Los misterios del funcionamiento del cerebro humano siempre han preocupado a los científicos. Siempre ha habido intentos de imitar el cerebro humano. El Proyecto Cerebro Humano es uno de esos intentos. ¿En qué etapa se encuentran los científicos? ¿Hay éxitos?
El cerebro humano es la computadora biológica más misteriosa que conocemos. De hecho, no sabemos lo suficiente sobre él, a pesar de los esfuerzos de los científicos por aprender sobre él de maneras cada vez más sofisticadas a lo largo de los siglos. Sólo las últimas tecnologías pueden proporcionarnos conocimientos reales sobre los que antes sólo podíamos adivinar. Esto no cambia el hecho de que todavía estamos lejos de la plena conciencia. ¿En qué etapa se encuentran los científicos modernos.
El término “inteligencia artificial”
En la década de 1950, cuando el término “inteligencia artificial” apareció por primera vez en la ciencia y los investigadores de IA demostraron con éxito que se podía enseñar a una máquina a hacer cosas que no podía hacer por sí mismo, estaban entusiasmados con ello. La simple posibilidad de que una máquina pueda aprender, demostrar por sí sola teoremas matemáticos (esto se hizo, por ejemplo, con el programa Logic Theorist desarrollado en 1955 por Allen Newell y Herbert Simon), o jugar a las damas y vencer a un humano (programa de Arthur Samuel, ingeniero de IBM y más tarde profesor de la Universidad de Stanford), hizo creer al mundo científico que sólo faltaban unos pocos años para lograr una simulación completa del cerebro humano.
Han pasado décadas y, a pesar del enorme crecimiento de la potencia informática, el desarrollo de redes neuronales artificiales y algoritmos de inteligencia artificial con aprendizaje automático profundo, todavía estamos lejos de simular siquiera fragmentos del cerebro. En pocas palabras, los pioneros de la IA de la segunda mitad del siglo XX subestimaron en gran medida las capacidades de esta “masa gelatinosa” de nuestras tortugas, que está compuesta en un 90% por agua.
El cerebro es complejo
Al nacer, el cerebro humano pesa aproximadamente 300 g. Un cerebro adulto completamente desarrollado pesa aproximadamente 1,5 kg. Este 1,5 kg contiene todo nuestro universo y todas las facultades mentales que tenemos. No sólo los conscientes, como el pensamiento abstracto, la creatividad, sino también aquellos de los que no somos conscientes: motilidad de los movimientos, control del sistema circulatorio, respiración y mucho, mucho más.
Es una afirmación popular entre los científicos que el cerebro humano consta de aproximadamente 100 mil millones de neuronas. No conocemos su número exacto y puede diferir en cada individuo de la especie humana. Pero supongamos que esto es cierto y que este número no es tan pequeño. 100 mil millones es mucho, pero las supercomputadoras modernas pueden simular objetos aún más grandes. Sin embargo, el problema es que una neurona es algo mucho más complejo que, por ejemplo, un texel en gráficos 3D, un píxel en una imagen o cualquier otro objeto que pueda describirse con sólo un pequeño fragmento de código.
Las neuronas de nuestro cerebro están conectadas entre sí. No se trata de conexiones físicas, porque entonces los impulsos eléctricos generados en las neuronas individuales se propagarían rápidamente por todo el cuerpo, lo que prácticamente imposibilitaría su funcionamiento. La transmisión de información en nuestro cerebro se basa tanto en la electricidad (impulsos) como en la química (neurotransmisores). Cada neurona (recordemos la imagen ahora popular de una neurona como un “árbol” con dendritas características) puede conectarse con otras mediante hasta diez mil conexiones sinápticas.
