5 ноября 2013

Мозг за миллиард евро

Эрнест Халамайзер

+1Комментировать

Швейцарский ученый строит действующую компьютерную модель человеческого мозга за 1 млрд. евро

В 2009 году на конференции фонда TED южноафриканский нейробиолог Генри Маркрам выступил с докладом «Мозг в суперкомпьютере». Помимо прочего Маркрам обещал в течение десяти лет излечить человечество от душевных болезней и создать полностью разумный искусственный интеллект. Всего этого Маркрам намеревался добиться, построив полную модель человеческого мозга (от синапсов до полушарий) на суперкомпьютере.

Исследователи искусственного разума десятилетиями бились над аналогичными проектами. В итоге большинство пришло к мысли, что построить действующую модель человеческого мозга пока невозможно. Но за четыре года, прошедшие со времени конференции, Маркрам ни на йоту не отступил от своего плана. В его проекте «Человеческий мозг» должны симулироваться функции всех 86 миллиардов нейронов головного мозга человека и 100 триллионов связей между ними. А когда модель мозга будет готова, с ней можно будет делать все, что угодно. Можно разобрать ее на составляющие и выяснить причины мозговых заболеваний. Можно построить с ее помощью разумного робота. Можно нацепить очки виртуальной реальности и примерить на себя разум другого человека.

По мнению Маркрама, технологии наконец-то дозрели до уровня, на котором возможно создание настоящего искусственного интеллекта. Другие ученые с ним не согласны: «Мы о мозге слишком многого не знаем, — говорит профессор Кристоф Кох из Калифорнийского технологического института и один из руководителей Алленовского института по изучению мозга в Сиэттле. — У нематоды 302 нейрона. Мы до сих пор не в курсе, как это животное устроено». Но за последние двадцать лет упорство Маркрам произвело впечатление на шведского нейробиолога Торстена Визеля (в 1981 году получившего Нобелевскую премию по физиологии и медицине), со-основателя Sun Microsystems Энди Бехтольшейма и других людей, авторитетных в области биологии, нейробиологии и информационных технологий.

Место работы Маркрама — швейцарский Федеральный технологический институт Лозанны, где он сам и группа из 15 докторов наук работают над симуляцией поведения участка неокортекса крысы. Результаты исследований не только публикуются в научных журналах, но и интегрируются в модель мозга на суперкомпьютере Blue Gene.

Нет гарантии, что у Маркрама получится построить модель всего крысиного мозга — не говоря уж о бесконечно более сложном человеческом. И если даже у него это получится, никто не знает, будет ли компьютерная модель вести себя так же, как и настоящий мозг. Построить виртуальный мозг можно. Но будет ли он думать?

Генри Маркрам

Маркрам понимает, что его проект слишком грандиозен для одной лаборатории. В ближайших планах — установка связи с 6000 ученых по всему миру, которые будут скармливать данные модели Blue Gene. Нейробиологи могут провести всю жизнь, изучая одну клетку или молекулу. Маркрам предлагает им возможность объединить личные исследования в один большой проект. Деньги у Маркрама есть: 28 января 2013 года Европейская комиссия выделила ему 1 миллиард евро. Вопрос о том, можно ли вывести искусственный интеллект на человеческий уровень, внезапно перестал быть гипотетическим.

 

Умная мякоть

Врачи Древнего Египта считали мозг «мякотью черепа» (так неаппетитно формулирует их взгляды папирус 3500-летней давности). Полторы тысячи лет спустя Аристотель утверждал, что мозг существует для охлаждения нагреваемой сердцем крови. С тех пор нейробиология все-таки шагнула вперед, но объем наших знаний о мозге ничтожен по сравнению с тем, чего мы о мозге не знаем.

