علم الأعصاب – مشروع الدماغ البشري / هنري ماركرام

بناء تصوير رقمي شامل للدماغ قد يغير وجه علم الأعصاب والطب، ويكشف عن طرق جديدة لإنشاء أجهزة كمبيوتر أكثر قوة

لقد حان الوقت لتغيير الطريقة التي ندرس بها الدماغ. إن علم الأحياء الاختزالي، الذي يدرس كل جزء من أجزاء الدماغ على حدة والدوائر العصبية والجزيئات التي تعمل فيه، قد أوصلنا إلى أبعد من ذلك، لكنه غير قادر على تفسير الطريقة التي يعمل بها الدماغ البشري - معالج المعلومات الموجود في جمجمتنا والتي قد لا يكون لها مثيل في الكون كله. يجب علينا التجميع وليس مجرد التفكيك، والبناء وليس مجرد التحليل. ولهذا نحن بحاجة إلى نموذج جديد يجمع بين التحليل التفكيكي والتركيب البناء. كتب أبو الاختزالية، الفيلسوف الفرنسي رينيه ديكارت، عن الحاجة إلى دراسة الأجزاء ومن ثم تجميعها مرة أخرى لإعادة إنشاء الكل.

إن تجميع الأشياء معًا لإنشاء محاكاة حاسوبية كاملة للدماغ البشري هو هدف المشروع الذي يحاول بناء أداة علمية جديدة رائعة. لم يتم بناء أي شيء مثل هذا على الإطلاق، لكننا بدأنا المهمة. إحدى الطرق للتفكير في هذه الأداة هي أنها أقوى جهاز محاكاة طيران تم بناؤه على الإطلاق، إلا أنه بدلاً من محاكاة الطيران عبر الهواء، فإنه سيحاكي رحلة داخل العقل. وهذا "الدماغ الافتراضي" سيعمل على أجهزة الكمبيوتر العملاقة وسيدمج كل البيانات التي أنتجها علم الأعصاب وسينتجها حتى تلك اللحظة.

سيكون الدماغ الرقمي بمثابة مورد للمجتمع العلمي بأكمله. وسيقوم الباحثون بحجز موعد مسبقاً لإجراء التجارب عليه كما يفعلون اليوم مع أكبر التلسكوبات. وسوف يستخدمونه لاختبار النظريات حول كيفية عمل الدماغ البشري السليم والمريض. وسوف يقومون بتعبئة التصوير ليس فقط لتطوير تشخيص مرض التوحد والفصام، ولكن أيضًا لتطوير علاجات جديدة للاكتئاب ومرض الزهايمر. إن توصيل عشرات التريليونات من الدوائر العصبية سوف يلهم تصميم أجهزة الكمبيوتر الشبيهة بالدماغ والروبوتات الذكية. باختصار، ستكون ثورة في علم الأعصاب والطب وتكنولوجيا المعلومات.

دماغ في صندوق

سيتمكن العلماء من إجراء أولى عمليات المحاكاة للدماغ البشري في نهاية هذا العقد، عندما تصبح أجهزة الكمبيوتر العملاقة قوية بما يكفي لإجراء الكم الهائل من الحسابات المطلوبة لذلك. ليس من الضروري فك جميع ألغاز الدماغ مسبقًا لبناء هذا الجهاز. وبدلاً من ذلك، سيقوم الجهاز نفسه بإنشاء إطار سندمج فيه ما نعرفه بالفعل، والذي سيسمح لنا بالتنبؤ بالحسابات بما لا نعرفه. ستوضح لنا هذه التوقعات أين يجب أن نوجه التجارب المستقبلية لتجنب هدر العمل. سيتم دمج المعرفة التي سيتم تجميعها مع المعرفة الموجودة، وسيتم ملء "الثقوب" بتفاصيل ستكون أقرب فأقرب إلى الواقع، حتى نحصل أخيرًا على نموذج موحد للدماغ، والذي سيعيد إنتاجه بدقة من مستوى الدماغ بأكمله إلى مستوى الجزيئات.

