Суперкомп'ютер, здатний відобразити людський мозок

Суперкомп'ютер «Миру» в Аргоннській національній бібліотеці.

У Боббі Кастурі (Bobby Kasthuri) є проблема. Прагнучи максимально глибоко зрозуміти, що робить нас людьми, він збирається створити повну карту людського мозку, де кожен нейрон буде поєднаний з іншими. Проблема Кастурі в тому, що нейронних зв'язків більше, ніж зірок у Чумацькому Шляху. Тільки одна мільйонна частина мозку містить інформації більше, ніж Бібліотека Конгресу США (Library of Congress). Така карта мозку, якщо буде створена, стане унікальним найбільшим в історії світу набором даних, коли або зібраних про якийсь предмет.

Створення такої карти здається завданням, яке буде вирішено тільки через покоління або два. Але, можливо, насправді, це станеться вже через три роки.

Кастурі, невролог з Аргонської національної лабораторії (Argonne National Laboratory), - один з багатьох вчених, які будуть використовувати в дослідженнях новий суперкомп'ютер, робота над яким зараз ведеться в лабораторії і буде закінчена до 2021-го року. Комп'ютер, названий Аврора 21 (Aurora 21), буде здатний виконувати один квінтильйон операцій, тобто мільярд мільярдів розрахунків, одночасно. Це поставить його на один рівень з обчислювальною потужністю людського мозку. Для США, які з 2013-го року відстають від Китаю в суперкомп'ютерній гонці, ця віха - досягнення ексафлопсної потужності - і символ національного статусу, і науковий фактор, що змінює «правила гри».

Вимоги до комп'ютерів для моделювання мозку величезні, і створення такого комп'ютера як Аврора 21 - це масштабне починання. Готовий комп'ютер, за оцінками, коштуватиме сотні мільйонів доларів і займе площу близько чверті акра (ауд 1 000 квадратних метрів), матиме тисячі миль проводки і споживатиме електроенергії як середнє місто.

Комп'ютер Аврора 21 спроектовано не тільки для завдання моделювання мозку. Він зможе виконувати обчислювально складні симуляції для різноманітних завдань, таких як прогнозування погоди, відстеження розвитку космосу і сприяння розумінню того, який вплив на людину можуть надати нові медичні препарати.

«Кожна віха в розвитку суперкомп'ютерів відкриває нові можливості для досліджень», - говорить Рік Стівенс (Rick Stevens), заступник директора Аргоннської національної лабораторії з обчислювальної техніки, навколишнього середовища і наук про життя (Computing, Environment and Life Sciences, CELS). Ця конкретна віха відкриває особливі перспективи саме для нейронауки. Суперкомп'ютер, здатний симулювати процеси в мозку, допоможе пролити світло на таємниці процесів, що лежать в основі навчання, поведінки і навіть психічних розладів.

За словами Мікели Тауфер (Michela Taufer), професора високопродуктивних обчислень в Університеті Теннессі, Ноксвілл (University of Tennessee, Knoxville), можливості таких проривів прискорюють цю «гонку озброєнь». Але у переможця в цій гонці не обов'язково буде найбільший комп'ютер, він не отримає всі медалі. «Міра успіху - це те, які можливості для науки ви відкриваєте».

Картування мозку

На початку кар'єри Кастурі був вражений тим, що плодові мушки вилуплюються з кокона вже повністю підготовленими до життя, вони відразу вміють літати, в той час як діти людей народжуються абсолютно безпорадними, вони можуть померти від голоду, якщо їх ніхто не буде годувати. Він знав, що ця безпорадність і роки, які ми витрачаємо на функціональний розвиток, повинні бути ключовими для пояснення того, що робить нас людьми.

«Народження безпорадним - це така плата за те, що ми здатні навчитися чого завгодно», - говорить Кастурі. Людина народжується як чистий лист, її 100 мільярдів нейронів, не пов'язані спочатку, протягом життя впорядковуються і перебудовуються, створюючи наш «обчислювальний процесор».

