Τρίτη, 28 Οκτωβρίου 2014

ο Μέγας προσομοιωτής του ανθρώπινου εγκεφάλου.

26/10/14      ΕΝΤΥΠΗ ΕΚΔΟΣΗ ΤΗΣ ΕΦΗΜΕΡΙΔΑΣ ΤΩΝ ΣΥΝΤΑΚΤΩΝ.

Ο Μέγας προσομοιωτής του ανθρώπινου εγκεφάλου

Ζούμε, σκεφτόμαστε, ονειρευόμαστε, ερωτευόμαστε, κυριολεκτικά υπάρχουμε ως νοήμονα όντα χάρη στην καλή λειτουργία του εγκεφάλου μας. Εδρα κάθε ανώτερης νοητικής λειτουργίας μας -της μνήμης, της γλώσσας, της συνείδησης και των συναισθημάτων-, ο ανθρώπινος εγκέφαλος είναι ενδεχομένως το πιο πολύπλοκο και αναμφίβολα το πιο αινιγματικό.
  
Γράφει ο Σπύρος Μανουσέλης

Αν κατά το δεύτερο ήμισυ του εικοστού αιώνα στην παγκόσμια επιστημονική σκηνή πρωταγωνίστησαν η μοριακή βιολογία και η γενετική μηχανική, τον εικοστό πρώτο αιώνα φαίνεται να κυριαρχούν οι νευροεπιστήμες. Διόλου αυθαίρετα λοιπόν ο αιώνας που διανύουμε έχει χαρακτηριστεί -από τους ειδικούς και τα ΜΜΕ- ως ο «αιώνας του εγκεφάλου και του νου».

Το γεγονός αυτό επιβεβαιώνεται περίτρανα τόσο από την εντυπωσιακή αύξηση -ποσοτική και ποιοτική- των ερευνητικών προγραμμάτων που στοχεύουν στην αποκάλυψη των επτασφράγιστων μυστικών της μηχανής του νου όσο και από τα ασυνήθιστα μεγάλα ποσά που επενδύονται, από δημόσιους και ιδιωτικούς φορείς, σε αυτές τις έρευνες.

Αποτελεί μάλλον ειρωνεία το ότι ο πιο ανεγκέφαλος πλανητάρχης εγκαινίασε με μια επίσημη δήλωσή του την απαρχή της «δεκαετίας του εγκεφάλου». Πράγματι, στις 17 Ιουλίου 1990, ο τότε πρόεδρος των ΗΠΑ, Τζορτζ Μπους τζούνιορ, ανακοίνωσε ότι η επόμενη δεκαετία (1990-2000) θα ήταν αφιερωμένη στον εγκέφαλο. Επακόλουθο αυτής της αμερικανικής εξαγγελίας ήταν ότι δόθηκαν τεράστια ποσά στις ΗΠΑ αλλά και διεθνώς για τη βασική έρευνα του εγκεφάλου.

Διαφορετικές προσεγγίσεις του ανθρώπινου εγκεφάλου

Στις αρχές του προηγούμενου χρόνου η Ευρωπαϊκή Επιτροπή και το αμερικανικό Κογκρέσο αποφάσισαν να επενδύσουν δισεκατομμύρια στην ανάπτυξη των νευροεπιστημών. Η ανανέωση του ενδιαφέροντος των ισχυρών κρατών για την ταχύτατη ανάπτυξη των επιστημών και της τεχνολογίας του ανθρώπινου εγκεφάλου θα εκδηλωθεί με δύο πολυετή και ιδιαιτέρως δαπανηρά προγράμματα έρευνας: στην Ευρώπη με το «Πρόγραμμα Ανθρώπινος Εγκέφαλος» (Human Brain Project) και στις ΗΠΑ με την «Πρωτοβουλία Εγκέφαλος» (BRAIN Initiative).

