Skrivnosti delovanja človeških možganov že od nekdaj vznemirjajo znanstvenike. Vedno so bili poskusi posnemanja človeških možganov. Projekt človeških možganov je en tak poskus. Na kateri stopnji so znanstveniki? So uspehi?
Človeški možgani so najbolj skrivnosten biološki računalnik, kar jih poznamo. Pravzaprav o njem ne vemo dovolj, kljub prizadevanjem znanstvenikov, da bi ga skozi stoletja spoznavali na vse bolj izpopolnjene načine. Samo najnovejše tehnologije nam lahko dajo pravo znanje, o katerem smo prej lahko samo ugibali. To ne spremeni dejstva, da smo še daleč od popolnega zavedanja. Na kateri stopnji so sodobni znanstveniki?
Zanimivo tudi: Kaj so nevronske mreže in kako delujejo?
Izraz "umetna inteligenca"
V petdesetih letih 1950. stoletja, ko se je izraz »umetna inteligenca« prvič pojavil v znanosti in so raziskovalci AI uspešno dokazali, da lahko stroj naučite delati stvari, ki jih sami ne morete, so bili nad tem navdušeni. Preprosta možnost, da se stroj lahko uči, sam dokazuje matematične izreke (to je bilo na primer storjeno s programom Logic Theorist, ki sta ga leta 1955 razvila Allen Newell in Herbert Simon), ali igra damo in premaga človeka (program Arthurja Samuel, IBM-ov inženir, pozneje profesor na Univerzi Stanford), je znanstveni svet vodil k prepričanju, da je popolna simulacija človeških možganov oddaljena le nekaj let.
Minila so desetletja in kljub ogromni rasti računalniške moči, razvoju umetnih nevronskih mrež in algoritmov umetne inteligence z globokim strojnim učenjem smo še vedno daleč od simulacije celo delčkov možganov. Preprosto povedano, pionirji umetne inteligence v drugi polovici 20. stoletja so močno podcenjevali zmogljivosti te "žele podobne mase" v naših želvah, ki je 90% vode.
Zanimivo tudi: ChatGPT: Preprosta navodila za uporabo
Možgani so kompleksni
Človeški možgani ob rojstvu tehtajo približno 300 g. Popolnoma razviti odrasli možgani tehtajo približno 1,5 kg. Teh 1,5 kg vsebuje naše celotno vesolje in vse mentalne sposobnosti, ki jih imamo. Ne samo zavestnih, kot so abstraktno mišljenje, ustvarjalnost, ampak tudi tistih, ki se jih ne zavedamo: gibljivost gibov, nadzor krvožilnega sistema, dihanje in še veliko, veliko več.
Med znanstveniki je priljubljena izjava, da so človeški možgani sestavljeni iz približno 100 milijard nevronov. Njihovega natančnega števila ne poznamo in se lahko razlikuje pri vsakem posamezniku človeške vrste. A predpostavimo, da je to res, in ta številka ni tako majhna. 100 milijard je veliko, a sodobni superračunalniki lahko simulirajo tudi večje objekte. Vendar pa je težava v tem, da je nevron nekaj veliko bolj kompleksnega kot na primer teksel v 3D-grafiki, piksel na sliki ali katerikoli drug predmet, ki ga je mogoče opisati le z majhnim koščkom kode.
Nevroni v naših možganih so med seboj povezani. Ne gre za fizične povezave, saj bi se takrat električni impulzi, ki nastanejo v posameznih nevronih, hitro razširili po telesu, kar bi praktično onemogočilo delovanje. Prenos informacij v naših možganih temelji tako na elektriki (impulzi) kot na kemiji (nevrotransmiterji). Vsak nevron (spomnimo se zdaj popularne podobe nevrona kot »drevesa« z značilnimi dendriti) je lahko povezan z drugimi s pomočjo do deset tisoč sinaptičnih povezav.
