I misteri del funzionamento del cervello umano hanno sempre turbato gli scienziati. Ci sono sempre stati tentativi di imitare il cervello umano. Lo Human Brain Project è uno di questi tentativi. A che punto sono gli scienziati? Ci sono successi?
Il cervello umano è il computer biologico più misterioso che conosciamo. In realtà, non ne sappiamo abbastanza, nonostante gli sforzi degli scienziati per apprenderlo in modi sempre più sofisticati nel corso dei secoli. Solo le tecnologie più recenti possono darci una conoscenza reale di cui prima potevamo solo supporre. Ciò non cambia il fatto che siamo ancora lontani dalla piena consapevolezza. A che punto sono gli scienziati moderni?
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Il termine "intelligenza artificiale"
Negli anni '1950, quando il termine "intelligenza artificiale" apparve per la prima volta nella scienza e i ricercatori dell'intelligenza artificiale dimostrarono con successo che si poteva insegnare a una macchina a fare cose che non potevi fare da soli, ne furono entusiasti. La semplice possibilità che una macchina possa apprendere, dimostrare da sola teoremi matematici (questo è stato fatto, ad esempio, con il programma Logic Theorist sviluppato nel 1955 da Allen Newell e Herbert Simon), o giocare a dama e battere un essere umano (programma di Arthur Samuel, un ingegnere dell'IBM, poi professore alla Stanford University), portò il mondo scientifico a credere che una simulazione completa del cervello umano fosse solo di pochi anni di distanza.
Sono passati decenni e, nonostante l’enorme crescita della potenza di calcolo, lo sviluppo di reti neurali artificiali e algoritmi di intelligenza artificiale con apprendimento automatico profondo, siamo ancora lontani dal simulare anche solo frammenti del cervello. In poche parole, i pionieri dell'intelligenza artificiale della seconda metà del 20 ° secolo hanno notevolmente sottovalutato le capacità di questa "massa gelatinosa" nelle nostre tartarughe, che è composta per il 90% da acqua.
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Il cervello è complesso
Alla nascita, il cervello umano pesa circa 300 grammi, mentre un cervello adulto completamente sviluppato pesa circa 1,5 kg. Questo 1,5 kg contiene tutto il nostro universo e tutte le facoltà mentali di cui disponiamo. Non solo quelli coscienti, come il pensiero astratto, la creatività, ma anche quelli di cui non siamo consapevoli: motilità dei movimenti, controllo del sistema circolatorio, respirazione e molto, molto altro ancora.
È opinione diffusa tra gli scienziati che il cervello umano sia composto da circa 100 miliardi di neuroni. Non conosciamo il loro numero esatto e potrebbe differire in ciascun individuo della specie umana. Ma supponiamo che questo sia vero e che questo numero non sia così piccolo. 100 miliardi sono tanti, ma i moderni supercomputer possono simulare oggetti ancora più grandi. Il problema però è che un neurone è qualcosa di molto più complesso di, ad esempio, un texel nella grafica 3D, un pixel in un'immagine o qualsiasi altro oggetto che possa essere descritto solo con una piccola parte di codice.
I neuroni nel nostro cervello sono collegati tra loro. Non si tratta di connessioni fisiche, perché in questo caso gli impulsi elettrici generati nei singoli neuroni si diffonderebbero rapidamente in tutto il corpo, rendendone praticamente impossibile il funzionamento. La trasmissione delle informazioni nel nostro cervello si basa sia sull'elettricità (impulsi) che sulla chimica (neurotrasmettitori). Ogni neurone (ricordiamo l'immagine ormai popolare di un neurone come un "albero" con dendriti caratteristici) può essere collegato ad altri con l'aiuto di fino a diecimila connessioni sinaptiche.