De acuerdo, 10.000 conexiones de una célula nerviosa es un nivel de complejidad mucho mayor que las puertas lógicas de los transistores. Si intentamos contar el número de todas las conexiones posibles entre neuronas y los estados que pueden obtener en un momento dado (solo uno), obtendremos un número enorme que supera con creces el número estimado de átomos en todo el universo observable. Utilizando este enfoque, muchos científicos especializados en neurobiología y también con experiencia en informática creen que, incluso con el nivel actual de conocimiento y el desarrollo esperado, una simulación completa de un órgano tan complejo es una tarea que excederá nuestras capacidades para mucho tiempo. Pero esto no significa que los científicos no hagan nada y no hayan logrado nada. Echemos un vistazo a algunos proyectos que pretenden simular, si no toda la mente humana, al menos una parte de ella.
40 minutos y un segundo
En 2013, científicos japoneses del Instituto Tecnológico de Okinawa e investigadores alemanes del Forschungszentrum Jülich unieron fuerzas y utilizaron uno de los superordenadores más potentes de nuestro planeta en aquel momento (llamado K Computer, líder de la lista Top500 en 2011) con potencia de cálculo. de 8,16 PFLOPS (u 8,16 cuatrillones de operaciones de punto flotante por segundo) para intentar simular sólo una porción del cerebro. En general, la simulación consistió en mapear el trabajo de 1,73 mil millones de neuronas, que en conjunto crearon una red de 10,4 billones de conexiones sinápticas. Eso es un poco más del 1 por ciento del potencial de esa “gelatina” biológica atrapada en su cráneo. La simulación utilizó toda la potencia de los procesadores 82944 Sparc64 VIIIfx (un sistema tiene una frecuencia de reloj de 2 GHz y 8 núcleos). ¿Funcionó este enfoque?
Según los científicos sí, pero por otro lado… depende de cómo se mire. Aproximadamente 40 minutos de funcionamiento de esta supercomputadora duraron una simulación de solo 1 segundo de funcionamiento del mencionado fragmento de la red neuronal del cerebro. Por lo tanto, aunque el hecho de que la simulación se haya realizado puede considerarse un éxito, los efectos, el tiempo de cálculo y el volumen de la simulación muestran el enorme problema al que nos enfrentamos. ¡Y conviene recordar que con un aumento en el número de neuronas, la complejidad de la red sináptica aumenta no linealmente, sino exponencialmente! Si para la misma tarea se utilizara incluso el superordenador estadounidense más rápido actualmente, el Frontier, que funciona en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge y que tiene una potencia de cálculo de hasta 1102 PFLOPS, es decir, 135 veces mayor que el mencionado ordenador japonés K, no significaría que Frontier podría simular (con los mismos parámetros del modelo) una red neuronal 135 veces más grande. La misma simulación de un segundo real de una red de 1,73 mil millones de neuronas durará en una supercomputadora estadounidense no 40 minutos, sino menos de 18 segundos. Pero esto sigue siendo mucho más que una simulación de red real en tiempo real, y es sólo una pequeña parte de lo que tenemos en la cabeza. Simular el funcionamiento de toda la mente todavía pertenece al ámbito de la ciencia ficción. Pero los científicos todavía lo están intentando.
Proyecto europeo del cerebro humano
El Proyecto Cerebro Humano (HBP), en términos de su escala y los fondos asignados para este proyecto científico, se puede comparar con otro proyecto relacionado con el hombre: el famoso proyecto “Gen Humano”, que duró de 1990 a 2003. Para comprender completamente el genoma humano, el Proyecto Cerebro Humano tiene como objetivo ayudar a los científicos a comprender mejor nuestro cerebro. Sin embargo, el Proyecto Cerebro Humano, que lleva en marcha desde 2013 y que originalmente debía finalizar después de una década de investigación (es decir, en 2023), ni siquiera se acerca a simular el cerebro completo. Entonces, ¿qué objetivos pretenden alcanzar los científicos con esta investigación?
El objetivo principal de HBP no es simular todo el cerebro, ya que espero que ya hayamos demostrado que esta tarea está más allá de las capacidades de nuestra civilización actual. El objetivo es dominar al menos parcialmente la complejidad del cerebro. Esto ayudará al desarrollo de ciencias como la medicina, la informática y la neurología, así como al desarrollo de tecnologías cuyo trabajo se inspire en el funcionamiento de nuestra mente.