Але ніхто до кінця не розуміє, як саме працює наш процесор-мозок. Але таке розуміння хоче отримати Кастурі, ставлячись завданням змоделювати мозок на рівні нейронів.

За допомогою Аврори 21 він зможе об "єднати мільйони почесних зображень, відтворюючи мозок у трьох вимірах - по суті створюючи карту, відому як коннекто ́ м. Багато в чому це схоже на карту міста. «Ця карта вулиць у місті покаже, які потоки транспорту там є, як він влаштований у динаміці», - говорить Кастурі. Вона покаже, в яких частинах більше руху, як різні частини пов'язані між собою.

Суперкомп'ютер з продуктивністю порядку одного ексафлопсу, можливо, стане першою машиною, здатною в швидкому темпі перемолоти такий великий обсяг даних, що такі вчені як Кастурі зможуть оперувати кількома моделями мозку одночасно. «Ми, звичайно, не зупинимося на моделюванні одного мозку», - каже Кастурі. Найцікавіші характеристики будуть знайдені в порівнянні - як конектоми різних людей відрізняються один від одного? Як вони відрізняються у дорослих і дітей?

Кастурі навіть сподівається порівняти людський мозок з мозком восьминога. Наш останній спільний предок, ймовірно, був якоюсь червонорідною істотою, яка жила 600 мільйонів років тому, і значить восьминог, здатний до навчання і вирішення проблем подібно до людей, розвивався незалежно від людини. Кастурі хвилює, які є структурні схожості між мізками двох видів, і що ці принципи говорять нам про мислення і навчання. «Чи існує один єдиний сценарій появи мозку, який вміє вирішувати завдання, чи їх кілька?» - хоче знати Кастурі.

Без допомоги комп'ютера, людина не зможе відповісти на це питання. Це як одночасно дивитися на розв'язку доріг у Нью-Йорку, схему метро, авіалінії і судноплавні траси, і намагатися зрозуміти, куди йдуть різні люди. На щастя, для високопродуктивного комп'ютера це посильне завдання. Стівенс, який працював над проектуванням «Аврори 21» з 2007-го року, жартує, що це допомагає суперкомп'ютерам не нудьгувати, переглядаючи мільйони зображень. «Нам потрібен тип мозку талановитого ідіота, щоб зрозуміти реальний мозок», - говорить він.

За межами структурної карти

Створення структурної карти - це лише частина завдання. Кастурі каже, що, маючи карту вулиць, не можна дізнатися, де відбувається сам рух і чому. Аналогічно, моделювання структури мозку є лише відправною точкою.

Кастурі сподівається поєднати структурну карту мозку з картою електричної активності, над якою працюють його колеги. Це карта «руху в місті», і разом ці дві карти допоможуть побачити більш детально процеси навчання і поведінки людини.

У разі успіху ця технологія може допомогти в розвитку медицини. Сьюзі Хуан (Susie Huang), радіолог з Массачусетської лікарні загального профілю (Massachusetts General Hospital) і дослідник проекту «Коннектом людини» (Human Connectome Project), говорить, що багато порушень, такі як аутизм і шизофренія, швидше за все, пов'язані з аномаліями в структурі.

«Багато що в діагностиці зводиться до використання мікроскопа для підтвердження зміни клітин і факту хвороби», - говорить вона. Але МРТ та інші сучасні методи візуалізації мозку занадто грубі і неточні. Вони не можуть пов'язати причини зі слідствами.

Вона вважає, що дрібно деталізована карта мозку може змінити ситуацію і допомогти лікарям діагностувати або навіть передбачати психічні розлади.

Зміна поля досліджень

Для інших нейробіологів, наприклад для Рафаеля Юсте (Rafael Yuste) з Колумбійського університету (Columbia University), найбільш захоплюючою частиною є не сама карта, а те, як Національна лабораторія нейронауки може змінити напрямок нейронауки в цілому. «Нейронаука працює як сімейна лавка», - каже він. Маленькі лабораторії працюють в рамках своїх бюджетів, вони обмежені тим, які інструменти вони можуть використовувати і винайти на ці гроші. Але зовсім недавно нейронаука почала переростати цю модель.