За последние сто лет исследования мозга были плодотоворными, но очень узкоспециализированными. До сих пор не существует общей, объясняющей все теории. Мы знаем, что мозг — это электрическая сеть, передача сигналов в которой регулируется химически. Химические вещества (нейромедиаторы) инициируют в нейроне электрический импульс, который по длинному цилиндру-аксону идет к синаптическому окончанию — точке контакта с другим нейроном. В синапсе полученный импульс освобождает молекулы нейромедиатора из сумок-везикул. Молекулы медиатора связываются с рецепторами в мембране соседней клетки и изменяют ее заряд, открывая ионные каналы в рецепторных макромолекулах. Параллели с компьютером провести нетрудно: синапсы — это логические вентили в цифровой схеме, аксоны — провода. Рецепторы — полупроводники, в которых прохождение тока или его отсутствие трактуются как логические сигналы 0 или 1. Чтобы управлять всей системой, достаточно знать правильные комбинации нейромедиаторов.

Но при ближайшем рассмотрении все эти компьютерные параллели оказываются столь же примитивными, что и взгляды египетских врачей. Существуют десятки различных медиаторов (дофамин, серотонин и так далее) и типов рецепторов. Только типов ионных каналов известно свыше трехсот… На уровне молекулярной биологии ученые пытаются предсказать и описать эффект медиаторов на каждый из ионных каналов. На уровне нейропсихологии используется функциональная магнитно-резонансная томография. Технологии МРТ позволяют наблюдать за изменениями кровообращения головного мозга в зависимости от его активности — тут мы недалеко ушли от Аристотеля.

Два самых крупных исследовательских проекта — мышино-человеческий мозговой атлас Алленовского института и финансируемый Министерством здравоохранения США «Коннектом человека». Они трудятся над полными описаниями работы мозга — над единой, всеобщей теорией. В Алленовском атласе описываются связи между генами, клетками и участками мышиного и человеческого мозга. «Коннектом человека» с помощью МРТ картографирует структуру связей в человеческом мозге.

В апреле 2013 года Барак Обама объявил о запуске проекта «Карта активности мозга», на который в ближайшие десять лет Конгресс США должен выделить $3 млрд. Для начала выделено $100 млн из бюджета 2014 года. Если в «Коннектоме человека» снимки мозга статичные, то новая «Карта активности» должна показывать работу нейронов в реальном времени. В настоящий момент в реальном времени реально отобразить только работу мозга плодовой мушки дрозофилы.

Но даже если у американских ученых получится построить карту мозга человека, молекулярный и функциональный уровни его работы останутся непознанными. Проекты по картографированию — это зерно, которое должен перемолоть суперкомпьютер Маркрама. «Карта активности мозга и другие проекты посвящены сбору данных, — пишет Маркрам. — Проект «Человеческий мозг» нужен для интеграции этих данных». Другими словами, Минздрав США и лично президент Обама для Маркрама — всего лишь ценные сотрудники.

 

Код доступа «Кейптаун»

Изучением мозга Генри Маркрам занимается с 13 лет — с тех самых пор, как мама послала его с родной фермы в пустыне Калахари в школу-интернат близ Дурбана. В первый год учебы Маркрам наткнулся на работы по шизофрении и другим психическим расстройствам, и увлекся изучением человеческого разума. «Меня поразило, что мировоззрение человека может меняться в зависимости от разных количеств одного и того же химического вещества, — вспоминает Маркрам. — Если вашу личность так легко поменять при помощи химии… кто вы вообще такой?»

Маркрам начал изучать психиатрию в Кейптаунском университете, но эта отрасль медицины ему быстро наскучила. «Я понял, что это не наука. Я не видел перспектив в классификации людей по симптомам и выписывании препаратов по указке фармацевтических корпораций».

Маркрам ушел из медицины и устроился  в единственную лабораторию Кейптауна, занимавшуюся экспериментальной нейробиологией. Даже тогда, в 1985 году, Маркрамом двигало стремление постичь весь человеческий мозг. Но начинать ему пришлось с малого. За год Маркрам провел порядка тысячи экспериментов, описывавших влияние медиатора на нейроны ствола головного мозга.

