Мозг внутри компьютера: проекты нейроморфного моделирования

86 млрд нейронов и в 10 тыс. раз больше связей между ними, а в целом – число возможных состояний всей этой системы, которое превышает количество атомов в известной Вселенной. И все это – человеческий мозг, поистине, самый сложный физический объект, известный человечеству.

Понимание законов, которые лежат в основе его функционирования, до сих пор является одной из сверхзадач науки. В своем «мозговом штурме» ученые – нейрофизиологи, нейробиологи и представители других нейронаук – лишь приоткрыли завесу тайн, которые окружают память, мышление и другие производные человеческого сознания, этой главной и пока неприступной загадки.

Впрочем, в последние десятилетия появилось направление изучения мозга, которое поможет если не окончательно решить эту фундаментальную задачу, то, по крайней мере, совершить серьезный прорыв сразу и в нейрофизиологии, и в медицине, и в развитии искусственного интеллекта. Речь идет о проектах по моделированию деятельности мозга в реальном времени с помощью суперкомпьютера. Создание его по возможности полной, автономной и активной виртуальной копии, имитирующей как можно большее число процессов, происходящих у нас в головах.

Ведущие страны уже вложили в решение этой амбициозной задачи миллиарды долларов.

Европа: Human Brain Project

Одним из самых известных и громких проектов по моделированию человеческого мозга является Human Brain Project, который ведет команда из швейцарской Федеральной политехнической школы в Лозанне под руководством профессора Генри Маркрама (Henry Markram).

В 2013 году HBP получил грант Еврокомиссии на 1 млрд евро. Цель проекта – синтезировать все знание, полученное людьми о мозге, в единую полноценную модель внутри суперкомпьютера. Таким образом, Маркрам планирует достичь более глубокого понимания основ его функционирования, в результате чего медицина получит новые возможности в изучении и лечении психических заболеваний вроде шизофрении. Планируется, что результаты HBP найдут применение и в развитии искусственного интеллекта.

Среди данных, которые будут привлекаться для эксперимента, Маркрам, помимо прочих, собирается использовать и полученные лично. С 2005 по 2007 гг. ученый руководил успешным проектом Blue Brain Project, в ходе которого на суперкомпьютере Blue Gene была смоделирована активность одной нейронной колонки (элемента неокортекса – новой коры головного мозга) крысы. Сейчас Маркраму удается моделировать уже сотню подобных колонок, т.е. активность около миллиона нейронов.

Завершение эксперимента планируется к 2023 году, а всего в проекте участвует более 100 научных групп со всего мира.

США: BRAIN Initiative

Часто этот проект называют Brain Activity Map Project, что означает «Карта активности мозга». Название говорящее: предполагается, что за 10 лет американским ученым удастся зафиксировать и картографировать активность каждого нейрона в человеческом мозге.

BAMP был одобрен администрацией президента Обамы в 2013 году. На его осуществление из федерального бюджета планируется выделить 3 млрд долларов. Заявлено, что этот масштабный проект по своему значению не уступает оконченному в начале 2000-х годов «Геному человека», по результатам которого была составлена полная карта человеческих генов. Экономический успех «Генома» (каждый доллар, потраченный на него, вернул экономике США 140 долларов) и вдохновил американское руководство на спонсирование еще одной «карты», на этот раз – нейронной активности мозга.

Среди методов, которые предлагают ученые для достижения поставленной цели, называют применение нанотехнологий: микроскопические роботы должны будут пробраться в мозг живого человека и передавать информацию об активности нейронов и синапсов с помощью беспроводной связи. Потребуются, конечно, нанороботы, которые не доставят неудобств испытуемым, и тем более не причинят им вреда.

Начать предполагается не с человека, а с мушек дрозофил, и в случае успеха составления «функционального коннектома» (виртуальной карты нейронных взаимодействий в реальном времени) насекомых и некоторых животных предполагается переходить уже на картирование мозга человека.

