Kan vi simulere hele menneskehjernen?

Image converted using ifftoany

100 milliarder slike finnes I hodet ditt. Copyright: The Human Brain Project.

Er det mulig å gjenskape hele menneskehjernen på en superdatamaskin? Det er det ambisiøse 10-års målet til det kontroversielle europeiske samarbeidsprosjektet The Human Brain Project (HBP). Og med en nyvunnet milliard euro i budsjett har de nå råd til å gjøre et realt forsøk! De lover å presentere store resultater, men det mangler ikke på hindringer eller kritikere.

Artikkelen er skrevet av Torbjørn Bækø Ness, stipendiat ved Universitetet for miljø- og biovitenskap i Ås, torbness@gmail.com.

Å forså menneskehjernen er uten tvil en av de største og mest spennende utfordringene som møter dagens og morgendagens forskere. Menneskehjernen er den mest avanserte strukturen vi kjenner til, med 100 milliarder hjerneceller, og hundre tusen milliarder koblinger mellom dem, og selv om forskningen har pågått i mange tiår allerede blir det spådd at vi nå er på vei inn i hjernens århundre. Og utfordringene står i kø for den som tør å gi seg i kast med dem. De fleste hjerneforskerne trenger selvfølgelig ingen annen unnskyldning for å studere hjernen enn at de syntes den er fantastisk spennende, men det mangler heller ikke på mer jordnære grunner.

Hvorfor forstå hjernen?

En av grunnene til å forstå hjernen bedre er muligheten for å bedre behandlingen av nevrologiske sykdommer. Hjernesykdommer er et økende problem som følger den høye levealderen, men behandlingen av, og forskingen på slike sykdommer er vanskelig. Bivirkningene til medisiner rettet mot hjernen er vanskelige å kartlegge, og risikoen kan være høy. Kliniske undersøkelser på hjernesykdommer tar derfor lang tid, trenger mange deltakere og misslykkes oftere enn kliniske undersøkelser innen andre grener av medisinfaget. De økte utgiftene og risikoene har ledet til at mange farmasøytiske firmaer nå stenger hjerneforskningsavdelingene sine. De er rett og slett ikke lønnsomme.

En annen grunn til å forstå hjernen bedre er at dagens datamaskiner nærmer seg sine øvre teoretiske grenser for ytelse. På sikt lar ikke problemet seg løse ved og pøse på med stadig flere prosessorer. Her kommer den halvannen kilo tunge klumpen på innsiden av skallene våre inn i bildet. Med et energiforbruk på rundt 30 W, tilsvarende en lyspære (HBP vil kanskje ende opp på rundt en million ganger mer), kan den holde et enormt nettverk med kilometervis av tynne kabler gående i tiår etter tiår. Den kan lage enorme mengder informasjon, og viser en tilpasningsdyktighet moderne maskiner bare kan drømme om. Hadde vi klart å utnytte denne typen nettverk som modell for å lage nye datamaskiner ville det vært et paradigmeskifte innen teknologien. Problemet er at vi per i dag har en alt for dårlig forståelse av hvordan slike nettverk virker, hvordan de bør bygges, og hvordan ny informasjon kan lagres.

Hva kan The Human Brain Project bidra med?

Henry Markram, initiativtakeren og koordinatoren av prosjektet tror at han og HBP kan hjelpe til på disse områdene. Et av hovedmålene hans er å integrere data fra hele nevrovitenskapen inn i en og samme modell. Hvert år publiseres nemlig mange titalls tusen av vitenskaplige artikler innen nevrovitenskapen, men å koordinere all denne informasjonen er slettes ikke lett.

neuron

Et nevron (hjernecelle). Kort sagt mottas elektriske signaler fra andre nevroner gjennom koblingspunkter (synapser) på dendrittene, og sendes videre gjennom aksonet. Fra Wikipedia.

Planen til HBP er å automatisere innhentingen av informasjon fra hele det vitenskapelige miljøet og automatisk inkorporere den i modellen, slik at den blir samlet på et sted. På denne måten kan man studere hvordan data fra forskjellige biologiske detaljnivåer jobber sammen i en og samme fler-nivå-modell. Man kombinerer ionekanaler og genetikk med nettverksaktivitet og hukommelse. Man skal ikke lenger behøve å velge mellom en nedenfra-og-opp eller en ovenfra-og-ned tilnærming, men gå i begge retninger samtidig. Informasjon fra sykehus og kliniske undersøkelser knyttet til hjernesykdommer skal også hentes inn for å lete etter biologiske signaturer knyttet til forskjellige nevrologiske lidelser. Håpet at man skal kunne teste medisiner og kombinasjoner av virkestoffer virtuelt før man går over til den virkelige verden, og dermed gjøre prosessen tryggere, billigere og mer effektiv.

