Ум назаем

[ISTORIK]

Ум назаем

Първият сериозен опит да бъде създаден компютърен модел на човешкия мозък вече е факт

Росен БОСЕВ

в-к "Капитал"

Как протичат най-сложните процеси в човешкия мозък като възприятие, запаметяване и концентрация? По какъв начин нервните клетки предават информацията за това, което сетивата ни усещат? Може ли компютърен модел напълно или частично да замени съдържанието на черепната ни кутия?

За да си отговорят на тези, както и на още много други подобни въпроси, група учени от Ecole Polytechnique Federale de Lausanne (EPFL), ръководени от проф. Анри Маркрам, съюзиха усилията си с компютърния гигант IBM. Те ще се опитат да създадат по изкуствен начин невронна мрежа - една от най-опростените функционални части на човешкия мозък. Този нов виртуален модел ще позволи да бъдат изследвани молекулярните, структурните и функционалните бази на връзките, които съществуват между нервните клетки, както и възможните дефекти, които могат да се появят при свързването им. За да постигнат целта си, учените ще използват създадения от IBM суперкомпютър Blue Gene, който ще позволи да се подобрят използваните до момента модели за симулиране на мозъчната дейност. Според Чарлз Пек (човекът, който отговаря за работата по проекта от страна на IBM) до този момент реализацията на подобно начинание е била невъзможна поради две основни причини. На първо място, до създаването на Blue Gene не е съществувал компютър с достатъчно голяма изчислителна мощност. Също така не е била налице и по-детайлна информация за това как е устроена невронната мрежа на мозъка.

Blue gene за Blue Brain

Проектът носи името Blue Brain и ще бъде разработен в института Brain Mind, който е създаден преди три години от проф. Маркрам като част от факултета по биологични науки на EPFL. Суперкомпютърът, който IBM продава на EPFL, е от серията Blue Gene и е способен да достигне скорост 22.8 терафлопса, т.е. да извърши 22 800 милиарда операции за секунда. Именно Blue Gene държи актуалния световен рекорд по мощност (според сайта www.top500.org). Цената, която EPFL заплати за Blue Gene, е близо 8 милиона долара.

Работата по изработването на Blue Gene е започнала преди пет години. Идеята на IBM e да създаде ново семейство суперкомпютри, способно да обработва значително количество данни, като същевременно да бъде по-икономичен от гледна точка на консумирана енергия и да заема по-малко пространство от подобните системи, съществуващи до момента. Според IBM проектът Blue Brain е уникална възможност да бъде изпробван потенциалът на тази машина в областта на невронауките. Софтуерът, който ще бъде използван по време на проекта, се нарича Blue Matter и също е плод на съвместните усилия на програмистите от IBM и на екипа на проф. Маркрам. Компютърът, който се намира в Лозана, ще бъде предоставен за ползване и на останалата част от учените в EPFL независимо от областта, в която те работят.

За главния мозък, кортекса и гънките

Проектът Blue Brain всъщност е само началната фаза в изучаването на процесите, които протичат в човешката черепна кутия, и симулирането на невронна мрежа е само първата стъпка. Главният мозък на възрастен човек обаче съдържа приблизително 100 милиарда нервни клетки. Изграден е от сиво и бяло вещество. Сивото вещество образува кората на крайния и малкия мозък, а бялото изгражда връзката между различните части във вътрешността му, както и свързването му с гръбначния мозък. Главният мозък е съставен от шест основни части - краен мозък, продълговат мозък, среден мозък, малък мозък, междинен мозък и мост. Функциите на всяка една от тези части са до голяма степен известни на учените.

Частта, която е най-малко известна на науката, е мозъчната кора (кортекс). Тя е с дебелина от 2 до 4 милиметра. Мозъчната кора представлява почти половината от теглото на главния мозък. Това се дължи на големия брой гънки по повърхността и. Тя е изградена от клетъчното тяло на невроните. Именно кортексът е отговорен за човешкото съзнание, а различните функции, изпълнявани от кората, са локализирани по повърхността и. Но нито един от тези центрове не функционира самостоятелно. Съществуващата мрежа от неврони е изключително сложна и позволява съвместно действие на отдалечени области на мозъка.