Так началось восхождение Маркрама на вершину экспериментальной нейробиологии. Докторскую степень он получил в Институте Вейцмана — одном из главных научно-исследовательских институтов Израиля, а постдокторскими исследованиями занимался в Национальных институтах здоровья в Бетесде, штат Мэриленд, и Институте медицинских исследований общества Макса Планка в Гейдельберге.

В 1995 году он вернулся в Институт Вейцмана как старший исследователь. В новой лаборатории Маркрам использовал метод локальной фиксации потенциала, почерпнутый у физиолога Берта Сакмана в Гейдельберге (в 1991 году Сакман и Эрвин Неер получили за этот метод Нобелевскую премию по физиологии и медицине). С помощью специальной микропипетки экспериментатор может изолировать фрагменты клеточной мембраны и наблюдать за активностью живого нейрона. Рука у Маркрама была настолько твердая, что он первым из исследователей сумел изолировать два взаимосвязанных нейрона и наблюдать их взаимодействие.

Посылая электрические импульсы между нейронами и изучая их электрические реакции, Маркрам сумел проверить на практике правило Хебба — одно из основных положений нейробиологии. По теории канадского нейропсихолога Дональда Хебба, одновременная активность нейронов приводит к усилению синаптических связей между ними. Маркрам открыл, что узоры синаптических связей в нервной сети зависят не только от одновременной активности, но и от временных промежутков между импульсами. Если входной импульс наблюдается перед выходным, связь между нейронами усиливается. Если входной импульс наблюдаются после выходного, связь слабеет. Другими словами, Маркрам доказал наличие причинно-следственных связей в головном мозге человека.

Маркрам опубликовал с полдесятка статей в научных журналах и к 40 годам стал профессором: «Но я понял, что могу заниматься такими публикациями до конца жизни и при этом так никогда и не понять, как работает мозг». В области нейробиологии в год выходило порядка 60 000 статей. Маркрам решил, что науке нужен грандиозный соавторский проект, организованный по принципу человеческого мозга: проект, в котором все участники будут активны одновременно, и связи между ними от этого будут только крепнуть.

Поддержать проект Маркрама финансово мог только один человек — нейробиолог Патрик Аэбишер, только что назначенный президентом Федерального технологического института Лозанны. В 2002 году Аэбишер взял Маркрама на работу, а в 2005 купил ему IBM Blue Gene — один из самых быстрых в мире суперкомпьютеров.

Суперкомпьютер Blue Gene

 

Обратная разработка

В Лозанне Маркрам работает по четырем направлением. Во-первых, он заведует биолабораторией, которая занимается экспериментами над тканями мозга. Во-вторых, с 2005 года он строит частичную модель крысиного неокортекса. В третьих, он координатор проекта «Человеческий мозг», который в ближайшее время должен привести к созданию всемирной сети лабораторий. В четвертых Маркрам отвечает за создание основной виртуальной модели головного мозга человека из поступающих данных.

Суперкомпьютер Blue Gene расположен в комнате с белыми стенами и скользящей стеклянной дверью в 10 минутах ходьбы от биолаборатории. Это уже второй суперкомпьютер, полученный Маркрамом от швейцарского правительства за последние 10 лет. Памяти у Blue Gene в восемь раз больше. Четыре стойки с процессорами — это металлические ящики размером со стиральную машину. Шум могучих вентиляторов напоминает о том, что компьютерам еще далеко до человеческого мозга, которому для работы требуется всего 20 ватт мощности.

В модель Blue Gene войдут результаты экспериментов, проведенных Маркрамом в Лозанне за последние 10 лет, плюс его наработки из Института Вейцмана. Но модель мозга не просто база данных.  Маркрам понимает, что на экспериментальное моделирование всех участков мозга уйдут не миллиарды, а триллионы долларов. «Другие ученые считают, что мы слишком мало знаем о мозге, — говорит он. — Но представьте себе головоломку, в которой не хватает множества фрагментов. Если понять общий принцип, можно начать заполнять лакуны в изображении».

