Záhady fungovania ľudského mozgu vždy trápili vedcov. Vždy existovali pokusy napodobniť ľudský mozog. Projekt Human Brain Project je jedným z takýchto pokusov. V akom štádiu sú vedci? Existujú úspechy?
Ľudský mozog je najzáhadnejší biologický počítač, aký poznáme. V skutočnosti o nej nevieme dosť, napriek úsiliu vedcov dozvedieť sa o nej v priebehu storočí čoraz sofistikovanejšími spôsobmi. Iba najnovšie technológie nám môžu poskytnúť skutočné poznatky, o ktorých sme predtým mohli len tušiť. To nič nemení na fakte, že k plnému uvedomeniu máme ešte ďaleko. V akom štádiu sú moderní vedci?
Tiež zaujímavé: Čo sú neurónové siete a ako fungujú?
Pojem "umelá inteligencia"
V 1950. rokoch, keď sa pojem „umelá inteligencia“ prvýkrát objavil vo vede a výskumníci AI úspešne dokázali, že môžete naučiť stroj robiť veci, ktoré by ste sami nedokázali, boli z toho nadšení. Jednoduchá možnosť, že stroj sa môže učiť, sám dokázať matematické vety (to sa podarilo napríklad pomocou programu Logic Theorist, ktorý v roku 1955 vyvinuli Allen Newell a Herbert Simon), alebo hrať dámu a poraziť človeka (program od Arthura Samuel, inžinier IBM, neskôr profesor na Stanfordskej univerzite), viedol vedecký svet k presvedčeniu, že úplná simulácia ľudského mozgu je vzdialená len niekoľko rokov.
Prešli desaťročia a napriek enormnému rastu výpočtovej sily, vývoju umelých neurónových sietí a algoritmov AI s hlbokým strojovým učením sme stále ďaleko od simulácie čo i len fragmentov mozgu. Jednoducho povedané, priekopníci AI z druhej polovice 20. storočia značne podcenili možnosti tejto „rôsolovitej hmoty“ u našich korytnačiek, ktorú tvorí z 90 % voda.
Tiež zaujímavé: ChatGPT: Jednoduchý návod na použitie
Mozog je komplexný
Pri narodení váži ľudský mozog približne 300 g. Plne vyvinutý mozog dospelého človeka váži približne 1,5 kg. Týchto 1,5 kg obsahuje celý náš vesmír a všetky mentálne schopnosti, ktoré máme. Nielen tie vedomé, ako je abstraktné myslenie, kreativita, ale aj také, ktoré si neuvedomujeme: pohyblivosť pohybov, ovládanie obehového systému, dýchanie a mnoho, mnoho iného.
Medzi vedcami je populárny výrok, že ľudský mozog pozostáva z približne 100 miliárd neurónov. Ich presný počet nepoznáme a u každého jedinca ľudského druhu sa môže líšiť. Predpokladajme však, že je to pravda a toto číslo nie je až také malé. 100 miliárd je veľa, ale moderné superpočítače dokážu simulovať aj väčšie objekty. Problém je však v tom, že neurón je niečo oveľa zložitejšie ako napríklad texel v 3D grafike, pixel na obrázku alebo akýkoľvek iný objekt, ktorý sa dá opísať len malým kúskom kódu.
Neuróny v našom mozgu sú navzájom prepojené. Nejde o fyzické spojenia, pretože potom by sa elektrické impulzy generované v jednotlivých neurónoch rýchlo šírili po tele, čo by prakticky znemožnilo fungovanie. Prenos informácií v našom mozgu je založený na elektrine (impulzy) aj chémii (neurotransmitery). Každý neurón (pripomeňme si dnes populárny obraz neurónu ako „stromu“ s charakteristickými dendritmi) je možné spojiť s ostatnými pomocou až desaťtisíc synaptických spojení.
Súhlasíte, 10000 XNUMX spojení z jednej nervovej bunky je oveľa zložitejšie ako logické brány v tranzistoroch. Ak sa pokúsime spočítať počet všetkých možných spojení medzi neurónmi a stavmi, ktoré môžu v danom momente získať (len jeden), dostaneme obrovské číslo, ktoré ďaleko prevyšuje odhadovaný počet atómov v celom pozorovateľnom vesmíre. Pri použití tohto prístupu mnohí vedci, ktorí sa špecializujú na neurobiológiu a majú skúsenosti aj s informatikou, veria, že aj pri súčasnej úrovni poznania a jeho očakávanom vývoji je úplná simulácia takého zložitého orgánu úlohou, ktorá presahuje naše možnosti. dlhý čas. To ale neznamená, že vedci nič nerobia a nič nedosiahli. Poďme sa pozrieť na niektoré projekty, ktorých cieľom je simulovať ak nie celú ľudskú myseľ, tak aspoň jej časť.
