Обратный инжиниринг мозга

Рик Дэмс для Forbes

В комнатке за черной занавеской находится титан-сапфировый лазер, нацеленный на очень и очень необычный объект: крошечную стеклянную панель длиной в полсантиметра, имплантированную в череп живой мыши. Если все пойдет по плану, лазер загорится на ту долю секунды, когда мышь пробежит по белому крутящемуся шару и посмотрит на экран компьютера. Из-за особого красящего вещества определенные мозговые клетки светятся зеленым цветом, если мышь их использует, а камеры, определяющие отдельные фотоны, позволяют тут же получить их изображение.

Смысл всей этой технологии в стиле «Звездного пути» не мог бы быть более глубоким. Благодаря мельчайшему кусочку материала нервные импульсы от глаз грызуна трансформируются в связанное действие. И если ученые смогли бы разгадать этот процесс, появилось бы первое правдивое окно в то, как мозг млекопитающего воспринимает мир.

Пласт жизни: Исследователь держит часть человеческого мозга, который использовался при создании алленовского Атласа головного мозга

Есть и второй плюс. Эта хитроумная штука вызывает широкую улыбку (а это достаточно редкое явление) на лице Пола Аллена, 59-летнего соучредителя Microsoft. Аллен вложил $500 млн в Алленовский институт по изучению головного мозга – манхэттенский проект, который, как он надеется, затмит его заслуги в компьютерной сфере. Институт расположился в трех зданиях в престижном пригороде Сиэтла Фремонте. Основная его деятельность – это создание оборудования вроде «мышиного» лазера. Технически это новый вид микроскопа, который позволит ученым наконец понять, как же в мягком, мясистом веществе внутри человеческого черепа зарождается удивительная и загадочная сила разума.

«Я бывший программист, и мне, в конце концов, просто любопытно узнать, как работает мозг, как происходит этот поток информации», – рассказал Аллен Forbes. Это одно из его редких интервью. Мы сидим в конференц-холле, под окном которого простирается оживленный судоходный канал. 

«Изучая нейробиологию даже в незначительной степени, вы понимаете: все связано», – добавляет Аллен. 

Мозг скапливает абсолютно все сведения – все, что видит, слышит, жарко сейчас или холодно, события прошлого. Используя все это, он пытается вычислить, каковы должны быть дальнейшие действия живого существа – будь то мышь или человек. 

Мозг самого Аллена, полный любопытства и научных амбиций, утяжеляется еще вопросами смерти и хрупкости сознания в целом – воп­росами, с которыми предпринимателю пришлось столкнуться не так давно. В июне от болезни Альцгеймера умерла его мать Фэй Аллен, школьная учительница, привившая ему любовь к чтению и знаниям.

«Ты смотришь на любимого человека… – начав, Аллен замолкает, затем продолжает вновь: – И видишь, как его личность и все, что делало его человеком, ускользает. И ничего не можешь с этим поделать». Сам Аллен поборол неходжкинскую лимфому четвертой степени – смертельный рак крови, сейчас в ремиссии. В настоящий момент бизнесмен выглядит цветущим и энергичным, наше интервью перемежается звонками по поводу его спортивных команд и наследства.

Результатом его первого вложения в Алленовский институт в $100 млн стала гигантская компьютеризированная карта, показывающая, как гены работают в мышином мозге. Это устройство уже по достоинству оценили ученые, работающие над проблемами рассеянного склероза и расстройств памяти и питания. Еще $100 млн пошли на создание подобной карты человеческого головного мозга – уже появились новые теории относительно того, как работает мозг человека, а также карты развития головного и спинного мозга мыши. Эти разработки Аллена приобрели огромную важность в мире нейробиологии. 

Аллен – 20-й самый богатый человек Америки, его состояние оценивается в $15 млрд. Недавно он выделил еще $300 млн и нанял нескольких светил нейробиологии для проектов, которые в перспективе выведут его институт за рамки просто производителя оборудования для других ученых. Одна из задач – попытаться с помощью зрительной коры мышиного мозга понять, как работают нервные клетки мозга в целом. Другие проекты направлены на то, чтобы изолировать все виды клеток в мозге и, используя стволовые клетки, разобраться в процессе их развития. Ученые предполагают, что может быть около 1000 таких базовых блоков, но сказать точно пока невозможно. «В программном обес­печении мы называем это явление обратным инжинирингом», – говорит собеседник.

Готовность Аллена финансировать эти проекты принесла ему немало почитателей. «Пол для меня – настоящий герой, – с восторгом заявляет Дэвид Андерсон, профессор университета Калтех. Именно он первым предложил идею «мышиной» карты. – Он внес в науку совершенно особый вклад. Очень немногие филантропы могут похвастаться этим. От него требуется верить в науку и следовать за своей любознательностью». 

