Mózg z komputera jak żywy

Stworzenie komputerowego symulatora mózgu jest projektem badawczym na miarę XXI wieku. Komisja Europejska uznała Human Brain Project za jeden z dwóch swoich flagowych projektów badawczych (drugi dotyczy grafenu). HBP będzie finansowany przez dziesięć lat. Łączna suma środków przekazanych do 2023 roku przez UE na badania nad tym organem sięgnie ?2 miliardy euro.

Decyzję tę poprzedziły trzy lata przygotowań. Kandydujące projekty poddane zostały rygorystycznej ocenie przez panel niezależnych wybitnych naukowców wybranych przez Komisję Europejską.

Fizycy dali przykład

W tej chwili w projekt zaangażowanych jest ponad 130 instytucji naukowych z Europy, Stanów Zjednoczonych, Kanady i Japonii. Jego koordynatorami są: École Polytechnique Fédérale de Lausanne w Szwajcarii (prof. Henry Markram), Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg (prof. Karlheinz Meier), Clinique Hospitaliere Universitaire Vaudoise w Szwajcarii (prof. Ryszard Frąckowiak).

Jeśli nie nastąpią nieprzewidziane przeszkody, przedsięwzięcie zostanie ukończone w 2023 roku. A wtedy stanie się możliwe poznanie wielu sekretów związanych z funkcjonowaniem ludzkiego mózgu.

Dotychczas nie jest w pełni rozpoznana zasada jego działania ani nie są poznane powody zaburzeń w jego pracy.

Z inicjatywą Human Brain Project wystąpił w 2005 roku Henry Markram, neurobiolog z École Polytechnique Fédérale w Lozannie. Świat naukowy od razu wykazał wielkie zainteresowanie tą inicjatywą.

Patrick Aebischer, który był wówczas dyrektorem tej placówki, powiedział: – Chcemy zbudować neurologiczny odpowiednik CERN w którym LHC, czyli Wielki Zderzacz Hadronów, bada świat cząstek elementarnych. W neurologii elementarnymi cząstkami są neurony, Human Brain Project pozwoli wreszcie dobrze je poznać. Powstanie platforma, której moc obliczeniowa i programy komputerowe będą do dyspozycji neurologów i biologów z całego świata.

Do grona badaczy zaangażowanych w HBP dołączyli także naukowcy z Politechniki Warszawskiej. Zespół prof. Piotra Bogorodzkiego uczestniczy w części projektu dotyczącej tworzenia bazy danych zawierającej dane obrazowe, genetyczne, kliniczne oraz behawioralne.

Na przykład, na świecie każdego dnia wykonuje się setki tysięcy badań rezonansu magnetycznego głowy. Są one wykorzystywane w zasadzie jednorazowo, lekarz ogląda wyniki, a dokumentacja trafia na półkę. Tymczasem chodzi o to, by te badania były później wykorzystywane do poszukiwania populacyjnych wzorców chorób. Dzięki polskim naukowcom trafią do Human Brain Project.

Powstanie takiej bazy, integrującej wiedzę z wielu dziedzin, jest niezbędne do zrozumienia procesów biologicznych zachodzących w mózgu zdrowych i chorych osób. Jest to kluczowy element powstającego modelu mózgu.

Naukowcy zaangażowani w Human Brain Project mają do dyspozycji jeden z najpotężniejszych na świecie komputerów IBM Blue Gene. Dotychczas dzięki niemu udało się dokonać symulacji funkcjonowania pojedynczej kolumny neuronalnej mózgu szczura.

Skala trudności

O złożoności  tego przedsięwzięcia niech świadczy to, że objętość takiej kolumny wynosi zaledwie około 0,5 milimetra sześciennego, a mieści się w niej około 200 różnych typów neuronów, w sumie 10 tys. połączonych około 30 milionami synaps (są to miejsca stykania się błony kończącej akson, czyli włókno nerwowe, z błoną komórkową drugiej komórki, nerwowej lub mięśniowej). Impuls nerwowy przenoszony jest między komórkami za pomocą neuroprzekaźnika chemicznego lub impulsu elektrycznego.

