Czy uda nam się stworzyć sztuczny mózg?

Naukowcy od dawna marzą o stworzeniu sztucznego mózgu – czy to w postaci komórkowej, odtworzonej na szalce w warunkach laboratoryjnych, czy krzemowej – superkomputera symulującego pracę tego organu. Nie jest to jednak zadanie łatwe, bo o mózgu wciąż wiemy niewiele. Znamy jego poszczególne obszary i ich funkcje, ale zależności pomiędzy pojedynczymi neuronami jest tak wiele, że nie ma obecnie superkomputerów zdolnych do ich analizy i symulacji pracy. Przecież gdy słyszymy pukanie do mieszkania, nie musimy skoordynować ruchów poszczególnych mięśni ciała ani wytyczać trasy – po prostu wstajemy, udajemy się do drzwi i je otwieramy. Mózg działa tak błyskawicznie, że stworzenie maszyny działającej równolegle z nim w czasie rzeczywistym 1:1 wykracza poza nasze możliwości technologiczne.

Neuromorficzny mózg pszczoły

Zrozumienie mechanizmów działania ludzkiego mózgu to jeden z głównych celów flagowego projektu badawczego Unii Europejskiej – Human Brain Project (HBP). Jedną z gałęzi jest Blue Brain Project, który ma na celu stworzenie wirtualnego mózgu poprzez symulację komputerową pracy pojedynczych neuronów. Kierownikiem projektu jest Henry Markram, który od 13 lat pracuje nad jego rozwojem. W pierwszej fazie Blue Brain Project, w 2006 r., opracowano symulację funkcjonowania pojedynczej kolumny neuronalnej mózgu szczura. Taka kolumna to poprzeczny, stanowiący pojedynczą jednostkę analityczną wycinek sześciowarstwowej kory mózgowej, zawierającej ok. 10 tys. neuronów połączonych 30 mln synaps. Podczas symulacji opisywaną sieć neuronów poddawano działaniu sygnałów przypominających te odbierane normalnie przez mózg szczura. Naukowcy odnotowali tworzenie się synaps i reagowanie grup neuronów na impulsy nerwowe. W 2011 r. stworzono symulację obwodu zbudowanego ze stu kolumn neuronalnych, składającego się z blisko miliona neuronów i miliarda synaps, co odpowiadało skali mózgu pszczoły. Takie struktury naśladujące ludzki mózg określa się mianem neuromorficznych.

Mimo iż jesteśmy w stanie tworzyć całkiem złożone struktury neuromorficzne, to wciąż daleko im do stopnia złożoności ludzkiego mózgu. Co z „odtworzeniem” wspomnień? – Mózg ludzki uczy się czy też zapamiętuje poprzez kodowanie złożonego języka komórek nerwowych – neurony „mówią” wyładowaniami elektrycznymi (potencjałami czynnościowymi) – wyjaśnia Zbigniew Zieliński, neurobiolog z Pracowni Neurobiologii Instytutu Biologii Doświadczalnej im. M. Nenckiego Polskiej Akademii Nauk. – Konkretna sekwencja i częstotliwość tych wyładowań zapisuje w mózgu informacje. Chęć sztucznego odtworzenia tych sekwencji doprowadziła do powstania optogenetyki – techniki, która po dodaniu neuronom światłoczułych kanałów błonowych jest w stanie za pomocą światła pobudzać je do wyładowań (lub je hamować). Optogenetyka użyta została do indukcji sztucznych wspomnień, skupiono się na modyfikacji połączeń między wybranymi grupami neuronów. Na razie takie modyfikacje dotyczą najbardziej podstawowych form pamięci, takich jak odruchy warunkowe (pamiętacie Pawłowa i jego psy? – wydzielanie śliny w odpowiedzi na dźwięk dzwonka to odruch warunkowy). Rozpracowanie bardziej abstrakcyjnych systemów pamięci wymagać będzie jeszcze wielu badań – dodaje Zbigniew Zieliński.

