18.12.2017

Зачем неврологам большие данные

В июне 1985 года Артур Тога был в отличном настроении. Он завершал отпуск с женой в Европе, его Дебби была на седьмом месяце, и в сентябре они ждали ребенка. После трех недель, проведенных в Париже и на греческих островах, им было пора возвращаться домой. Молодой доцент медицинской школы Университета Джорджа Вашингтона не мог тогда знать, чем обернется для него и его семьи отмена прямого рейса в Нью-Йорк. Не попав на него, Тога успел взять последние билеты на рейс TWA 847, летевший из Каира в Рим с посадкой в Афинах.

После того как самолет взлетел с афинского аэродрома, со своих мест поднялись два человека. Тога не сразу понял, что боинг захвачен террористами. Захватчики потребовали освобождения нескольких сотен пленных мусульман-шиитов и вывода израильских войск из Ливана. Самолет направили в Бейрут. После заправки на ливанском аэродроме — в Алжир. Затем снова в Бейрут. И так три дня плененный боинг метался над морем. Все это время Тога думал только о жене и возликовал, когда ее выпустили вместе с группой заложников в Алжире, в обмен на топливо. Но самому ему пришлось пройти этот путь до конца. Он остался среди тех, кого еще две недели держали в Бейруте.

За это время Тога прощался с жизнью несколько раз. Террористы избивали пассажиров и играли в русскую рулетку — спускали крючок револьвера с одним патроном в барабане, направив ствол на кого-нибудь из заложников. Последние 39 пленников жили в бейрутской лачуге с крысами и тараканами. Надежда таяла. А когда ее уже не осталось, заложников освободили.

Три года спустя про теракт сняли фильм, а научившийся ценить жизнь Тога переосмыслил свое призвание. Он невролог, сражается с болезнями мозга, спасает жизни. Но многих ли он успеет спасти? Мы все еще слишком мало знаем о мозге. Пожалуй, он спасет и продлит больше жизней, если поможет неврологам, добыв новые знания.

Тога стал изучать методы обработки данных, перешел в Калифорнийский университет и возглавил там лабораторию визуализации. Он решил, что ученые должны видеть мелкие детали, чтобы понимать, как мозг работает и как угасает. Для этого им нужны карты, снимки мозга — с патологиями и без, молодых и старых, женщин и мужчин. По ним можно будет найти те отличия, что связаны с болезнью. И чем больше снимков, тем надежнее будут выводы. Так Артур Тога стал одним из пионеров «больших данных» в нейронауке.

Сегодня он директор Института нейровизуализации и информатики в Университете Южной Калифорнии (USC). На серверах института хранится крупнейший в мире архив сканов мозга. Снимки магнитно-резонансной томографии (МРТ) и позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) занимают почти пять тысяч терабайт — столько бы заняли 50 миллионов фильмов в разрешении 4К. Любой ученый может подать заявку и получить доступ к коллекции. «Наша цель — поделиться богатством данных, — говорит Тога. — Чем больше умов исследует эти данные, тем лучше для всех нас».

***

В этом году Тога прилетал в Москву на конференцию в Высшую школу экономики. Вместе с ним был Чарльз Лю, профессор неврологической хирургии и биомедицинской инженерии в Университете Южной Калифорнии, один из лучших нейрохирургов США. Два года назад в университете успешно вживили парализованному человеку электродную матрицу в заднюю теменную область коры, где, как полагают, рождаются двигательные намерения. После операции пациент смог усилием воли заставить руку-протез взять предмет. Причем буквально: с мелкой моторикой рука уже справлялась сама, не требуя мысленных команд типа «вперед-влево-вправо». Операцию по вживлению матрицы делал Лю.

— Как хирург я могу и не выяснять, какой участок мозга за что отвечает, — говорит хирург, — это не моя забота. Но на практике выходит, что знать функции важно. Ведь люди разные, и мозг каждого человека все время меняется. Поэтому я здесь, вместе с учеными. Мы пытаемся превратить медицинскую проблему в инженерную. Я инженер по первой специальности, так что считаю себя нейроинженером. А карты мозга подсказывают нам, где искать.