Однако нет гарантий, что его новые великие планы вообще увенчаются успехом.

«Первый этап их вложений сработал на 100%», – считает Сусуму Тонегава, профессор Массачусетского технологического института, который провел глубокое исследование в области головного мозга и в 1987 году был удостоен Нобелевской премии. Но сможет ли индустриальный подход Аллена разгадать тайну того, как в мозге появляется сознание? «Это одна из величайших загадок в исследовании головного мозга, – говорит он. – Я не знаю, сработает наш план или нет». 

Вопрос здоровья определял карьеру Аллена последние 30 лет. Он покинул Microsoft в 1982 году, после лимфомы, и уже никогда не возвращался. Билл Гейтс сделает Microsoft одной из самых культовых компаний ХХ века, а Аллен, чьи акции будут бешено расти, потратит миллиарды на различные проекты. Были и спортивные команды (баскетбольная «Портленд Трейл Блейзерс» и футбольная «Морские ястребы Сиэтла»), и компании кабельного ТВ (Charter Communications, на которой он потерял $8 млрд), и исследовательские лаборатории (коммерческая Interval Research закрылась в 2000 году).

Был даже первый частный полет в космос в поисках внеземной жизни! Еще Аллен обожает электрогитары и в честь своего друга Джимми Хендрикса построил Музей музыки. Конструировал музей знаменитый Гери. Была, наконец, одна из самых больших яхт в мире, великолепная 300-футовая Tatoosh, c шестифутовым затемненным бассейном и французским известняковым камином в салоне.

Аллен начал подумывать о крупном проекте в сфере неврологии в конце 1990-х, когда совершал потоки инвестиций в биотехнологические компании Сиэтла. Одна из них, Rosetta Inpharmatics, работала в сфере генетики и явилась своеобразным предшественником атласа мышиного мозга. Ее гендиректор и исследователь рака Стивен Френд помнит их долгие беседы об «александрийской библиотеке» данных о головном мозге. Он познакомил Аллена с Джеймсом Уотсоном, получившим Нобелевскую премию за открытие структуры ДНК. 

Именно Уотсон заставил бизнесмена мыслить шире. «Открой институт вроде Рокфеллеровского в Нью-Йорке или Института Сэлка в Сан-Диего и собери там лучшие умы нейробиологии», – сказал он. Проект потребовал бы $1 млрд, да и печальный опыт закрытия Interval Research, потерпевшей крах из-за переизбытка ученых, сосредоточенных при этом на собственных проектах, не внушал энтузиазма. Аллен отказался. Однако его вдохновила разгадка человеческого генома – яркий пример в пользу науки промышленного масштаба, и он захотел участвовать в подобном проекте.

Пол Аллен хочет создать микроскоп, который позволит понять, как в мозге зарождается сила разума

«Я человек, у которого действительно была возможность создать что-то, что мощно подтолкнет прогресс ученых со всего света», – признается собеседник.

Он решил устроить настоящий мозговой штурм и организовал три встречи, на которые пригласил самых выдающихся ученых. Одна была организована в Сиэтле, две – на роскошной яхте Tatoosh. Среди гостей был, конечно, Уотсон, а также маститый нейробиолог Ричард Аксель и Леланд Хартвел – оба обладатели Нобелевской премии. Все ученые предлагали идеи, близкие их собственным интересам. Психолог и лингвист Стивен Пинкер выступил за открытие института, который изучал бы как нейробиологию, так и поведение человека. Остальные хотели сосредоточиться на экспериментах над организмами вроде приматов или червей С.elegans.

Но победило предложение Андерсона, нейробиолога и генетика из Калтеха: создать карту мышиного мозга и показать на ней, как работают гены. В каждой клетке мыши – или, если на то пошло, человека – содержится 20 тыс. генов. Клетка сердца от клетки мозга отличается только тем, как используются эти гены. Процесс использования генетического кода можно сравнить с компьютером, читающим жесткий диск. Чтобы использовать генетический код, клеткам нужно перенести его из ДНК в молекулы РНК. Мировая наука уже взялась за определение различных уровней РНК. Установление того, какие части мышиного мозга какие гены используют, могло бы оказаться крайне полезным. 

«Все ученые согласились, что проект стоящий, – заявил Аллен, – хотя у каждого было свое видение стратегии. Лично меня привлекло то, что ничего подобного еще не было сделано. Между тем это возможно осуществить и создать базу данных для всего мира, не оставив более загадок в нейробиологии. В Microsoft Аллен создал программы, позволяющие другим писать программное обеспечение. В этот раз он делает то же самое – трудится над «ключом», на этот раз для нейробиологов. 