Кастурі вважає, що вона поступово перетворилася на поле використання великих даних - «а ми і не припускали подібного п'ять або десять років тому».

Інші області проходили через такі ж етапи. Фізика пережила аналогічну фазу десятиліття тому, коли дослідники всього світу почали отримувати дані з численних обсерваторій і прискорювачів заряджених частинок. Зараз Юсте і Кастурі вірять, що нейронаука також повинна стати масштабнішою.

«Аврора 21» допоможе прискорити цей перехід. Подібне відбувалося і в інших областях, наприклад у фізиці дорожнеча обладнання мотивувала вчених працювати по черзі на одному приладі, дозволяючи, таким чином, всім, а не тільки багатим лабораторіям, здійснювати відкриття. У процесі такої спільної роботи прогрес рухається швидше, ніж коли сотні незалежних вчених працюють окремо на своїх апаратах. Юсте сподівається, що ми переживаємо початок більш згуртованої і амбітної нейронауки.

Юсте очолював команду, яка вперше запропонувала карту мозкової активності влітку 2011-го року на нараді, присвяченій майбутньому напрямку. Він тоді висловився, що Святий Грааль нейронауки - це прочитати «нейронний код», тобто, детектувати активність кожного нейрона в мозку і зіставити її з поведінкою. Це був проект, незалежний від проекту конектома Кастурі, але порівнянний за своїми масштабами. «Багато людей були налаштовані критично, - пригадує Юсте. - Вони говорили, що ми намагаємося робити неможливе».

Він розповідає, що в якийсь момент на нараді Джордж Черч (George Church), один з піонерів проекту «Геном людини» (The Human Genome Project), встав зі стільця і сказав, що вже чув подібну критику раніше. Люди говорили те ж саме про проект «Геном людини», але вони помилялися. І після, зі слів Юсте, розмова потік в інше русло.

Чорч скромніше, ніж Юсте, говорить про своє значення в проекті. «Я не з тих, хто виламує руки, - каже Черч. - Я багато чого доводжу до кінця, але якщо мене ніхто не підтримує, я підтискаю хвіст». Але він розповідає, що тоді був спійманий момент. Технології, азарт і амбіції - все зійшлося в одній точці.

Юсте і Черч підтримали ідею, що стала в кінцевому підсумку багатомільярдним проектом періоду президентства Обами BRAIN Initiative. Цей проект фінансує дослідження, спрямовані на розуміння роботи мозку. Робота Юсте і Кастурі з картування мозку - це всього лише два «неможливих» проекти, яким дала поштовх ця ініціатива.

«Це не зовсім точна метафора, але я часто згадую про політ на Місяць», - каже Кастурі. На момент першої посадки в 1969-му році середній вік вченого з НАСА був всього лише 28 років, і про те, як цей виклик зачаровував покоління вчених.

Кастурі не впевнений, як саме буде розвиватися його проект. "Можливо, мене спіткає невдача, - з посмішкою каже він. - Це здається грандіозним і монументальним, але багато чого з усього цього не спрацює. Це всього лише прагнення зробити щось неймовірно важке ". Але він натхненний тим, що має мету, захоплюючу уяву.

Для Тауфер, вченої у сфері високопродуктивних обчислень, такі суперкомп'ютери як «Аврора 21» відкривають двері для нереальних можливостей: тестування лікарських засобів, інфраструктури і навіть зброї - без витрат, небезпек і етичних проблем, що стримують реальні експерименти.

Тауфер підкреслює, що крім цих грандіозних можливостей такі програми будуть працювати в нашому повсякденному житті, вирішуючи завдання від прогнозування погоди до оцінки безпеки старіючих мостів і боротьби з поширеними захворюваннями, такими як хвороба Альцгеймера.

Незважаючи на жорстку конкуренцію між США і Китаєм, в кінцевому рахунку суперкомп'ютерна ера вище країн і проектів, говорить Тауфер. Більш важливо, наскільки різноманітною стане наука. «Я дивлюся на цей комп'ютер, і бачу ключ до вирішення багатьох проблем».