Виртуальный ты. Как создание цифровых близнецов изменит будущее человечества

Первая компьютерная модель, представляющая трехмерные структурные данные белков и метаболитов в метаболических процессах, была разработана международным консорциумом, в который вошли Бернхард Палссон из Калифорнийского университета в Сан-Диего и Инес Тиле, которая сейчас работает в Национальном университете Ирландии в Голуэе. Модель охватывала около 4000 продуктов метаболизма или метаболитов, как их называют, и почти 13 000 белковых структур, объединенных в компьютерный инструмент под названием Recon3D, который дает представление о генетических вариациях и механизмах, лежащих в основе воздействия лекарств на метаболический ответ у людей[493].

Используя Recon3D, исследователи смогут, например, детально изучить, как метаболические процессы протекают у пациентов с болезнью Паркинсона по сравнению со здоровыми людьми, изучить взаимодействие между патогенами (такими, как бактерии или вирусы) и их хозяином-человеком, или исследовать влияние генетической мутации на структуру метаболита или белка во время развития определенных заболеваний. Они также использовали Recon3D для изучения того, как гены, белки и метаболические реакции отвечают на различные методы лечения. К своему удивлению, исследователи обнаружили, что препараты с очень разной молекулярной структурой могут вызывать схожие метаболические реакции.

Основываясь на этой работе, Тиле и ее коллеги разработали новый подход к реконструкции метаболической сети, в котором использовалась специфичная для органа информация из литературы (обзор более 2000 статей и книг) и данные – омик, чтобы зафиксировать метаболизм 26 органов и шести типов клеток крови у двух человек, мужчины и женщины, Харви и Харветты[494].

В 2020 г. они сообщили, что каждая из реконструкций представляет метаболизм всего тела с более чем 80 000 биохимических реакций анатомически и физиологически согласованным образом, опираясь в своих реконструкциях на физиологические, диетические и метаболомические данные, чтобы воспроизвести межорганные метаболические циклы и использование энергии, а также биомаркеры наследственных заболеваний обмена веществ в различных биожидкостях и скорость основного обмена. Наконец, добавив данные о микробиоме, они смогли изучить кометаболизм микробиома хозяина. Они пришли к выводу, что работа представляет собой «важный шаг на пути к виртуальным физиологическим людям».

Виртуальный мозг

3 фунта ткани между вашими ушами обеспечивают огромную вычислительную мощность, по оценкам, от 10²⁸ флопсов. Это намного превышает 10¹⁸ экзафлопсной машины, хотя в этом утверждении неявно заложена идея о том, что мозг на самом деле представляет собой что-то вроде цифрового компьютера. Один из признаков того, что это не так: вашему аналоговому серому веществу для мышления требуется весьма скромная мощность – всего лишь от 10 до 20 Вт. Экзафлопсный суперкомпьютер Frontier должен охлаждаться тысячами галлонов воды в минуту, а человеческий мозг работает при температуре всего 38,5 °C[495]. Сводить мозг к флопсам кажется таким же бессмысленным, как исчислять значимость произведения искусства его размером.

Мозг, без сомнения, является самым сложным и наименее изученным элементом человеческого тела. По мере того как мы его изучаем, появляются новые идеи, например, из недавнего исследования части мозговой ткани размером с кунжутное семя из коры головного мозга 45-летней женщины, из-за эпилепсии перенесшей операцию в Массачусетской больнице общего профиля, Бостон[496]. После окраски тяжелыми металлами, разрезания на 5000 частей и изучения с помощью электронной микроскопии команда из Гарвардского университета и других организаций использовала вычислительные методы для визуализации трехмерной структуры 50 000 клеток, сотен миллионов проекций нейронов и 130 миллионов синаптических связей. Исследование выявило несколько клеток, которые соединялись 10 или даже 20 раз. Учитывая аналогичные наблюдения на мышах, возможно, редкие мощные импульсы могут быть общей особенностью мозга млекопитающих.

Этот кусочек мозга размером в 1 мл содержал 20 139 олигодендроцитов (разновидность глиальных клеток), а также 8096 сосудистых клеток, 10 531 шиповатый нейрон (из которых 8803 имели четкую пирамидальную форму), и показал, что количество глии превышает количество нейронов в соотношении 2 к 1 (32 315 против 16 087). Шиповатые составляли 69 % нейронов, а 31 % нешиповатых были классифицированы как интернейроны (4688). Существовала еще группа из 868 нейронов, которые с трудом подпадали под эту бинарную категоризацию. Учитывая сложность даже этого маленького кусочка мозга, смоделировать все 86 миллиардов его клеток (нейронов), каждая из которых имеет в среднем 7000 связей с другими нейронами (синапсами), будет грандиозной задачей.