Библиотека от неврони

Вече повече от 10 години Маркрам и колегите му работят върху създаването на база данни, която да съдържа информация върху архитектурата на невронната мрежа на неокортекса (кората на големите полукълба), която е най-сложно устроената част от мозъка на бозайниците. Според голяма част от учените, занимаващи се с тази проблематика, структурата на невронната мрежа е пряко свързана с развитието на човешкия интелект. Невронната мрежа е биелектрична и е съставена от самите неврони и синапсите им (връзките между тях). Съществуват два сигнала, които невроните могат да получават - възбуждащ и потискащ. Начинът, по който протичат комуникационните процеси в мозъка, наподобява високопаралелните архитектури, характерни за компютрите, снабдени с повече от един процесор (мултипроцесорни). Всяка една невронна мрежа може да се разглежда като един процесор. Екипът, воден от професор Маркрам, е успял по изключително прецизен начин да проучи как точно се възбуждат различните нервни клетки, както и какви са видовете връзки, които съществуват между тях. По този начин те са успели да създадат най-голямата „библиотека“ от нервни клетки в света.

Невронната мрежа

Събраната до момента база данни ще бъде използвана в началната фаза на проекта. Благодарение на нея ще бъде възможно да се пресъздаде електронната структура на веригата от неврони, които се повтарят в мозъка. Според професор Маркрам „това са мрежовите единици на мозъка“. Размерът им варира от 0.5 до 2 милиметра. В изграждането им в зависимост от животинския вид могат да участват от 10 до

70 000 неврона. След като бъде създаден този компютърен модел, поведението на въпросните вериги ще може да бъде записвано и проучвано, за да може да се достигне до втората фаза на проекта. Впоследствие ще бъдат създадени два нови модела - първият ще представлява молекулярно пресъздаване на активните неврони, а вторият ще клонира въпросния модел от вериги хиляди пъти. Така трябва да бъде създаден макет на изкуствен неокортекс, а по всяка вероятност и останалата част от човешкия мозък. Според екипа на проф. Маркрам за създаването на крайния продукт ще са необходими около 10 до 15 години. Този срок е отчасти определен и от закона на Мур (който, най-грубо казано, твърди, че скоростта на процесорите се удвоява на всеки 18 месеца), защото, за да бъде завършен проектът, със сигурност ще има нужда от още по-мощен компютър.

След като бъде създаден компютърният модел, ще бъде възможно да се създаде симулация на поведението на различните части на мозъка. Ако проектът успее, това ще бъде първата възможност да се наблюдава в реално време как функционира електронният код, който човешкият мозък използва, за да пресъздаде и възприеме околния свят. Съществува голяма вероятност компютърният модел да даде също така и повече информация за някои дисфункции на невронните мрежи, които от своя страна предизвикват психиатрични и неврологични отклонения като аутизъм, шизофрения и депресия.

Проф. Маркрам подчертава, че резултатите от Blue Brain ще бъдат предоставени на учените от цял свят. Според него основната цел на проекта не е създаването на изкуствен интелект или компютър, оборудван с човешко съзнание. Идеята на Blue Brain е създаването на изкуствен модел на живия мозък. По този начин ще стане ясно дали отговорите, които издава компютърът или някой биологичен вид при един и същ външен стимул, са идентични. Обяснено по-просто, задачата на Маркрам и колегите му е да разберат дали, ако ударите компютъра си при поредното му забиване, той няма да е способен да ви отвърне по подобаващ начин...

Минимална конфигурация

За да успеем да направим компютърна симулация на част от невронната активност в човешкия мозък, ни е необходим супермощен компютър. Всяка нервна клетка извършва операция с определена честота, т.е. компютърът, който ще използваме, трябва да отговаря на работната честота на невроните. Но каква е тя? В човешкия мозък има близо 100 милиарда неврона, като всеки от тях се свързва с останалите чрез близо 5 хиляди синапса (връзки). Сигналите (независимо от това дали са потискащи или възбуждащи), които преминават през синапсите, са с честота 100 Hz. Ако информацията, която преминава през всеки неврон, е с големина 5 бита, това означава приблизително 10^16 (10 квадрилиона) операции за една секунда, т.е., за да симулираме подобна дейност посредством компютър, той трябва да бъде способен да работи поне с такава изчислителна мощност. По всяка вероятност компютърът, който използвате, е стотици пъти по-слаб...