Почему внимание ученых обращено на червя-нематоду? Сколько нейронов включает в себя нервная система червя? И как создать виртуальный организм на основе биологического прообраза? Об этом и многом другом рассказывает Андрей Юрьевич Пальянов, координатор международного проекта OpenWorm с российской стороны, научный сотрудник лаборатории Моделирования сложных систем ИСИ СО РАН им. А.П. Ершова, кандидат физико-математических наук.

«Россия2045»: Андрей Юрьевич, насколько близки вам идеи общественного движения «Россия2045»?

Андрей Юрьевич Пальянов: Ознакомившись с манифестом движения «Россия2045» и содержанием сайта, могу отметить, что этот проект, вполне возможно, внесет существенный вклад в тесную интеграцию специалистов в различных областях науки и технологии на пути к общей цели. Очевидно, что проект является серьезным информационным источником для тех, кто интересуется данной проблемой: терминология, современное состояние области, прогресс, ближние и дальние перспективы.

«Россия2045»: Какие из проектов, которыми вы сейчас занимаетесь или занимались в течение последних лет, имеют отношение к искусственным органам, бионическим системам, системам управления или энергетического обеспечения этих органов или систем?

А. Ю. П.: Наиболее интересен в данном контексте научно-исследовательский проект нашей группы, связанный с созданием компьютерной модели действующей нервной системы простейшего биологического организма на основе детальной экспериментальной информации. По большому счету, при выборе объекта моделирования не было альтернативы. Червь-нематода C. elegans – единственный на сегодняшний день организм, для которого известен весь или почти весь коннектом – совокупность нейронов, межнейронных и нейро-мышечных связей, клеток-сенсоров и ряда параметров, описывающих эти системы. Других столь же изученных в этом плане организмов просто нет. Приведу слова Нобелевского лауреата 2002 года Дж. Сальстона, удостоенного премии за изучение этой нематоды: «Когда мы разгадаем червя – мы поймем жизнь».

Наша работа по моделированию нервной системы червя проводилась с целью выяснить, насколько детально мы должны воспроизвести в модели структуру реального мозга и динамику происходящих в нем процессов, чтобы при равных внешних условиях работа электронной нервной системы и нервной системы реального червя отличались не более, чем таковые для двух различных экземпляров настоящей нематоды. Однако для обеспечения условий корректной работы нервной системы требуется реализовать в составе модели как сенсорную систему, обеспечивающую поток информации из внешнего мира, так и двигательную, позволяющую модели оперировать в виртуальном физическом мире. Так что в итоге задача сводится к созданию первого виртуального организма, основанного на реальном биологическом прообразе.

Теперь несколько слов о прогнозах, касающихся времени выполнения проекта. Данные о коннектоме C. elegans в первом приближении были получены более 25 лет назад. В соответствии с ними нервная система у всех особей одного пола идентична и включает 302 нейрона, около 5000 межнейронных соединений и около 2000 нейро-мышечных соединений; также имеются 95 мышечных клеток и несколько десятков сенсорных клеток разного типа. С этих самых пор исследованием и моделированием различных систем C. elegans занимаются многие серьезные лаборатории США, Европы, Японии, однако понять, как работает даже такая «простая» нервная система, до сих пор не удалось. Функции большинства нейронных контуров неизвестны, а действующая модель, управляемая компьютерной копией нейронной сети, так и не создана.

Работа над проектом началась в 2007 году, проект получил название CyberElegans. Задача заключалась в объединении всех уже имеющихся данных в единый многофункциональный программный комплекс – интерактивный 3D-симулятор с графическим интерфейсом, предназначенный для разработки на базе гибкого каркаса тела функциональной модели всех систем червя (сенсорной, нервной, мышечной и др.). В начале 2011 года наша команда была приглашена к участию в международном проекте OpenWorm (http://openworm.googlecode.com/). Члены команды – ученые, главным образом нейробиологи, как теоретики, так и экспериментаторы, из разных стран мира: США, Италии, Ирландии, а теперь и России. Руководитель проекта – Стивен Ларсон (Stephen Larson), нейробиолог-исследователь из Калифорнийского университета, Сан-Диего, также работающий над проектом Whole Brain Catalog (http://www.wholebraincatalog.org).