Мать Аллена, которая так горячо любила книги, что когда ее попросили назвать 100 любимых писателей, смогла сократить список лишь до 165, в одночасье превратилась из мас­тера по кроссвордам в человека, не помнящего, что он сказал минуту назад. В 2003 году у нее нашли болезнь Альцгеймера. «Удар в самое сердце» – так тогда написал Аллен. Вскоре, с первого вложения в $100 млн, начал жизнь Алленовский институт исследования головного мозга. 

Некоторые филантропы направляют деньги в строительство и инфраструктуру. Некоторые – напрямую бедным. Аллен же вкладывает их в талант. На начальном этапе атласа мышиного мозга он нанял Аллана Джонса, уже работавшего до этого в генетическом стартапе Rosetta. Скоро он возглавил весь институт.

Джонс не стал нанимать именитых профессионалов. Вместо этого он собрал группу из 60 молодых ученых-магистрантов или находящихся в перерыве между наукой и промышленностью. Как проходит исследование? Специальные аппараты замораживают и разрезают мышиный мозг. Ученые погружают каждый тонкий пласт мозга в раствор, красящий клетки, содержащие определенную последовательность РНК. На одной части мозга можно наблюдать только один ген, а мозг делится на шесть частей, следовательно, для создания атласа потребовалось 4000 мышей. Атлас находится в свободном доступе в интернете с 2004 года, но окончательно работа над ним была завершена в декабре 2006 года. В финальной версии атласа 85 млн изображений на 250 тыс. частях мозга. Это 600 терабайт данных – половина всей информации, содержавшейся в интернете на 2003 год.

Атлас стал стандартным инструментом для нейробиологов как в научном, так и в промышленном мире. В 2006 году ученые вне института использовали атлас, чтобы найти гены, которые отвечают за память, предрасположенность к рассеянному склерозу и нарушениям питания. Хусейни К. Манжи, глава неврологических исследований и развития в Johnson & Johnson, рассказал, что его ученые используют эксклюзивные данные атласа при выборе проектов. Эд Бойден, специалист Массачусетского технологического института, таким же образом решает, какие проводить эксперименты. А одна из работ «мышиной» лаборатории даже стала самой популярной в США в своей области. 

Вне лаборатории для Аллена нас­тупила черная полоса. В 2008 году из-за аритмии ему пришлось сделать операцию по замене сердечного клапана. Месяц спустя у него нашли жидкость в легком – потребовалась еще одна операция. Когда жидкость появилась и во втором легком, врачи обнаружили застарелую лимфому, которая быстро распространялась. Свои мемуары под названием «Человек идеи» (Idea man) Аллен диктовал, превозмогая страшную усталость после химиотерапии. Тогда же дошла до банкротства одна из компаний, которую он спонсировал, кабельная Charter Communications.

На этом безрадостном фоне расцветающий институт стал настоящей отрадой. Аллен с удовольствием засыпал ученых вопросами и строил планы на будущее. Учитывая успех Атласа мышиного мозга, он вложил $100 млн в более рискованное мероприятие – создание Атласа человеческого мозга, который в 3 тыс. раз больше и в котором в тысячу раз больше клеток.

Пришлось переоборудовать все инструменты для работы с мозгом. Но куда важнее, что достать человеческий мозг далеко не просто. Для создания атласа требовалось менее 10 образцов (вместо 1000), но взятых у людей, которые умерли в расцвете сил с мозгом, не поврежденным травмой или болезнью. Четыре года спустя были пожертвованы шесть образцов мозга, четыре из них исследованы. Проект планируется завершить в этом году, но первые изображения, доступные онлайн с 2010 года, уже приносят плоды науке. Примечательно, что процесс считывания гена с первых двух мозгов в атласе, опубликованный в авторитетном журнале Nature, отличается совсем немного. Это дает основания надеяться, что ученые все же разберутся в этой сложнейшей области.

Как это могло бы работать? Брэдли Войтек, молодой нейробиолог из Калифорнийского университета в Сан-Франциско, при помощи программного обеспечения и атласа обнаружил, что ученые, изучающие серотонин (нейромедиатор, концентрацию которого в мозге повышают «Прозак» и «Золофт»), упустили из виду химические элементы некоторых частей мозга. А это, возможно, играет роль в возникновении мигрени. Такой подход, основанный на информации, дал 800 новых предположений о работе головного мозга. Теперь ученые могут их проверить. Быть может, расшифровать самый мощный компьютер – в нашей голове – реально именно путем расчетов и вычислений. 

«Разбираться в том, как работает мозг, – то же самое, что средневековому кузнецу пытаться переконструировать самолет, – говорит Аллен. – Ты не просто не знаешь, как крыло крепится к салону или от чего работает мотор, ты не можешь понять даже, что воздух, обтекающий крылья, выталкивает самолет наверх».