Το δεκαετές αμερικανικό πρόγραμμα «BRAIN», που θα στοιχίσει 300 εκατομμύρια δολάρια τον χρόνο, το εξήγγειλε επίσημα ο πρόεδρος Μπαράκ Ομπάμα στις 2 Απριλίου 2013 ως απάντηση στην «πρόκληση» της Ευρωπαϊκής Επιτροπής, η οποία δύο μήνες νωρίτερα -στις 28 Ιανουαρίου 2013- είχε ανακοινώσει την πρόθεσή της να χρηματοδοτήσει με τουλάχιστον ένα δισεκατομμύριο ευρώ το δεκαετές πρόγραμμα «Human Brain Project» ή HBP.

Οπως παραδέχτηκαν οι εισηγητές του αμερικανικού προγράμματος, η σχετική απόφαση Ομπάμα ήταν επιβεβλημένη, αφενός επειδή υπήρχε ο κίνδυνος να προσελκύσει το ευρωπαϊκό πρόγραμμα τους πιο αξιόλογους νευροεπιστήμονες και αφετέρου επειδή οι ΗΠΑ οφείλουν, πάση θυσία, να διατηρήσουν τα πρωτεία στην έρευνα των νευροεπιστημών.

Αξίζει, πάντως, να σημειωθεί ότι πρόκειται για δύο ιδιαίτερα φιλόδοξα και κυρίως ανταγωνιστικά προγράμματα, αφού το καθένα από αυτά βασίζεται σε μια διαφορετική γνωστική και μεθοδολογική προσέγγιση του ανθρώπινου εγκεφάλου.

Η στρατηγική που επέλεξαν για τα επόμενα χρόνια οι Αμερικανοί ειδικοί είναι να χαρτογραφήσουν λεπτομερώς όλες τις δομές και τις λειτουργίες του εγκεφάλου μας, κάτι ανάλογο με το «πρόγραμμα χαρτογράφησης του ανθρώπινου γονιδιώματος» που ολοκληρώθηκε με μεγάλη επιτυχία σε σχετικά σύντομο χρονικό διάστημα. Συνδυάζοντας τις «κλασικές» νευροβιολογικές μεθόδους με τις νέες τεχνικές απεικόνισης του ζωντανού εγκεφάλου, είναι πεπεισμένοι ότι στο μέλλον θα οδηγηθούν όχι μόνο στον εντοπισμό όλων των νευρωνικών κυκλωμάτων του εγκεφαλικού ιστού, αλλά και στην αποκάλυψη των μεταξύ τους διασυνδέσεων ενώ επιτελούν συγκεκριμένες νοητικές λειτουργίες.

Οι Ευρωπαίοι, αντίθετα, επέλεξαν μια πολύ πιο τολμηρή και ενδεχομένως πιο επισφαλή νευροπληροφορική προσέγγιση: με τη χρήση υπολογιστών προσδοκούν να δημιουργήσουν μια γιγάντια προσομοίωση όλων όσων συντελούνται στο εσωτερικό του εγκεφάλου μας και επιτρέπουν την ανάδυση του ανθρώπινου νου. Πώς όμως θα το πετύχουν;

Μεταφράζοντας σε υπολογιστικά προγράμματα ό,τι έχουν ανακαλύψει μέχρι σήμερα οι νευροεπιστήμες και οι γνωσιακές επιστήμες, επιθυμούν να δημιουργήσουν «Μεγαπροσομοιωτές». Πανίσχυρους υπολογιστές οι οποίοι, επειδή θα διαθέτουν την αρχιτεκτονική και τα πρότυπα λειτουργίας του ανθρώπινου εγκεφάλου, θα μπορούν να προσομοιώνουν (ψηφιακά) τις βασικές λειτουργίες του!

Εμπνευστής και διευθυντής αυτού του μεγαλόπνοου ευρωπαϊκού προγράμματος είναι ο καθηγητής Χένρι Μάρκραμ (Henry Markram), ένας ανήσυχος Ισραηλινός νευροεπιστήμονας, που από το 2002 εργάζεται στο Πολυτεχνείο της Λωζάννης (EPFL). Εκεί ίδρυσε το Brain Mind Institute και διευθύνει το περίφημο Κέντρο Νευροεπιστημών και Τεχνολογίας.

