Supermózg w megakomputerze

Autor: Marek Karolkiewicz | 27 maja, 2007

Szwajcarscy naukowcy na tropie tajemnic ludzkiej świadomości

W Lozannie prowadzony jest zdumiewający eksperyment. Szwajcarscy naukowcy twierdzą, że będzie to przełom tak ważny jak odczytanie ludzkiego genomu czy pierwsze lądowanie na Księżycu.
Oto w laboratorium Wyższej Szkoły Politechnicznej powstaje największy na świecie sztuczny mózg. Tworzony jest wirtualnie w superkomputerze Blue Gene, wyprodukowanym przez specjalizującą się w maszynach liczących wielkiej mocy firmę IBM. Na listach najpotężniejszych komputerów świata Blue Gene, składający się z czterech bloków wielkości lodówki, zajmuje 13. miejsce. Wkrótce jednak moc tego cybernetycznego giganta okaże się niewystarczająca. „Zamierzamy zbudować mózg kota, potem ssaka naczelnego, a nasze dzieło uwieńczy sztuczny mózg człowieka”, zapowiada dyrektor projektu Blue Brain (Błękitny Mózg), Henry Markram. Stoi on na czele zespołu 35 specjalistów, obecnie dysponujących budżetem w wysokości 1,8 mln franków szwajcarskich, przyznanym na trzy lata. Markram ma nadzieję, że ambitne przedsięwzięcie pozwoli na wyjaśnienie jednej z największych tajemnic nauki – jak w burzy impulsów elektrycznych, wytwarzanych przez komórki nerwowe (neurony) dzięki grze protein i genów, powstaje tak zadziwiający fenomen jak ludzka inteligencja i świadomość.
Praca nad projektem była żmudna. W laboratorium musiało oddać swe życie dla nauki kilka tysięcy szczurów. Badacze pracowicie pocięli mózgi gryzoni na cienkie plasterki. Mikrosondy zostały umieszczone w poszczególnych neuronach. Komórki nerwowe – wciąż żywe – poddano bombardowaniu impulsami elektrycznymi. W odpowiedzi neurony intensywnie wysyłały własne sygnały elektryczne, komunikowały się z sąsiadami, tak jak wtedy, gdy np. żywy jeszcze szczur poczuł zapach sera. Naukowcy skrupulatnie rejestrowali te reakcje, zapisywali je w długich wirtualnych tabelach. W końcu udało się stworzyć elektroniczne trójwymiarowe modele ok. 400 różnych komórek szczurzego mózgu. Modele bardzo dokładne, wraz z kanałami jonowymi, czyli mikroskopowymi porami, którymi usiane są neurony.

Przez kanały jonowe

przemykają się w obie strony naładowane elektrycznie cząsteczki.
Komputer przemyślnie obracał i dopasowywał każdą komórkę tak, że zajmowała dokładnie taką samą pozycję jak w prawdziwym mózgu. Co więcej, należało także dopasować precyzyjnie każdą synapsę (połączenie) między komórkami, a z każdego neuronu wychodzi aż 5 tys. tych mózgowych kabli. Jest to zadanie tak skomplikowane, że każda wirtualna komórka musi być generowana przez jeden procesor. Blue Gene wyposażony jest w 10 tys. procesorów. Po długich miesiącach żmudnych prób udało się na początku bieżącego roku stworzyć segment szczurzego mózgu, składający się z 10 tys. komórek i 50 mln synaps. W ten sposób powstała jedna z podstawowych jednostek tworzących korę mózgową wszystkich ssaków. Ten mózgowy moduł nosi nazwę kolumna korowa. Kolumny korowe tworzą 85% masy mózgu. Każda z nich to zespół komórek długości 2 mm o średnicy pół milimetra. Pojedyncza kolumna korowa to swego rodzaju