Целью проекта OpenWorm является разработка детальной, вплоть до клеточного уровня, действующей модели C. elegans, включая все системы организма, которая позволит понять механизмы работы его нервной системы. Конечно, изучение нервной, сенсорной и двигательной систем остается наиболее приоритетной задачей. Также предполагается создание реалистичного физического симулятора окружающего мира, позволяющего рассматривать такие элементы, как твердая поверхность с произвольным рельефом, гель, жидкость, песок и разного рода препятствия, чтобы иметь возможность наблюдать поведение виртуального организма в различных условиях и сравнивать с таковым для реальной нематоды. Чрезвычайно важно, что нематода способна к ассоциативным формам обучения и обладает, в определенной степени, краткосрочной и долгосрочной памятью. Эти свойства представляют особенный интерес, выходящий далеко за рамки моделирования нематоды, и скорее имеющий отношение к фундаментальным основам функционирования любой нервной системы. В идеале разрабатываемая нейронная модель будет включать в себя эти механизмы. Сейчас взят очень хороший темп работы, и вероятно, что виртуальная нематода будет создана уже в течение нескольких лет. Но переоценивать свои силы, равно как и недооценивать сложность природных механизмов, лежащих в основе работы нервной системы, тоже не стоит.

«Россия2045»: Каковы ваши планы в этой области? Намечены ли новые исследования, проекты?

А. Ю. П.: Дальнейшие планы, весьма вероятно, будут связаны с продолжением исследований в этом же направлении, но для более сложных объектов. Например, это может быть достаточно хорошо изученный так называемый морской заяц Aplysia californica. Этот моллюск имеет нервную систему, состоящую из 18000–20000 крупных, хорошо различимых нейронов, а также зрительную систему, каждый глаз которой содержит около 7000 клеток-рецепторов. Для получения данных о строении нервной системы этого или другого организма может быть использована технология, позволяющая с высоким разрешением восстанавливать трехмерную структуру нервной ткани на основе серии тончайших срезов, которая была разработана в Массачусетском технологическом институте и продолжает совершенствоваться как в отношении скорости, так и точности сканирования. Также развивается еще один перспективный подход, называемый «array tomography» (http://smithlab.stanford.edu/Smithlab/Array_Tomography.html), т.е. видна тенденция параллельного развития как технологий моделирования нервной ткани, так и методов определения ее детальной структуры, что весьма благоприятно для развития направления в целом.

Имеющийся личный опыт работы в области систем распознавания образов позволяет предположить, что с набором практически неразрешимых проблемы в этой сфере можно было бы справиться, используя действующую модель оцифрованной нервной ткани, также построенную на детальных нейробиологических данных. И это также может стать основой для нового направления исследований.

«Россия2045»: Как вы относитесь к идее участия в работе специализированного центра и/или общественной организации, целью которых является интеграция различных технологий искусственных органов, бионических систем и систем их обеспечения в рамках большого проекта создания искусственного тела?

А. Ю. П.:  Интеграция, взаимодействие между специалистами в сопутствующих областях, решение сложных проблем на основе совместного опыта, а также актуальная информация о современных достижениях и технологиях несомненно пойдут на пользу развитию направления в целом. Даже, например, в случае нашего проекта, мало разработать эффективную технологию моделирования нервной ткани, чрезвычайно важно иметь научно-технологического партнера, желательно, близкого территориально, специализирующегося на оцифровке нервной ткани. При переходе к более сложному, чем C. elegans, организму вновь понадобится как сенсорная система для ввода данных в нервную систему, так и двигательная. Здесь, по сути, имеются две возможности: либо по-прежнему делать все, не выходя за рамки компьютерной модели и виртуального мира, либо работать с искусственным телом, снабженным сенсорами и сервоприводами адекватной конструкции, а моделировать лишь мозг. Оба подхода имеют как слабые, так и сильные стороны, и, несомненно, рано или поздно второй вариант, с искусственным телом, тоже понадобится. Думаю, практически в любом проекте в рамках нашей тематики дела обстоят похожим образом.