Uno de los resultados del proyecto HBP es la creación de una plataforma digital para la investigación del cerebro, EBRAINS. EBRAINS es una plataforma de código abierto que permite a investigadores de todo el mundo utilizar herramientas digitales disponibles en un entorno de nube seguro. En otras palabras, EBRAINS proporciona a los científicos las herramientas para modelar y analizar el funcionamiento de áreas individuales del cerebro.
Una de esas herramientas es el programa de simulación cerebral virtual creado por HBP y EBRAINS. Esta herramienta es completamente incapaz de simular el trabajo de todo el cerebro, pero permite, por ejemplo, a los investigadores de nuevos fármacos simular sus efectos sobre grupos de neuronas. Esto, a su vez, permitirá a los científicos desarrollar nuevos tratamientos útiles para enfermedades complejas como la enfermedad de Alzheimer, la depresión, la enfermedad de Parkinson y más.
Iniciativa CEREBRO DE EE. UU.
Un proyecto aún mayor y más nuevo iniciado por instituciones de investigación estadounidenses es la Iniciativa BRAIN de EE. UU. Se trata de otro proyecto de investigación de varios años y de miles de millones de dólares destinado a mapear el conectoma humano. ¿Qué es una conexión? Se trata de un conjunto de conexiones nerviosas de este organismo. Así como el genoma es un mapa completo de la cadena genética, el proteoma es un mapa completo de las proteínas de un organismo determinado. Ya conocemos el genoma humano, su descubrimiento costó miles de millones de dólares. Hoy en día, las pruebas del genoma están ampliamente disponibles y, por ejemplo, las pruebas genéticas para detectar la presencia de un defecto cuestan varios cientos de dólares. Un genoma completo es un poco más caro, pero sigue siendo mucho menor que el coste de la primera lectura del ADN humano.
Volvamos a Connectome y al proyecto americano BRAIN. ¿Cuál es el propósito de este proyecto? Josh Gordon, director del Instituto Nacional de Salud Mental de EE. UU. en Bethesda, Maryland, dijo: “Conocer todos los tipos de células cerebrales, cómo se conectan entre sí y cómo interactúan abrirá un conjunto completamente nuevo de terapias que hoy conocemos”. Ni siquiera puedo imaginarlo.” Actualmente, se está creando y desarrollando sistemáticamente el catálogo de tipos de células nerviosas más grande del mundo. Este catálogo, llamado BRAIN Initiative Cell Census Network (BICCN), describe cuántos tipos diferentes de células hay en el cerebro, en qué proporciones se producen, cómo se distribuyen espacialmente y qué interacciones se producen entre ellas.
¿De dónde viene este enfoque? De la necesidad de entender cómo funciona el cerebro. Las ventajas de este enfoque se explican en una declaración a Nature del neurocientífico Christoph Koch, científico principal del programa MindScope, implementado por el Instituto Allen para la Ciencia del Cerebro en Seattle: “Así como nada en química tiene sentido sin la tabla periódica de elementos, nada tendrá sentido en la comprensión del cerebro sin comprender la existencia y el funcionamiento de tipos individuales de células”.
Si hipotéticamente lográramos el potencial tecnológico para poder escanear célula por célula y, por ejemplo, recrear el cerebro humano, tal enfoque significaría que incluso si lo consiguiéramos (lo que hoy en día no es realista), seguiríamos sin entender por qué El cerebro funciona como realmente sucede. Y no importa si hablamos del cerebro como un órgano biológico vivo o su homólogo digital, hipotéticamente clonado. BRAIN y el catálogo BICCN son los puntos de partida para comprender la estructura y función de cada circuito neuronal, y por tanto para comprender los complejos comportamientos que rigen a todas las especies con un órgano tan complejo como el cerebro.
La investigación continúa y los científicos presentan constantemente sus nuevos logros en un sitio web especialmente creado. Por tanto, estoy seguro de que pronto estaremos esperando descubrimientos aún más interesantes.
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