De mysteries van het functioneren van het menselijk brein hebben wetenschappers altijd verontrust. Er zijn altijd pogingen geweest om het menselijk brein te imiteren. Het Human Brain Project is zo’n poging. In welk stadium bevinden wetenschappers zich? Zijn er successen?
Het menselijk brein is de meest mysterieuze biologische computer die we kennen. In feite weten we er niet genoeg over, ondanks de inspanningen van wetenschappers om er door de eeuwen heen op steeds geavanceerdere manieren meer over te weten te komen. Alleen de nieuwste technologieën kunnen ons echte kennis verschaffen waarover we voorheen alleen maar konden raden. Dit neemt niet weg dat we nog lang niet volledig op de hoogte zijn. In welk stadium bevinden moderne wetenschappers zich?
Ook interessant: Wat zijn neurale netwerken en hoe werken ze?
De term ‘kunstmatige intelligentie’
In de jaren vijftig, toen de term ‘kunstmatige intelligentie’ voor het eerst in de wetenschap verscheen en AI-onderzoekers met succes bewezen dat je een machine dingen kon leren die je zelf niet kon doen, waren ze er enthousiast over. De simpele mogelijkheid dat een machine kan leren, op zichzelf wiskundige stellingen kan bewijzen (dit werd bijvoorbeeld gedaan met het Logic Theorist-programma dat in 1950 werd ontwikkeld door Allen Newell en Herbert Simon), of dammen kan spelen en een mens kan verslaan (programma van Arthur Samuel, een IBM-ingenieur en later professor aan Stanford University), bracht de wetenschappelijke wereld ertoe te geloven dat een volledige simulatie van het menselijk brein slechts een paar jaar verwijderd was.
Tientallen jaren zijn verstreken, en ondanks de enorme groei van de rekenkracht, de ontwikkeling van kunstmatige neurale netwerken en AI-algoritmen met deep machine learning, zijn we nog lang niet in staat zelfs maar fragmenten van de hersenen te simuleren. Simpel gezegd hebben de AI-pioniers uit de tweede helft van de 20e eeuw de mogelijkheden van deze "geleiachtige massa" in onze schildpadden, die voor 90% uit water bestaat, enorm onderschat.
Ook interessant: ChatGPT: eenvoudige gebruiksaanwijzing
De hersenen zijn complex
Bij de geboorte weegt het menselijk brein ongeveer 300 gram, terwijl een volledig ontwikkeld volwassen brein ongeveer 1,5 kg weegt. Deze 1,5 kg bevat ons hele universum en alle mentale vermogens die we hebben. Niet alleen bewuste, zoals abstract denken, creativiteit, maar ook die waarvan we ons niet bewust zijn: beweeglijkheid van bewegingen, controle van de bloedsomloop, ademhaling en nog veel, veel meer.
Het is een populaire uitspraak onder wetenschappers dat het menselijk brein uit ongeveer 100 miljard neuronen bestaat. We weten hun exacte aantal niet, en het kan per individu van de menselijke soort verschillen. Maar laten we aannemen dat dit waar is, en dat dit aantal niet zo klein is. 100 miljard is veel, maar moderne supercomputers kunnen nog grotere objecten simuleren. Het probleem is echter dat een neuron iets veel complexers is dan bijvoorbeeld een texel in 3D-graphics, een pixel in een afbeelding of welk ander object dan ook dat met slechts een klein stukje code kan worden beschreven.
Neuronen in onze hersenen zijn met elkaar verbonden. Dit zijn geen fysieke verbindingen, omdat de elektrische impulsen die in individuele neuronen worden gegenereerd zich dan snel door het lichaam zouden verspreiden, waardoor het praktisch onmogelijk zou worden om te functioneren. De overdracht van informatie in onze hersenen is gebaseerd op zowel elektriciteit (impulsen) als chemie (neurotransmitters). Elk neuron (laten we ons het nu populaire beeld van een neuron als een ‘boom’ met karakteristieke dendrieten herinneren) kan met andere worden verbonden met behulp van wel tienduizend synaptische verbindingen.
Mee eens, 10000 verbindingen vanuit één zenuwcel is een veel hoger niveau van complexiteit dan logische poorten in transistors. Als we het aantal mogelijke verbindingen tussen neuronen en de toestanden die ze op een bepaald moment kunnen bereiken (slechts één) proberen te tellen, krijgen we een enorm aantal dat het geschatte aantal atomen in het hele waarneembare universum ver overtreft. Met deze benadering zijn veel wetenschappers die gespecialiseerd zijn in de neurobiologie en ook een achtergrond hebben in de informatica van mening dat, zelfs met het huidige kennisniveau en de verwachte ontwikkeling ervan, een volledige simulatie van zo'n complex orgaan een taak is die onze mogelijkheden op dit gebied te boven zal gaan. een lange tijd. Maar dit betekent niet dat wetenschappers niets doen en niets hebben bereikt. Laten we eens kijken naar enkele projecten die tot doel hebben om, zo niet de gehele menselijke geest, dan toch tenminste een deel ervan te simuleren.
