Все новости

В Европе начали создавать 3D-карту мозга на уровне одиночных нейронов

Ученые планируют добиться для нее рекордного разрешения в один микрон

МОСКВА, 10 декабря. /ТАСС/. Европейские нейрофизиологи начали подготовку первой в мире 3D-карты мозга с разрешением в один микрон с помощью суперкомпьютера мощностью в 70 петафлопс и системы глубокого обучения. Она позволит рассмотреть индивидуальные нервные клетки. Об этом авторы работы рассказали на российско-германском научном форуме "Исследования мозга и будущее искусственного интеллекта", который прошел в МГУ им. М. В. Ломоносова.

"Искусственные нейронные сети хорошо справляются с распознаванием образов, но очень плохо решают те задачи, которые кажутся человеку тривиальными. К примеру, они плохи за рулем во время снега или дождя. Изучая структуру мозга на уровне одиночных клеток и цепочек, мы попытаемся выяснить, почему это так", - рассказала Кэтрин Амунтс, директор Института нейрофизиологии и медицины в Исследовательском центре города Юлих (Германия).

Амунтс и ее коллеги уже много лет работают над созданием сверхточных трехмерных карт мозга человека. Для этого они разработали специальную методику, которая позволяет нарезать нервную ткань тонкими слоями толщиной не более нескольких десятков микрометров, почти не повреждая и не разрушая ее.

В соответствии с этим подходом, мозг сначала разрезается на 7,4 тысячи слоев с помощью микротома, специального инструмента, который используют при подготовке образцов тканей для электронных микроскопов. Как выяснили немецкие ученые, нейроны на таких срезах можно сделать более заметными для глаза человека или машины, не подкрашивая их, а просто рассматривая образец через несколько фильтров.

Каждый такой срез просвечивают при помощи специального лазерного сканера, а затем обрабатывают при помощи алгоритмов, которые "сшивают" плоские снимки в единое трехмерное целое, а также исправляют все повреждения, которые нанес нож микротома. Используя подобный подход, Амунтс и ее коллеги опубликовали в 2013 году первую детальную трехмерную карту мозга, препарировав мозг 65-летней женщины, который долгое время хранился в формалине.

Бездонные глубины мозга

Как отметила Амунтс, пространственное разрешение этой карты - около 20 микрометров - было достаточно высоким для того, чтобы рассматривать и изучать цепочки нейронов. Но для того, чтобы видеть все нервные клетки внутри виртуальной копии мозга, его не хватало. Поэтому европейские нейрофизиологи и их зарубежные партнеры в ближайшее время в рамках инициативы Human Brain Project планируют создать еще более детальную карту с рекордным разрешением в один микрон.

Для реализации этой задачи, по словам Томаса Липперта, директора Суперкомпьютерного центра и Института перспективного моделирования Исследовательского центра Юлиха, нужно будет еще больше усилий и вычислительных ресурсов. Чтобы ее решить, ученые разработали новую стратегию ведения и организации подобных расчетов. Для ее реализации нужно будет создать один из самых быстрых суперкомпьютеров мира, совокупная мощность которого составит примерно 70 терафлопс. Как отметил ученый в беседе с корреспондентом ТАСС, его планируют запустить в следующем году.

"Сейчас на на то, чтобы вычислить положение всего ста пикселей на текущей версии карты, уходит примерно полдня, если применяются классические методы машинного обучения. При переходе на микронное разрешение возрастут не только требования по вычислительным ресурсам, но и по расходуемой памяти, что заставило нас перейти на глубинные нейросети", - отметил Липперт.

Вдобавок специалистам пришлось разработать новую систему хранения и обработки данных, так как одна "копия" мозга даже в низком разрешении занимает около 2-3 петабайт памяти, а также создать сверхбыструю систему обмена информацией между крупнейшими вычислительными центрами Германии, Швейцарии, Франции и других участников Human Brain Project.

Как надеются ученые, быстрое развитие компьютерных технологий и применение методов глубинного обучения помогут им подготовить новую версию трехмерной карты мозга не за 10 лет, как ее предшественницу, а гораздо быстрее, в первой половине 2020-х годов. Эти данные, по словам Амунтс, помогут не только раскрыть секреты сознания и мышления человека, но и позволят медикам эффективнее бороться с болезнью Паркинсона и другими нарушениями в работе мозга, которые можно подавить при помощи электростимуляции.

"Наши первые опыты показали, что нейросети хорошо справляются с этой задачей, соединяя слои и "сшивая" разрезанные нейроны. Мы уже реконструировали слой толщиной в несколько миллиметров, состоящий из многих тысяч срезов. Мы надеемся, что в конечном итоге наши усилия приведут к тому, что мозг перестанет быть "черным ящиком" для нас", - сказала Амунтс.