Может ли копия биологического мозга быть построена на основе суперкомпьютера?
Компьютерное моделирование верхнего слоя колонки Маунткастла (neocortical columns) (узловые структуры содержащие от 10 до 70 тысяч нейронов) мозга крысы. Здесь возбуждённые нейроны подсвечены голубыми и желтыми цветами. Courtesy of Alain Herzog/EPFL
В подвале университета в Лозанне, Швейцария, стоят четыре черных ящика, каждый размером с холодильник, и начинённые 2 000 микропроцессорами IBM. Вместе они формируют процессорное ядро машины, которое поддерживает 22.8 триллионов операций в секунду. Они не содержат никаких движущихся частей и работают устрашающе тихо. Когда компьютер включен, единственная вещь, которую Вы можете услышать, - непрерывные вздохи массивного кондиционера. Это - Blue Brain.
Директором проекта является Анри Маркрам (Henry Markram), невролог из технического университета Швейцарии («Polytechnique Fédérale de Lausanne» (EPFL))
Менеджером проекта Blue Brain является Феликс Шюрманн (Felix Schürmann). Перед этим проектом Шюрманн работал над экспериментальными отдалёнными областями информатики, развивая модели квантовых вычислений.
Название суперкомпьютера является буквальным: каждый из его микрочипов запрограммирован так, чтобы действовать точно так же, как и реальный нейрон в реальном мозге. Поведение компьютера с высокой точностью копирует события в клетках головного мозга. Это первая модель мозга, которая была построена снизу вверх. Существует много моделей в этой области, но эта - единственная, по мнению Маркрама, которая является полностью биологически точной. Его мнение основывается на том, что они начали работу с наиболее основных фактов о мозге.
Перед началом проекта, когда Маркрам уподобил этот проект проекту расшифровки человеческого генома, одни люди находили это сравнение смешным, а другие посчитали это самопиаром. Когда он начал постройку «Blue Brain» летом 2005, как совместное предприятие с IBM, он не ощущал нехватки скептицизма. Ученые критиковали проект как дорогое заблуждение, явную трату денег и таланта. Они доказывали, что неврология нуждается не в суперкомпьютере, а в большем количестве молекулярных биологов. Тэрри Седжновский (Terry Sejnowski), ведущий программист невролог из Сальковского института биологических исследований (Salk Institute for Biological Studies), объявил, что «Blue Brain» был "обречён на неудачу", так как мозг остаётся слишком загадочным для моделирования. Но мнение самого Маркрама было отлично от мнения других. Он хотел смоделировать мозг, именно потому, что люди не понимают принципы его работы. Лучший способ выяснить, как что-то работает, состоит в том, чтобы попробовать воссоздать это с нуля.
Проект Blue Brain сейчас находится на критическом этапе своей жизни. Первая фаза проекта, "фаза проверки выполнимости" завершена. Мнения скептиков опровергнуты. Потребовалось меньше двух лет для компьютера Blue Brain, чтобы точно смоделировать колонку Маунткастла, которая является крошечной пластинкой мозга, содержащего приблизительно 10 000 нейронов с 30 миллионами синоптических связей между ними. Колонка была построена, и работает. Теперь группа должна промасштабировать её. Учёные из группы Blue Brain уверены, что через несколько лет они будут в состоянии начать моделировать весь мозг.
Кабели, бегущие от суперкомпьютера Gene/L к блоку хранения данных. машина Blue Gene с 2,000 процесорами способна к обработке 22.8 триллионов операций в секунду, вполне достаточно, чтобы смоделировать 1 кубический мм мозга крысы. Courtesy of Alain Herzog/EPFL
Неврология - наука для редукционистов, она всё упрощает. Она описывает мозг в совокупности его физических деталей, анализируя мозг маленькими частями. Этот процесс был феноменально успешен. За прошлые 50 лет, ученые сумели раскрыть по-видимому бесконечный список молекул, ферментов, троп, и генов. Мозг подробно был разобран на составные части, так же как и, к примеру, компьютеры IBM были разобраны советскими кибернетиками. Маркрам однако считает, что этот научный подход уже исчерпал себя лет пять назад. «Это конечно не означает, что учёные выжали всё из этой науки. Ещё так много того чего мы не знаем о мозге. Однако теперь мы имеем другую, и возможно еще более тяжелую проблему. Мы буквально тонем в данных. У нас много ученых, которые тратят всю свою жизнь, изучая важные детали, однако мы не имеем фактически никакой гипотезы, как все эти детали соединяются вместе. Blue Brain должен показать мозг как единое целое. »
Другими словами, проект Blue Brain - это не только модель клеток мозга. Маркрам надеется, что он представляет целый новый вид неврологии. "Посмотрите на историю физики. От Коперника до Эйнштейна, все крупные достижения всегда вырастали из концептуальных моделей. Они то, что объединяет все факты так, чтобы они имели смысл. Вы можете собрать все данные в мире, но без модели данных никогда не будет достаточно."