Από το «Blue Brain» στο «Human Brain Project»

Πριν από μία εικοσαετία ο Χένρι Μάρκραμ, αν και είχε πραγματοποιήσει κάποιες αξιόλογες έρευνες σχετικά με τις νευρωνικές συνάψεις, είχε καταλήξει στο οδυνηρό συμπέρασμα ότι τόσο ο ίδιος όσο και οι συνάδελφοί του σε όλο τον κόσμο δεν θα κατάφερναν με τις κλασικές αναγωγιστικές μεθόδους της νευροεπιστήμης να εξηγήσουν πώς μπορεί ένα περίπου κιλό νευρικού ιστού να γεννά τις ανθρώπινες αναπαραστάσεις, σκέψεις, συναισθήματα και συμπεριφορές.

Ετσι, το 2005, στη Λωζάννη, πήρε τη μεγάλη απόφαση να δοκιμάσει μια εντελώς διαφορετική προσέγγιση: να δημιουργήσει ένα υπολογιστικό μοντέλο ικανό να προσομοιώνει αρχικά τη μορφή, τις απολήξεις (τον νευράξονα και τους δενδρίτες) και τις επικοινωνιακές λειτουργίες ενός νευρώνα.

Κατόπιν να τον συνδέσει με άλλους νευρώνες ώστε σταδιακά το μοντέλο του να δημιουργεί ολοένα και πιο σύνθετες και ολοκληρωμένες προσομοιώσεις των διαφορετικών επιπέδων οργάνωσης του εγκεφαλικού ιστού (νευρωνικά κυκλώματα, εγκεφαλικά κέντρα και τελικά μια ολοκληρωμένη προσομοίωση ενός εγκεφάλου).

Ηταν η πράξη γέννησης του προγράμματος «Blue Brain», το οποίο ονομάστηκε έτσι προς τιμήν του ισχυρότατου υπολογιστή της IBM «Blue Gene» που υλοποίησε αυτό το πολύπλοκο πρόγραμμα. Ο υπερ-υπολογιστής της IBM διέθετε 10 χιλιάδες επεξεργαστές, καθένας από τους οποίους μπορούσε να προσομοιώνει τη μορφή και τη δραστηριότητα ενός μόνο νευρώνα.

Τα επόμενα χρόνια ο Μάρκραμ και οι συνεργάτες του τελειοποίησαν αυτήν την ιδέα και κατάφεραν να δημιουργήσουν τρισδιάστατα υπολογιστικά μοντέλα από χιλιάδες ψηφιακούς νευρώνες που προσομοίωναν επακριβώς τη δραστηριότητα κάποιων εγκεφαλικών δομών. Ειδικότερα, ο Μίχαελ Ράιμαν (Michael W. Reimann) μαζί με τον ερευνητή Κώστα Αναστασίου κατάφεραν στη Λωζάννη να αναπαραγάγουν σε υπολογιστή το εγκεφαλικό κύκλωμα ενός θηλαστικού (ενός ποντικού).

Το συγκεκριμένο μοντέλο του φλοιού του ποντικού αποτελείται από 12.000 νευρώνες στενά διασυνδεδεμένoυς μεταξύ τους και ήταν η πρώτη απτή και άκρως ενθαρρυντική ένδειξη ότι η ερευνητική στρατηγική τού «Blue Brain Project» βρισκόταν στον σωστό δρόμο. Και η απόφαση της Ευρωπαϊκής Επιτροπής να αναθέσει στον Χένρι Μάρκραμ τον σχεδιασμό και τη διεύθυνση του Προγράμματος Ανθρώπινος Εγκέφαλος (HBP) βασίστηκε σε αυτές τις επιτυχίες.

Το ευρωπαϊκό πρόγραμμα HBP είναι από τη φύση του διεπιστημονικό και η υλοποίησή του απαιτεί τη συνεργασία πολλών ειδικών (νευροεπιστημόνων, γνωσιακών ψυχολόγων, νευρολόγων, πληροφορικών και επιστημόνων υπολογιστών).