إن بناء هذه الأداة هو هدف مشروع الدماغ البشري (HBP)، وهي مبادرة تضم حوالي 130 جامعة حول العالم. وهو واحد من ستة مشاريع تتنافس على جائزة مرموقة قد تصل إلى مليار يورو، والتي سيمنحها الاتحاد الأوروبي على مدى عشر سنوات لكل من الفائزين، وسيتم الإعلان عنهما في فبراير 2013.

نحتاج إلى كمبيوتر التصوير هذا لسببين على الأقل. في أوروبا وحدها، يعاني كل شخص ثالث من مرض في الدماغ، وفي المجموع حوالي 180 مليون شخص - وسيزداد العدد مع تقدم السكان في العمر. وبصرف النظر عن ذلك، فإن شركات الأدوية لا تستثمر في علاجات جديدة للجهاز العصبي المريض. إن النظرة الشاملة للدماغ ستسمح لنا بإعادة تصنيف هذه الأمراض من الناحية البيولوجية، وليس كمجموعة من الأعراض. وبمساعدة زاوية الرؤية الواسعة الجديدة، سنكون قادرين على المضي قدمًا وتطوير جيل جديد من العلاجات، والتي ستركز على نقاط الضعف التي هي السبب الجذري للأمراض.

السبب الثاني هو أن عالم الكمبيوتر يقترب من الحواجز التي تمنع المزيد من التطوير. إن أجهزة الكمبيوتر اليوم غير قادرة على أداء العديد من المهام التي تؤديها أدمغة الحيوانات دون صعوبة، على الرغم من الزيادة المستمرة في قوة المعالجة. على سبيل المثال، على الرغم من أن علماء الكمبيوتر حققوا تقدمًا كبيرًا في مجال التعرف البصري، إلا أن الآلات لا تزال تواجه صعوبة في استخلاص المعلومات من السياقات التي تظهر في الصورة، أو استخدام أجزاء عشوائية من المعلومات للتنبؤ بالأحداث المستقبلية كما يستطيع الدماغ القيام بها.

علاوة على ذلك، وبما أن أجهزة الكمبيوتر الأكثر قوة تتطلب المزيد من الطاقة، فإننا نقترب من النقطة التي لن يكون فيها توفير الطلب عملياً. يتم قياس أداء أجهزة الكمبيوتر العملاقة اليوم بوحدات بيتافلوب (بيتافلوب) - مليون مليار، أو 10¹⁵العمليات المنطقية كل ثانية. سيكون الجيل القادم، الذي من المتوقع أن يظهر في عام 2020 تقريبًا، أسرع بألف مرة وسيتم قياسه بـ exa-flops - مليارات المليارات من العمليات في الثانية. ومن المحتمل أن يستهلك أول جهاز كمبيوتر بهذا الحجم حوالي 20 ميجاوات من الكهرباء، أي ما يعادل استهلاك مدينة صغيرة في الشتاء. إذا أردنا إنشاء أجهزة كمبيوتر أكثر قوة وقادرة على القيام ببعض الأشياء البسيطة ولكن المفيدة التي يستطيع البشر القيام بها مع توفير الطاقة، فسوف نحتاج إلى استراتيجية ثورية جديدة.

ومن ناحية أخرى، يستخدم الدماغ البشري حوالي 20 واط فقط، مثل مصباح صغير، لأداء مجموعة متنوعة من العمليات الذكية - وهو جزء من المليون من الطاقة التي يستهلكها كمبيوتر Exaflop. ولذلك فمن المنطقي محاولة تقليد طريقة عملها. ولكن لتحقيق ذلك، نحتاج إلى فهم التنظيم متعدد المستويات للدماغ، من الجينات إلى السلوك. المعرفة موجودة بالفعل في أماكن مختلفة، ولكننا بحاجة إلى توحيدها. وسيكون جهازنا بمثابة منصة يمكننا من خلالها القيام بذلك.