Najbardziej złożone systemy elektroniczne produkowane w fabrykach składają się maksymalnie z kilkuset tysięcy oddzielnych elementów. Mózg człowieka jest natomiast zbudowany nawet ze 100 mld procesorów (neuronów) przetwarzających informację. Gdyby hipotetycznie ludzkości udało się stworzyć urządzenie produkujące jeden sztuczny neuron w ciągu sekundy, to przy jego nieustannej pracy w dzień i w nocy (co nie jest możliwe) uzyskanie miliarda elementów składowych zajęłoby ok. 30 lat. A skoro odtworzyć trzeba nawet 100 mld neuronów, produkcja jednego „sztucznego mózgu” zajęłaby nawet 3 tys. lat.

Neurony nie są zawieszone w próżni, a kluczowe do odtworzenia mózgu jest opracowanie sztucznych synaps. Synapsy to miejsca połączeń między neuronami i jest ich bardzo wiele we wszystkich możliwych kombinacjach przestrzennych. Obecnie dominują zachwyty nad mocą obliczeniową komputerów, ich opartymi na ultraszybkich procesorach przepływami danych i gigaterabajtowymi bankami pamięci. Lekarze i biolodzy obserwują to z zainteresowaniem, ale i z uśmiechem pobłażania. – Zaawansowane sieci neuronalne czy też sztuczne inteligencje są lepsze od ludzkiego mózgu w obserwacji i rejestracji danych, szybciej je przetwarzają i reagują, ale nadal nie są samoświadome – mówi dr Bartosz Kudliński, lekarz medycyny ze specjalizacją w anestezjologii i intensywnej terapii. W 2012 r. w ramach projektu IBM SyNAPSE wymodelowano 530 mld neuronów (ludzki mózg ma ich średnio ok. 90 mld), ale działały aż 1500 razy wolniej, przez co porównywać ich z „oryginałem” nie ma sensu. Informacje niezbędne do odtworzenia kory nowej ludzkiego mózgu (struktury odpowiedzialnej za wyższe procesy poznawcze) zajmują ok. 500 petabajtów – superkomputery zdolne do przetwarzania takich ilości danych mają być gotowe w okolicach 2020 r.

Najdoskonalszym dzieckiem projektu SyNAPSE jest zbudowany w 2016 r. TrueNorth – najbardziej zaawansowany neuromorficzny mikroprocesor. Składa się on z miliona programowalnych neuronów i 256 mln plastycznych synaps. Taki układ buduje 5,4 mld tranzystorów. TrueNorth jest 769 razy wydajniejszy od innych rozwiązań neuromorficznych. Mikroprocesorem tym już zainteresowała się amerykańska organizacja DARPA, która działa w obszarze technologii wojskowych.

Inny ambitny projekt rezygnuje z odtwarzania struktury mózgu, za to skupia się na stworzeniu kompletnej mapy sieci połączeń neuronalnych, tzw. konektomu. To Human Connectome Project (HCP), amerykański program zakończony w 2017 r. W 1986 r. udało się to z nicieniem Caenorhabditis elegans, jednym z najprostszych organizmów posiadającym układ nerwowy, ale neuronaukowcy chcą iść dalej. Poznanie ludzkiego konektomu może jednak okazać się niewystarczające – w funkcjonowaniu mózgu ogromną rolę odgrywają neuromodulatory, czyli substancje chemiczne wpływające na funkcjonowanie połączeń nerwowych. Co więcej, nie wszystkie synapsy są aktywne – w mózgu jest wiele połączeń „wyciszonych”, co nie znaczy, że są niepotrzebne. Naukowcy nie wiedzą, dlaczego tak jest.