Ισως να ακούγεται υπερβολικά εύκολο, όμως στην πράξη ο Μεγα-προσομοιωτής θα πρέπει να είναι σε θέση να αναπαράγει ψηφιακά όχι μόνο τη λειτουργία των 100 δισεκατομμυρίων νευρώνων που αποτελούν τον εγκέφαλό μας, αλλά και τις τρισεκατομμύρια συνάψεις που εξασφαλίζουν την επικοινωνία αυτών των νευρώνων! Αρκετοί διαπρεπείς ειδικοί θεωρούν αυτήν την πολυπλοκότητα ως ένα ανυπέρβλητο εμπόδιο και γι’ αυτό στοιχηματίζουν ότι το όλο εγχείρημα θα αποτύχει.

Σε αυτούς τους σκεπτικιστές ο Χένρι Μάρκραμ, που είναι ο γενικός διευθυντής του προγράμματος HBP, απαντά ότι έχουν δίκιο! Θα ήταν όντως αδύνατο να προσομοιώσει κανείς πιστά έναν ανθρώπινο εγκέφαλο, όμως το Πρόγραμμα Ανθρώπινος Εγκέφαλος δεν επιχειρεί να κάνει κάτι τέτοιο. Οπως εξηγεί ο ίδιος: «Το μυστικό της στρατηγικής μας είναι να αναπαραγάγουμε το πιο ουσιαστικό πρότυπο ή σχέδιο λειτουργίας σύμφωνα με το οποίο κατασκευάζεται ο ανθρώπινος εγκέφαλος, δηλαδή το σύνολο των κανόνων που καθοδήγησαν τη συγκρότησή του κατά την εξέλιξη και οι οποίοι ενεργοποιούνται απαρέγκλιτα κατά την ανάπτυξη κάθε ανθρώπινου κυήματος».

Ο Μέγας προσομοιωτής: προβλήματα και προοπτικές

Μέχρι πολύ πρόσφατα η «βασιλική» τεχνολογική οδός για την προοδευτική εκμηχάνιση των ανθρώπινων σωμάτων και, παράλληλα, για την «ενανθρώπιση» των μηχανών ήταν η δημιουργία επιφανειών διεπαφής (interface) μεταξύ ανθρώπου και υπολογιστικής μηχανής. Μια εντελώς διαφορετική στρατηγική στοχεύει στην κατασκευή πανίσχυρων «νευρομορφικών υπολογιστών» που επειδή προσομοιώνουν την αρχιτεκτονική των βιολογικών εγκεφάλων μπορούν να αναπαράγουν τις ανώτερες λειτουργίες τους. Πρόκειται δηλαδή για μια προσπάθεια υπέρβασης των σημερινών ενεργειακών και πληροφορικών εμποδίων των σημερινών υπολογιστικών μηχανών! Αυτήν τη νέα και ρηξικέλευθη νευροπληροφορική προσέγγιση προτείνει το πρόγραμμα HBP.

Πού βρίσκεται όμως σήμερα, έναν χρόνο μετά το ξεκίνημά του, αυτό το φιλόδοξο και ιδιαίτερα δαπανηρό πρόγραμμα; Ολα τα επιμέρους προγράμματα για την υλοποίησή του εξελίσσονται σύμφωνα με τις αρχικές προβλέψεις, μάλιστα σε ορισμένους τομείς φαίνεται πως υλοποιούνται νωρίτερα από ό,τι προέβλεπαν οι σχεδιαστές τους. Αυτό τουλάχιστον διαπίστωσαν οι 400 και πλέον ειδικοί που συναντήθηκαν πρόσφατα στη Χαϊδελβέργη για τον πρώτο ετήσιο απολογισμό των εργασιών.

Παρ’ όλα αυτά, δεν λείπουν οι αντιρρήσεις και οι επώνυμες διαμαρτυρίες. Πάνω από 700 Ευρωπαίοι ερευνητές υποστηρίζουν ότι το όλο εγχείρημα πάσχει από «γιγαντισμό»: απορροφά υπερβολικά μεγάλα κονδύλια από άλλους ερευνητικούς τομείς, μολονότι έχει ασαφείς στόχους και αβέβαια πρακτικά αποτελέσματα.

