7 вересня 2016

Андрій Чернінський: «Наш мозок – не точна обчислювальна машина, а ймовірнісний девайс»

У нього безліч перемог – спочатку своїх на всеукраїнських і навіть міжнародній олімпіадах з біології, а потім і чужих, адже він один із тих, хто займається підготовкою українських школярів до міжнародних конкурсів. Андрій Чернінський – постійний член журі, автор завдань Всеукраїнської олімпіади з біології, консультант із ЗНО, викладач. Але знаходить час також на улюблене і основне заняття – науку. Наразі старший науковий співробітник відділу фізико-хімічної біології клітинних мембран Інституту фізіології ім. О. Богомольця НАН України, має досвід праці і в закордонних лабораторіях, як-от Університету Цюріха (Швейцарія). Про дві системи прийняття рішень у мозку, піддослідних мишей, роботизованих «аватарів» і фантастичні проекти з нейронауки, які вже втілюють вчені світу, він розповів нам в межах спецпроекту «Науковий підхід».

 

 

Про «розумність» мозку

Існує відомий жарт, що кількість інтелекту на Землі однакова, натомість населення постійно зростає. Безперечно, еволюція саме головного мозку зробила людину розумну такою, як вона є. Наш мозок є більшим, ніж у наших еволюційних предків, а також має відміни у співвідношенні між різними його частинами, тобто не є результатом простого лінійного збільшення мозку мавп. Цікаво, що розміри головного мозку в еволюції зростали не завжди. Так, близько 25 тис. років тому намітилася тенденція до їхнього зменшення і вона тривала до 10 тис. років тому. Після цього розміри та будова нашого мозку істотно не змінювалися. Детально вивчити структуру цього органу давніх людей немає можливості, адже, на відміну від, скажімо, кісток, він погано зберігається. Проте, найімовірніше, ми маємо зараз в цілому такий же мозок, як і 2000 років тому.

 

«Розумність» нашого мозку не є абсолютно вродженою характеристикою, вона повинна тренуватися, до того ж, постійно. Що складніші завдання ми вирішуємо, то складнішою стає структура мозку, при тій самій кількості елементів стає більше зв’язків між ними. Безперечно, в сучасному світі кількість інформації, з якою щодня стикається міська людина, є величезною. Тому інформаційна структура сучасного мозку, сформована навчанням в умовах величезної кількості інформації, є зараз складнішою, в порівнянні із людиною навіть не 2000, а 200 років тому. Проте ця різниця є результатом динамічних процесів. Якби дитину з позаминулого століття перенесли за допомогою машини часу в сучасність, її здатність до навчання була би такою ж.

 

 

Про девайс для прийняття рішень і внутрішній GPS

Наш мозок – не точна обчислювальна машина, а ймовірнісний девайс, що за різних обставин може давати різні відповіді. Він формувався у певних еволюційних умовах, а тому більше «заточений» під ті завдання, що виникали у наших еволюційних попередників і були критично важливими для виживання. Сучасний міський світ сильно відрізняється від того, в якому сформувалося людство, а тому деякі мозкові механізми спрацьовують помилково. Крім того, в нашому мозку, грубо кажучи, існують дві системи прийняття рішень. Перша – більш еволюційно давня, вона пов'язана із формуванням емоцій, за які відповідають підкоркові структури, або еволюційно старіші. Друга – це нещодавнє надбання, пов'язане із раціональним міркуванням, субстратом якого є нова кора лобової частки.

 

Часто буває так, що рішення приймається на підсвідомому рівні емоційними структурами, а потім вже раціональні, свідомі механізми постфактум «пояснюють» нам, чому це було і для чого. Тому деякі вчинки можуть здаватися нелогічними (навіть незважаючи на раціональне пояснення). Взагалі з цього приводу варто почитати книги Деніела Канемана, який отримав Нобелівську премію за роботи з вивчення механізмів прийняття людиною рішень в умовах невизначенності.

