, «Цифровой двойник онкологического пациента» в США[27], европейский «Виртуальный физиологический человек»[28], проект «Человеческий мозг»[29] и еще один общеевропейский проект, возглавляемый Университетским колледжем Лондона, в который мы оба вносим свой вклад, – «Вычислительная биомедицина», или сокращенно CompBioMed.
Все объединяет одна цель. Как было заявлено на одном из семинаров, состоявшемся в Токио: «Пришло время начать грандиозный проект. В течение следующих 30 лет будет создана всеобъемлющая, основанная на молекулах, многомасштабная вычислительная модель человека («виртуальный человек»), способная с разумной степенью точности моделировать и прогнозировать последствия большинства отклонений, имеющих отношение к здравоохранению»[30]. Видение было обнародовано более десяти лет назад – в феврале 2008 г., – и это будущее быстро приближается.
На следующих страницах мы отправим вас в фантастическое путешествие по телу, его системам органов, клеткам и тканям, а также по деформируемым белковым машинам, которые всем управляют. Мы надеемся убедить вас, что в ближайшие десятилетия виртуальные двойники клеток, органов и популяции виртуальных людей будут формировать здравоохранение. Этот организующий принцип медицины XXI в. впервые позволит врачам предвидеть и предсказывать, что вас ждет, включая эффекты предлагаемых методов лечения. Это резко контрастирует с сегодняшним подходом, при котором врачи, по сути, действуют с оглядкой на то, что случилось с похожими (хотя и неидентичными) пациентами в аналогичных (хотя и неидентичных) обстоятельствах.
В долгосрочной перспективе виртуальные клетки, органы и люди – наряду с популяциями виртуальных людей – помогут превратить нынешнее поколение универсальной медицины в медицину, по-настоящему персонализированную. Ваш цифровой двойник поможет понять, какие формы питания, физических упражнений и образа жизни обеспечат вам самое здоровое будущее. В конечном счете появление цифровых двойников может проложить путь к методам улучшения вашего тела и будущего. Как мы обсудим в заключительной главе, виртуальные люди будут держать зеркало, чтобы отразить лучшую версию вас.
Первые четыре главы посвящены фундаментальным шагам, необходимым для создания цифрового двойника: сбору разнообразных данных о теле (глава первая); разработке теории, чтобы разобраться во всех этих данных (глава вторая), использованию математики, чтобы понять фундаментальные ограничения моделирования, использованию компьютеров, чтобы вдохнуть жизнь в математическое понимание человеческого тела (глава третья); объединению естественного и искусственного интеллекта для интерпретации данных и формирования нашего понимания (глава четвертая).
В главах с пятой по восьмую мы показываем последствия этих шагов и начинаем создавать цифрового двойника – от виртуальных инфекций (глава пятая) до клеток, органов, метаболизма и тел. Попутно, в шестой главе, мы встречаемся с пятым шагом, необходимым для создания виртуального человека. Можем ли мы объединить различные математические модели разных физических процессов, происходящих в разных областях пространства и времени внутри тела? Мы можем, и возможность настраивать виртуальное сердце так, чтобы оно соответствовало сердцу пациента, является одним из выдающихся примеров (глава седьмая), наряду с моделированием тела и его систем органов (глава восьмая). В девятой главе мы обсуждаем «Виртуального тебя 2.0», когда следующее поколение компьютеров преодолеет недостатки нынешнего поколения «классических» цифровых компьютеров.
В последней главе мы рассматриваем множество возможностей, а также этические и моральные проблемы, которые создадут виртуальные люди. Цифровые двойники бросят вызов тому, что мы подразумеваем под такими простыми терминами, как, например, «здоровый». Действительно ли вы здоровы, если ваш цифровой двойник предсказывает, что без лечения или изменения образа жизни вы не проживете свою потенциальную продолжительность жизни? Вы можете чувствовать себя «хорошо», но действительно ли вы здоровы, если моделирование предполагает, что вам суждено провести в доме престарелых на десять лет дольше, чем необходимо? Если виртуальный человек может стать субстратом человеческой мысли, как мы будем относиться к нашей цифровой копии? Наконец, в приложении мы рассматриваем провокационный вопрос, возникающий при использовании компьютеров для моделирования мира: возможно ли воссоздать фундаментальную физику космоса с помощью простых алгоритмов?