D'accordo, 10000 connessioni da una cellula nervosa rappresentano un livello di complessità molto più elevato rispetto alle porte logiche dei transistor. Se proviamo a contare il numero di tutte le possibili connessioni tra i neuroni e gli stati che possono raggiungere in un dato momento (solo uno), otterremo un numero enorme che supera di gran lunga il numero stimato di atomi nell'intero universo osservabile. Utilizzando questo approccio, molti scienziati specializzati in neurobiologia e con un background in informatica ritengono che, anche con l’attuale livello di conoscenza e il suo sviluppo previsto, una simulazione completa di un organo così complesso sia un compito che supererà le nostre capacità di tanto tempo. Ma questo non significa che gli scienziati non facciano nulla e non abbiano ottenuto nulla. Diamo un'occhiata ad alcuni progetti che mirano a simulare, se non l'intera mente umana, almeno una parte di essa.
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40 minuti e un secondo
Nel 2013, scienziati giapponesi dell’Okinawa Institute of Technology e ricercatori tedeschi del Forschungszentrum Jülich hanno unito le forze e hanno utilizzato uno dei supercomputer più potenti del nostro pianeta all’epoca (chiamato K Computer, leader della lista Top500 nel 2011) con potenza di calcolo di 8,16 PFLOPS (o 8,16 quadrilioni di operazioni in virgola mobile al secondo) per provare a simulare solo una fetta del cervello. In generale, la simulazione consisteva nel mappare il lavoro di 1,73 miliardi di neuroni, che insieme creavano una rete di 10,4 trilioni di connessioni sinaptiche. Si tratta di poco più dell'1% del potenziale di quella "gelatina" biologica bloccata nel tuo cranio. La simulazione ha utilizzato tutta la potenza dei processori 82944 Sparc64 VIIIfx (un sistema ha una frequenza di clock di 2 GHz e 8 core). Questo approccio ha funzionato?
Secondo gli scienziati sì, ma d'altra parte... dipende da come si guarda la cosa. Circa 40 minuti di funzionamento di questo supercomputer sono durati per una simulazione di solo 1 secondo di funzionamento del suddetto frammento della rete neurale del cervello. Pertanto, anche se il fatto che la simulazione sia stata effettuata può essere definito un successo, perché gli effetti, il tempo di calcolo e il volume della simulazione mostrano quale enorme problema ci troviamo di fronte. E va ricordato che con un aumento del numero di neuroni, la complessità della rete sinaptica aumenta non in modo lineare, ma esponenziale! Se anche il più veloce supercomputer americano Frontier, attualmente in funzione presso l’Oak Ridge National Laboratory e con una potenza di calcolo di ben 1102 PFLOPS, cioè 135 volte maggiore del citato computer giapponese K, fosse utilizzato per lo stesso compito, ciò non significherebbe che Frontier potrebbe simulare (con gli stessi parametri del modello) una rete neurale 135 volte più grande. La stessa simulazione di un secondo reale di una rete di 1,73 miliardi di neuroni durerà su un supercomputer americano non 40 minuti, ma meno di 18 secondi. Ma questa è comunque molto più di una vera e propria simulazione di rete in tempo reale, ed è solo una piccola parte di ciò che abbiamo in testa. La simulazione del funzionamento dell’intera mente appartiene ancora al regno della fantascienza. Ma gli scienziati ci stanno ancora provando.
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Progetto europeo sul cervello umano
Il progetto Human Brain (HBP) in termini di portata e fondi stanziati per questo progetto scientifico può essere paragonato a un altro progetto legato all'uomo, il famoso progetto "Gene umano", durato dal 1990 al 2003. Per comprendere appieno il genoma umano, lo Human Brain Project mira ad aiutare gli scienziati a comprendere meglio il nostro cervello. Tuttavia, lo Human Brain Project, che è in corso dal 2013 e originariamente avrebbe dovuto concludersi dopo un decennio di ricerca (cioè nel 2023), non si avvicina nemmeno lontanamente alla simulazione dell’intero cervello. Quindi, quali obiettivi intendono raggiungere gli scienziati con questa ricerca?
L’obiettivo principale dell’HBP non è simulare l’intero cervello, poiché spero che abbiamo già dimostrato che questo compito va oltre le capacità della nostra civiltà odierna. L’obiettivo è padroneggiare almeno parzialmente la complessità del cervello. Ciò aiuterà nello sviluppo di scienze come la medicina, l'informatica, la neurologia, nonché nello sviluppo di tecnologie il cui lavoro è ispirato al modo in cui funziona la nostra mente.