В Россию американцев привез академик РАН Владимир Зельман. Он работает в США с 1975 года, руководит отделением анестезиологии и реаниматологии Университета Южной Калифорнии. Зельман живет идеей наладить научные связи между США и Россией и открыть лабораторию с участием Сколтеха, НИУ ВШЭ и USC. Там будут изучать развитие мозга, его пластичность, искать пути ранней диагностики и лечения болезней, испытывать интерфейсы мозг-компьютер. «Я на этом не зарабатываю, пусть и трачу много сил, — признается Зельман. — Но если мы объединим усилия, выиграют все». Россия уж точно выиграет. В стране пока мало мест, где мозг изучают на таком уровне. На фоне бурного роста исследований в остальном мире — слишком мало. В 2013 году в США объявили инициативу BRAIN с бюджетом 4,5 млрд долл. на двенадцать лет. За эти деньги ученые и инженеры создадут новые инструменты для изучения мозга. А общие расходы на нейронауку Национальных институтов здравоохранения США (NIH) — 5,7 млрд долл. ежегодно. Есть и частные проекты, такие как Институт мозга, детище миллиардера Пола Аллена, сооснователя Microsoft.

В том же 2013 году Европейский союз запустил Human Brain Project, большой научный проект по изучению и моделированию мозга. Он рассчитан на десять лет и стоит свыше миллиарда евро. Следом японцы объявили о старте Brain/MINDS, проекта картирования мозга мартышки и поиска генетических маркеров нервных болезней. А год назад включился Китай: в рамках China Brain Project ученые хотят найти в мозге «фабрику мыслей» и связать ее с машиной. Программа исследований расписана аж до 2030 года.

***

Артур Тога рассказывает о достижениях своего института, но в его голосе звучит нотка печали. Да, наука совсем недавно не умела разглядеть в мозге то, что может видеть сегодня. Но область неизвестного все еще велика. Тога смотрит на мозг как на континуальное множество объектов и событий, от нанометрового масштаба до метрового, от взаимодействий молекул, занимающих мгновение, до психики, где изменения длятся годами. Он говорит, что пока мы видим отдельные части этого континуума в отдельные моменты времени, имеем дело лишь с обрывками единой картины жизни мозга.

— Молекулярные события, благодаря которым вы сможете запомнить мои слова, длятся от пикосекунд до десятилетий. А наша способность наблюдать эти процессы в мозге очень ограничена. Мы делаем снимки, которые отражают события в миллисекундном масштабе, и не умеем делать их быстрее. Нам нужны стратегии вычислений, чтобы измерения в миллисекундах связать с поведением, которое мы наблюдаем спустя минуты, часы или даже годы.

Ученый признается, что изучение мозга все больше напоминает изучение математики. Данные слишком сложны и разнообразны, и связи между ними можно найти лишь с помощью вычислений.

— Я хочу, чтобы вы ощутили, насколько наши умения все еще примитивны. Мы по-прежнему не можем измерить этот континуум в нужных диапазонах времени и пространства. Поэтому нам неизбежно придется придумать новые инструменты и модели для работы с данными, чтобы собрать воедино разные типы наблюдений.

***

Тога ничуть не преувеличивает, когда говорит о континуальной мощности проблемы и когда сравнивает исследования мозга с математическими исследованиями. С приходом эры мощных компьютеров и машинного обучения нейронаука изменилась. Она отчасти повторяет путь биоинформатики, которая «взошла» на том, что начала «кормить» компьютерные алгоритмы оцифрованными генетическими данными. И получила на выходе новое знание об эволюции генов и связи генов с болезнями. Но биоинформатика имеет дело с одномерными цепочками букв генетического «алфавита». Со снимками мозга все намного сложнее. Так что нейронауке понадобятся приемы похитрее. И вот уже математики и программисты приходят в лаборатории — работать в связке с неврологами, искать способ зачерпнуть из континуума неврологических данных как можно больше. Параллельно идет поиск новых инструментов сбора данных и новых методов их обработки. И совсем не случайно в Москве, куда приехали Тога с Лю, обсуждали картирование мозга.