Strinjam se, 10000 povezav iz ene živčne celice je veliko višja stopnja kompleksnosti kot logična vrata v tranzistorjih. Če poskusimo prešteti število vseh možnih povezav med nevroni in stanja, ki jih lahko dobijo v danem trenutku (samo eno), bomo dobili ogromno število, ki močno presega ocenjeno število atomov v celotnem opazljivem vesolju. Z uporabo tega pristopa mnogi znanstveniki, ki so specializirani za nevrobiologijo in imajo tudi izkušnje z računalništvom, verjamejo, da je celo ob trenutni ravni znanja in njegovem pričakovanem razvoju popolna simulacija tako kompleksnega organa naloga, ki bo presegla naše zmožnosti za dolgo časa. Toda to ne pomeni, da znanstveniki ne delajo ničesar in niso ničesar dosegli. Oglejmo si nekaj projektov, katerih cilj je simulacija, če že ne celotnega človeškega uma, pa vsaj njegovega dela.
Preberite tudi: 7 najbolj kul uporab ChatGPT
40 minut in ena sekunda
Leta 2013 so japonski znanstveniki s tehnološkega inštituta Okinawa in nemški raziskovalci iz Forschungszentrum Jülich združili moči in uporabili enega najzmogljivejših superračunalnikov na našem planetu v tistem času (imenovan K Computer, vodilni na lestvici Top500 leta 2011) z računalniško močjo. 8,16 PFLOPS (ali 8,16 kvadrilijonov operacij s plavajočo vejico na sekundo), da bi poskušali simulirati samo delček možganov. Na splošno je bila simulacija sestavljena iz preslikave dela 1,73 milijarde nevronov, ki so skupaj ustvarili mrežo 10,4 bilijonov sinaptičnih povezav. To je nekaj več kot 1 odstotek potenciala tistega biološkega "želeja", ki je obtičal v vaši lobanji. Simulacija je uporabila polno moč 82944 procesorjev Sparc64 VIIIfx (en sistem ima taktno frekvenco 2 GHz in 8 jeder). Je ta pristop deloval?
Po mnenju znanstvenikov da, po drugi strani pa ... odvisno kako na to gledaš. Približno 40 minut delovanja tega superračunalnika je trajalo simulacijo le 1 sekunde delovanja omenjenega fragmenta nevronske mreže možganov. Torej, čeprav lahko dejstvo, da je bila simulacija sploh izvedena, imenujemo uspeh, saj učinki, čas izračuna in obseg simulacije kažejo, s kakšnim ogromnim problemom se tu soočamo. In ne smemo pozabiti, da se s povečanjem števila nevronov kompleksnost sinaptične mreže povečuje ne linearno, ampak eksponentno! Če bi za isto nalogo uporabili celo trenutno najhitrejši ameriški superračunalnik Frontier, ki deluje v nacionalnem laboratoriju Oak Ridge in ima računsko moč kar 1102 PFLOPS, torej 135-krat večjo od omenjenega japonskega K Computer, to ne bi pomenilo da bi lahko Frontier simuliral (z enakimi parametri modela) 135-krat večjo nevronsko mrežo. Ista simulacija ene realne sekunde mreže 1,73 milijarde nevronov bo na ameriškem superračunalniku trajala ne 40 minut, ampak manj kot 18 sekund. Toda to je še vedno veliko več kot prava simulacija omrežja v realnem času in je le majhen del tega, kar imamo v svojih glavah. Simulacija delovanja celotnega uma še vedno sodi v področje znanstvene fantastike. Toda znanstveniki se še vedno trudijo.
Preberite tudi: O kvantnih računalnikih z enostavnimi besedami
Evropski projekt človeških možganov
Projekt Človeški možgani (HBP) se po obsegu in za ta znanstveni projekt namenjenih sredstvih lahko primerja z drugim projektom, povezanim s človekom – znamenitim projektom Človeški gen, ki je trajal od leta 1990 do 2003. Da bi v celoti razumeli človeški genom, želi projekt Human Brain Project pomagati znanstvenikom pri boljšem razumevanju naših možganov. Projekt človeških možganov, ki poteka že od leta 2013 in naj bi se prvotno končal po desetletju raziskav (torej leta 2023), pa niti približno ne predstavlja simulacije celotnih možganov. Kakšne cilje nameravajo znanstveniki doseči s to raziskavo?
Glavni cilj HBP ni simulacija celih možganov, saj upam, da smo že pokazali, da ta naloga presega zmožnosti naše današnje civilizacije. Cilj je vsaj delno obvladati kompleksnost možganov. To bo pomagalo pri razvoju ved, kot so medicina, računalništvo, nevrologija, pa tudi pri razvoju tehnologij, katerih delo se zgleduje po delovanju našega uma.