W poszukiwaniu organoidów

Mózg z laboratorium to nie fikcja. Dzięki komórkom macierzystym (czyli komórkom leżącym u podstaw rozwoju ze względu na to, że mogą różnicować się w każdy typ komórek dorosłego organizmu) naukowcy są w stanie wyhodować narząd, który jest dosyć zbliżony do mózgu zarodka w mniej więcej 20. tygodniu rozwoju (na tym etapie dziecko zaczyna się ruszać – rozciąga się, kopie, ssie kciuk). To tzw. organoidy, czyli miniaturowe struktury anatomicznie i funkcjonalnie przypominające organy. W organoidach nie występują jednak wszystkie spotykane w mózgu typy komórek, brakuje też wzajemnych połączeń pomiędzy neuronami tworzącymi wyspecjalizowane obszary mózgowia (np. kora nowa, podwzgórze, móżdżek) i powiązań z narządami czucia oraz ruchu. Oznacza to, że neurony w organoidzie nie odbierają i nie przetwarzają złożonych bodźców, nie realizują także funkcji wykonawczych (regulacja fizjologii organizmu, ruch). Nie można zatem przypisywać organoidom pełnej funkcjonalnej analogii do rzeczywistych organów. Struktury te są jednak o tyle interesujące, że pozwalają na szczegółową obserwację rozwoju mózgu, a ponadto da się je wykorzystać do testowania nowego rodzaju leków.

Ale jak w ogóle jest możliwe stworzenie „miniaturowego mózgu”? Organoidy powstają poprzez odpowiednią hodowlę komórek macierzystych pochodzących z tkanki jelita, czyli nie trzeba do tego niszczyć embrionów. Składają się one ze zróżnicowanych komórek, a ponadto są zorganizowane przestrzennie w strukturę przypominającą tkankę embrionalną. Korowe organoidy łączą się w trójwymiarowe struktury, a dzięki dodaniu zewnątrzkomórkowej macierzy uzyskujemy niemal w pełni zorganizowany organ. Takie „miniaturowe organy” wykazują bardzo podstawowe fizjologiczne podobieństwo do rozwijającego się układu nerwowego, takie jak obecność komórek glejowych, wspomagających rozwój komórek nerwowych, i obecność receptorów neuroprzekaźników, które w efekcie dalszego rozwoju umożliwią neuronom wspomnianą wcześniej komunikację za pomocą potencjałów czynnościowych.

Organoidy są łakomym kąskiem dla neurobiologów, ponieważ pomagają zrozumieć podłoże neuronalne zaburzeń rozwojowych. Dzięki organoidom pochodzącym z komórek macierzystych pacjentów ze spektrum zaburzeń autystycznych, czyli osób mających problemy m.in. z komunikacją uczuć i budowaniem relacji interpersonalnych, wiemy, że dochodzi u nich do nadprodukcji neuronów hamujących aktywność innych neuronów. Z kolei obserwując organoidy stworzone z komórek zainfekowanych wirusem Zika, wykazano, że patogen zwiększa prawdopodobieństwo ich obumarcia, a taki organoid jest zauważalnie mniejszy w porównaniu z niezainfekowanym.

– Załóżmy, że pewnego dnia poznamy wszystkie połączenia i podstawowe zachowania neuronów i będziemy technicznie w stanie stworzyć maszynę podobną do ludzkiego mózgu. Ten sztuczny organ będzie zapewne wykonywał wszystkie podstawowe czynności związane z poruszaniem się, rozpoznawaniem bodźców wzrokowych czy słuchowych. Ale jak odtworzyć całą gamę innych bodźców, które kształtują mózg każdego z nas, czyniąc nas tym, kim jesteśmy? Co z kontekstem kulturowym, genami, otoczeniem? Wpływ tych czynników jest niezwykle ważny, ale bardzo trudny do zbadania i zrozumienia – mówi dr Katarzyna Pietrajtis, neurobiolog z paryskiej Sorbony.