يقول النقاد إن هدفنا المتمثل في نمذجة الدماغ لا يمكن تحقيقه. أحد ادعاءاتهم الرئيسية هو أنه من المستحيل إعادة بناء الروابط بين مائة تريليون من المشابك العصبية في الدماغ، لأننا لا نستطيع قياسها. في الواقع، ليس لدينا القدرة على قياس شبكة الاتصالات، ولكن ليس لدينا أيضًا أي نية لمحاولة القيام بذلك، أو على الأقل ليس كل ذلك. نحن عازمون على استعادة تنوع الاتصالات بين خلايا الدماغ بوسائل أخرى.

إن المفتاح إلى نهجنا هو إعادة بناء الخطة الأساسية التي يتم بناء الدماغ وفقا لها: مجموعة القواعد التي وجهت خلقه طوال التطور، والتي تفعل ذلك من جديد في كل جنين نامي. من الناحية النظرية، هذه القواعد هي كل ما نحتاجه للبدء في بناء الدماغ. المتشككون على حق: التعقيد الناتج هائل، ومن هنا حاجتنا إلى أجهزة كمبيوتر فائقة السرعة لاستيعابه، لكن اكتشاف القواعد نفسها يمثل مشكلة عملية أكثر بكثير، وإذا تمكنا من حلها، فلا يوجد سبب يمنعنا من حلها. قم بتطبيقها تمامًا كما تفعل البيولوجيا وقم ببناء دماغ في "أنبوب اختبار" افتراضي.

ونوع القواعد التي نتحدث عنها هي تلك التي تتحكم في الجينات التي تصنع خلايا الدماغ المختلفة، والبرامج التي تحدد ترتيب الخلايا في جميع أنحاء الدماغ والوصلات بينها. نحن نعلم بوجود مثل هذه القواعد، لأننا اكتشفنا بعضها أثناء إعداد البنية التحتية لـ HBP. لقد بدأنا هذا منذ ما يقرب من عشرين عامًا، عندما قمنا بقياس خصائص الخلايا العصبية المفردة. قمنا بجمع كميات هائلة من البيانات حول الخصائص الهندسية لأنواع مختلفة من الخلايا العصبية، وأعدنا إنتاج المئات منها على الكمبيوتر في عمليات محاكاة ثلاثية الأبعاد. قمنا أيضًا بتسجيل الخواص الكهربائية للخلايا العصبية باستخدام طريقة شاقة تسمى "Patch Clamping"، والتي تتضمن ربط طرف مجهري من ماصة زجاجية رفيعة بغشاء الخلية من أجل قياس الجهد الكهربي في القنوات الأيونية الموجودة فيه.

في عام 2005، استغرق الأمر جهاز كمبيوتر قويًا وأطروحة دكتوراه مدتها ثلاث سنوات لبناء نموذج حاسوبي لخلية عصبية واحدة. ومع ذلك، كنا نعلم أن الأهداف الأكثر طموحًا ستصبح ممكنة قريبًا، وأننا نستطيع بناء نماذج لأجزاء أكبر من الدماغ حتى لو لم نكن نعرف كل شيء عنها. في معهد Brain Mind في المعهد الفيدرالي السويسري للتكنولوجيا، قمنا ببناء أحد الإصدارات المبكرة من HBP، وهو مشروع يسمى Blue Brain. وكانت الفكرة هي بناء "نماذج حاسوبية موحدة" من شأنها أن تجمع كل النظريات والبيانات الموجودة المتعلقة بجزء معين من الدماغ ومحاولة التوفيق في هذه النماذج بين البيانات المتضاربة وتسليط الضوء على النقاط التي نفتقر فيها إلى المعلومات.

