Mysteriene rundt den menneskelige hjernens funksjon har alltid plaget forskere. Det har alltid vært forsøk på å etterligne den menneskelige hjernen. Human Brain Project er et slikt forsøk. På hvilket stadium er forskerne? Er det suksesser?
Den menneskelige hjernen er den mest mystiske biologiske datamaskinen vi kjenner. Faktisk vet vi ikke nok om det, til tross for anstrengelser fra forskere for å lære om det på stadig mer sofistikerte måter gjennom århundrene. Bare de nyeste teknologiene kan gi oss reell kunnskap som vi bare kunne gjette før. Dette endrer ikke det faktum at vi fortsatt er langt fra full bevissthet. På hvilket stadium er moderne vitenskapsmenn?
Også interessant: Hva er nevrale nettverk og hvordan fungerer de?
Begrepet "kunstig intelligens"
På 1950-tallet, da begrepet "kunstig intelligens" først dukket opp i vitenskapen og AI-forskere med suksess beviste at du kan lære en maskin å gjøre ting du ikke kan gjøre selv, var de begeistret for det. Den enkle muligheten for at en maskin kan lære, bevise matematiske teoremer på egen hånd (dette ble for eksempel gjort med Logic Theorist-programmet utviklet i 1955 av Allen Newell og Herbert Simon), eller spille dam og slå et menneske (program av Arthur Samuel, en IBM-ingeniør, senere professor ved Stanford University), fikk den vitenskapelige verden til å tro at en fullstendig simulering av den menneskelige hjernen bare var noen få år unna.
Tiår har gått, og til tross for enorm vekst i datakraft, utvikling av kunstige nevrale nettverk og AI-algoritmer med dyp maskinlæring, er vi fortsatt langt fra å simulere selv fragmenter av hjernen. Enkelt sagt, AI-pionerene i andre halvdel av det 20. århundre undervurderte i stor grad egenskapene til denne "gelélignende massen" i skilpaddene våre, som er 90 % vann.
Også interessant: ChatGPT: Enkle bruksanvisninger
Hjernen er kompleks
Ved fødselen veier den menneskelige hjernen omtrent 300 g. En fullt utviklet voksen hjerne veier omtrent 1,5 kg. Denne 1,5 kg inneholder hele universet vårt og alle mentale evner vi har. Ikke bare bevisste, som abstrakt tenkning, kreativitet, men også de vi ikke er klar over: bevegelighet av bevegelser, kontroll av sirkulasjonssystemet, pust og mye, mye mer.
Det er et populært utsagn blant forskere at den menneskelige hjerne består av omtrent 100 milliarder nevroner. Vi vet ikke deres eksakte antall, og det kan variere i hvert individ av menneskearten. Men la oss anta at dette er sant, og at dette tallet ikke er så lite. 100 milliarder er mye, men moderne superdatamaskiner kan simulere enda større objekter. Problemet er imidlertid at et nevron er noe mye mer komplekst enn for eksempel en texel i 3D-grafikk, en piksel i et bilde eller et hvilket som helst annet objekt som kan beskrives med bare en liten kodebit.
Nevroner i hjernen vår er koblet til hverandre. Dette er ikke fysiske forbindelser, for da ville de elektriske impulsene som genereres i individuelle nevroner raskt spre seg gjennom kroppen, noe som praktisk talt ville gjøre det umulig å fungere. Overføringen av informasjon i hjernen vår er basert på både elektrisitet (impulser) og kjemi (nevrotransmittere). Hvert nevron (la oss huske det nå populære bildet av en nevron som et "tre" med karakteristiske dendritter) kan kobles til andre ved hjelp av opptil ti tusen synaptiske forbindelser.
Enig, 10000 XNUMX forbindelser fra en nervecelle er et mye høyere kompleksitetsnivå enn logiske porter i transistorer. Hvis vi prøver å telle antallet av alle mulige forbindelser mellom nevroner og tilstandene de kan få til enhver tid (bare én), vil vi få et enormt antall som langt overstiger det estimerte antallet atomer i hele det observerbare universet. Ved å bruke denne tilnærmingen tror mange forskere som spesialiserer seg i nevrobiologi og også har bakgrunn i informatikk at selv med det nåværende kunnskapsnivået og dets forventede utvikling, er en fullstendig simulering av et så komplekst organ en oppgave som vil overgå våre evner for lenge. Men dette betyr ikke at forskere ikke gjør noe og ikke har oppnådd noe. La oss ta en titt på noen prosjekter som tar sikte på å simulere, om ikke hele menneskesinnet, så i det minste en del av det.