 

Тим часом Нобелівську премію у галузі фізіології та медицини 2014 року дали за відкриття так званого внутрішнього GPS нашого мозку. Американець Джон О’Киф і подружня пара з Норвегії Мей-Брітт й Едвард Мозер розкрили роль гіпокампу або «морського коника» – порівняно невеликої структури, що розташована вглибині скроневої частки мозку, – у процесах просторової пам'яті. Так, ця структура є вкрай важливою для формування нашої здатності орієнтуватися у просторі. Це забезпечується клітинами двох типів. Перші – клітини-місця (place cells) – активуються тоді, коли ми перебуваємо у знайомому місці. Інші – клітини-ґратки (grid cells) – формують ніби уявну координатну сітку, на яку наносяться ті чи інші події та враження, пов'язані із перебуванням в цьому місці. Було колись під час візиту малознайомого місця неочікуване відчуття-прозріння «а я тут вже був, тут он за рогом буде гарна кав'ярня»? Це і є гіпокампальна пам'ять.

 

 

 

 

Про клітини Беца і першу електроенцефалограму

Історія нейронаук в Україні досить давня, нам є чим пишатися. Наприклад, професор Київського університету св. Володимира (нині імені Тараса Шевченка) Володимир Бец вперше відкрив великі пірамідні нейрони, які в усіх підручниках світу з анатомії і фізіології нервової системи називаються клітинами Беца. Ці нейрони формують п'ятий шар кори великих півкуль, а найбільший розмір мають у моторній корі – тій ділянці, що керує нашими свідомими рухами. Він детально описав анатомію головного мозку, підготував і видав своїм коштом (у власній друкарні) кілька примірників. Окрім біології/медицини Бец цікавився історією і почав у співавторстві з істориком Володимиром Антоновичем випускати альманах, присвячений українським гетьманам. Саме через виражену проукраїнську позицію Бец мав проблеми та врешті був змушений покинути посаду професора в університеті.

 

Інше знакове, на мій погляд, ім'я – це Володимир Правдич-Немінський, згадка про якого є у більшості підручників з електрофізіології. Він також працював в університеті св. Володимира. До його заслуг належить перший запис електричної активності головного мозку із поверхні скальпу лабораторної тварини. Зараз такий запис ми називаємо електроенцефалограмою, а відповідний метод – електроенцефалографія – застосовується практично у кожній лікарні для діагностики багатьох неврологічних хвороб, зокрема, епілепсії.

 

А зараз українська нейронаука відома у світі у першу чергу роботами видатного вченого Платона Костюка та його учнів з вивчення властивостей клітинних мембран, молекул іонних каналів, рецепторів, функціонування синапсів тощо. Нинішній директор інституту фізіології ім. О. Богомольця – учень Костюка, академік Олег Кришталь – є співавтором відкриття двох типів рецепторів, які відповідають за формування болю (з трьох відомих зараз). У інституті є потужні наукові групи, що мають серйозні здобутки, і що приємно, працює досить багато талановитої молоді.

 

 

Про піддослідних мишей

Миші здавна є улюбленим об'єктом у біологічних науках. На це вплинула їхня легка доступність, невибагливість в утриманні та висока швидкість розмноження. В Україні (я не маю статистики, але за спостереженнями) більше популярні щурі. Миші, в порівнянні із ними, мають низку переваг, пов'язаних із легкістю викликання у них генетичний мутацій. Тому у нейрогенетичних дослідженнях використовуються саме вони.

 

Як і будь-яка модель вони мають переваги та недоліки. До переваг, в першу чергу, належить те, що ми можемо в експериментах на лабораторних тваринах застосовувати методи, недоступні для дослідження людини. Так, ми можемо викликати генетичні мутації, проводити експерименти з руйнуванням певних структур, вилучати клітини для маніпуляцій in vitro, вживляти електроди, впливати різними хімічними речовинами тощо. А основний недолік полягає у тому, що миша – не людина. А тому просто переносити на людину результати, отримані на тваринах, неможливо.

 

До речі, поводження із лабораторними тваринами жорстко регулюється закордонним законодавством, і Україна прагне йти з цим у ногу. Не в останню чергу через те, що результати, отримані з порушенням етичних норм, буде неможливо опублікувати у жодному нормальному журналі. Загальною тенденцією є зменшення кількості потрібних тварин. Приміром, під час роботи в Цюриху я працював із 40 тваринами (три різні групи, що відповідали різним мутаціям). Добре сплановане наукове дослідження не вимагає сотень чи тисяч тварин. Цікаво, що швейцарські норми регулюють найменші аспекти, пов'язані із утримуванням тварин. Наприклад, при підготовці клітки для миші я обов'язково мушу покласти всередину шматочок паперу – тварина буде його рвати, облаштовувати собі кубло, формувати затишок.