Prečítajte si tiež: 7 najúžasnejších spôsobov použitia ChatGPT
40 minút a jednu sekundu
V roku 2013 spojili japonskí vedci z Okinawského technologického inštitútu a nemeckí výskumníci z Forschungszentrum Jülich svoje sily a použili jeden z najvýkonnejších superpočítačov na našej planéte v tom čase (nazvaný K Computer, líder zoznamu Top500 v roku 2011) s výpočtovým výkonom. 8,16 PFLOPS (alebo 8,16 kvadriliónov operácií s pohyblivou rádovou čiarkou za sekundu), aby sme sa pokúsili simulovať len kúsok mozgu. Vo všeobecnosti simulácia pozostávala z mapovania práce 1,73 miliardy neurónov, ktoré spolu vytvorili sieť 10,4 bilióna synaptických spojení. To je o niečo viac ako 1 percento potenciálu tohto biologického „rôsolu“ uviaznutého vo vašej lebke. Simulácia využívala plný výkon 82944 procesorov Sparc64 VIIIfx (jeden systém má taktovaciu frekvenciu 2 GHz a 8 jadier). Osvedčil sa tento prístup?
Podľa vedcov áno, ale na druhej strane... záleží na tom, ako sa na to pozeráte. Približne 40 minút prevádzky tohto superpočítača trvalo na simuláciu len 1 sekundy prevádzky spomínaného fragmentu neurónovej siete mozgu. Preto aj keď skutočnosť, že sa simulácia vôbec uskutočnila, možno nazvať úspešnou, pretože efekty, čas výpočtu a objem simulácie ukazujú, akým obrovským problémom tu čelíme. A treba si uvedomiť, že s nárastom počtu neurónov sa zložitosť synaptickej siete zvyšuje nie lineárne, ale exponenciálne! Ak by sa na tú istú úlohu použil aj momentálne najrýchlejší americký superpočítač Frontier, ktorý pracuje v Oak Ridge National Laboratory a má výpočtový výkon až 1102 PFLOPS, teda 135-krát väčší ako spomínaný japonský K Computer, neznamenalo by to že Frontier mohol simulovať (s rovnakými parametrami modelu) neurónovú sieť 135-krát väčšiu. Rovnaká simulácia jednej reálnej sekundy siete 1,73 miliardy neurónov vydrží na americkom superpočítači nie 40 minút, ale menej ako 18 sekúnd. Ale toto je stále oveľa viac ako skutočná simulácia siete v reálnom čase a je to len malá časť toho, čo máme v hlave. Simulovanie fungovania celej mysle stále patrí do sféry sci-fi. Vedci sa však stále snažia.
Prečítajte si tiež: O kvantových počítačoch jednoduchými slovami
Európsky projekt ľudského mozgu
Projekt Human Brain Project (HBP) z hľadiska rozsahu a finančných prostriedkov vyčlenených na tento vedecký projekt možno porovnať s iným projektom súvisiacim s človekom – známym projektom „Human Gene“, ktorý trval od roku 1990 do roku 2003. Aby sme plne porozumeli ľudskému genómu, cieľom projektu Human Brain Project je pomôcť vedcom lepšie porozumieť nášmu mozgu. Projekt Human Brain Project, ktorý prebieha od roku 2013 a pôvodne sa mal skončiť po desaťročí výskumu (t. j. v roku 2023), sa však simulácii celého mozgu ani zďaleka nepribližuje. Aké ciele teda vedci plánujú týmto výskumom dosiahnuť?
Hlavným cieľom HBP nie je simulovať celý mozog, ako sme už, dúfam, ukázali, že táto úloha je nad možnosti našej dnešnej civilizácie. Cieľom je aspoň čiastočne zvládnuť zložitosť mozgu. Pomôže to pri rozvoji takých vied, ako je medicína, informatika, neurológia, ako aj pri vývoji technológií, ktorých práca je inšpirovaná tým, ako funguje naša myseľ.