Технология на основе закона Мура куда легче нейробиологии, признается он. «Мозг работает абсолютно не так, как компьютер, – продолжает Аллен. – Компьютер – это очень упорядоченная структура. Очень постоянная. В нем есть память и есть маленький элемент, вычисляющий биты памяти, сочетающий их друг с другом и запоминающий их. Это все очень просто. Теоретически любой человек может научиться программированию. Я делал это в старших классах школы. И я, и Билл Гейтс, и наши друзья. Чтобы начать, нам потребовалось несколько месяцев, еще несколько лет – чтобы узнать о нем все, что только возможно». В человеческом же мозге, созданном самой эволюцией, каждая микроскопическая деталь сильно отличается от другой микроскопической детали. «Он чрезвычайно сложный, – увлеченно говорит Аллен. – Чтобы его понять, потребуются десятки и десятки лет исследований. Придется завоевать множество Нобелевских премий, прежде чем мы сделаем это». 

Однако масштабы задачи Аллена вовсе не пугают. За последние три месяца он нанял трех ведущих нейробиологов страны – и утроил численность сотрудников, доведя ее до 200, с планами еще удвоить ее в дальнейшем и переехать в новое, большее здание. «Друзья сочли меня сумасшедшим, когда я собрался покинуть безопасное лоно академических исследований, – со смехом рассказал Кристоф Кох из Калтеха, бывший физик с татуировкой – логотипом Apple на руке. – Однако по-другому выполнить задуманное невозможно». Существует еще 10 тыс. нейробиологических лабораторий, но никто не замахивается на такие высоты. «У нас есть стратегия на 10 лет. Мы собираемся сделать кое-что, чего в университете не осуществишь», – говорит Кох.

Клэй Рид, покинувший постоянную работу в Гарварде, изучает зрительную кору мозга мыши. «У меня большие планы. И выполнить все это можно только здесь», – говорит он. В проекте, прозванном Mindscope («Разумоскоп»), используются инструменты наподобие лазерного микроскопа, о котором мы рассказали в самом начале. Цель – построить компьютерную модель зрения мыши. Колумбийский нейробиолог Рикардо Долметч взял перерыв в Стэнфорде, чтобы бросить вызов необычной задаче: с помощью стволовых клеток разобраться, из чего состоит мозг. «Вы бы доверяли механику, который не знает, сколько частей в автомобиле?» – ехидно спрашивает Кох. Кстати, с машиной он сравнивает и таблетки от депрессии и шизофрении. Использовать их – то же самое, что лить масло на крышу машины: авось попадет и в мотор, считает он. 

Традиционная наука напоминает ранние дни программного обеспечения – сотни, тысячи ученых работают сами по себе, соревнуясь при этом друг с другом. И так работают даже в крупных лабораториях вроде Солка и Рокфеллера. Индустриализированный подход Аллена исследователи называют «большой наукой». Противников у него немало. «За всю свою карьеру я не видел худшего финансового состояния у нейробиологии, чем сейчас, – заявляет ученый Нью-Йоркского университета Тони Мовшон. – Я считаю, что лучший способ получить креативные идеи – работать в маленьких коллективах». 

Технологию расшифровки ДНК пока не удалось поставить на коммерческие рельсы в полной мере. Возможно, в этом сыграл роль и проект человеческого генома, так вдохновивший Аллена в самом начале, – он установил абсолютную монополию в сфере оборудования для таких исследований. Все машины поставляет одна компания – Applied Biosciences. Революция в генетике произойдет только тогда, когда на рынок выйдут новые и более дешевые игроки. 

«В этой области совершенно необходимо придерживаться определенных стандартов. Нужно работать систематично и в больших масштабах, – уверенно заявляет Аллан Джонс, исполнительный директор Алленовского института. – Маленькие лаборатории не годятся для такой работы». Он подчеркивает, что в физике совместная работа над одним большим проектом – это стандартная практика. Яркий пример – суперколлайдер CERN. Ведь, в конце концов, разгадка тайн разума требует не меньше совместных усилий, чем разгадка тайн Вселенной. 

Аллен также настроен оптимистично: «Мы увидим результаты нашей работы уже через несколько лет». Его $300-миллионные инвестиции сделаны с прицелом на пять лет, но для миллиардера и его команды пять-десять лет – слишком ничтожный срок. Они мыслят десятилетиями вперед. Бизнесмен говорит, что прекрасно себя чувствует и рак отступил. Он собирается и дальше вкладывать деньги в институт и даже решил, что финансирование продолжится после его смерти: «Крупная часть моего состояния предназначена для будущих исследований в этой области». 

Фото: PAUL MORIGI/GETTY IMAGES; FREDERICK BROWN/GETTY IMAGES; RAMIN TALAIE/BLOOMBERG; TONY AVELAR/BLOOMBERG