 

Оскільки миші та щурі є стайними тваринами, їх не можна довго тримати у клітках поодинці. Як тільки необхідність у ізольованому утриманні минає, вони повинні повернутися до мишачого суспільства. За режимом утримання тварин слідкує фахівець, а всі зміни вносяться в спеціалізовану програму.

 

 

 

 

Про магістральні проекти нейронауки

З одного боку, вчені цікавляться, як організована робота мозку в нормі, як він формує нашу поведінку, психіку та особистість. З іншого боку, нас цікавить, що і як в ньому «ламається» та як його полагодити, аби подовжити здорове та щасливе життя. Книги типу «методи нейронаук» – це товстенні томи.

 

Та й перелік напрямків досліджень нейронауки і результатів навіть за останні кілька років вимагатиме томів. Проте я хочу звернути увагу на деякі магістральні проекти. Один з них називається Human Brain Project та фінансується Європейським Союзом. Він запланований на термін до 2023 року, а сукупне фінансування на 10 років становить 1.6 млрд євро. Для порівняння з вітчизняними реаліями: бюджет наукових програм, що забезпечуються Міністерством науки та освіти України, включаючи зобов'язання у відповідності до програми «Горизонт-2020» становить менше 40 млн євро, а весь бюджет Національної академії наук менше 100 млн євро.

 

У проекті задіяні сотні учених із 135 інститутів 26 країн. Тематика досліджень дуже широка. Вони об'єднуються у 12 підпроектів. Два з них присвячено детальному вивченню організації головного мозку мишей та людей. На основі отриманих відомостей планується побудувати багаторівневу модель мозку миші, а в перспективі – і мозку людини.  Багаторівневість тут значить: від окремих генів та молекул до клітин і груп клітин, а також великих функціональних систем та цілого мозку. Розроблену модель можна використовувати для постановки віртуальних експериментів, наприклад, стосовно вивчення взаємодії різних ділянок мозку при хворобах, прогнозування дії певних хімічних речовин (потенційних ліків), тощо. Завдання звучить фантастично, але потрохи починає реалізовуватися.

 

Інший субпроект присвячений накопиченню клінічних даних пацієнтів із різними діагнозами та формуванню доступної для широкого кола науковців бази даних. Це дасть можливість проводити пошук важливої інформації для підтвердження або спростування нових гіпотез щодо вивчення хвороб без необхідності обстеження пацієнтів. Приміром, в експериментах на тваринах простежується роль окремого гена у визначенні характеру перетікання означеної хвороби або реакції пацієнта на певні ліки. Дослідник зможе отримати з зазначеної бази відомості про пацієнтах із зазначеним діагнозом та способом лікування і визначити, чи є подібний зв'язок з аналогічний геном у людини за лічені години або дні. За стандартного проведення дослідження потрібно обстежити кілька десятків або сотень пацієнтів, що вимагає місяці або роки.

 

 

Про нейророботику і зв’язки у 1014-15

Зараз аналіз і навіть зберігання наявного величезного масиву даних потребує розробки спеціалізованих алгоритмів та програм, до того ж, вони можуть застосовуватися в інших, далеких від нейронаук, галузях. Цікавим відгалуженням від цього завдання є нейророботика – створення інтерфейсів між розробленими моделями мозку та алгоритмами керування роботами. Вони допоможуть керувати штучними девайсами, використовуючи алгоритми роботи мозку. Наразі подібні програмно-апаратні комплекси використовуються, швидше, як іграшки – «силою думки» керувати іграшковою машинкою або вмикати/вимикати лампочки, але у перспективі це можуть бути прилади, що замінять людям утрачені кінцівки, органи чуття, а в теорії – і до створення роботизованих «аватарів». Подібний проект The Brain Initiative реалізується у США і розрахований на 10 років.