Jedným z výsledkov projektu HBP je vytvorenie digitálnej platformy pre výskum mozgu EBRAINS. EBRAINS je platforma s otvoreným zdrojom, ktorá umožňuje výskumníkom z celého sveta využívať digitálne nástroje dostupné v zabezpečenom cloudovom prostredí. Inými slovami, EBRAINS poskytuje vedcom nástroje na modelovanie a analýzu fungovania jednotlivých oblastí mozgu.
Jedným z takýchto nástrojov je program na simuláciu virtuálneho mozgu vytvorený spoločnosťami HBP a EBRAINS. Tento nástroj úplne nedokáže simulovať prácu celého mozgu, no umožňuje napríklad výskumníkom nových liekov simulovať ich účinky na skupiny neurónov. To zase umožní vedcom vyvinúť nové liečebné postupy užitočné pre zložité ochorenia, ako je Alzheimerova choroba, depresia, Parkinsonova choroba a ďalšie.
Tiež zaujímavé:
- Takže hovoriť alebo nehovoriť? Musk rozhovory s Putinom popiera. Ale je tu "ale"
- Moderné delostrelectvo je super zbraň Ukrajiny. A prečo je tu Elon Musk?
Iniciatíva US BRAIN
Ešte väčším a novším projektom iniciovaným americkými výskumnými inštitúciami je US BRAIN Initiative. Ide o ďalší viacročný výskumný projekt v hodnote niekoľkých miliárd dolárov zameraný na zmapovanie ľudského konektómu. čo je to spojenie? Ide o súbor nervových spojení tohto organizmu. Rovnako ako genóm je úplná mapa genetického reťazca a proteóm je úplná mapa bielkovín daného organizmu. Ľudský genóm už poznáme, jeho objavenie stálo miliardy dolárov. Dnes je testovanie genómu bežne dostupné a napríklad genetické testy na prítomnosť defektu stoja niekoľko stoviek dolárov. Kompletný genóm je o niečo drahší, no stále rádovo nižší ako cena prvého prečítania ľudskej DNA.
Vráťme sa k Connectomu a americkému projektu BRAIN. Čo je cieľom tohto projektu? Josh Gordon, riaditeľ amerického Národného inštitútu duševného zdravia v Bethesde, Maryland, povedal: „Poznanie všetkých typov mozgových buniek, ako sa navzájom spájajú a ako interagujú, otvorí úplne nový súbor terapií, ktoré dnes ani si neviem predstaviť." V súčasnosti sa vytvára a systematicky rozvíja najväčší svetový katalóg typov nervových buniek. Tento katalóg s názvom BRAIN Initiative Cell Census Network (BICCN) popisuje, koľko rôznych typov buniek je v mozgu, v akých pomeroch sa vyskytujú, ako sú priestorovo rozložené a aké interakcie medzi nimi prebiehajú.
Odkiaľ pochádza tento prístup? Z potreby pochopiť, ako funguje mozog. Výhody tohto prístupu sú vysvetlené vo vyhlásení pre Nature od neurovedca Christopha Kocha, hlavného vedca programu MindScope, ktorý realizuje Allen Institute for Brain Science v Seattli: „Tak ako nič v chémii nemá zmysel bez periodickej tabuľky prvkov, nič nebude mať zmysel v pochopení mozgu bez pochopenia existencie a fungovania jednotlivých typov buniek“.
Ak by sme hypoteticky dosiahli technologický potenciál na to, aby sme mohli skenovať bunku po bunke a napríklad obnoviť ľudský mozog, takýto prístup by znamenal, že aj keby sme uspeli (čo dnes nie je reálne), stále by sme nechápali, prečo mozog funguje tak, ako sa to naozaj deje. A je jedno, či hovoríme o mozgu ako o živom biologickom orgáne alebo o jeho digitálnom, hypoteticky klonovanom náprotivku. BRAIN a adresár BICCN sú východiskovými bodmi pre pochopenie štruktúry a fungovania každého neurónového okruhu, a teda aj pre pochopenie zložitého správania, ktorým sa riadia všetky druhy s tak zložitým orgánom ako je mozog.
Výskum pokračuje a vedci neustále prezentujú svoje nové úspechy na špeciálne vytvorenej webovej stránke. Som si preto istý, že čoskoro nás čakajú ešte zaujímavejšie objavy.
Tiež zaujímavé:
Čoskoro bude možné všetkým zbytočne odobrať mozog...