Uno dei risultati del progetto HBP è la creazione di una piattaforma digitale per la ricerca sul cervello, EBRAINS. EBRAINS è una piattaforma open source che consente ai ricercatori di tutto il mondo di utilizzare gli strumenti digitali disponibili in un ambiente cloud sicuro. In altre parole, EBRAINS fornisce agli scienziati gli strumenti per modellare e analizzare il funzionamento delle singole aree del cervello.
Uno di questi strumenti è il programma di simulazione del cervello virtuale creato da HBP ed EBRAINS. Questo strumento non è completamente in grado di simulare il lavoro dell'intero cervello, ma consente, ad esempio, ai ricercatori di nuovi farmaci di simulare i loro effetti su gruppi di neuroni. Ciò, a sua volta, consentirà agli scienziati di sviluppare nuovi trattamenti utili per malattie complesse come il morbo di Alzheimer, la depressione, il morbo di Parkinson e altro ancora.
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Iniziativa statunitense BRAIN
Un progetto ancora più ampio e nuovo avviato da istituti di ricerca americani è la US BRAIN Initiative. Si tratta di un altro progetto di ricerca pluriennale e multimiliardario volto a mappare il connettoma umano. Cos'è una connessione? Questo è un insieme di connessioni nervose di questo organismo. Così come il genoma è una mappa completa della catena genetica, e il proteoma è una mappa completa delle proteine di un dato organismo. Conosciamo già il genoma umano, la sua scoperta è costata miliardi di dollari. Oggi i test del genoma sono ampiamente disponibili e, ad esempio, i test genetici per la presenza di un difetto costano diverse centinaia di dollari. Un genoma completo è leggermente più costoso, ma comunque molto inferiore al costo della prima lettura del DNA umano.
Torniamo a Connectome e al progetto americano BRAIN. Qual è lo scopo di questo progetto? Josh Gordon, direttore dell’Istituto nazionale di salute mentale degli Stati Uniti a Bethesda, nel Maryland, ha dichiarato: “Conoscere tutti i tipi di cellule cerebrali, come si collegano tra loro e come interagiscono aprirà la strada a una serie completamente nuova di terapie che oggi abbiamo a disposizione”. non riesco nemmeno a immaginare." Attualmente viene creato e sviluppato sistematicamente il più grande catalogo mondiale di tipi di cellule nervose. Questo catalogo, chiamato BRAIN Initiative Cell Census Network (BICCN), descrive quanti diversi tipi di cellule ci sono nel cervello, in quali proporzioni si trovano, come sono distribuite nello spazio e quali interazioni si verificano tra loro.
Da dove viene questo approccio? Dalla necessità di capire come funziona il cervello. I vantaggi di questo approccio sono spiegati in una dichiarazione rilasciata a Nature dal neuroscienziato Christoph Koch, scienziato principale del programma MindScope, implementato dall'Allen Institute for Brain Science di Seattle: "Proprio come nulla in chimica ha senso senza la tavola periodica di elementi, nulla avrà senso per comprendere il cervello senza comprendere l’esistenza e il funzionamento dei singoli tipi di cellule”.
Se ipoteticamente raggiungessimo il potenziale tecnologico per poter scansionare cellula per cellula e, ad esempio, ricreare il cervello umano, un simile approccio significherebbe che anche se ci riuscissimo (il che non è realistico oggi), non capiremmo perché il il cervello funziona come realmente accade. E non importa se parliamo del cervello come organo biologico vivente o della sua controparte digitale, ipoteticamente clonata. CERVELLO e directory BICCN sono punti di partenza per comprendere la struttura e il funzionamento di ciascun circuito neurale, e quindi per comprendere il comportamento complesso che governa tutte le specie dotate di un organo complesso come il cervello.
La ricerca continua e gli scienziati presentano costantemente i loro nuovi risultati su un sito Web appositamente creato. Pertanto, sono sicuro che presto ci aspettano scoperte ancora più interessanti.
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