Inżynieria wsteczna mózgu - wyzwanie XXI wieku

Od dziesięcioleci najtęższe umysły na Ziemi poświęcają swój czas dla stworzenia maszyn myślących, czyli komputerów zdolnych do inteligentnego działania. Mimo, że niektóre z istniejących już urządzeń opanowały myślenie w konkretnych i wąskich dziedzinach - np. gra w szachy, to pełne poznanie mózgu jest jeszcze nieuchwytnym celem naukowców i inżynierów.

Wielkie wyzwanie

W 2008 roku NEA (National Academy of Engineering - instytucja non profit działająca przy rządzie Stanów Zjednoczonych) opublikowała listę pięciu największych inżynierskich wyzwań dla ludzkości (ang. grand challenges) - obecnie lista została wydłużona o kilka kolejnych:

• Bardziej ekonomiczna produkcja energii słonecznej;
• Zapewnienie energii z fuzji;
• Opracowanie metod sekwestracji węgla;
• Zarządzanie cyklem azotu;
• Zapewnienie dostępu do czystej wody;
• Przywracenie i poprawa infrastruktury miejskiej;
• Rozwój informatyki medycznej;
• Inżynieria lepszych leków;
• Inżynieria wsteczna mózgu;
• Zapobieganie terrorowi jądrowemu;
• Bezpieczeństwo cyberprzestrzeni;
• Rozwój rzeczywistości wirtualnej;
• Ulepszenie spersonalizowanego uczenia się;
• Rozwój narzędzi do odkryć naukkowych.

Na wymienionej liście znalazło się wyzwanie Reverse Engineering The Brain (Inżynieria wsteczna mózgu) polegające na wyjaśnieniu sposobu funkcjonowania mózgu za pomocą inżynierii wstecznej. Jest ono ściśle powiązane ze stworzeniem sztucznej inteligencji i w chwili obecnej intensywnie wspomaga medycynę poprzez poznanie działania mózgu.

Znanym propagatorem tej idei jest Ray Kurzweil - naukowiec i wynalazca, autor wielu książek nt. SI – sztucznej inteligencji, technologicznych osobliwości czy transhumanizmu. Obecnie pracuje jako naczelny futurolog Google i jego zadaniem jest "przynieść rozumienie języka naturalnego do Google". Zaangażowany jest m.in. w:

• OCR – optyczne rozpoznawanie tekstu,
• syntezę mowy,
• rozpoznawanie mowy,

Wspomniane wyżej technologiczne osobliwości to hipotetyczna wizja przyszłości, gdzie rozwój techniki będzie tak szybki, że pozwoli stworzyć sztuczną superinteligencję przewyższającą intelektualnie człowieka, która będzie zdolna tworzyć jeszcze wydajniejsze sztuczne inteligencje itd…

Natomiast transhumanizm to eliminowanie ludzkich słabości i poprawianie działania ludzkiego organizmu z użyciem techniki. Np. inteligentne protezy kierowane bezpośrednim sygnałem z mózgu, implanty przywracające słuch itp.

Ray Kurweil znany jest z tego, że przewiduje różne daty:

• zapowiedział, że w 1998 roku pojawi się komputer, który wygra w szachy z każdym. Pomylił się tylko o rok, bo pojawił się on w 1997r. (Kasparow vs. Deep Blue - przegrał Rosjanin).
• przewiduje pełne poznanie mózgu i prawdziwą sztuczną inteligencję. Tą datę przesuwa jednak co jakiś czas. Ostatni raz zrobił to w 2008r., gdzie 2020r. zmienił na 2029r.

Neuroinformatyka

Neuroinformatyka dostarcza narzędzia informatyczne naukowcom badającym działanie mózgu.To dziedzina na skraju fizyki, neurobiologii, matematyki i informatyki. Zwana jest również inżynierią wsteczną mózgu.

Organizacją definiującą neuroinformatykę jest INCF (International Neuroinformatics Coordination Facilitiy), która zrzesza i koordynuje grupy badawcze.

Do prowadzenia badań w zakresie neuroinformatyki potrzebne są:

• wiedza o fizjologii, anatomii i biochemii systemu nerwowego,
• wiedza o mózgu na poziomie systemów/kognitywnym/psychologicznym,
• doświadczenie w pracy w “mokrym” labolatorium neurobiologicznym (np. EEG),
• matematyka na zaawansowanym poziomie, w szczególności w zakresie algebry liniowej, statystyki, analizy systemów dynamicznych, modelowania stochastycznego,
• umiejętność programowania w językach wysokiego poziomu,
• znajomość technik obrazowania i analizy obrazów,
• znajomość powszechnie stosowanych modeli neuronu i sieci neuronowych,
• wiedza o podstawowych technikach modelowania i symulatorach.

