно да формулира научните си цели, а когнитивната и системната неврология да бъдат включени в основната програма. През февруари 2015 г. съветът на директорите на HBP реши да разпусне изпълнителния комитет от трима души и да го замени с по-голям съвет.

Тази ситуация накара някои учени да се отнасят предпазливо към проекта. „Този скептицизъм малко по малко се затвърждаваше„, казва Мехиас.

Междувременно в другите държави започват или се развиват големи проекти за изграждане на подобни центрове за изучаване и суздаване на симулации на човешкия мозък. САЩ и Япония стартираха мащабни и крупни проекти за симулиране на човешкия мозък приблизително по същото време като HBP: първият ще продължи до 2026 г., а вторият е с продължителност 15 години. Китайският мозъчен проект стартира през 2021 г., докато австралийският и южнокорейският проект вече навлязоха в седмата си година.

„Драмата“ на HBP не приключва с отстраняването на изпълнителния комитет. Между 2016 г. и 2020 г. имаше редица промени във висшите ешелони на ръководството на проекта. Междувременно науката започна да набира скорост. През 2016 г. фазата на развитие на проекта HBP доведе до стартирането на шест специализирани оперативни платформи, обхващащи области като моделиране на мозъка, високопроизводителни анализи и изчисления и невророботика.

Идеята беше тези шест области да бъдат интегрирани с течение на времето, но в началото „те бяха доста независими“, казва Катрин Амунтс, невролог в изследователския център в Юлих, Германия, и директор на изследванията на HBP. „Голям проект като HBP включва своеобразен процес на учене – не всичко работи перфектно от самото начало“, казва тя.

Успехите

Като изключим управлението, HBP натрупа редица важни и полезни научни данни. Чрез създаване и комбиниране на 3D карти на около 200 структури на мозъчната кора и по-дълбоките части на мозъка учените от HBP са създали „Атлас на човешкия мозък„, достъпен чрез системата EBRAINS. Атласът изобразява многостепенната организация на мозъка – от неговата клетъчна и молекулярна архитектура до функционалните му модули и свързаност.

„Атласът на човешкия мозък е нещо като Google Maps, само че за мозъка“, каза Амунтс на брифинг за пресата по време на срещата на върха на HBP 2023 през март.

Атласът използва данни от постмортални изследвания на мозъка, за да създаде стандартизирани карти, които отчитат естествените различия между хората. С помощта на атласа учените от HBP са идентифицирали шест неизвестни досега мозъчни области в префронталната кора, които участват в обработката на паметта, езика, вниманието и музиката. Освен това атласът свързва своите карти с данните за генната експресия, съдържащи се в Allen Human Brain Atlas – база данни, разработена от Института Allen за мозъчни науки в Сиатъл, Вашингтон, която описва невроните в целия мозък. Използвайки сдвоените атласи, изследователите разбраха как промените в генната експресия, свързани с депресията, са свързани със структурните и функционалните промени в една от областите на фронталния кортекс.

Изследователите от HBP разработиха и уникални алгоритми, които им позволяват да изграждат пълномащабни модели на мозъчните региони въз основа на микроскопични изображения. С помощта на този инструмент учените са създали подробна карта на областта СА1 на хипокампуса – област, важна за паметта. Картата съдържа около 5 милиона неврона и 40 милиарда синапса.

Някои от резултатите от изследванията на HBP са намерили приложение в клиничната практика: персонализирани модели на мозъка, или „цифрови близнаци“, са използвани за подобряване на лечението на епилепсията и болестта на Паркинсон. Цифровите близнаци са математически изображения на мозъка на човек, при които сканирането на индивида се комбинира с модела, обяснява Джирса.

През юни 2019 г. Джирса и колегите му стартират клинично изследване, наречено EPINOV, за да проверят дали цифровите модели, изградени на базата на данни от мозъчни сканирания, могат да помогнат за идентифициране на произхода на пристъпите и да подобрят успеваемостта на операциите при епилепсия.

Това е „нещо, което не бих могъл да направя извън EBRAINS“, казва Джирса.

Проучването EPINOV включва 356 участници от 11 френски болници. Джирса се надява, че образните данни от проучването ще бъдат предоставени на други изследователи чрез EBRAINS.

Първоначалният план на проекта HBP е бил да се разработят изчислителни системи, моделирани по образец на мозъка. Учените от HBP са допринесли за създаването на невронни мрежи, които могат да моделират големи системи, подобни на мозъка, или за да проверяват идеи за това как работи мозъкът, или за да контролират друго оборудване, като например роботи или смартфони.

Наследството от проекта

В края на септември финансирането на проекта ще бъде преустановено. Въпреки че някои от начинанията, възникнали в рамките на проекта, вече са получили безвъзмездни средства, за да продължат работата си, бъдещето на много от изследователите, които частично или изцяло са си сътрудничили с HBP, остава несигурно.

Учените вече използват платформата EBRAINS за изучаване на реакциите на мозъка чрез различни сложни симулации с помощта на суперкомпютър и за разработването на роботи, в които се имитира работата на човешкия мозък.

В същото време Европейската комисия се готви да обобщи резултатите. Окончателният преглед на проекта ще започне през ноември, а публикацията се очаква през януари 2024 г.

„Ако не искаме да преживеем еквивалента на „зимата на изкуствения интелект“ в световната неврология, трябва да я направим респектираща. Трябва да преценим дали подобна водеща инициатива е добра идея, или не“, казва Фрегнак, който от самото начало критикува този проект.

Но в крайна сметка този мегапроект създаде едно цяло общество от учени, които са фокусирани върху постигането на една обща цел – изучаването, моделиране и симулирането работата на човешкия мозък. Именно това е наследството от Human Brain Project, което задълго ще остане с нас.