Проектът „Човешки мозък“: шест постижения на най-голямата европейска програма за неврология

Докато през последните няколко десетилетия хората успяхме да стъпим на Луната и да изпратим сонди в цялата Слънчева система, разбирането за човешкия мозък остава ограничено. Все още нямаме пълни познания за това как мозъчната структура, химикалите и функционалната свързаност взаимодействат, за да възпроизведат мислите и поведението.

Това обаче не се дължи на липса на амбиции. Преди почти осем години бе положено началото на проекта „Човешки мозък“ (HBP) в Европа, който има за цел да разкрие загадките на мозъка. След трудния старт, проектът постигна значителни открития и иновации, които могат да подпомогнат лечението на различни клинични разстройства.

HBP създава EBRAINS – отворена изследователска инфраструктура, изградена върху научни постижения и инструменти, разработени от изследователските екипи на проекта. Целта е научната общност да има достъп до постиженията, изброени по-долу, чрез споделена цифрова платформа.

1. Атлас на човешкия мозък

Проектът успява да създаде уникален многостепенен атлас на човешкия мозък, базиран на няколко аспекта на мозъчната организация, включително структура, функция и свързаност. Този атлас предоставя голям брой инструменти за визуализиране на данни и работа с тях.

Изследователите могат автоматични да извличат информация, като използват специален инструмент, за да стартират симулация за моделиране на мозъка на конкретни пациенти. Това може да помогне да се информират клиницистите за оптимален вариант на лечение.

2. Синапси в хипокампуса

Използвайки електронна микроскопия (техника за изследване на мозъчната тъкан с ултрависока разделителна способност), изследователите публикуват подробни 3D-карти на около 25 000 синапса (електрически и химически сигнали между мозъчните клетки) в човешкия хипокампус. Тази област на мозъка участва в паметта, ученето и пространствената навигация и е една от първите области, които биват засегнати при развитие на болестта на Алцхаймер.

Проектът „Човешки мозък“ е първият, който предоставя подробна картина на синаптичната структура в тази важна област на мозъка. Това би могло да подобри разбирането на заболявания като деменция, както и да помогне за разработването на изчислителни модели на мозъка.

3. Роботизирани ръце

Поради сложността си, човешката ръка е една от най-трудните за подражание част на тялото. Докато дори малки деца могат да взимат и манипулират предмети, като например чаша вода, това се оказва много трудна задача за ръцете на робота. Компанията „Shadow Robot“, която участва в HBP, проектира и разработва много сръчни роботизирани ръце, които имитират изключително добре функциите на човешката ръка.

Едно от последните изобретения на компанията е първата в света сензорна телероботна ръка. Роботизираната ръка има 129 сензора и 24 стави, които подпомагат извършването на много сходни движения с тези на човешките ръце. Това позволява използването на сила и много по-фино манипулиране на обекти от това при предишните роботизирани ръце.

Това изобретение ще бъде важно в протезирането, а също и в промишлеността, включително в изследването на космоса, медицината, както и при работа с ядрени отпадъци и биологично опасни вещества. Учените от HBP и „Shadow Robot“ работят заедно, за да направят роботизираните ръце още по-сръчни с помощта на невронни мрежи.

4. Компютър, вдъхновен от невробиологията

Човешкият мозък се състои от близо 100 милиарда взаимосвързани мозъчни клетки, което затруднява изключително много моделирането на органа. Иновативните изчисления помагат много за разбирането на мозъка чрез симулиране на обмена на сигнали между невроните, но дори и най-добрият софтуер, използван на най-бързите суперкомпютри, може да симулира само 1% от човешкия мозък.

Машината „SpiNNaker“ може да се похвали със 100 милиона транзистора на всеки от своите 30 000 чипа. Един такъв чип може да симулира 16 000 неврона и 8 милиона синапса в реално време. Това е сравнимо или дори по-добро от най-добрия софтуер за симулация на мозък, използван понастоящем за изследване на невронните сигнали.

Но това не е всичко. Вместо да комуникира чрез изпращане на големи количества информация от точка А до точка Б през стандартна мрежа, новата техника работи по-скоро като човешки мозък – изпраща милиарди данни едновременно до хиляди различни области.

„SpiNNakker“ има потенциала да преодолее проблемите със скоростта и консумацията на енергия на конвенционалните суперкомпютри – нещо, което е необходимо, за да се разгадае загадката на човешкия мозък. В крайна сметка това може да подобри разбирането за невронната обработка в мозъка, включително при учене и неврологични заболявания като болестта на Алцхаймер.

5. Виртуален епилептичен пациент

Друго важно приложение за EBRAINS е виртуалният епилептичен пациент (VEP). Това е компютърна програма, базирана на персонализирани модели на мозъчна мрежа от отделни пациенти. Това се постига чрез интегриране на области на мозъчната свързаност, отговорни за гърчове и лезии при отделни пациенти, открити чрез ядрено-магнитен резонанс.

В момента клиницистите използват електроенцефалограма (ЕЕГ), която осигурява запис на мозъчната активност и помага да се идентифицира кога и къде започва припадъкът. Само тази информация обаче не казва на клинициста всичко необходимо за определяне на вида на припадъка и вземане на най-добрите решения по отношение на лечението.

Моделът предоставя персонализирана прогноза за въздействието на хирургичното лечение за определен пациент. След това хирургът може да оцени въздействието на множество различни терапевтични стратегии и да определи най-добрия вариант на лечение с най-успешен резултат. Съвсем скоро продуктът ще бъде пуснат на пазара.

6. Научно-технически прогрес

Към септември 2021 г. 1497 рецензирани статии в списания цитират проекта „Човешки мозък“. Например през 2018 г. изследователите публикуваха в „Nature“ впечатляваща невротехнология, възстановяваща ходенето при пациенти с увреждане на гръбначния стълб. През 2020 г. екип публикува в „Science“ най-изчерпателния атлас за клетъчната структура на мозъка. През същата година изследователите откриват специфичен тип потенциал за действие в мозъчни клетки, известни като пирамидални клетки, и разкриват важен механизъм на паметта в хипокампуса.

Ключовата цел занапред е да се развие система за предвиждане на бъдещи промени. Учените се надяват, че един ден ще успеят да разберат човешкия мозък и да открият нови лечения за неврологични заболявания и психични разстройства. Но няма да е лесно, тъй като това се оказва по-трудно от космическото инженерство.