Lees ook: 7 coolste toepassingen van ChatGPT
40 minuten en één seconde
In 2013 bundelden Japanse wetenschappers van het Okinawa Institute of Technology en Duitse onderzoekers van het Forschungszentrum Jülich hun krachten en gebruikten een van de krachtigste supercomputers op onze planeet destijds (genaamd K Computer, leider van de Top500-lijst in 2011) met rekenkracht. van 8,16 PFLOPS (of 8,16 biljard drijvende-kommabewerkingen per seconde) om te proberen slechts een stukje van de hersenen te simuleren. Over het algemeen bestond de simulatie uit het in kaart brengen van het werk van 1,73 miljard neuronen, die samen een netwerk van 10,4 biljoen synaptische verbindingen creëerden. Dat is iets meer dan 1 procent van het potentieel van die biologische ‘gelei’ die in je schedel zit. De simulatie gebruikte de volledige kracht van 82944 Sparc64 VIIIfx-processors (één systeem heeft een klokfrequentie van 2 GHz en 8 cores). Heeft deze aanpak gewerkt?
Volgens wetenschappers wel, maar aan de andere kant... het is maar hoe je het bekijkt. Ongeveer 40 minuten werking van deze supercomputer duurde voor een simulatie van slechts 1 seconde werking van het genoemde fragment van het neurale netwerk van de hersenen. Hoewel het feit dat de simulatie überhaupt is uitgevoerd een succes mag worden genoemd, laten de effecten, de rekentijd en het volume van de simulatie dus zien met wat voor een enorm probleem we hier te maken hebben. En er moet aan worden herinnerd dat met een toename van het aantal neuronen de complexiteit van het synaptische netwerk niet lineair, maar exponentieel toeneemt! Als zelfs de momenteel snelste Amerikaanse supercomputer Frontier, opererend in het Oak Ridge National Laboratory en een rekenkracht heeft van maar liefst 1102 PFLOPS, d.w.z. 135 keer groter dan de genoemde Japanse K Computer, voor dezelfde taak zou worden gebruikt, zou dat niet betekenen dat dat Frontier (met dezelfde modelparameters) een neuraal netwerk zou kunnen simuleren dat 135 keer groter is. Dezelfde simulatie van één echte seconde van een netwerk van 1,73 miljard neuronen zal op een Amerikaanse supercomputer niet 40 minuten duren, maar minder dan 18 seconden. Maar dit is nog steeds veel meer dan een echte real-time netwerksimulatie, en is slechts een klein deel van wat we in ons hoofd hebben. Het simuleren van de werking van de hele geest behoort nog steeds tot het domein van science fiction. Maar wetenschappers proberen het nog steeds.
Lees ook: Over kwantumcomputers in eenvoudige woorden
Europees menselijk breinproject
Het Human Brain Project (HBP) kan qua omvang en de voor dit wetenschappelijke project toegewezen middelen worden vergeleken met een ander project dat verband houdt met de mens - het beroemde project "Human Gene", dat duurde van 1990 tot 2003. Om het menselijk genoom volledig te begrijpen, wil het Human Brain Project wetenschappers helpen onze hersenen beter te begrijpen. Het Human Brain Project, dat al sinds 2013 loopt en oorspronkelijk na tien jaar onderzoek (dat wil zeggen in 2023) zou eindigen, komt echter niet eens in de buurt van het simuleren van het hele brein. Welke doelen willen wetenschappers bereiken met dit onderzoek?
Het belangrijkste doel van HBP is niet om het hele brein te simuleren, omdat ik hoop dat we al hebben aangetoond dat deze taak de mogelijkheden van onze hedendaagse beschaving te boven gaat. Het doel is om de complexiteit van de hersenen op zijn minst gedeeltelijk onder de knie te krijgen. Dit zal helpen bij de ontwikkeling van wetenschappen als geneeskunde, informatica en neurologie, maar ook bij de ontwikkeling van technologieën waarvan het werk is geïnspireerd door de manier waarop onze geest werkt.
