Superkomputery nowej generacji mogą symulować działanie ludzkiego mózgu. Co to przyniesie?
Najpotężniejszy europejski superkomputer JUPITER, zdolny wykonywać miliard miliardów operacji na sekundę, został użyty do stworzenia symulacji procesów zachodzących w ludzkim mózgu. Przeniesienie modelu ludzkiego mózgu do komputera może pomóc zrozumieć trudne do wyjaśnienia procesy, na przykład to, jak powstają wspomnienia. Czy prace takie posłużą przede wszystkim zrozumieniu architektury mózgu i procesów neuronalnych, czy może, zgodnie z duchem science- fiction, staną się zarzewiem cyfryzacji ludzkiej świadomości?
Najnowszej generacji superkomputery mają wystarczającą moc obliczeniową, by tworzyć symulacje obejmujące miliardy neuronów. Innymi słowy, są w stanie działać na poziomie złożoności zbliżonym do prawdziwych mózgów.
Można powiedzieć, że do tej pory pełny model działania ludzkiego mózgu był czymś w rodzaju świętego Graala neuronauki. To się zmieniło dzięki wieloletnim pracom, takim jak prowadzony w latach 2005–2015 Blue Brain Project symulujący kolumnę korową mózgu szczura czy nawet bardziej zaawansowany flagowy projekt europejski Human Brain Project. Celem HBP było stworzenie infrastruktury, narzędzi i platform do symulacji na wielu skalach – od synaps, po sieci obejmujące cały mózg.
Mózg jako biologiczny superkomputer
– Jednak nigdy nie byliśmy w stanie zebrać wszystkiego w jednym miejscu, w jeden większy model mózgu, gdzie możemy sprawdzić, czy te koncepcje w ogóle są ze sobą spójne. To się właśnie zmienia — powiedział prof. Markus Diesmann, dyrektor Instytut Zaawansowanych Symulacji (IAS-6), Neuronauki Obliczeniowej i Systemowej w Centrum Badawczym Jülich w Niemczech. Diesmann należy do wąskiego grona czołowych ekspertów ds. neuronauki obliczeniowej, łączącej fizykę, matematykę, biologię i superkomputery, aby lepiej zrozumieć, jak działa ludzki mózg dzięki symulacjom na ogromną skalę
W ubiegłym miesiącu Diesmann i współpracownicy pokazali, że prosty model neuronów i ich synaps, tzw. impulsowa sieć neuronowa (spiking neural network), może zostać skonfigurowany i przeskalowany tak, by działał na tysiącach procesorów graficznych (GPU) JUPITER-a. Dawałoby to rozmiar 20 miliardów neuronów i 100 bilionów połączeń — odpowiednik ludzkiej kory mózgowej, gdzie zachodzą niemal wszystkie wyższe funkcje poznawcze.
Miliard miliardów operacji na sekundę
System JUPITER (Joint Undertaking Pioneer for Innovative and Transformative Exascale Research) jest czwartym najpotężniejszym superkomputerem, który osiągnął tzw. skalę eksa. Skala ta oznacza, że potrafi wykonać miliard miliardów operacji na sekundę. Według listy Top500 istnieją tylko cztery takie maszyny. I tylko JUPITER działa poza USA.
– Model testowany na europejskim superkomputerze będzie oparty na rzeczywistych danych z mniejszych eksperymentów na ludzkich neuronach i synapsach. Mamy teraz zarówno dane anatomiczne jako ograniczenia, jak i odpowiednią moc obliczeniową — wyjaśnia dr Johanna Senk z Uniwersytetu w Sussex, współpracująca z Diesmannem.
Symulacje pełnoskalowe mogłyby pozwolić badaczom testować podstawowe teorie dotyczące działania mózgu, których nie da się sprawdzić w mniejszych modelach ani w prawdziwych mózgach, na przykład jak powstają wspomnienia. Można by to badać, podając sieci obrazy, obserwując reakcje i śledząc, jak zmienia się proces zapamiętywania wraz ze wzrostem „rozmiaru mózgu”. Mogłoby to także posłużyć do testowania leków, na przykład analizując, jak modele epilepsji, charakteryzującej się napadami i wybuchami patologicznej aktywności mózgu, reagują na określone substancje.
Między nauką a science-fiction
– Dodatkowa moc obliczeniowa oznacza również, że symulacje mogą być uruchamiane szybciej, co daje badaczom wgląd w procesy stosunkowo wolne, takie jak uczenie się. Umożliwi też uwzględnienie znacznie większej liczby szczegółów biologicznych, takich jak bardziej złożone modele zmian i aktywacji neuronów — mówi Senk.
Chociaż naukowcy zaznaczają, że nie potrafią budować mózgów, a cały proces jest czysto badawczy, to myśląc o nim trudno nie odnieść się do science-fiction. Temat przeniesienia ludzkiego mózgu do komputera jest regularnie poruszany w literaturze i kinematografii. Weźmy film „Transcendencja” z Johnnym Deepem jako ekspertem od SI, który „wgrywa” swoją świadomość do komputera. Mamy też serial komediowy „Upload”, w który świadomość zmarłych ludzi jest przenoszona na serwery. Tam żyje sobie w symulacji na tyle dobrej, na ile pozwalają na to finanse żyjących bliskich. Ba, tak „uploadowani” zmarli mogą nawet, podobnie jak w klasycznym „Ubiku” Philipa K. Dicka, rozmawiać z żywymi i wchodzić z nimi w interakcje dzięki technologii VR.
O tym, w jakim kierunku potoczą się tego typu badania, przekonamy się pewnie w ciągu najbliżej dekady.
Źródło: New Scientist
Nasza autorka
Ewelina Zambrzycka-Kościelnicka
Dziennikarka i redaktorka zajmująca się tematyką popularnonaukową. Pisze przede wszystkim o eksploracji kosmosu, astronomii i historii. Związana z Centrum Badań Kosmicznych PAN oraz magazynami portali Gazeta.pl i Wp.pl. Ambasadorka Śląskiego Festiwalu Nauki. Współautorka książek „Człowiek istota kosmiczna”, „Kosmiczne wyzwania” i „Odważ się robić wielkie rzeczy”.