Human Connectome Project

Помимо двух мегапроектов с огромными бюджетами, есть менее крупные программы по моделированию активности человеческого мозга, стоящие упоминания.

Human Connectome Project, или «Коннектом человека», был запущен в 2009 году Национальным институтом здоровья США. Как и в случае с BAMP, это прямой логический потомок «Генома человека». Его цель – наиболее полное картирование связей между нейронами нашего мозга.

В частности, ученые исследуют дальние связи – «магистрали» из волокон белого вещества. В качестве индикатора активности используется естественное движение воды в мозге, а фиксирует его магнитно-резонансный томограф. Данный метод называется диффузионной тензорной визуализацией.

Первые результаты визуализации были опубликованы летом 2013 года и оказались очень красочными, так как электрической активности нейронов ученые присвоили яркие цвета. Получилась впечатляющая картина из неповторимого сочетания разноцветных штрихов, похожая на парик клоуна, которого облили из десятка ведер с разной краской.

По мнению ученых, их исследование поможет понять физиологическую основу (если она есть) множества психических заболеваний вроде болезни Альцгеймера, шизофрении и аутизма.

SYNAPSE

На фоне всех названных проектов выделяется финансируемый DARPA и IBM американский эксперимент SYNAPSE, расшифровывающийся как «Система нейроморфной адаптивной пластичной масштабируемой электроники». Своей целью руководитель проекта Дхармендра Модха (Dharmendra Modha) ставит создание не виртуальной, а вполне реальной копии мозга, воплощенной в виде микросхемы с искусственными нейронами, зафиксированными на кремниевой основе.

Разработки нацелены именно на совершенствование вычислительных мощностей. На основе работ Модхи предполагается создать новую архитектуру для компьютеров, которая по своему функционированию будет сильно приближена к биологическому аналогу – человеческому мозгу, что позволит не только удешевить производство суперкомпьютеров, но и сделать их мощнее (например, подобные компьютеры куда лучше классических смогут распознавать лица и образы). Для этого направления существует отдельный термин – «neuromorphic computing», или нейроморфная обработка данных.

В 2011 году Модха представил самый совершенный нейроморфный чип на данный момент: микросхему с 256 «нейронами» и более чем 260 тыс. «синапсов». В перспективе IBM планирует создать систему, приближенную к мозгу человека – с квадриллионом «синапсов» в виде множества нейроморфных чипов, соединенных между собой.

Мечтают ли андроиды о нейроморфных овцах?

Сейчас ученые сходятся в том, что исчерпывающее моделирование мозга невозможно в силу ограниченных возможностей современных компьютеров. В критике HBP и BAMP многие высказывают мнение, что недостаточно просто построить копию из отдельных элементов мозга – сначала нужно понять, как все эти миллиарды нейронов и синапсов функционируют целиком, как единая система. Т.е без абсолютных знаний о мозге невозможно построить и его совершенную модель, и результаты мегапроектов окажутся сильно ограниченными.

Однако эксперименты набирают обороты, моделируется все большее количество нейронных связей, искусственные нейронные сети уже успешно используются программистами, а вычислительные мощности компьютеров растут. Нельзя исключать, что рано или поздно компьютеры – например, квантовые – смогут вместить в себя все невообразимое многообразие человеческого мозга в виде виртуальной модели.

И вот тут, помимо впечатляющих перспектив для развития мировой науки, появляются вопросы этического, философского и даже околорелигиозного характера.

Когда будет впервые получена полная виртуальная копия человеческого мозга, функционирующая в реальном времени, будет ли она обладать сознанием? Будет ли это сознание идентично человеческому, и если так, то можно ли считать компьютерную модель личностью, а ее удаление – убийством?

Будет ли кто-то из HBP, BAMP или их нейроморфных потомков тем долгожданным искусственным интеллектом, о котором писали фантасты, или еще одним бездушным алгоритмом в недрах компьютера?

Если будет, то как долго продлится цифровое детство наших кремниевых братьев по разуму, прежде чем они попросятся наружу – к нам, по чьему образу и подобию были созданы?