Trzeba pamiętać, że organoidy są dzisiaj wykorzystywane do obrazowania rozwoju mózgu i testowania nowych leków, ale nie są substytutem prawdziwego organu. Brak naczyń krwionośnych i zespolenia organoidów z ciałem są głównymi przeszkodami, przez które nie mogą się one rozwinąć w dojrzały narząd. Ale w przyszłości i to zapewne nie będzie problemem. Naukowcy z University of California w Davis pod kierownictwem Bena Waldaua wyhodowali na początku 2018 r. pierwsze organoidy, które z powodzeniem rozwijają naczynia krwionośne zaopatrujące tkanki w tlen. Pozwala to marzyć lekarzom, że pewnego dnia da się hodować fragmenty mózgu do przeszczepów bezpośrednio pod pacjenta. Jednocześnie rodzi to obawy, czy aby za bardzo nie bawimy się w Boga. – Nie byłbym zaskoczony, gdyby wytworzenie mózgu poziomem rozwoju zbliżonego do mózgu noworodka stało się technicznie możliwe jeszcze w XXI w. Osobiście jednak uważam, że wyhodowanie odrębnego narządu zdolnego do posiadania subiektywnych doświadczeń i odczuć to niepokojący pomysł. Ograniczyłbym się do wykorzystania organoidów mózgu do badania źródeł wczesnych wad rozwojowych i regeneracji tkanki po urazach – mówi Zbigniew Zieliński.

Jak zbudować mózg Einsteina

Czyż nie byłoby cudownie odtworzyć mózg Einsteina, Hawkinga, Mozarta lub Lema? A może po prostu wyprodukować własny zapasowy mózg, zdolny do przeniesienia naszej świadomości, gdy okres przydatności ciała już wygaśnie? Takie wizje na razie pozostają w sferze science fiction, choć neuronaukowcy pracują nad tym, by bardziej zbliżyć je do science. – Zanim stworzymy wysokiej jakości kopię człowieka, będą na pewno mniejsze stworzenia, z prostszymi mózgami. I nieudane kopie – ostrzega dr Piotr Migdał, fizyk kwantowy współpracujący z deepsense.ai, specjalizujący się w uczeniu maszynowym i głębokich sieciach neuronowych.

Mózg jest najbardziej złożoną strukturą ludzkiego organizmu. Jego stopień skomplikowania wynika z budowy opartej na licznych rodzajach struktur białkowych. To białkowy gigant, scalony w skomplikowaną sieć połączeń, charakteryzujących się ciągłą płynnością i zmiennością. Ten fizycznie istniejący system musi być chroniony, odżywiany i pielęgnowany – tym zajmują się liczne komórki i tkanki „towarzyszące”. Jaki jest cel istnienia tej sieci białek? To nieustannie falujące morze impulsów bioelektrycznych, powstających dzięki samoinicjującemu się potencjałowi czynnościowemu każdej pojedynczej komórki. Ich pływy, prądy, wzburzenia, przypływy i odpływy generują rytmy, które mogą się utrwalać w strukturze białek lub trwać przez wiele lat jako stałe serie impulsów w postaci zamkniętych pętli. Gdzieś w tym morzu danych ukryty jest człowiek – każdy z nas. – Budowa sztucznego mózgu jest jak najbardziej możliwa, jeśli mowa o mózgu muszki owocowej czy Caenorhabditis elegans, gdzie znamy liczbę neuronów i mapę połączeń. Jeśli jednak mówimy o kopii ludzkiego mózgu, który miałby uczynić maszynę człowiekiem, uczynić maszynę mną, z moimi wspomnieniami, doświadczeniami i reakcjami, do tego jeszcze daleka droga – podsumowuje dr Katarzyna Pietrajtis.

Marcin Powęska
biolog, dziennikarz popularnonaukowy publikujący m.in. na portalu Interia i w magazynie „Focus”

***

Wywiad z dr. Pawłem Boguszewskim, neurobiologiem z Pracowni Neurobiologii Instytutu Biologii Doświadczalnej im. M. Nenckiego Polskiej Akademii Nauk

