— Ирина Васильевна, Вы были первым российским исследователем, который вырастил мозг в пробирке и доказал, что он «думает», — то есть передает электрический сигнал. С того момента прошло уже 15 лет. Сейчас в вашей лаборатории десятки тысяч чашек Петри, в которых растут различные клетки мозга. Для чего вы их выращиваете?
— Наш мозг — это ткань, которая работает физиологически по понятным нам измеряемым параметрам. Но при этом демонстрирует субъективность материи, которая называется сознанием. С помощью него мы с вами общаемся и имеем представления об этом мире. Есть ли сознание у ткани мозга, которая выращена нами в лаборатории? Этот вопрос был задан еще в 1970 году, как только научились выращивать нейронные культуры на электрических сенсорах, которые могли снимать потенциалы с этих культур. То есть можно было предположить, что мозг в пробирке «думает», так как передает очень сложный электрический сигнал.
Нейротехнолог Ирина Мухина
Из личного архиваБиоинженерная группа под моим руководством начала заниматься этой темой в 2008 году. Мы за пять лет нагнали то, что в течение 30 лет делали ученые за рубежом, благодаря тому что сразу приобрели усовершенствованную технику. И создали ткань, которую начали выращивать на электродах мультиэлектронных матриц (чипах) разного производства — японского, американского, немецкого.
— Я помню, у вас в лаборатории росла нервная ткань-долгожитель, которую называли «Александр Геннадьевич»...
— Да, он прожил 9 месяцев.
— Это много?
— В общем да. В основном в лабораториях, изучающих нейронные сети в культурах, нервные клетки живут на чипах в среднем 2-3 месяца. Но это проблемы не мозга, а его питания.
— А максимально сколько могут прожить нейроны, если обеспечить их нужным питанием?
— Теоретически, клетки мозга человека могут жить тысячу лет, имея нужные поддерживающие технологии питания и снабжения кислородом, но в природе такого не бывает. Мы работаем с клетками мышей, время жизни которых около 2 лет. Здесь все происходит быстрее. В некоторых лабораториях показано, что нейроны мышей в культуре могут дожить до двух лет.
— Так отчего умер «Александр Геннадьевич»?
— Мы растили ткань, в которой есть не только нейроны, но и глиоциты (вспомогательные клетки мозговой ткани), как в нативном мозге. Глиоциты постоянно делятся, их контролировать очень сложно. В результате разрастания изолирующих проведение тока клеток, мы не смогли регистрировать электродами сигналы нейронов, а, значит, не могли сделать заключение о том, что ткань функционирует, живет, отвечает. Кроме того, в результате разрастания глии наш «Александр Геннадьевич» оборвался от подложки и поплыл, как блинчик, перестав находиться на электродах. Эксперимент был остановлен.
— Так что же вы регистрируете, когда условный «Александр Геннадьевич» подает вам электрический сигнал? Это мысль?
— У меня было несколько аспирантов, которые защищались по технологии понимания, что же такое мы регистрируем. Итак, мы регистрируем сигнал с нескольких десятков тысяч нейронов, которые находятся в этой маленькой ткани на чипе. Они могут продуцировать очень сложный электрический сигнал, характерный именно для определенной культуры, мы это доказали.
Когда мы изучаем процесс познания мозгом окружающей среды с помощью микроэлектродов, вживленных в мозг человека или мыши, мы также регистрируем сложный электрический сигнал, который возникает и в нашей культуре, спонтанно или при воздействии факторов окружающей среды. То есть внешне этот сложный паттерн электрической активности может быть мыслью.
Просто ткань «в пробирке» не имеет возможности нам это сказать или написать, что означает генерируемый паттерн активности.
— Как именно вы доказали, что ваши ткани обрабатывают информацию и выделяют что-то «осмысленное»?
— Мы взяли две мозговых ткани и сделали между ними соединение. Потом построили движение информации только в одну сторону. Мы увидели, что вторая культура клеток получила сложнейшую информацию (не просто набор данных) и выдала собственный сигнал после переработки этой информации.
— Но вы же не можете утверждать, что она переработала именно эту информацию?