Маркрам имеет серьезное основание, чтобы упоминать физику - неврология не имеет почти никакой истории моделирования. Это полностью эмпирическая дисциплина, внедренная ручным трудом молекулярных биологов. Если открытие не может проявиться чем то видимым, к примеру линией на геле или регистрацией поведения нейрона тогда, оно отклоняется. Единственное исключение - вычислительная неврология, относительно новая область, которая также использует компьютеры, чтобы моделировать аспекты мышления. Но подход Маркрама отклоняет большинство методов вычислительной неврологии. Так как они не слишком связан с биологией. Что они обычно делают - начинают с функции мозга, которую они нужно смоделировать, такие как обнаружение объектов и распознование предложений, а затем пробуют, заставить компьютер скопировать эту функцию. Проблема состоит в том, что, если Вы попросите сто вычислительных неврологов построить функциональную модель, Вы получите сто различных моделей. Эти модели могут помочь нам в исследованиях мозга, но они не помогают нам понять его. Если Вы хотите, чтобы ваша модель представила действительность, то Вы должны моделировать это в реальности.
Конечно, на первом месте стоит сложная работа расшифровка этой действительности. Вы не сможете моделировать нейрон, пока не знаете, как нейрон должен вести себя. Прежде, чем команда Blue Brain cмогла начать строить свою модель, они должны были соединить вмести головокружительный объём данных. Собрание сочинений современной неврологии должно было быть кропотливо запрограммировано в суперкомпьютер, так, чтобы программное обеспечение могло моделировать наши биологические аппаратные средства. Проблема состоит в том, что неврология является все еще горестно неполной. Даже нейрон, просто покрытие складчатой мембраной, оставляет море загадок. Как же можно моделировать то, что Вы не можете понять?
Маркрам попробовал обойти "проблему неизвестности", сосредоточившись на определенной секции мозга: колонка Маунткастла в крысе двухнедельного возраста. колонка Маунткастла - основная вычислительная единица коры, дискретной схемы во плоти, 2 мм длиной и 0.5 мм в диаметре. Студенистая кора состоит из тысяч этих колонок – каждая с очень точной целью, такой как обработка красного цвета или обнаружение давления на участок кожи, и основной структуры, которая неизменна при росте сложности организма, от мышей мужчинам. Достоинство моделирования схем в мозге грызунов то, что производимая модель может непрерывно сравниваться с оригиналом нервной системы крысы, ужасный процесс, который состоит во вскрытии черепа и погружения игл в мозг. Учёные должен был с помощью электроники скопировать работу схем и построить цифровой двойник биологической машины.
Моделируемый нейрон мозга крысы. На картинке показаны мембранные выросты на поверхности дендрита, способные образовать синоптическое соединения с другими нейронами. Пирамидальные клетки, типа показанных (называемые так из-за их треугольной формы) составляют приблизительно 80 процентов массы коры головного мозга.Courtesy of BBP/EPFL
Каждый мозг сделан из тех же самых основных частей. Сенсорная клетка в морском слизняке работает точно так же, как корковый нейрон в человеческом мозге. Они полагаются на те же самые медиаторы, ионные каналы и ферменты. Эволюция только вводит новшества, когда нуждается в них, а нейрон и так совершенен.
Теоретически это означало, что, как только команда Blue Brain создала точную модель единственного нейрона, они могли увеличить её, чтобы получить трехмерную пластину мозга. Но это было только теорией. Никто не знал точно, что случится, когда суперкомпьютер начнёт моделировать тысячи мозговых клеток одновременно. Команда была эмоционально готовы к неудаче.
После сборки трехмерной модели из 10 000 виртуальных нейронов, ученые начали подавать модели электрические импульсы, которые были разработаны так, чтобы копировать потоки, постоянно пульсировавшие в реальном мозгу крысы. Поскольку модель сосредоточина на одной специфической нервной схеме колонки Маунткастла в соматосенсорной коре (область коры больших полушарий мозга, где представлены афферентные проекции частей тела) двухнедельной крысы, ученые могли подавать в суперкомпьютер те же самые электрические сигналы, что фактически испытает новорожденная крыса.
Прошло немного времени прежде, чем модель среагировала. Сразу после нескольких электрических толчков, искусственная нервная схема начала действовать точно так же как и реальная нервная схема. Кластеры связанных нейронов начали синхронизироваться: клетки связывали друг друга. Различные типы клеток повиновались их генетическим инструкциям. Ученые смогли увидеть, что клеточные ткацкие станки заработали и затем остановились, поскольку клетки привели себя к соответствующему образцу. Дендриты обратились друг другу, как ветви, ищущие свет. "Это все случилось самостоятельно и было полностью непосредственно. Для команды Blue Brain, это было волнующе крупное достижение. После многих лет усердной работы, они наконец были в состоянии наблюдать, что их виртуальный мозг развивается, синапс за синапсом. Микрочипы превращали себя в мозг.