Les også: 7 kuleste bruksområder for ChatGPT
40 minutter og ett sekund
I 2013 slo japanske forskere fra Okinawa Institute of Technology og tyske forskere fra Forschungszentrum Jülich seg sammen og brukte en av de kraftigste superdatamaskinene på planeten vår på den tiden (kalt K Computer, leder av Topp500-listen i 2011) med datakraft på 8,16 PFLOPS (eller 8,16 kvadrillioner flytepunktoperasjoner per sekund) for å prøve å simulere bare en del av hjernen. Generelt besto simuleringen av å kartlegge arbeidet til 1,73 milliarder nevroner, som til sammen skapte et nettverk av 10,4 billioner synaptiske forbindelser. Det er litt mer enn 1 prosent av potensialet til den biologiske "geléen" som sitter fast i skallen din. Simuleringen brukte full kraft fra 82944 Sparc64 VIIIfx-prosessorer (ett system har en klokkefrekvens på 2 GHz og 8 kjerner). Fungerte denne tilnærmingen?
I følge forskerne, ja, men på den annen side... kommer det an på hvordan du ser på det. Omtrent 40 minutters drift av denne superdatamaskinen varte for en simulering på bare 1 sekunds drift av det nevnte fragmentet av hjernens nevrale nettverk. Derfor, selv om det faktum at simuleringen i det hele tatt ble utført kan kalles en suksess, fordi effektene, beregningstiden og volumet av simuleringen viser hvilket stort problem vi står overfor her. Og det må huskes at med en økning i antall nevroner, øker kompleksiteten til det synaptiske nettverket ikke lineært, men eksponentielt! Hvis selv den for øyeblikket raskeste amerikanske superdatamaskinen Frontier, som opererer ved Oak Ridge National Laboratory og har en datakraft på hele 1102 PFLOPS, dvs. 135 ganger større enn den nevnte japanske K Computer, ble brukt til samme oppgave, ville det ikke betydd at Frontier kunne simulere (med samme modellparametere) et nevralt nettverk 135 ganger større. Den samme simuleringen av ett ekte sekund av et nettverk med 1,73 milliarder nevroner vil vare på en amerikansk superdatamaskin i ikke 40 minutter, men mindre enn 18 sekunder. Men dette er fortsatt mye mer enn en ekte sanntids nettverkssimulering, og er bare en liten del av det vi har i hodet. Simulering av hvordan hele sinnet virker, hører fortsatt hjemme i science fiction-området. Men forskere prøver fortsatt.
Les også: Om kvantedatamaskiner i enkle ord
European Human Brain Project
Human Brain Project (HBP) når det gjelder omfanget og midlene som er bevilget til dette vitenskapelige prosjektet kan sammenlignes med et annet prosjekt relatert til mennesket - det berømte prosjektet "Human Gene", som varte fra 1990 til 2003. For å forstå det menneskelige genomet fullt ut, har Human Brain Project som mål å hjelpe forskere bedre å forstå hjernen vår. Men Human Brain Project, som har pågått siden 2013 og opprinnelig skulle avsluttes etter et tiår med forskning (dvs. i 2023), kommer ikke engang i nærheten av å simulere hele hjernen. Så hvilke mål planlegger forskerne å oppnå med denne forskningen?
Hovedmålet til HBP er ikke å simulere hele hjernen, da jeg håper vi allerede har vist at denne oppgaven er utenfor vår sivilisasjon i dag. Målet er i det minste delvis å mestre kompleksiteten i hjernen. Dette vil hjelpe i utviklingen av slike vitenskaper som medisin, informatikk, nevrologi, så vel som i utviklingen av teknologier hvis arbeid er inspirert av hvordan sinnet vårt fungerer.