Det mangler altså ikke på motivasjon, men hvordan gjøre dette i praksis? Styrken til menneskehjernen ligger i nettverket, men det er mer enn bare antall hjerneceller det kommer an på. Det må også være bygget opp på riktig måte. Dessverre er det ingen som helt vet hva riktig måte er. Hvordan hjernen er bygget opp, hvordan den blir vedlikeholdt og hvordan den lagrer nye minner er noe det forskes intenst på, men vi er langt fra noen fullgod forståelse. Man vet derimot en hel del om hvordan nevronene i de forskjellige delene av hjernen oppfører seg, og hvordan de ser ut. Man vet mye om hvor de mottar signaler fra, hvordan de prosesserer disse signalene, og hvorhen i hjernen de sender resultatene. Man vet også mye om hvordan disse signalene ser ut, men ikke like mye om hva de betyr og hvilken informasjon de inneholder. Å kopiere en menneskehjerne kobling for kobling ville vært umulig, selv med et helt ubegrenset budsjett, og det er heller ikke strategien til HBP. De vil i stedet lete eksperimentelt etter de grunnleggende prinsippene for hvordan hjernen organiserer seg selv, for deretter å bygge modeller for å teste disse prinsippene. Kan ikke modellen reprodusere eksperimentelle observasjoner, må man modifisere modellen til den gjør det. Deretter prøver man å bruke modellen til å gjøre forutsigelser og går tilbake til laboratoriet for å teste disse. Med denne fremgangsmåten kan parameter-rommet minskes betraktelig, siden koblingene og koblingsstyrkene mellom nevronene går fra å være frie parametere til å være gitt av modellen.

Ikke alle er like optimistske…

At dette prosjektet er kontroversielt sier seg nesten selv. En vanlig innvending handler om en liten rundorm ved navn «C. Elegans» (http://en.wikipedia.org/wiki/Caenorhabditis_elegans). Denne arten har akkurat 302 nevroner og alle koblingene mellom dem ble kartlagt så tidlig som på 80-tallet. Tatt i betraktning det enkle nervesystemet, er det ikke overraskende at denne ormen ikke har en spesielt avansert oppførsel. Allikevel har man så langt ikke vært i stand til å lage en god virtuell kopi av den. Derfor mener mange at å ta fatt på menneskehjernen er i overkant ambisiøst. En annen innvending er at modellen er for detaljfokusert, og at man risikerer å se hjerneskogen bare for nevron-trær. Hvis man i det hele tatt lykkes med å lage en simulering som er nesten like avansert som menneskehjernen, kan man jo risikere at den er like vanskelig å forstå?

stallo

Superdatamaskinen Stallo i Tromsø, der vi gjør våre simuleringer. Foto og copyright: Thilo Bubek.

Helt til slutt er det et punkt man ikke kommer unna når HBP presenteres for journalister og det generelle publikum, nemlig selvbevissthet. Av grunner diskutert over er det knapt noen forskere som tror det er noen som helst mulighet for at simuleringen plutselig skal bli selvbevisst, slik som så ofte skjer i Science Fiction fra 80-tallet. Innen nevrovitenskapen har tema som selvbevissthet lenge vært så uangripelig og udefinert at det nærmest har vært litt tabu å jobbe med dem. Det har vært noe litt svevende og new-age over det hele. Nå mener mange vi nærmer oss et punkt der det er på tide å ta de etiske og filosofiske diskusjonene knyttet til kunstig intelligens. Som sagt, ikke fordi vi tror det er noen mulighet for selvbevisste maskiner innen overskuelig fremtid (og i hvert fall ikke innen ti år), men fordi diskusjoner om alle mulige (og umulige) etiske aspekter bør bli tatt lenge før de er aktuelle i den virkelige verden så man har de nødvendige retningslinjene på plass i tide.

Uansett hva som blir det endelige utfallet, blir det veldig spennende å følge utviklingen til prosjektet i årene fremover. Både Universitetet i Oslo og Universitetet for miljø- og biovitenskap i Ås (der jeg jobber) er involvert i prosjektet, så informasjon om hva som foregår kommer nok til å nå mediene med jevne mellomrom. Og selv om vi nok ikke kan regne med å ha noe i nærheten av en fullt fungerende virtuell menneskehjerne om ti år, er det som Markram sier sannelig på tide at nevrovitenskapen blir mer samlet og samkjørt, så man kan se hvordan all kunnskapen passer sammen i en skikkelig fler-nivå-modell. Og så en siste beroligende bemerkning hvis du er en glasset-er-halvtomt type person som ikke klarer å la være å tenke på «Skynet» når du leser dette; Vi er fullstendig klar over at utfallet av simuleringene våre er noe uforutsigbart. Derfor lover vi å ikke gi datamaskinen tilgang til atomvåpen.

Videre lesning:

Hele rapporten fra HBP (108 sider):

One comment

  1. ftw · mars 25, 2013

    Jeff Hawkins sitt Numenta.com er kommet ganske langt i det de mener er en modell av neokorteks. De er ikke så interessert i de mer primitive delene av hjernen, men mener å ha funnet ut hvordan neokorteks er bygget opp og hvordan de kan emulere neokorteks i en datamaskin.

    De har gått helt «corporate» så jeg har ikke fulgt dem så nøye i det siste, men de tidlige testene i første versjon av programmet var veldig spennende.

    Jeg antar at Jeff Hawkins er kontroversiell i hjerneforskningsmiljøer, om de har hørt om han i det hele tatt 🙂

Legg igjen en kommentar

Fyll inn i feltene under, eller klikk på et ikon for å logge inn:

WordPress.com-logo

Du kommenterer med bruk av din WordPress.com konto. Logg ut / Endre )

Twitter picture

Du kommenterer med bruk av din Twitter konto. Logg ut / Endre )

Facebookbilde

Du kommenterer med bruk av din Facebook konto. Logg ut / Endre )

Google+ photo

Du kommenterer med bruk av din Google+ konto. Logg ut / Endre )

Kobler til %s