بيولوجيا التوليف

لاختبار فكرة النموذج الموحد، قررنا بناء مثل هذا النموذج لبنية الدماغ في القشرة الدماغية التي تسمى العمود القشري. هذه الأعمدة هي المعادل الدماغي للمعالج الموجود في الكمبيوتر الشخصي. لاستخدام استعارة بسيطة، إذا أردنا إدخال جهاز صغير في القشرة الدماغية يعمل مثل قشر التفاح وسحبنا أسطوانة من أنسجة المخ يبلغ قطرها نصف ملليمتر وارتفاعها ملليمتر ونصف، فسنحصل على عمود . يوجد داخل هذا النسيج شبكة كثيفة جدًا مكونة من عشرات الآلاف من الخلايا. هذا التصميم لمكون معالجة المعلومات فعال للغاية لدرجة أنه بمجرد وصول التطور إليه، استمر في استخدامه مرارًا وتكرارًا حتى لم يعد هناك مكان في الجمجمة، وكان على القشرة أن تطوى على نفسها لخلق مساحة أكبر. هذا هو سبب التلافيف على سطح دماغنا.

ويعبر العمود الطبقات الرأسية الست للقشرة المخية الحديثة، والطبقة الخارجية لقشرة المخ، والوصلات العصبية بينها وبين بقية أجزاء الدماغ، والتي تنتظم بشكل مختلف في كل طبقة. ويذكرنا تنظيم هذه الاتصالات بكيفية تخصيص أرقام للمكالمات الهاتفية وتوجيهها عبر مقسم الهاتف. يوجد داخل كل عمود خلايا عصبية من عدة مئات من الأنواع. وبمساعدة حاسوبنا العملاق Blue Gene من شركة IBM، قمنا بدمج جميع المعلومات المتاحة حول كيفية تناسب هذه الأنواع في كل طبقة، حتى وصلنا إلى "وصفة" لإنشاء عمود مثل ذلك الموجود في دماغ الجرذ الصغير حديث الولادة. . لقد أصدرنا تعليمات إلى الكمبيوتر للسماح للخلايا العصبية الافتراضية بالاتصال بجميع الطرق التي تتصل بها الخلايا الحقيقية - وبهذه الطرق فقط. لقد استغرقنا ثلاث سنوات لإنشاء البرنامج المناسب، والذي بدوره سمح لنا بإنشاء أول نموذج موحد للعمود. كان هذا أول عرض لقدرة ما نسميه "البيولوجيا التركيبية" - تصوير الدماغ باستخدام المعرفة البيولوجية المعقدة، واستخدام هذا التصوير كوسيلة جديدة وعملية لإجراء الأبحاث.

النموذج الذي بنيناه في ذلك الوقت كان نموذجًا ثابتًا، مشابهًا لعمود الدماغ في الغيبوبة. لمعرفة ما إذا كانت ستبدأ في التصرف كعمود حي حقيقي (وإن كان معزولًا عن أنسجة المخ المحيطة)، أعطيناها "دفعة" - محفزًا خارجيًا. وفي عام 2008 أرسلنا إشارة كهربائية افتراضية إلى العمود الافتراضي. بينما كنا نشاهد الخلايا العصبية بدأت تتحدث مع بعضها البعض. تنتشر إمكانات الفعل ("القفزات الكهربائية")، التي تشكل اللغة التي يعمل بها الدماغ، في جميع أنحاء العمود الذي بدأ يعمل كدائرة متكاملة. وتدفقت الإمكانات ذهابًا وإيابًا بين الطبقات، تمامًا كما هو الحال في أجزاء من الدماغ الحي. لم يكن مثل هذا السلوك مبرمجًا مسبقًا في النموذج: لقد ظهر تلقائيًا، بسبب الطريقة التي تم بها بناء الدائرة. علاوة على ذلك، ظلت الدائرة نشطة حتى بعد توقف التحفيز، وخلال فترة قصيرة من الزمن طورت ديناميكياتها الداخلية الخاصة - طريقتها الخاصة في تمثيل المعلومات.