mózg w miniaturze,

który może uczestniczyć w procesach widzenia, słyszenia, ale także złożonego myślenia i uczenia się. „Nawet gdyby nasz mózg składał się tylko z jednej kolumny korowej, moglibyśmy już przetwarzać bodźce środowiskowe, aczkolwiek w sposób bardzo zamglony”, twierdzi Henry Markram.
Założenia projektu Blue Brain wydają się sprawdzać. Wirtualna trójwymiarowa kolumna korowa najwyraźniej funkcjonuje. Naukowcy mogli obserwować swego rodzaju mózgowe kino na wielkim ekranie. Pod wpływem bodźców elektrycznych sztuczne neurony zaczęły przejawiać aktywność podobną do tej, jaką można spostrzec podczas procesów myślenia. Komórki nerwowe spontanicznie koordynowały swoją aktywność i wysyłały sygnały w równym rytmie. Ten sztuczny moduł kory mózgowej jest wprawdzie szczurzy, jednak kolumny korowe wszystkich ssaków są podobne, toteż przetworzenie wirtualnej kolumny korowej gryzonia na taką samą jednostkę mózgu kota czy potem człowieka nie sprawi zapewne większych kłopotów. Już w 2008 r. badacze z Lozanny zamierzają stworzyć model z 100 mln sztucznych neuronów. Próba budowy wirtualnego ludzkiego mózgu zostanie prawdopodobnie podjęta w 2015 r. Pozornie wydaje się to niemożliwe. Mózg człowieka składa się ze 100 mld neuronów. Tylko gigantyczny komputer, zajmujący powierzchnię kilku boisk piłkarskich, mógłby obecnie wygenerować jego model. Roczny rachunek za prąd pożerany przez to cybernetyczne monstrum wyniósłby 3 mld dol. Moc nowych komputerów wzrasta jednak w sposób wprost niewyobrażalny. Uczestnicy projektu Blue Brain liczą, że za osiem lat będą już dostępne komputery zdolne stworzyć wirtualny ludzki mózg za znacznie bardziej umiarkowaną cenę.
Korzyści z takiego modelu okażą się wielorakie. Eksperymenty, które obecnie trwają długie miesiące, można by przeprowadzić w ciągu kilku minut. Naukowcy będą wyłączać poszczególne „obwody” sztucznych neuronów, aby sprawdzić, kiedy zostanie sparaliżowany cały system komunikacji mózgowej. Pozwoli to na zrozumienie natury takich plag jak

schizofrenia, epilepsja

i choroba Alzheimera. Prawdopodobnie stanie się więc możliwe znalezienie skutecznych sposobów terapii. „Kolumna korowa to niezwykle wydajna mała maszyna, ale może w niej dojść do awarii. W naszym modelu będziemy mogli zobaczyć, gdzie podczas ataku epilepsji rozpoczyna się niekontrolowana burza sygnałów”, opowiada Henry Markram.
Eksperyment z Lozanny jest jednak kontrowersyjny. Połowa światowej sławy neurologów przyjęła go z entuzjazmem, połowa zaś uważa, że przyjęta metoda jest błędna. Czy można absolutnie dokładnie odtwarzać układ i połączenia neuronów w mózgu, nie znając zasady ich działania, tylko żywiąc nadzieję, że wszystko „samo zaskoczy”? Neurony są wirtualne, wprawdzie zaopatrzone w kanały jonowe, ale pozbawione molekularnej maszynerii – genów i białek, generujących impulsy elektryczne. Henry Markram obiecuje, że wirtualne modele genów i protein wewnątrz komórek nerwowych zostaną stworzone później. Nie jest jednak pewne, czy wystarczy na to środków i mocy komputerów. Rodney Douglas, dyrektor Instytutu Neuroinformatyki przy uniwersytecie w Zurychu, nie kryje sceptycyzmu: „Ta symulacja jest wprawdzie wspaniała, ale z pewnością nie pozwoli na zrozumienie istoty inteligencji. Dzięki symulacji można zweryfikować istniejące hipotezy, ale nie umożliwi ona wysunięcia nowych hipotez na temat funkcjonowania mózgu. Jeśli ktoś rozwiąże zagadkę świadomości, będzie to zapewne zdolny młody badacz pracujący tradycyjnie – z kartką i ołówkiem w ręku”.
Ale Henry Markram i jego koledzy nie tracą entuzjazmu. Kiedy nadejdzie czas, zamierzają sprawdzić funkcjonowanie wirtualnego ludzkiego mózgu w prosty sposób – podłączą do niego robota. Oczywiście podjęte zostaną środki ostrożności, aby sterowany wirtualnym mózgiem androidalny automat nie uciekł z laboratorium.