Маркрам называет свой научный процесс «предсказательной обратной разработкой» и уверяет, что этот метод уже позволил ему предсказать существование данных, на получение которых в лаборатории ушли бы десятки лет. К примеру, лишь 20 из 2970 синаптических связей на малом участке крысиного неокортекса были исследованы экспериментальным путем. Поняв принцип, Маркрам смог ввести параметры для оставшихся 2950 связей и проследить за их работой в симуляторе. Затем он измерил работу нескольких связей в лаборатории, чтобы проверить данные, полученные через обратную разработку. Все симулированные данные совпали с реальными.

Маркрам считает, что его виртуальная модель поможет установить причины порядка 600 заболеваний мозга: «Важно понять не одну болезнь. Важно понять саму систему, работа которой может нарушиться 600 различными способами. Важно найти ее уязвимости». Раньше заболевания мозга можно было исследовать только на лабораторных животных. В модели Маркрам можно будет симулировать какие угодно повреждения и расстройства и изучать их в любом масштабе (от отдельных молекул до работы всего мозга).

Исследователь может взглянуть на мир глазами шизофреника, наблюдая за происходящими в разуме пациента процессами. Причем смотреть можно будет не только снаружи! Нейробиологи смогут и наблюдать за активностью нейромедиаторов и ионов, и лично испытывать галлюцинации. Маркрам намерен достичь этого эффекта, подсоединив свою модель мозга к обвешанному сенсорами роботу. Робот будет исследовать реальное физическое окружение, а экспериментатор — наблюдать за тем, как «мысли» и «чувства» робота соотносятся с аудиовизуальными стимулами. Потом можно будет проиграть все ощущения робота, пропустив их через фильтр поврежденного мозга.

На TED-конференции 2009 года Маркрам намекнул, что с его моделью мозга робот может начать осознавать себя (да, как Skynet или HAL 9000). Но в личной беседе ученый скромничает: «Симуляция — это все-таки не оригинал. Мы имеем набор математических уравнений, который воссоздает определенный феномен». Работа Маркрама — убедиться в том, что все уравнения правильные.

Рабочий прототип виртуального мозга Генри Маркрам планирует представить Европейскому союзу через 18 месяцев. Он обещает «открыть этот новый телескоп для научного сообщества» через два с половиной года — хотя по прогнозам Маркрама для полной версии ему понадобится суперкомпьютер в 100 000 раз мощнее Blue Gene. Маркрам оптимистично считает, что экспоненциальный рост технологий (и Евросоюз) ему такой компьютер предоставят в течение 10 лет.

Но помимо суперкомпьютера Маркраму понадобится куда больше данных, чем может собрать его лаборатория. Сразу после переезда в Лозанну он начал сканировать результаты из научных журналов и проанализировал тысячи статей по нейробиологии. Он обнаружил, что данные там слишком противоречивые, чтобы их можно было использовать в модели. Но с тех пор Маркрам выработал стандартизированные протоколы для всех лабораторий, участвующих в проекте «Человеческий мозг». Проект запущен как раз вовремя, ведь огромное количество данных ожидается из атласа Алленовского института, «Коннекта человека» и «Карты активности мозга». Как считает нейробиолог Брауновского университета Джон Донахью (один из ключевых сотрудников в проекте Обамы), «наши два проекта идеально дополняют друг друга. «Человеческий мозг» предоставляет поле для тестирования идей, которые поступят из «Карты активности мозга», и дальнейшие модели будут строиться на основе наших данных».

Геномика уже доказала, что биологии — как и физике с астрономией — нужны большие объемы информации для анализа. В XXI веке наука должна быть глобальной и взаимосвязанной. Секреты человеческого мозга давно пора раскрыть. И лишний миллиард долларов этому никак не помешает.

Источник: Wired