ومنذ ذلك الحين، قمنا تدريجيًا بدمج المعلومات الإضافية الواردة من المختبرات حول العالم في هذا النموذج الموحد للعمود. يتم أيضًا تحديث البرنامج الذي قمنا بتطويره بشكل متكرر، بحيث نعيد إنشاء العمود كل أسبوع، ويتضمن المزيد من البيانات والمزيد من القواعد ويصبح أكثر دقة. والخطوة التالية هي جمع البيانات من منطقة الدماغ بأكملها، ومن ثم من الدماغ بأكمله. في المرحلة الأولى، سيكون دماغ القوارض.

ستعتمد محاولاتنا في هذا المجال إلى حد كبير على مجال يسمى المعلوماتية العصبية. سوف تحتاج الكميات الهائلة من البيانات المتعلقة بالدماغ القادمة من المختبرات في جميع أنحاء العالم إلى التكامل الذكي. سيتعين علينا بعد ذلك البحث عن أنماط أو قواعد في هذه البيانات تصف كيفية تنظيم الدماغ. يجب علينا ترجمة العمليات البيولوجية الموصوفة في هذه القواعد إلى مجموعات من المعادلات الرياضية، مع تطوير البرنامج الذي سيسمح لنا بحل المعادلات باستخدام أجهزة الكمبيوتر العملاقة. سنحتاج أيضًا إلى كتابة برنامج من شأنه بناء دماغ متوافق مع علم الأحياء. نحن نسمي هذا البرنامج "منشئ الدماغ".

إن توقعات المعلوماتية العصبية حول كيفية عمل الدماغ، والتي يتم تحديثها باستمرار بفضل البيانات الجديدة، ستسرع من فهم عمل الدماغ دون الحاجة إلى قياس كل جانب من جوانبه. يمكننا إجراء تنبؤات بناءً على القواعد التي نكتشفها، ثم اختبارها في العالم الحقيقي. أحد أهدافنا هو استخدام المعرفة حول الجينات التي تصنع البروتينات في أنواع معينة من الخلايا العصبية، للتنبؤ ببنية هذه الخلايا وسلوكها. ونحن نسمي هذا الارتباط المباشر، بين الجينات والخلايا العصبية نفسها، "الجسر المعلوماتي"، وهو اختصار للنوع الذي توفره بيولوجيا التوليف.

وهناك جسر معلوماتي آخر يستخدمه العلماء منذ سنوات، ويتعلق بالطفرات الجينية وارتباطها بالأمراض. وبشكل أكثر تحديدًا، كيف تغير الطفرات البروتينات التي تنتجها الخلايا. وتؤثر هذه البروتينات بدورها على الخصائص الهندسية والكهربائية للخلايا العصبية، والمشابك العصبية التي تشكلها، والنشاط الكهربائي الذي يتولد في الدوائر الدقيقة المحلية قبل أن ينتشر في موجة واسعة عبر مناطق الدماغ بأكملها.

على سبيل المثال، يمكننا من الناحية النظرية برمجة طفرة معينة في النموذج الحاسوبي ومعرفة مدى تأثيرها عليها في كل حلقة من حلقات السلسلة البيولوجية. إذا كانت الأعراض (أو مجموعة الأعراض) التي تظهر مطابقة لما نراه في العالم الحقيقي، فإن سلسلة الأحداث الافتراضية تصبح مرشحة لتكون الآلية التي تسبب المرض، ويمكننا حتى أن نبدأ في البحث عن أهداف محتملة للعلاج على طول هو - هي.