Βρισκόμαστε σε μια κρίσιμη καμπή του βιοτεχνολογικού μας πολιτισμού. Στα καυτά και δυσεπίλυτα ερωτήματα που προκύπτουν από την εκρηκτική ανάπτυξη της νευροπληροφορικής και της σύγχρονης βιοκυβερνητικής δεν μπορούν (ούτε και θα έπρεπε!) να απαντήσουν οι ειδικοί επιστήμονες ή, ακόμη χειρότερα, οι πολιτικοί.

Μόνο οι ίδιοι οι πολίτες πρέπει να αποφασίζουν, αφού βέβαια ενημερωθούν επαρκώς για το ποια από όλες τις δυνατές εφαρμογές της νευροτεχνολογίας θα πρέπει να θεωρείται απλώς τεχνολογικά εφικτή και ποια κοινωνικά ευκταία.

…………………………………………………………………………………………………………

Tα μεγαλύτερα διεθνή ερευνητικά προγράμματα για τον εγκέφαλο

1. SyNAPSE: Το ερευνητικό πρόγραμμα της DARPA, του τμήματος προηγμένων μελετών του υπουργείου Αμυνας των ΗΠΑ. Στοχεύει στη δημιουργία νευροσυναπτικών ηλεκτρονικών μικροκυκλωμάτων (βιοτσιπάκια) που αποτελούνται από 10 δισεκατομμύρια ηλεκτρονικούς «νευρώνες» συνδεδεμένους μεταξύ τους με 100 χιλιάδες δισεκατομμύρια «συνάψεις». Για περισσότερες πληροφορίες, βλ. http://research.ibm.com/cognitive-computing/neurosynaptic-chips.shtml


2. BigBrain: πρόκειται για μια επιστημονική συνεργασία μεταξύ Γερμανίας και Καναδά. Εχουν καταφέρει να δημιουργήσουν ένα τρισδιάστατο μοντέλο του εγκεφάλου μιας γυναίκας ηλικίας 65 ετών. Η πολύ υψηλή ανάλυση αυτού του μοντέλου καθιστά ορατούς τους μεμονωμένους νευρώνες. Για περισσότερες πληροφορίες, βλ.            http:// bigbrain.loris.ca


3. Human Connectome Project: ξεκίνησε το 2010 από το Εθνικό Ιδρυμα Υγείας των ΗΠΑ σε συνεργασία με πλειάδα πανεπιστημίων. Αναλύοντας τα δεδομένα από 1.200 υγιή άτομα (μεταξύ των οποίων και δίδυμα αδέλφια) προσπαθούν να δημιουργήσουν μια τράπεζα δεδομένων που θα περιλαμβάνει λεπτομερείς εικόνες του εγκεφάλου, του γονιδιότυπου και δεδομένα συμπεριφοράς αυτών των ατόμων. Για περισσότερες πληροφορίες, βλ. http://humanconnectome.org


4. Human Brain Project: Περισσότερες πληροφορίες για το ευρωπαϊκό πρόγραμμα στο http://humanbrainproject.eu


5. EyeWire: το πρόγραμμα δημιουργήθηκε από το Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης (ΜΙΤ) και επιτρέπει σε κάθε χρήστη να επιτελεί ο ίδιος ένα μέρος της χαρτογράφησης των εγκεφαλικών οδών που ακολουθούν οι νευρώνες. Για περισσότερες πληροφορίες, βλ. http://eyewire.org


6. BRAIN Initiative: Περισσότερες πληροφορίες για το αμερικανικό πρόγραμμα (Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies) στο http://www.braininitiative.nih.gov
 

Δεν υπάρχουν σχόλια:

Δημοσίευση σχολίου

Σε αυτό το μικρό τόπο μπορείτε ευκολα να ξεχωρίσετε τους εθνικούς νταβατζήδες από τους εθνικούς μπεταντζήδες;;