Виртуальный ты. Как создание цифровых близнецов изменит будущее человечества

Двенадцать пар черепно-мозговых нервов отходят от нижней части мозга и контролируют мышцы головы и шеи или передают сигналы от органов чувств. Среди них – блуждающий нерв, нервная магистраль, проходящая от головы через брюшную полость и связывающая мозг с основными органами. Блуждающий нерв играет множество ролей, в том числе участвует в воспалительной реакции и появлении аппетита, и является одним из предметов интереса исследователей, разрабатывающих «электроцевтики» – электрические сигналы, – способные обмануть тело и мозг, например, заставив их думать, что кишечник полон»[466].

Врачам уже давно известно, что нервы регулируют сердцебиение, частоту дыхания и снижение кровяного давления. В селезенке они могут изменять активность Т-клеток – иммунных клеток, с которыми мы столкнулись ранее, – чтобы остановить выработку воспалительных веществ, таких как фактор некроза опухоли – белок, который накапливается в суставах при ревматоидном артрите. В коже есть нервы, которые могут подавить инфекцию. Вместо того чтобы подвергать весь организм воздействию препарата, циркулирующего в кровотоке, электротерапевтический имплант сможет регулировать активацию одного нерва, например того, который контролирует мочевой пузырь.

Чтобы помочь в разработке электротерапевтических препаратов, команда из Окленда создает карты нервных путей, соединяющих органы: от локтевого нерва, который сгибает мизинец, до общего малоберцового нерва, который поднимает ногу. Нам необходимо более глубокое понимание связей, например, между сердцем и легкими, потому что, как указывает Хантер, сердце полно нейронов, и «когда вы вдыхаете, ваше сердце бьется немного быстрее – это логично, ведь вы хотите, чтобы кровь проходила через легкие, когда уровень кислорода высок»[467]. Этот хитрый трюк осуществляется вегетативной системой организма через ствол мозга и скопления нервов, называемых ганглиями.

Исследователи из Окленда разрабатывают инструменты воздействия на нервные цепи, которые соединяют широкий набор тканей. Программа, известная как SPARC (стимуляция периферической активности для облегчения состояний), поддерживается Национальными институтами здравоохранения США в надежде, что эти инструменты помогут разработать новые методы лечения различных заболеваний, таких как желудочно-кишечные расстройства, гипертония, сердечная недостаточность, диабет 2-го типа, воспалительные заболевания и многие другие[468].

Даже сердечные приступы могут быть вызваны не только сердечной мышцей, испытывающей недостаток крови из-за ишемической болезни, но и тем, что Хантер называет «дисбалансом» во взаимосвязанных контурах управления вегетативной нервной системой организма. Мы уже имплантируем кардиостимуляторы, чтобы регулировать деятельность сердца, и есть надежда, что имплантируемые устройства смогут заменить больную вегетативную нервную систему и помочь в регулировании работы сердца, кишечника и многого другого.

Чтобы смоделировать эти регулирующие петли обратной связи и шлейфовые цепочки зависимостей между стволом мозга, ганглиями и нервами, команда из Окленда использует связанные обыкновенные дифференциальные уравнения. Однако, как мы уже видели, когда речь идет, например, о сердце и легких, им также приходится использовать пространственную модель, где уравнения в частных производных моделируют различия в местной анатомии, будь то камеры сердца или способ переноса кислорода в легких, зависящий от силы тяжести, что приводит к различному количеству кислорода и углекислого газа на разных уровнях в легких.

Получение всех параметров для создания сложных многомасштабных моделей является серьезным препятствием. Здесь команда из Окленда, как и многие другие группы, использует суррогатное моделирование, с которым мы столкнулись ранее. Команда может заменить полную физику высокодетализированной многомасштабной модели искусственным интеллектом, которое обучено вести себя таким же образом, чтобы сложные уравнения не приходилось решать снова и снова. Ключевым ингредиентом успеха, напоминает нам Хантер, является обеспечение того, чтобы машинное обучение ограничивалось реальной физикой (например, законами сохранения энергии), гарантируя, что ИИ не произведет «глупые расчеты, попав в ситуацию, которая существенно отличается от набора обучающих данных. Ведь именно тогда нам необходимо, чтобы физика наложила свои ограничения»[469].

Виртуальные мышцы и скелеты

Еще одним ключевым элементом инфраструктуры тела человека являются поддерживающие его мышцы, кости, хрящи, связки, сухожилия и другие соединительные ткани. Здесь моделирование способно помочь разобраться в эпидемии скелетно-мышечных и двигательных расстройств – глобальной проблеме здравоохранения, связанной со старением населения и избыточным весом. Компьютерное моделирование может помочь изучить взаимодействие между микро- и макромасштабами суставов человека во время роста, старения и болезней.