Учёные создали модель работающего мозга — и теперь, по словам одного из учёных, «возможности безграничны»

Исследователи надеются, что с помощью этой реалистичной симуляции когда-нибудь удастся раскрыть секреты сознания. Она не только даст возможность заглянуть внутрь мозга и изучить его нарушения, но и может стать достаточно совершённой, чтобы имитировать всю сложность человеческого мозга.

Внутри суперкомпьютера Fugaku, расположенном на искусственном острове в Кобе, Япония, находятся ряды непрерывно гудящих чёрных шкафов размером с холодильник. И вот, десять миллионов цифровых нейронов начинают работать. Затем электрические сигналы каскадом проходят через миллиарды соединений. Так выглядит полностью оцифрованная кора головного мозга мыши.

Исследователи могут приостанавливать симуляцию, возвращать её назад, перенастраивать и запускать заново — увеличивая отдельные синапсы, воспроизводя моменты нейронной активности и наблюдая, как решения и восприятие развиваются в 86 областях мозга. Это как иметь доступ к замедленному видео мышления настоящей мыши — без какого-либо контакта с животным. Ведь Fugaku может выполнять 400 квадриллионов вычислений в секунду, имитируя труд схем мозга.

В недавно опубликованной рецензируемой статье в ACM Proceedings of the International Supercomputing Conference (SC) учёные показали, что теперь технически возможно воспроизвести всю кору головного мозга — вплоть до электрического поведения отдельных клеток — внутри одного из самых быстрых компьютеров в мире. Используя подробные биологические карты Института Аллена, команда воссоздала кору слой за слоем и тип клеток за типом клеток, а затем запустила полную модель на японском суперкомпьютере Fugaku, чтобы по сути «оживить» её в кремнии. Затем исследователи из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейне создали визуализации, которые позволили учёным погрузиться в отдельные синапсы и наблюдать за работой нейронов.

По словам Антона Архипова, доктора наук, исследователя из Института Аллена и соавтора исследования, этот прорыв заключается не только в масштабах. По его словам, настоящий прогресс заключается в том, что модель сохраняет фактическую биологическую структуру мозга — то, как определённые типы клеток соединяются, взаимодействуют и формируют активность по всей коре головного мозга. Эта точность важна, потому что более мелкие симуляции иногда могут воспроизводить похожие паттерны по неверным физическим причинам. По его словам, эта работа знаменует собой важный шаг к созданию моделей, которые ведут себя как настоящий мозг по правильным схемам.

И хотя непосредственная выгода носит медицинский и прагматический характер, Архипов считает, что моделирование, основанное на реальной биологии, в конечном итоге может помочь учёным исследовать более глубокие вопросы — о том, как восприятие, идеи и даже само сознание возникают из нейронной активности.

Эта амбиция основана на том, как на самом деле работает модель. Синтетическая кора головного мозга функционирует по тем же физическим законам, что и живой мозг: клетки светятся и передают сообщения по сети в соответствии с реальными биофизическими правилами. Поскольку цифровая реконструкция отражает то, как нейроны зажигаются и связываются, она представляет не только структуру, но и живую динамику.

«Ключевым моментом этого результата является демонстрация того, что технически возможно воспроизвести кору головного мозга мыши на компьютере с таким пространственно-временным разрешением», — говорит Архипов. «Поэтому это гораздо больше, чем просто анимация».

Кроме того, это гораздо менее расплывчатый термин, чем «виртуальный мозг», добавляет Архипов. Более точным будет «биологически реалистичная симуляция»: не абстракция, а реальные анатомические и электрические данные, полученные из живой ткани. Когда цифровой мозг работает, его активность не выходит из-под контроля и не затихает, а приходит к стабильному ритму, похожему на ритм, измеренный в коре головного мозга реальной мыши.

Тем не менее, модель по-прежнему остаётся доказательством концепции, а не окончательной копией. Конечно, её активность в целом соответствует реальным данным, собранным с мышей, но для тщательных, длительных сравнений — и дальнейших усовершенствований, которые ещё предстоят — требуется гораздо больше вычислительного времени. Между тем, Архипов не устаёт повторять, что прорывом является не просто размер, а достижение реальной цели — запечатлеть истинную биологическую структуру мозга.

«Возможности безграничны», — говорит он. У животных исследователи могут увидеть лишь небольшую часть нейронной активности. В симуляции же ничего не скрыто.

Одно из непосредственных применений — лечение заболеваний. «Представьте, что некоторые компоненты корковой сети начинают меняться на ранней стадии заболевания [например, при болезни Альцгеймера или эпилепсии] — возможно, некоторые типы клеток начинают исчезать или изменяется их связность», — говорит Архипов. «Мы можем внедрить такие изменения в симуляцию и посмотреть, какое влияние они оказывают». Незначительные изменения, которые никогда не проявляются внешне, всё же появляются в цифровой версии коры, позволяя учёным увидеть, какие сдвиги действительно имеют значение, а какие могут стать ранними целями для лечения.

И это основная цель инструмента на данный момент: медицинская, прагматичная, механистическая. Но Архипов считает, что в конечном итоге он может зайти гораздо дальше в философском плане — возможно, даже коснуться сущности сознания.

«Вопрос о том, откуда берётся сознание, очень глубокий», — говорит он. «Наш проект может внести большой вклад в понимание связанных с этим механизмов».

Технически платформа уже способна воссоздавать паттерны мозговых сигналов, связанные с восприятием, идеями или сознанием, а затем разбираться в том, что ими управляет. Опять же, ей не хватает времени, вычислительной мощности и более точных биологических деталей. Но Архипов ожидает, что будущие версии смогут воспроизводить постоянную внутреннюю активность — нейронные импульсы, которые продолжаются независимо, без внешнего воздействия. Такая настройка позволит учёным проверить, что действительно необходимо для поддержания работы сети нейронов.

Это поднимает глубокие вопросы. Если виртуального двойника реальной памяти можно будет запустить на компьютере, будет ли ум по-прежнему нуждаться в углероде — или ему достаточно будет кремния? Архипов не колеблется: кремний может стать «очень естественным» вариантом.

«Все упомянутые явления являются физическими процессами, — говорит он. — Мне не известно ни одного закона природы, который требовал бы, чтобы такие процессы возникали только в биологических системах». Он добавляет: «Я считаю, что вполне возможно, чтобы аппаратное обеспечение было мыслящим, чувствующим существом».

Источник: habr.com

Источник: ai-news.ru