Eden od rezultatov projekta HBP je izdelava digitalne platforme za raziskovanje možganov EBRAINS. EBRAINS je odprtokodna platforma, ki raziskovalcem z vsega sveta omogoča uporabo digitalnih orodij, ki so na voljo v varnem oblačnem okolju. Z drugimi besedami, EBRAINS daje znanstvenikom orodja za modeliranje in analizo delovanja posameznih predelov možganov.
Eno takih orodij je program za simulacijo virtualnih možganov, ki sta ga ustvarila HBP in EBRAINS. To orodje popolnoma ne more simulirati dela celotnih možganov, omogoča pa na primer raziskovalcem novih zdravil simulacijo njihovih učinkov na skupine nevronov. To pa bo znanstvenikom omogočilo razvoj novih zdravljenj, uporabnih za kompleksne bolezni, kot so Alzheimerjeva bolezen, depresija, Parkinsonova bolezen in druge.
Zanimivo tudi:
- Torej, govoriti ali ne govoriti? Musk zanika pogovore s Putinom. Vendar obstaja "ampak"
- Sodobna artilerija je super orožje Ukrajine. In zakaj je Elon Musk tukaj?
US BRAIN pobuda
Še večji in novejši projekt na pobudo ameriških raziskovalnih ustanov je US BRAIN Initiative. To je še en večletni, več milijard dolarjev vreden raziskovalni projekt, katerega cilj je preslikati človeški konektom. Kaj je povezava? To je skupek živčnih povezav tega organizma. Tako kot je genom popoln zemljevid genetske verige in je proteom popoln zemljevid beljakovin danega organizma. Človeški genom že poznamo, njegovo odkritje je stalo milijarde dolarjev. Danes je testiranje genoma široko dostopno in na primer genetski testi za prisotnost okvare stanejo več sto dolarjev. Celoten genom je nekoliko dražji, a še vedno veliko nižji od stroškov prvega branja človeške DNK.
Vrnimo se k Connectomu in ameriškemu projektu BRAIN. Kaj je namen tega projekta? Josh Gordon, direktor ameriškega nacionalnega inštituta za duševno zdravje v Bethesdi v Marylandu, je dejal: »Poznavanje vseh vrst možganskih celic, kako se povezujejo med seboj in kako medsebojno delujejo, bo odprlo povsem nov nabor terapij, ki jih danes niti predstavljati si ne morem." Trenutno se ustvarja in sistematično razvija največji svetovni katalog tipov živčnih celic. Ta katalog, imenovan BRAIN Initiative Cell Census Network (BICCN), opisuje, koliko različnih vrst celic je v možganih, v kakšnih razmerjih se pojavljajo, kako so prostorsko porazdeljene in kakšne interakcije se pojavljajo med njimi.
Od kod ta pristop? Iz potrebe po razumevanju delovanja možganov. Prednosti tega pristopa je v izjavi za Nature pojasnil nevroznanstvenik Christoph Koch, glavni znanstvenik programa MindScope, ki ga izvaja Allenov inštitut za znanost o možganih v Seattlu: "Tako kot nič v kemiji nima smisla brez periodnega sistema elementov, nič ne bo imelo smisla v razumevanju možganov brez razumevanja obstoja in delovanja posameznih vrst celic.«
Če bi hipotetično dosegli tehnološki potencial, da bi lahko skenirali celico za celico in na primer poustvarili človeške možgane, bi tak pristop pomenil, da tudi če bi nam uspelo (kar danes ni realno), še vedno ne bi razumeli, zakaj možgani delujejo, kot se v resnici zgodi. In ni pomembno, ali govorimo o možganih kot živem biološkem organu ali njegovem digitalnem, hipotetično kloniranem dvojniku. MOŽGANI in imenik BICCN so izhodišča za razumevanje strukture in delovanja vsakega nevronskega kroga in s tem za razumevanje kompleksnega vedenja, ki vlada vsem vrstam s tako kompleksnim organom, kot so možgani.
Raziskave se nadaljujejo, znanstveniki pa svoje nove dosežke nenehno predstavljajo na posebej ustvarjeni spletni strani. Zato sem prepričan, da nas kmalu čaka še več zanimivih odkritij.
Zanimivo tudi:
Kmalu bo možno vsem odstraniti možgane po nepotrebnem...