Рисунок 3. Виртуальный анатомический близнец. Одна из подробных анатомических моделей высокого разрешения, созданных на основе данных магнитно-резонансной томографии добровольцев (IT’IS Foundation)
Итак, переходим к первой из наших основополагающих глав. Она ставит самый главный вопрос: если мы хотим создать цифровых двойников, насколько хорошо нам нужно знать самих себя? Чтобы создать виртуального человека, нам необходимо понять, какого рода данные и какого объема достаточно для анимации цифрового двойника с помощью компьютера.
Как однажды заметил Аристотель, познание себя есть начало всякой мудрости.
Глава 1Мерило себя
«Искусство Картографии достигло у них в Империи такого совершенства, что Карта одной-единственной Провинции занимала целый Город, а карта Империи – целую Провинцию. Со временем эти Несоразмерные Карты нашли неудовлетворительными, и Коллегия Картографов создала Карту Империи, которая была форматом в Империю и совпадала с ней до единой точки».
Чтобы создать виртуальную версию тела, первым делом нужно собрать достаточно личных данных. Существует множество потенциальных источников для получения этих данных: ультразвуковое сканирование сердца и других внутренних органов или визуализация всего тела с использованием рентгеновских лучей или магнитно-резонансной томографии (МРТ). Вы можете использовать различные – омы, будь то детальная последовательность ДНК (геном), химические детали вашего метаболизма (метаболом) или весь набор белков (протеом). Ваши личные данные могут включать в себя и незнакомые характеристики (такие как особая форма важного фермента), и более рутинные измерения (например, артериальное давление), а также «цифровые биомаркеры», которые можно собирать с помощью носимого устройства, будь то телефон, часы или рубашка из «умного» текстиля, контролирующего потоотделение[33]. Способы можно перечислять почти бесконечно.
Но сколько и какие именно данные нам нужны? Один из ответов можно найти в рассказе аргентинского эссеиста Хорхе Луиса Борхеса, процитированном выше. В этом кратчайшем из рассказов Борхес рисует в воображении время, когда наука картографии стала настолько точной, что достаточной считалась только карта того же масштаба, что и сама империя. Пусть в эпоху интернета подробнейшие карты и могут уместиться на экране смартфона, действительно ли нам необходимо дублировать на них каждый камешек в асфальтовом покрытии, чтобы не разбиться на дороге?
В какой степени науке необходимо представить человеческое тело, чтобы понять его? Когда дело доходит до создания виртуального человека, должны ли мы, как Суарес Миранда, фиксировать все 7 000 000 000 000 000 000 000 000 000 (7 октиллионов) атомов в теле, не говоря уже обо всех деталях еще большего скопления простых частиц – вращающихся протонов, нейтронов и электронов, – которые составляют каждый из атомов? Решая, сколько данных нам нужно, чтобы сделать первый шаг к созданию цифрового двойника, сможем ли мы не утонуть в данных, избежать проклятия гильдии картографов?
Есть и другие вопросы, которые следует рассмотреть. Мы ищем данные, которые можно измерить где угодно, с использованием одного оборудования, в одинаковых условиях и по одним и тем же протоколам. Даже разные люди, использующие разное оборудование, должны прийти к схожим результатам в одинаковых условиях[34]. Нам необходимо собирать эти данные эффективным и современным способом: науку всегда подстегивает разработка новых инструментов, таких как микроскопы, секвенаторы и сканеры. Существуют также проблемы с курированием, хранением и защитой данных. И, конечно же, возникают практические вопросы по обработке всех этих данных: даже самый мощный компьютер, который появится в ближайшие десятилетия, не сможет смоделировать молекулярный уровень человеческого тела, который, по оценкам, состоит из примерно от 20 000 000 000 000 000 000 000 000 до 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 молекул.
Мерило себя
Интуитивно кажется разумным предположить, что, чтобы создать виртуальную версию, нам нужно знать о вас все, что только можно. Но измерить состояние всех молекулярных ингредиентов (не говоря уже обо всех составляющих вас атомах) – непростая задача. Сколько же данных будет достаточно? Хватит ли знания, что ваше тело состоит примерно из 20 000 генов? Или что в нем трудится замечательный коллектив из 37,2 триллиона клеток[35]? Или что ваш мозг весит 3 фунта и требует около 20 Вт энергии? Или что молекулы в вашем теле представляют собой различные смеси из примерно 60 атомов разных видов (элементов), включая 25 г магния, содержащегося в костях и мышцах, 1,6 мг кобальта, содержащегося в витамине B12, 4 мг селена и 96 г хлора[36]? Или что нужно около 1011 бит (100 000 000 000 бит), чтобы выразить сканирование вашего тела длиной до 1 мм? Или что понадобится 10