Jakie są główne ograniczenia natury technicznej w kopiowaniu mózgu?
Największym problemem jest to, że nie wiemy jeszcze, co kopiować. Każdy mózg jest inny. Pomimo dużego podobieństwa na poziomie półkul i struktur na poziomie sieci komórkowych różnią się znacznie. Te różnice wynikają z tego, że połączenia pomiędzy komórkami nerwowymi w rozwoju tworzą się dość losowo, a następnie niepotrzebne są eliminowane. Połączenia te zmieniają się cały czas, przez całe nasze życie. Nawet mózgi identycznych genetycznie bliźniąt jednojajowych jeszcze przed urodzeniem będą się różnić. Obecnie uważamy, że nasza pamięć jest zakodowana przede wszystkim w sile połączeń pomiędzy komórkami neuronów – w wadze (od ważności – przyp. M.P.) synaps. I tu leży problem, bo skoro dwa mózgi mają różne połączenia, to nie wiemy, jak można by przenieść pomiędzy nimi siłę tych połączeń.

A co ze „zgraniem” danych do komputera?
Kopiowanie mózgu do komputera też nie jest możliwe, bo nie mamy pojęcia, co jest istotne, gdzie siedzi pamięć i w jaki sposób jest zakodowana. Wspomniałem już, że istotna jest struktura połączeń i ich siła. Ale może to nie jest wszystko? Może równie ważne są dopiero odkrywane procesy zachodzące wewnątrz i na powierzchni komórek nerwowych? To tak, jakbyśmy mieli przekopiować bez rozumienia rękopis pisany na kartach pokrytych kolorowymi znakami za pomocą zupełnie nieznanego alfabetu. Nie wiemy, czy informacja jest ukryta w kolorach, kształtach, czy w literach alfabetu. A może w fakturze papieru, znakach wodnych lub zapachu? W przypadku tkanki nerwowej również nie wiemy w pełni, jak zapisane są w niej wspomnienia. Gdy uczymy się czegoś nowego, zmieniamy siłę synaps, ale nawet ustalając, jak się one zmieniły, nie będziemy w stanie powiedzieć, czego się nauczyliśmy.

Czyli najlepszą opcją jest stworzenie mózgu de novo w warunkach laboratoryjnych...
Podejmowane są próby tworzenia organoidów mózgowych – skupisk komórek nerwowych, gdzie nie tylko hodujemy neurony, ale również mieszamy je z innymi komórkami, próbując naśladować strukturę tkanki mózgu. Taka hodowla w 3D. Celem jest przede wszystkim otrzymanie preparatów do badania chorób ludzkich i testowania leków, tak by można było przynajmniej częściowo zredukować badania na zwierzętach. Ale organoidom daleko do prawdziwego mózgu nawet najprostszego zwierzęcia. Prawdziwy układ nerwowy rozwija się w interakcji z ciałem i środowiskiem zewnętrznym. To tak, jakbyśmy wyprodukowali kawałek gumy z rowkami, próbując stworzyć nie tyko oponę, ale cały i sprawny samochód.

Jak daleko jesteśmy od osiągnięcia tego celu?
Obawiam się, że bardzo daleko. Jednak nie da się określić tej odległości, bo nauka nie rozwija się liniowo. Nowe odkrycia i technologie mogą dokonać jej gwałtownego przyspieszenia, złe finansowanie i zarządzanie mogą ją sparaliżować. Ostatnim hitem w neurobiologii jest optogenetyka – możliwość sterowania aktywnością komórek nerwowych za pomocą światła. Dosłownie w ciągu kilku lat pojawiła się w laboratoriach na całym świecie i już nawet próbuje się ją stosować do terapii ludzi. Ale pomimo dziesiątków lat badań nadal nie wiemy, czym dokładnie jest świadomość człowieka.

Czy powinniśmy do tego dążyć?
Moim zdaniem tak. Należy sobie stawiać ambitne cele. Nauka potrzebuje ich, by się rozwijać. A wraz z jej rozwojem zyskujemy nową wiedzę, która tworzy wiele przydatnych wynalazków, takich jak nowe leki i innowacyjne terapie. Zakazy tego rodzaju badań nie mają większego sensu – zawsze się znajdzie kraj, który będzie chciał je wspierać.

Rozmawiał Marcin Powęska