 

Інший цікавий і перспективний проект стосується вивчення структури зв'язків між нервовими клітинами. Наш мозок містить близько 86 млрд нейронів, кожен з яких типово контактує з сотнями й тисячами інших. За теоретичними оцінками, сумарна кількість зв'язків між нервовими клітинами становить астрономічне число – 1014-15. Те, як нейрони сполучені між собою, визначає, як ми сприймаємо сенсорні подразники, як трансформуємо їх у дії, поведінку та явища психічного характеру (пам'ять, увага, емоції, тощо). Проект Human Connectome Project вивчає цю надзвичайну складність. До нього залучені дослідники 11 інститутів, які здійснюють томографічне сканування високої роздільної здатності головного мозку людини. Особливістю проекту є те, що дані збираються повторно для того, щоб можна було простежити, які зв'язки є стабільними, мало змінними у часі, а які є лабільними, тимчасовими. Наразі обстежено більше 1000 людей.

 

Тим часом один із європейських проектів, в роботі якого я брав участь, присвячений дослідженню місць контакту двох нейронів – синапсу. Синапси є досить складними структурами, для їх правильної роботи потрібно залучення близько 2000 різних білків, а це близько 10% від загального числа білків, що існують в нашому організмі. Активація рецептора лише одного типу спричиняє зміни в структурі понад 100 різних білків. Наразі відомо, що мутації у близько 200 генах (~1% від загального їх числа) асоційовані із більш ніж 130 психічними та неврологічними розладами. Отже,  відібрали ключові гени, пов'язані із такими захворюваннями, як шизофренія, аутизм, депресія, синдром дефіциту уваги та гіперактивності, епілепсія, тощо. Моє завдання розібратися, що відбувається у головному мозку мишей, які є мутантами з того чи іншого гена, який працює у нервових клітинах. Зараз аналізуємо великий обсяг напрацьованих даних.

 

 

 

 

Про шкільні олімпіади

Я був учасником і переможцем всеукраїнської та міжнародної олімпіади у 11-му класі. В університеті мене залучили до проведення олімпіади вже як журі, і це затягло на довгі роки. Олімпіада з біології змінюється, оскільки сама біологія є вкрай динамічною наукою. Наразі кількість доступної літератури та обсяг знань, що виноситься на рівень олімпіади, є врази більшим, ніж коли я був учасником двадцять років тому. Іноді дивуєшся, як сучасні школярі можуть так багато знати.

 

Як член журі я в олімпіаді з 2001 року. За цей термін найбільше, мабуть, змінився практичний тур. Його організація є завжди значною проблемою, адже вимагає обладнання та реактивів, а грошей на це виділяється мінімум. Проте останніми роками наша команда робить високорівневі, цікаві та різноманітні роботи, в яких учні можуть продемонструвати свої знання та уміння працювати. На жаль, для багатьох є проблемою провести базові хімічні реакції або ж правильно виконати елементарні маніпуляції із мікроскопом. Причиною цього, зрозуміло, є погане матеріальне обладнання навчальних класів у школі.

 

Ще одна важлива відміна стосується порядку проведення обласних (міських у Києві та Севастополі) етапів олімпіад. З 2010 року вони проводяться за єдиним комплектом завдань, що готується тією ж командою, що працює над всеукраїнським рівнем. Це дає змогу уніфікувати процес оцінювання, витримавши стандарти підготовки до всеукраїнського етапу та у перспективі до міжнародного. До речі, щороку майже всі члени команди України повертаються з призовими місцями з міжнародної олімпіади.

 

Крім організаційних змін, біологічна олімпіада сформувала кілька відгалужень, які стали успішними самостійними проектами. Так, заснована у 1995 році екологічна олімпіада, що проводилася як додаток до основної, з 2011 року проводиться незалежно.

 

Започаткований за моєю ініціативою у 2012 році Нейроконкурс також став самостійним з цього року. Це змагання серед школярів із нейронаук. Відбірковий тур проводиться через інтернет, а найкращі учні запрошуються до Києва, де на базі Інституту фізіології ім. Богомольця проводиться фінал. Переможець отримує право представити Україну на міжнародному конкурсі International Brain Bee. Зважаючи на це, змагання проводиться виключно англійською мовою.  Цього року за підтримки Національного центру «Мала академія наук України» наш національний чемпіон – Дар'я Барбаш з Вінниці – змогла взяти участь у конкурсі, що проводився в Копенгагені під час наукового форуму Федерації європейських товариств нейронаук, де показала пристойний результат. Тож, запрошую старшокласників долучатися.  

