[458]. Создаются также цифровые двойники пациентов – iPhantoms – для расчета индивидуальных доз облучения органов во время визуализации[459].
Есть еще много примеров, не в последнюю очередь в предыдущей главе. Невозможно отдать должное им всем, но среди множества команд, работающих над виртуальным человеком, одни из наиболее длительных и разнообразных исследований можно найти в Новой Зеландии, в Оклендском институте биоинженерии (ABI) – внушительная башня из темного стекла в северной части Окленда, в нескольких кварталах от набережной. Институтом руководит Питер Хантер, который провел детство, чиня радиоприемники и играясь с электроникой (его отец построил первую в Новой Зеландии систему замкнутого телевидения на заднем дворе собственного дома), а работать начал в Оксфорде, храня в сердце учение Дениса Нобла.
Хантер, который начинал как инженер с интересом к математическому моделированию, десятилетиями был озабочен проблемой моделирования тела на компьютере. Во введении мы упомянули различные проекты по созданию виртуального человека по всему миру, и в 1997 г. институт Хантера возглавил один из них – проект «Физиом», где «physio» означает «физиология», а «ome» – «в целом»[460][461].
Этот всемирный проект начался со встречи в Глазго, Шотландия, в 1993 г., и стимулировался объемом и разнообразием медицинских данных, доступных уже тогда. Сегодня мы можем использовать гораздо более широкий спектр данных, а также различные атласы, от регенерации мышц до метаболизма, причем последний обеспечивает ценный способ интеграции потока данных – омик[462][463]. Свежие знания о строении и анатомии исходят от тех, кто пожертвовал свои тела науке (таких, как Юн Сон, упомянутая в предыдущей главе) для различных проектов, в которых труп замораживается, разрезается десятки тысяч раз – каждый срез толщиной с лист бумаги – и фотографируется для оцифровки, а затем снова собирается в виртуального двойника[464].
Подобно тому, как подводные миры Мирового океана по-прежнему таят в себе множество тайн, в человеческом теле все еще можно найти сюрпризы. В 2018 г. команда из Нью-Йоркского университета обнаружила «магистраль» движущейся жидкости. Слои, которые раньше считались плотными соединительными тканями (они лежат под поверхностью кожи, выстилают пищеварительный тракт, легкие и мочевыделительную систему, а также окружающие артерии, вены и фасции между мышцами), оказались взаимосвязанными, заполненными жидкостью отсеками[465]. Возможно, они действуют как амортизаторы или являются источником лимфы – жидкости, участвующей в иммунитете.
Эта работа служит еще одним напоминанием о том, что новые методы приводят к новому пониманию. Традиционные методы изучения под микроскопом, при которых ткань обрабатывали химическими веществами, нарезали тонкими слоями и окрашивали, чтобы подчеркнуть ключевые особенности, не учитывали эту «магистраль жидкости». Во время процесса фиксации жидкость вытекала, поэтому соединительно-белковая сеть вокруг заполненных жидкостью отсеков сжималась и выглядела твердой. В конечном итоге с помощью нового метода, известного как конфокальная лазерная эндомикроскопия на основе зонда, были обнаружены эти структуры.
Чтобы разобраться во всех этих идеях, данных и моделях, в Оклендском институте биоинженерии работают около 300 человек, из которых 100 получают докторскую степень, 60 – штатные исследователи, 20 – ученые, а остальные – вспомогательный персонал. Для поддержки этой работы требуется больше, чем государственное финансирование, и Хантер воспитал поддерживающую культуру предпринимательства, поощряя исследователей создавать компании стоимостью в миллионы долларов, которые, в свою очередь, нанимают сотни новых людей. Дочерние предприятия варьируются от специализирующихся на медицинских технологиях (например, используют моделирование для интерпретации данных с медицинских устройств) до Soul Machines – компании, основанной Марком Сагаром для создания реалистично выглядящих «аватаров», которые появлялись в выставочных залах, банках и Голливуде.
Двенадцать подвигов
Во всем мире предпринимаются усилия по расширению и интеграции диапазона виртуальных органов и систем органов, а также по развитию моделирования, от простых одномерных описаний, основанных на обыкновенных дифференциальных уравнениях (которые можно запустить на ноутбуке), до моделирующих органы в трех измерениях и во времени, зависящих от уравнений в частных производных (которые можно исследовать только с помощью суперкомпьютеров).
И здесь исследования, проведенные в Новой Зеландии, могут дать нам представление о существующих сложностях. К тому времени, когда мы встретились с Питером Хантером, его команда расширила исследования от только сердца до 12 систем органов тела, включая мозг. Он называет это стремление «двенадцатью подвигами», с намеком на покаяние, принесенное величайшим из греческих героев Гераклом (или Геркулесом) на службе у царя Эврисфея, в обмен на которое он был вознагражден бессмертием.
Одним из препятствий, с которыми сталкивается институт Хантера, является создание виртуальной инфраструктуры, координирующей жизнедеятельность во всем организме, такой как гормоны – химические курьеры, которые передают сообщения, – и в предыдущей главе это было отражено моделью Гайтона регуляции кровообращения всего тела. Команда под руководством его коллеги Винода Суреша пытается связать физиологию органов с лежащими в основе клеточными процессами, такими как поглощение и высвобождение клетками химических веществ и их транспортировку через кровь и восприятие тканями, что лежит в основе ряда регуляторных процессов – секреции инсулина в ответ на прием пищи, дыхания в ответ на физические упражнения и т. д.
Сочетая медицинскую визуализацию, математическое моделирование, лабораторные эксперименты и компьютерное моделирование, они надеются понять, как движение регуляторных химических веществ и сигнальных молекул влияет на поглощение питательных веществ, секрецию слюны и баланс воды и соли в легких. Эти исследования предусматривают разработку новых тестов на деменцию, поскольку есть доказательства того, что изменения в кровотоке и транспортировке воды в мозге могут предшествовать развитию симптомов.
Еще одним примером инфраструктуры тела являются нервы, которые пронизывают каждый орган, позволяя им взаимодействовать друг с другом и «разговаривать» с головным и спинным мозгом. Человеческое тело устроено так, чтобы двигаться, реагировать, чувствовать и делать многое другое, поэтому одновременно контролируются сотни действий. Эта деятельность, которая так важна для повседневной жизни, зависит от вегетативной нервной системы, состоящей из парасимпатической части «отдыхай и переваривай» и симпатической части «бей или беги».
Рисунок 38. От моделирования клеток к виртуальному телу (Питер Хантер, Оклендский институт биоинженерии)
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.