Narzędzia neuroinformatyki

Neuroinformatyka wykorzystuje kilka narzędzi do badania mózgu:

• PET - Pozytonowa Tomografia Emisyjna – technika obrazowania mózgu, nie wykorzystuje zewnętrznego promieniowania, pacjentowi podaje się substancję promieniotwórczą.
• MRI - Obrazowanie magnetyczno-rezonansowe, opiera się na jądrowym rezonansie magnetycznym.
• fMRI - Funkcjonalny magnetyczny rezonans jądrowy, wyspecjalizowana odmiana MRI

Neuronauka w Polsce

[item]dr hab. Piotr Jerzy Durka zorganizował pierwsze w Polsce studia neuroinformatyczne na Uniwersytecie Warszawskim.[/item]

[item]prof. Włodzisław Duch - fizyk teoretyk i autorytet w dziedzinie kognitywistyki i neurobiologii. Wykłada na Uniwersytecie Mikołaja Kopernika.[/item] [item]Działające do lutego 2011 roku internetowe forum dyskusyjne kognitywistyki (niestety zostało zamknięte).[/item] Dla wyjaśnienia, kognitywistyka to dziedzina nauki zajmująca się zjawiskami dotyczącymi działania umysłu, a w szczególności ich modelowaniem.

Co wiemy o mózgu

Mózg jest genialną maszyną liczącą, a poznanie samej tylko jego budowy jest dużym wyzwaniem. Naukowcom udało się ustalić i podać w liczbach kilka faktów.

Mózg to sto miliardów neuronów. Z każdego neuronu wyrasta średnio dziesięć tysięcy dendrytów o łącznej długości kilku milionów kilometrów. Na końcach każdego dendrytu znajduje się synapsa, a każda synapsa ma około tysiąca punktów transmisji, które pozwalają łączyć się z innymi komórkami. Ten zamknięty obwód stanowi sto bilionów połączeń synaptycznych, a istnieją jeszcze komórki pomocnicze, których liczba jest 10-cio krotnie większa od połączeń synaptycznych!

Projekty związane z badaniem mózgu

Najgłośniejszy projekt z zakresu symulacji mózgu to Blue Brain Project. Henry Markram buduje w Szwajcarii sztuczny mózg. Na razie zbudował dokładną symulację jednej kolumny nowej kory mózgowej myszy. Obecna symulacja jest na poziomie komórkowym. Symulacja jednego neuronu wymaga całego komputera klasy PC. Cała symulacja odbywa się na IBM Blue Gene z 8000 procesorów. W 2020 roku po 10 latach ma być zasymulowany cały mózg.

Uczeni z japońskiego Okinawa Institute of Technology Graduate University oraz niemieckiego Forschungszentrum Jülich podjęli się próby symulacji aktywności największej jak do tej pory sieci neuronowej, wykorzystując do tego celu Fujitsu K computer – maszynę o mocy obliczeniowej 10,5 PFLOPS, zajmującą jeszcze w zeszłym roku pierwsze miejsce na liście Top500 superkomputerów. Więcej na ten temat pisał Adam Golański (eimi) w jednym z newsów na łamach portalu DP.

Badacze z laboratoriów HP znaleźli sposób na to, aby zaprząc wynalezione kilka lat temu memrystory do zbudowania układu elektronicznego, który zachowuje się jak biologiczny neuron (a przynajmniej jego abstrakcyjny model). Powstałe w ten sposób urządzenie – neurystor – przechowuje informacje w podobny do neuronu sposób. eimi pisał też o tym.

Osiągnięcia neuronauki i inżynierii wstecznej mózgu

Niektóre z maszyn myślenie opanowały do konkretnych wąskich umiejętności – np. gra w szachy, jednak pełne poznanie mózgu jest jeszcze nieuchwytnym celem.

Badania neuroinformatyków pomogły lub w dalszym ciągu pomagają tworzyć użyteczne wynalazki:

• Implant ślimakowy przywracający słuch.
• Proteza kończyn reagująca na sygnały z mózgu.
• Sztuczne serce.
• Przywracaniem wzroku.
• Sztuczna siatkówka oka – światłoczułe chipy.
• Elektrody stymulujące w leczeniu choroby Parkinsona.
• Nanoboty pozwalające diagnozować choroby czy tworzyć leki.
• Symulacja oddziaływań białek w komórkach będzie nowym sposobem projektowania i testowania leków.
• Prognozowanie skutków trzęsienia ziemi w sposób, który mógłby pomóc w ewakuacji i planach odbudowy dzięki zaawansowanym technikom symulacji.
• Komunikacja z komputerem bez pośrednictwa np. klawiatury i myszki.
• Inteligentne budynki.
• Rozpoznawanie pisma i mowy.
• Synteza mowy.
• Rozpoznawanie obrazów (twarz, sylwetka - Kinnect).

Czy to jeszcze fikcja czy już rzeczywistość?

Mała gra skojarzeń:

[item]film „Matrix” – wirtualna rzeczywistość[/item][item]film „Incepcja” – manipulowanie ludzkimi snami i myślami w określonym celu ->http://www.dobreprogramy.pl/Koniec-prywatnosci-nawet-sny-mozna-odczyta... [/item]Na koniec zostawię was z tym pytaniem. Czy to jeszcze fikcja czy już rzeczywistość?