 

 

Про навчання вчителів

Усі люди здатні навчатися, якщо хочуть. Учителі, що готують своїх учнів до всеукраїнських олімпіад та турнірів, вчать не менше за них, інакше не виходить. У професійному рості можуть відігравати роль і обов'язкові державні курси підвищення кваліфікації (неперервної педагогічної освіти), але успішність цього сильно залежить від ентузіазму конкретних методистів. Деякі намагаються організовувати зустрічі учителів області із науковцями та викладачами з університетів та інститутів, проводять віддалені (через інтернет) лекції тощо. Мала академія наук набирає талановитих учителів для участі у світових наукових школах. З біології, приміром, цього року запланована поїздка в лабораторію X-Lab у Німеччині. Фізиків возять до CERN, це де Великий адронний коллайдер, а також до Національної аргонської лабораторії в США.

 

 

 

 

Про роботу у наших і закордонних лабораторіях

Наука – це дороге задоволення, і робити її на якісному рівні в Україні коштує не дешевше, ніж у Європі чи США, адже вартість обладнання і реактивів для всіх однакова (і це без митних платежів і процедур). Звісно, нестача фінансування є важливою причиною низької ефективності вітчизняної науки, але не єдиною.

 

Основним завданням світових проектів є не так конкретні рішення типу «знайти ліки від раку», як накопичення критичної маси знання та його структурування для того, щоб інтенсифікувати майбутні наукові прориви. І це істотно відрізняється від того, що українські науковці часто чують останніми роками від керівництва країни та деяких громадян: для чого нам наука, яка не дає помітний та відчутний результат просто зараз? Та не можна запланувати і зробити за розкладом відкриття – воно, як правило, є результатом тривалої кропіткої, часом безуспішної роботи. Звісно, я не хочу сказати, що потрібно фінансувати будь-які вітчизняні дослідження.

 

Потрібен жорсткий та висококваліфікований конкурс проектів із залученням зарубіжних експертів із числа визнаних у світі учених. Початок руху у правильному напрямку вже є – завдяки новому закону «Про наукову і науково-технічну діяльність».

 

У нашій науці значною проблемою є бюрократичні та юридичні перепони вітчизняного виробництва. У закордонній лабораторії (кажу конкретно про швейцарський університет Цюриха, не хочу узагальнювати) при необхідності я можу за погодженням із професором придбати потрібну мені на завтра річ за свої кошти із відшкодуванням у майбутньому. Або ж навіть взяти спеціальну картку та придбати все потрібне – від канцтоварів до радіодеталей  – в магазині, розташованому в університеті, а гроші спишуться з коштів ґранту.

 

У нас, по-перше, грошей немає. По-друге, навіть якщо є, на їхні витрати встановлені ліміти. По-третє, навіть якщо і можна купити, то процедура вимагає десятки папірців, узгоджень, віз, проведення через казначейство, кілька тижнів часу…

 

Для того, щоб поїхати у закордонне відрядження за державні гроші потрібен спеціальний дозвіл, до того ж, аж цілого віце-прем'єра. Нещодавно був випадок, коли одному українському вченому відмовили у поїздці на конференцію, хоча кошти на це були закладені у ґрант, який надавався однією з європейських установ. Європейці були шоковані, адже фактично українська держава привласнила фінансування, виділене на конкретну мету. Поїздка таки відбулася, але приймаюча сторона надала кошти повторно.

 

Та попри все у порівнянні із «доінтернетними» часами зараз є широкі можливості взаємодіяти із закордонними колегами. Як мінімум – читати провідні наукові журнали, щоб бути в курсі новітніх результатів та тенденцій і не винаходити те, що було зроблено десятиліттями тому. Щоправда, доступ до платних журналів у нас обмежений, проте це непогано вирішується науково-«піратським» ресурсом Sci-Hub. Зараз не проблема поїхати на міжнародну конференцію, аби представити власні результати (звісно, якщо вони належної наукової якості), поспілкуватися із колегами, послухати лекції провідних учених. Співпраця із закордонними лабораторіями, поїздки на стажування, запрошення до України лекторів –  це не поодинокі випадки.


Проте, наша інтеграція є асиметричною – потік науковців, що їде з України, перевищує ті краплинки, які повертаються назад. Причини цього є зрозумілими – за кордоном більше можливостей для професійного розвитку та більш комфортні умови роботи та життя.


comments powered by Disqus