После этого началась тяжелая работа. Модель была только первым черновиком. Команда начала кропотливый процесс редактирования. Сравнивая поведение виртуальной схемы с экспериментальными исследованиями мозга крысы, ученые смогли проверить правдоподобие их моделирования. Постоянная проверка данных суперкомпьютера оптимизирует программное обеспечение, чтобы сделать модель более реалистической.
Подводя итоги, что же делает модель Blue Brain настолько мощной: умение моделировать реальную колонку Маунткастла, функциональную пластину мозга, моделируя специфические детали наших ионных каналов. Как и реальный мозг, поведение Blue Brain естественно возникает из его молекулярных частей.
Фактически, модель настолько успешна, что ее самые большие ограничения являются теперь технологическими. Команда уже показала, что модель может масштабировать. Их сдерживают теперь только компьютеры.Числа говорят сами за себя. Маркрам оценивает: чтобы точно смоделировать триллион синапсов в человеческом мозге, компьютер должен быть в состоянии обработать приблизительно 500 петабайтов (=1024 терабайт=2 в 50 степени байт ) данных. Это - приблизительно в 200 раз больше той информации что сохранена на всех серверах Гугл. (Используя современную технологию, такой суперкомпьютер занял бы несколько футбольных полей). Потребление энергии - другая огромная проблема. Человеческий мозг требует приблизительно 25 ватт электричества для работы. Моделирование мозга на суперкомпьютере с существующими микрочипами повлекло бы ежегодный счет за электроэнергию приблизительно на 3 миллиарда $. Группа считает, что если вычислительные технологии будут продолжаться развиваться в текущем ускоренном темпе, и эффективность энергопотребления увеличится, то она будет в состоянии смоделировать человеческий мозг целиком на одной машине уже через десять лет или даже меньше.
Пока, однако, мозг является единственной идеальной машиной. Тех пугающих черных ящиков от IBM в подвале едва достаточно, чтобы смоделировать тонкую пластину мозга крысы. Нервная система беспозвоночного превышает способности самого быстрого суперкомпьютера в мире.
Колонка Маунткастла освещена электричеством. Эта микросхема для воссоздагия мозга крысы должна быть повторена миллионы раз - и во много раз больше для мозга человека. Courtesy of Alain Herzog/EPFL
Неврология описывает мозг с внешней стороны. Она видит нас через призму третьего лица, так, если бы наш мозг был всего лишь полуторакилограмовым кусом электропроводной плоти. Парадокс, конечно, состоит в том, что мы не чувствуем наш мозг. Самосознание (по крайней мере когда чувствуется изнутри) чувствуется значительно больше, чем просто сумма клеток. Мы имеем все эти инструменты для изучения коры. Но ни один из этих методов не позволяет нам видеть то, что делает кору настолько интересной, то что производит человеческий мир. Независимо от того, сколько учёный знает о вашем мозге, он все еще не будет в состоянии видеть то, что Вы видите.
Некоторые философы, такие как Томас Нагэль (Thomas Nagel), утверждали, что деление между физическими фактами неврологии, и действительностью субъективного опыта представляет из себя эпистемологический тупик. Независимо от того, насколько много мы знаем о наших нейронах, мы все еще не будем в состоянии объяснить, как движение ионов в лобной коре становится живым кино сознания.
Маркрам относится к этой критике серьезно. Однако, он полагает, что Blue Brain способен уникально превыcить пределы "обычной неврологии," прорываясь через проблему телесности мозга. Согласно Маркраму, мощь Blue Brain состоит в том, что он cможет преобразовать метафизический парадокс в технологическую проблему. Он считает, что не существует никаких причин, по которым человек не сможет проникнуть внутрь Blue Brain. Как только люди смогут моделировать мозг, люди должны быть в состоянии моделировать то, что делает каждый мозг. Мы будем в состоянии испытать события другого мозга.
Слушая размышляют Макрама, легко можно забыть, что моделирование Blue Brain - это всего лишь единственная схема, ограниченная в пределах тихого суперкомпьютера. Машина еще не ожила. И все же Маркрам может быть убедительным, когда он говорит о его будущих планах. Его амбиции основаны на конкретных шагах. Как только команда будет в состоянии моделировать полный мозг крысы, что должно случиться в следующие два года, Маркрам загрузит моделирование в автоматизированную крысу, так, чтобы мозг имел тело. Он уже договаривается с японской компанией о строительстве механического животного.