Et av resultatene av HBP-prosjektet er opprettelsen av en digital plattform for hjerneforskning, EBRAINS. EBRAINS er en åpen kildekode-plattform som gjør det mulig for forskere fra hele verden å bruke digitale verktøy tilgjengelig i et sikkert skymiljø. Med andre ord gir EBRAINS forskere verktøy for å modellere og analysere funksjonen til individuelle områder av hjernen.
Et slikt verktøy er det virtuelle hjernesimuleringsprogrammet laget av HBP og EBRAINS. Dette verktøyet er helt ute av stand til å simulere arbeidet til hele hjernen, men det lar for eksempel forskere av nye medikamenter simulere effekten deres på grupper av nevroner. Dette vil igjen gjøre det mulig for forskere å utvikle nye behandlinger som er nyttige for komplekse sykdommer som Alzheimers sykdom, depresjon, Parkinsons sykdom og mer.
Også interessant:
- Så, å snakke eller ikke å snakke? Musk nekter for å ha snakket med Putin. Men det er et "men"
- Moderne artilleri er Ukrainas supervåpen. Og hvorfor er Elon Musk her?
US BRAIN-initiativ
Et enda større og nyere prosjekt initiert av amerikanske forskningsinstitusjoner er US BRAIN Initiative. Dette er nok et flerårig forskningsprosjekt på flere milliarder dollar som tar sikte på å kartlegge den menneskelige forbindelsen. Hva er en forbindelse? Dette er et sett med nerveforbindelser til denne organismen. Akkurat som genomet er et komplett kart over den genetiske kjeden, og proteomet er et komplett kart over proteinene til en gitt organisme. Vi kjenner allerede det menneskelige genomet, oppdagelsen av det kostet milliarder av dollar. I dag er genomtesting allment tilgjengelig og for eksempel genetiske tester for tilstedeværelse av en defekt koster flere hundre dollar. Et komplett genom er litt dyrere, men likevel størrelsesordener mindre enn kostnadene for det første menneskelige DNA-lesningen.
La oss gå tilbake til Connectome og det amerikanske BRAIN-prosjektet. Hva er hensikten med dette prosjektet? Josh Gordon, direktør for US National Institute of Mental Health i Bethesda, Maryland, sa: "Å kjenne alle typer hjerneceller, hvordan de kobler seg til hverandre og hvordan de samhandler vil åpne opp for et helt nytt sett med terapier som vi i dag kan ikke engang forestille meg." For tiden lages og utvikles verdens største katalog over nervecelletyper. Denne katalogen, kalt BRAIN Initiative Cell Census Network (BICCN), beskriver hvor mange forskjellige typer celler som finnes i hjernen, i hvilke proporsjoner de forekommer, hvordan de er romlig fordelt, og hvilke interaksjoner som skjer mellom dem.
Hvor kommer denne tilnærmingen fra? Fra behovet for å forstå hvordan hjernen fungerer. Fordelene med denne tilnærmingen er forklart i en uttalelse til Nature av nevrovitenskapsmann Christoph Koch, hovedforsker i MindScope-programmet, som er implementert av Allen Institute for Brain Science i Seattle: "Akkurat som ingenting i kjemi gir mening uten det periodiske systemet for elementer, vil ingenting gi mening i å forstå hjernen uten å forstå eksistensen og funksjonen til individuelle typer celler".
Hvis vi hypotetisk oppnådde det teknologiske potensialet til å kunne skanne celle for celle og for eksempel gjenskape den menneskelige hjernen, ville en slik tilnærming bety at selv om vi lyktes (noe som ikke er realistisk i dag), ville vi fortsatt ikke forstå hvorfor hjernen fungerer slik den virkelig skjer. Og det spiller ingen rolle om vi snakker om hjernen som et levende biologisk organ eller dets digitale, hypotetisk klonede motstykke. HJERNE og katalog BICCN er utgangspunkt for å forstå strukturen og virkemåten til hver nevrale krets, og derfor for å forstå den komplekse atferden som styrer alle arter med et organ så komplekst som hjernen.
Forskningen fortsetter, og forskere presenterer stadig nye prestasjoner på et spesiallaget nettsted. Derfor er jeg sikker på at vi snart vil vente på enda flere interessante funn.
Også interessant:
Snart vil det være mulig å fjerne alles hjerner unødvendig...