W tej wstępnej fazie symulacji na sieć neuronów działano sygnałami, jakie odbierałyby neurony w mózgu szczura. Podczas doświadczeń zaobserwowano tworzenie się nowych połączeń synaptycznych i synchroniczne reagowanie grup neuronów.

– Jeszcze pięć lat temu, z tamtymi komputerami, potrzebowalibyśmy mocy całego peceta do symulowania zaledwie jednego neuronu, a ogółem symulowaliśmy ich 10 tysięcy. Teraz nasz zespół symuluje naraz 360 tys. neuronów. To wprawdzie ogromny postęp, ale też wciąż śmiesznie mało w porównaniu z naszymi potrzebami. Według szacunków mózg ludzki składa się z 33 miliardów neuronów, z których każdy może mieć 10 tys. połączeń synaptycznych – wyjaśnia prof. Henry Markram. – Trzeba otwarcie przyznać, że liczba neuronów w ludzkim mózgu wciąż nie jest dokładnie znana, dlatego policzenie ich jest jednym z zadań Human Brain Project. Trudno nawet wyobrazić sobie moc informatyczną potrzebną badaczom ludzkiego mózgu. Sądzimy, że do zrealizowania naszego zamierzenia będziemy potrzebowali około 1000 petaflopsów.

Co to oznacza? Jednostką wydajności komputerów są operacje zmiennoprzecinkowe wykonywane w ciągu sekundy (floating point operations per second – flops). Współczesne komputery osiągają wyniki liczone w miliardach (gigaflopsach), a najszybsze w petaflopsach (petaflops = biliard flopsów, czyli jedynka z 15 zerami). Najpotężniejszy obecnie komputer świata, chiński Tianhe-2, ma moc 33,8 petaflopsa.

Specjaliści przewidują, że superkomputer o mocy obliczeniowej wystarczającej do pełnej symulacji działania ludzkiego mózgu zostanie zbudowany mniej więcej pod koniec bieżącej dekady.

Od tego momentu naukowcy będą potrzebowali jeszcze kolejnych dwóch lat na przeprowadzenie pełnej symulacji. W aktualnej fazie badań prace zmierzają do symulowania funkcjonowania całego mózgu szczura.

Nowa metoda

Oprócz funduszy przeznaczonych przez UE na Human Brain Project w finansowaniu tego przedsięwzięcia uczestniczy wielu partnerów. Tylko w 2014 roku na konto HBP wpłynęło 8,3 mln euro. Rząd Szwajcarii i École Polytechnique Fédérale w Lozannie zakupiły superkomputer IBM Blue Gene po obniżonej cenie (IBM jest zainteresowany ustaleniem możliwych zastosowań maszyny). Politechnika w Madrycie udostępniła mikroskop zaprojektowany do badania mózgu oraz superkomputer Magerit.

Żeby badać systemy planetarne lub galaktyki, astrofizycy posługują się specjalnie tworzonymi modelami komputerowymi. Jest to możliwe, ponieważ dzięki miliardom operacji komputery, na przykład, wizualizują łączenie się cząstek gazu i pyłu kosmicznego w procesie powstawania planet albo zbliżanie się do siebie dwóch galaktyk i następującą w pewnym momencie kolizję.

Sięganie po symulację komputerową stało się już pełnoprawną metodą badawczą w wielu dziedzinach nauki. Pozwala ona m.in. odkrywać nieoczekiwane mechanizmy lub wybierać między różnymi hipotezami. Po tę metodę sięgają teraz neurolodzy, i to na niespotykaną dotychczas skalę.

Dzięki niej zagadki i tajemnice umysłu mogą zostać rozwikłane w perspektywie 15–20 lat. Choroby umysłowe, pamięć, postrzeganie – wszystko to są zjawiska wynikające z aktywności neuronów i przebiegających między nimi impulsów elektrycznych oraz chemicznych. Dotychczas badacze praktycznie nie mieli możliwości obserwowania tych zjawisk.

– Żeby je pozbawić nimbu tajemniczości, wystarczy tylko zobrazować... 1 000 000 000 000 000 synaps mózgu. To pozwoli odkryć sekrety takich schorzeń neurologicznych, jak depresja czy choroba Alzheimera – uważa prof. Markram. – Poza tym jedną z gałęzi nauki, które mogą bardzo skorzystać w ramach Human Brain Project, będzie neurobotyka.