Монтаж Blue Brain в роботе также позволит ему развиваться как реальной крысе. Моделируемые клетки будут формироваться их собственными чувствами, постоянно пересматривая их связи, основанные на событиях жизни крысы. В конечном счете, группа хочет получить робота, немного непредсказуемого, который делает не только то, что мы говорим ему делать. Его цель состоит в том, чтобы построить виртуального жмвотного – робота грызуна с собственным мнением.
Но вопрос остается: Как Вы знаете то, что знает крыса? Как Вы проникнете внутрь её моделируемой коры? Это то место где визуализация становится ключевой. Маркрам хочет моделировать то, что испытывает тот мозг. Это очень смелая цель, великая попытка обойти древний парадокс. Но если он сможет действительно найти способ увидеть мозг с внутренней стороны, пройти в наше внутреннее пространство, тогда он даст неврологии беспрецедентное окно в невидимое. Он возьмет и превратит это невидимое в что-то, что мы можем увидеть.
Крупный план. Колонка Маунткастла крысы, предоставленная в трех измерениях компьютерным моделированием. Большие клетки (сомы) переходят в толстые аксоны и леса более тонких дендритов.Courtesy of Dr. Pablo de Heras Ciechomski/Visualbiotech
Презентация Blue Brain происходит в большой комнате спрятанной глубоко внутри технической школы. Окна герметично закрыты; воздух теплый и тяжелый, наполненный пылью. Одинокий суперкомпьютер Silicon Graphics, размером с большой шкаф, громко жужжит в центре комнаты. Этот компьютер не моделирует мозг, скорее он переводит моделирование в визуальную форму. Обширные наборы данных, произведенные суперкомпьютером IBM предоставлены как короткие фильмы, с галлюцинирующими путешествиями в открытый космос мозга. Вы одеваете 3D очки, гаснет свет и включается цифровой проектор. Звучит музыка, "Голубой Дунай" Штраусса. Классический вальс сопровождается ярким изображением нейрона. Воображаемая камера крутится вокруг мозговой клетки, показывая тонкие сложности ее формы. "Это случайный нейрон, отщипнутый от модели. Затем экран начинает заполняться тысячами красочными клетками. После нескольких секунд, цвета начинают пульсировать во сети, изображая как виртуальные ионов проходят от нейрона к нейрону.
Отрендерить клетки очень легко, по крайней мере для суперкомпьютера. Сложно преобразование этих клеток в знания. Однако, Маркрам настаивает, что это не так уж невозможно. Первый шаг, он говорит, должен будет расшифровать связь между ощущениями, входящими в автоматизированную крысу и мерцающие изменения напряжения ее мозговых клеток. Как только эта проблема будет решена, а это только вопрос огромной взаимосвязи - суперкомпьютер сможет сделать обратное. Он будет в состоянии взять карту коры и показать кино опыта, первое представление человека о действительности, внедренной в деталях мозга. Как любил говорить философ Дэвид Чалмерс "Опыт - информация из внутренней части; физика – информация снаружи." Курсируя между этими двумя полюсами человеческого существа, учёные Blue Brain надеются показать, что эти различные перспективы вообще-то не настолько отличны. С правильным суперкомпьютером, наша реальность может быть фальшивой.
По сути нет ничего таинственного в мозге или чем - нибудь, что он делает. Сознание только массивное количество информации, обмениваемой триллионами мозговых ячеек. Если мы сможем точно моделировать эту информацию, то непонятно, почему мы не были бы в состоянии произвести сознательное мнение. Маркрам, кажется, смакует идею относительно "разоблачения сознания," показывая, что это не более метафизическое понятие, чем любая другая способность мозга. Сознание - двоичный код. Призрак возникнет в машине, если машина будет построена правильно.
И все же, Маркрам откровенен относительно возможности неудачи. Он знает, что он понятия не имеет, что случится, как только Blue Brain будет промасштабирован. Он считает, что это будет так же интересно, возможно даже более интересно, если они не смогут создать сознательный компьютер. "Тогда вопрос будет: 'Что мы упустили? Почему этого недостаточно?'"
Нильс Бор однажды сказал: «Противоположность правильного высказывания - ложное высказывание. Но противоположностью глубокой истины может быть другая глубокая истина». В этом затруднительное положение проекта Blue Brain. Если моделирование успешно, если они смогут превратить стек кремниевых микрочипов в разумное существо, то эпическая проблема сознания будет решена. Душа будет лишена ее тайн; мозг потеряет свою тайну. Однако, если проект потерпит неудачу - если программное обеспечение не будет в состоянии чувствовать, или не сумеет решить парадокс опыта тогда, может будут достигнуты абсолютные ограничения неврологии. Знание всего о мозге будет не достаточно. Суперкомпьютер все еще будет простой машиной. Ничто не появится из полной информации. Мы останемся с тем, что не сможем никогда выяснить.
Источник