— Можем. Информация – это набор знаковых явлений, которые могут изменяться или не изменяться. Есть множество способов доказать, что сигнал был переработан случайно, не случайно, математика это считать умеет. Идея ученых состоит в том, чтобы понять, как именно мозг обрабатывает информацию, выделить алгоритмы и потом заложить их в нейроморфный интеллект. Таким образом можно будет получить гораздо более быстродействующий компьютер.
— А можно ли будет когда-нибудь узнать, о чем именно думают нейроны в пробирке?
— Не думаю, это звучит слишком фантастично.
— Как еще можно использовать такой выращенный в пробирке мозг?
— Его можно использовать как джойстик. Такой эксперимент был проведен в нашей лаборатории. Мы взяли культуру, которая у нас работает, сигнализирует, определенные команды выдает, и запрограммировали одному паттерну сигналов поворот налево, другому паттерну — поворот направо.
У нас была радиоуправляемая машинка, которая поворачивала колеса направо-налево. Программисты задали ей команду: когда появится определенный паттерн, нужно пойти от ножки стола или другой преграды налево или направо. Таким образом, наша машинка великолепно работала, как робот. Управляющий мозг находился в инкубаторе, сигнал от него шел на Wi-Fi, потом передавался машинке. Когда она сталкивалась с препятствием, культуре подавался сигнал «назад». Внешне это выглядело забавно.
— Вы рассказали про машинку, которой ученые руководили через мозг-джойстик. А существуют ли такие опыты в мире, где выращенный мозг бы сам руководил движением машинки?
— Таких работ нет. Это научная, но фантастика.
— То есть, мы имеем с мозгом общий язык — можно назвать его электрическим, — но пока мы можем очень мало что на нем сказать?
— Да. Иначе мы научились бы читать мысли, а это невозможно. Кроме того, мысли мозга сформулированы не словами, а бинарным кодом потенциалов действий – электрических сигналов. Он же не знает язык, у него нет органов чувств – глаз, ушей, чтобы его выучить. Все органы чувств человека и животных переводят сигналы окружающей среды в сигналы потенциалов действий, которые понимает мозг.
Мы культуре клеток предлагаем теплую среду, холодную среду, мы можем предложить много кислорода, мало кислорода, мы можем посветить на нее, можем добавить ей вещество, которое воздействует на синаптическую передачу, и она изменит свой электрический паттерн. Таким образом мы можем, изучая частоту ответных потенциалов действия, скорость их возникновений, место их возникновений и так далее, определить, как клетки воспринимают эту информацию, а потом вычислить это в виде формул. Ну а формулы – заложить в искусственный интеллект.
— Какие эксперименты проведены или сейчас проводятся в вашей лаборатории, какие планируете провести в перспективе?
— В нашей лаборатории мы пошли двумя путями. Первая группа у нас занимается чистой биологией. Сотрудники пытаются изучить передачи сигналов в ткани нейронов при различных патологических условиях. То есть, ученые моделируют различные метаболические изменения на уровне целостного мозга in vitro. Это обычный способ, его применяют как один из способов изучения механизма лечения либо формирования заболевания. Это большой пласт работы, здесь у нас работает много ученых.
— Эти исследования имеют прикладное биомедицинское назначение?
— Именно так. А вторую группу в нашей лаборатории мы лелеем, понимаем, что пока она в России единственная. Это те сотрудники, которые занимаются биоинженерией — нейроморфным интеллектом, возможностью совмещения электронной составляющей и живой ткани, создания бионических протезов для медицинских целей. Сейчас важно понять, как устойчиво проводить сигналы между протезом и нервом. Делать это безопасно, эффективно, и на длительное время.
— А уже получается соединить аксоны с электродами?
— Сейчас можно соединить 20-40 аксонов, но в обработке информации принимают участие гораздо больше клеток. Чем больше аксонов мы научимся соединять с электродами, тем более точным будет бионический протез. Здесь стоит задача найти материалы с определенной проводимостью, чтобы они снимали и передавали сигнал очень небольшого участка — микронного, а не сантиметрового, как сейчас.
— Нужен переходник?
— Да. Но материаловеды сейчас над этим работают, поэтому в конце концов мы получим бионические протезы, которые будут передавать сигналы не с 40 аксонов, а с миллиона, как и положено в человеческом организме.
