Учёные «запустили» работающий мозг — и теперь фантазиям почти нет предела 🧠⚡

Внутри суперкомпьютера Fugaku, который находится на искусственном острове в Кобе, стоят ряды гудящих чёрных шкафов. Именно там происходит почти фантастическая вещь: десять миллионов цифровых нейронов начинают работать синхронно, а электрические сигналы бегут по миллиардам связей. Так выглядит полностью оцифрованная кора головного мозга мыши.

Самое впечатляющее — учёные могут буквально ставить мышление на паузу. Симуляцию можно отмотать назад, изменить параметры, усилить отдельные синапсы и снова запустить процесс. Исследователи наблюдают, как формируются решения и восприятие сразу в 86 зонах мозга — шаг за шагом.

По сути, это как смотреть слоумо-видео мыслей живой мыши, но без экспериментов над животными. Возможности Fugaku это позволяют: машина выполняет около 400 квадриллионов операций в секунду, точно воспроизводя сложнейшие схемы нейронной активности.

В научной статье, опубликованной в ACM Proceedings of the International Supercomputing Conference, исследователи подтвердили: теперь технически реально воссоздать всю кору головного мозга — вплоть до электрического поведения отдельных клеток — внутри одного из самых мощных компьютеров на планете.

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.
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».

via