Такие карты что координатная сетка: с ней легче ориентироваться в структуре мозга. На сетку можно наложить слои данных: об электрической активности клеток, движении крови по сосудам, экспрессии генов и так далее. Если создать карту со множеством слоев, мы сразу на нескольких уровнях увидим, как мозг учится, вспоминает или заболевает. Мы найдем связи между ними. Но совместить уровни не так просто.

— То, что мы видим на электроэнцефалограмме, — говорит Лю, — воспроизводится хуже по сравнению с тем, что мы видим на МРТ. Причина — в разных интервалах времени. Если мы сделаем снимки дорожного движения Москвы и потом сделаем по этим данным усредненную картину движения за неделю, то все недели будут похожи. Это — аналог МРТ. Но трафик в час пик, в выходной день или ночью отличается от среднего. Так и активность мозга в один краткий миг может сильно не совпадать с активностью в другой. Мы не изолированы от окружающего мира, мы каждую секунду его воспринимаем, о чем-то думаем. И это влияет на реальную, не усредненную, активность клеток. Она никогда не повторяется в точности.

И все же карты строят, преодолевая трудности; архивы Тоги и других исследователей мозга растут. Появляются проекты, такие как ENIGMA, где на огромной базе снимков и данных исследуют предрасположенность мозга к разным заболеваниям. Другой такой проект, ABCD (Adolescent Brain Cognitive Development), будет десять лет следить за тем, как развивается мозг десяти тысяч подростков по мере их взросления.

***

Новые инструменты и знания нужны, прежде всего, чтобы победить заболевания нервной системы: депрессию, болезни Альцгеймера и Паркинсона. Они почти не лечатся, причиняют людям тяжкие страдания, а нагрузка на общество с каждым годом растет. В США на разные виды деменций потратят $ 259 млрд в этом году и свыше триллиона долларов в 2050-м, если лекарства так и не найдут. И если смертность от заболеваний сердца с двухтысячного года упала на 14%, то смертность от болезни Альцгеймера, наоборот, повысилась почти вдвое, на 89%. Сегодня каждые 66 секунд болезнь Альцгеймера приходит к одному из граждан США. Эта болезнь забрала у Артура Тога бабушку, затем тетю, потом мать.

— Я как невролог знал, какая стадия за какой следует, но ты никогда не готов к такому. Люди уходят в себя, обрывают общение и перестают взаимодействовать с миром. Они буквально прекращают жить. Ты даже не успеваешь с ними попрощаться. Там уже нет личности.

Его мать пала духом за годы до того, как ей поставили диагноз. Тога считает, она была в смятении, пытаясь скрыть то, чего не замечали члены семьи, — ее падающие когнитивные способности. Болезнь начинает атаку задолго до того, как проявит себя явно. Люди перестают заниматься тем, что им всегда нравилось, например выпекать десерт в честь Дня благодарения или возиться по весне с газонокосилкой. Они сами не знают почему. Это психика просто удерживает их от занятий, с которыми они уже не могут справиться. Бороться с таким врагом тяжело: если ты его заметил, значит, уже поздно.

Тога основал сеть «Глобальная ассоциация Альцгеймера», первую платформу с открытым доступом. Там собраны данные более чем 366000 пациентов, и ученые могут найти себе данные для глубокого изучения. Ни одна лаборатория мира не справится с дегенеративным заболеванием в одиночку. Только совместные усилия будут двигать познание вперед. Потому и множатся глобальные проекты и совместные исследования по изучению мозга.

— Я считаю, что для науки нет границ, — признается профессор Зельман. — И мои коллеги американцы думают так же. Потому они здесь. Знания важнее политических трений.

В начале следующего года уже наши ученые полетят в Университет Южной Калифорнии.

Денис Тулинов

Источники:

1. chrdk.ru