Eén van de resultaten van het HBP-project is de oprichting van een digitaal platform voor hersenonderzoek, EBRAINS. EBRAINS is een open source platform waarmee onderzoekers van over de hele wereld digitale tools kunnen gebruiken die beschikbaar zijn in een veilige cloudomgeving. Met andere woorden, EBRAINS biedt wetenschappers de middelen om de werking van individuele delen van de hersenen te modelleren en analyseren.
Eén zo'n hulpmiddel is het virtuele hersensimulatieprogramma gemaakt door HBP en EBRAINS. Deze tool is absoluut niet in staat om het werk van het hele brein te simuleren, maar het stelt onderzoekers van nieuwe medicijnen wel in staat om hun effecten op groepen neuronen te simuleren. Dit zal wetenschappers op hun beurt in staat stellen nieuwe behandelingen te ontwikkelen die nuttig zijn voor complexe ziekten zoals de ziekte van Alzheimer, depressie, de ziekte van Parkinson en meer.
Ook interessant:
- Dus, spreken of niet praten? Musk ontkent met Poetin te hebben gesproken. Maar er is een "maar"
- Moderne artillerie is het superwapen van Oekraïne. En waarom is Elon Musk hier?
Amerikaans BRAIN-initiatief
Een nog groter en nieuwer project geïnitieerd door Amerikaanse onderzoeksinstellingen is het US BRAIN Initiative. Dit is weer een meerjarig onderzoeksproject van meerdere miljarden dollars, gericht op het in kaart brengen van het menselijke connectoom. Wat is een verbinding? Dit is een reeks zenuwverbindingen van dit organisme. Net zoals het genoom een volledige kaart is van de genetische keten, en het proteoom een volledige kaart is van de eiwitten van een bepaald organisme. We kennen het menselijk genoom al, de ontdekking ervan heeft miljarden dollars gekost. Tegenwoordig zijn genoomtesten overal verkrijgbaar en kosten genetische tests voor de aanwezigheid van een defect bijvoorbeeld enkele honderden dollars. Een compleet genoom is iets duurder, maar nog steeds een orde van grootte lager dan de kosten van het eerste aflezen van menselijk DNA.
Laten we teruggaan naar Connectome en het Amerikaanse BRAIN-project. Wat is het doel van dit project? Josh Gordon, directeur van het Amerikaanse National Institute of Mental Health in Bethesda, Maryland, zei: “Het kennen van alle soorten hersencellen, hoe ze met elkaar in verbinding staan en hoe ze op elkaar inwerken, zal een hele nieuwe reeks therapieën openen die we vandaag de dag kennen. kan het me niet eens voorstellen." Momenteel wordt 's werelds grootste catalogus van zenuwceltypen gecreëerd en systematisch ontwikkeld. Deze catalogus, genaamd het BRAIN Initiative Cell Census Network (BICCN), beschrijft hoeveel verschillende soorten cellen zich in de hersenen bevinden, in welke verhoudingen ze voorkomen, hoe ze ruimtelijk verdeeld zijn en welke interacties ertussen plaatsvinden.
Waar komt deze aanpak vandaan? Vanuit de behoefte om te begrijpen hoe de hersenen werken. De voordelen van deze aanpak worden uitgelegd in een verklaring aan Nature van neurowetenschapper Christoph Koch, hoofdwetenschapper van het MindScope-programma, dat wordt geïmplementeerd door het Allen Institute for Brain Science in Seattle: ‘Net zoals niets in de scheikunde zin heeft zonder het periodiek systeem van elementen, zal niets zin hebben in het begrijpen van de hersenen zonder het bestaan en functioneren van individuele celtypen te begrijpen."
Als we hypothetisch het technologische potentieel zouden bereiken om cel voor cel te kunnen scannen en bijvoorbeeld het menselijk brein te kunnen herscheppen, zou een dergelijke aanpak betekenen dat zelfs als we daarin zouden slagen (wat vandaag de dag niet realistisch is), we nog steeds niet zouden begrijpen waarom de hersenen werken zoals het werkelijk gebeurt. En het maakt niet uit of we het hebben over de hersenen als een levend biologisch orgaan of over de digitale, hypothetisch gekloonde tegenhanger ervan. HERSENEN en map BICCN zijn uitgangspunten voor het begrijpen van de structuur en werking van elk neuraal circuit, en dus voor het begrijpen van het complexe gedrag dat alle soorten beheerst met een orgaan dat zo complex is als de hersenen.
Het onderzoek gaat door en wetenschappers presenteren voortdurend hun nieuwe prestaties op een speciaal gemaakte website. Daarom ben ik er zeker van dat er binnenkort nog meer interessante ontdekkingen op ons wachten.
Ook interessant:
Binnenkort is het mogelijk om bij iedereen onnodig de hersenen te verwijderen...