هذه عملية دورية للغاية. نحن نجمع كل البيانات التي يمكن الحصول عليها، ونبرمج النموذج بحيث يخضع لقوانين بيولوجية معينة، ونجري محاكاة ونقارن "المخرجات"، أي سلوك البروتينات والخلايا والدوائر، بالبيانات التجريبية المقابلة. إذا لم يكن هناك تطابق، نعود ونتحقق من دقة البيانات ونضبط القواعد البيولوجية بشكل أكثر دقة. ومن ناحية أخرى، إذا كان هناك تطابق، فإننا نحضر المزيد من البيانات ونضيف المزيد والمزيد من التفاصيل مع توسيع النموذج إلى منطقة أكبر من الدماغ. مع تحسن البرنامج، يصبح تكامل البيانات تلقائيًا وسريعًا، ويتصرف النموذج أكثر فأكثر مثل الدماغ البيولوجي الحقيقي. إن إنشاء نموذج للدماغ بأكمله، على الرغم من أن المعلومات المتوفرة لدينا عن المشابك العصبية والخلايا لا تزال غير مكتملة، وبالتالي لم يعد يبدو حلماً مستحيلاً.

لتغذية المشروع نحتاج إلى البيانات، والكثير منها. هناك اعتبارات أخلاقية تحد من التجارب التي يمكن أن يقوم بها علماء الأعصاب على الدماغ البشري، ولكن لحسن الحظ، فإن أدمغة جميع الثدييات مبنية وفقا لنفس القواعد (مع اختلافات طفيفة بين الأنواع). معظم ما نعرفه عن علم الوراثة في دماغ الثدييات يأتي من الفئران، بينما حصلنا من القرود على معلومات قيمة حول الإدراك. لذلك، يمكننا البدء في بناء نموذج موحد لدماغ القوارض، واستخدامه كقالب انطلاق يمكن من خلاله فتح نموذج الدماغ البشري تدريجيًا، تفصيلًا تلو الآخر. في الواقع، سيتم تطوير نماذج الفئران والجرذان والدماغ البشري في نفس الوقت.

وستساعدنا البيانات التي جمعها العلماء في تحديد القواعد التي تحكم تنظيم الدماغ، والتحقق من خلال التجارب من أن توقعاتنا - سلاسل السبب والنتيجة التي يقترحها النموذج - تتوافق مع الحقيقة البيولوجية. على سبيل المثال، على المستوى المعرفي، نعلم أن الأطفال الصغار جدًا لديهم بعض الفهم للمفاهيم العددية 1 و2 و3، ولكن ليس أكثر من ذلك. عندما ننجح في محاكاة دماغ طفل، يجب أن يكون النموذج مطابقًا للطفل سواء فيما يستطيع فعله أو ما لا يستطيع فعله.

الائتمان: إميلي كوبر

العديد من البيانات التي نحتاجها معروفة بالفعل، ولكن من الصعب الوصول إليها. يعد جمع البيانات وتنظيمها أحد التحديات الرئيسية التي تواجه HBP. البيانات من مجال الطب، على سبيل المثال، ستكون ذات قيمة هائلة بالنسبة لنا، ليس فقط لأن الخلل في الوظيفة يُظهر الوظيفة الطبيعية، ولكن أيضًا لأن أي نموذج ننتجه يجب أن يتصرف مثل الدماغ السليم - ويعاني من الأمراض تمامًا مثل الدماغ. الدماغ الحقيقي قد يعاني منها. ولذلك، فإن فحوصات الدماغ للمرضى ستكون مصدرا هاما للمعلومات.

اليوم، في كل مرة يخضع فيها المريض لفحص الدماغ، يتم تخزين النتائج في الأرشيف الرقمي. لدى المستشفيات الملايين من عمليات المسح، والتي تستخدم بالفعل لأغراض البحث، ولكن هذا البحث يتقدم بوتيرة بطيئة بحيث يظل المورد غير مستخدم في الغالب. إذا تمكنا من تحميل جميع عمليات المسح إلى "سحابة" يمكن الوصول إليها على شبكة الإنترنت، إلى جانب السجلات التاريخية والمعلومات البيوكيميائية والوراثية، فسوف يتمكن الأطباء من البحث عن أنماط في أعداد كبيرة من السكان بغرض تحديد الأمراض. وتنبع قوة هذه الاستراتيجية من القدرة على عزل أوجه الاختلاف والتشابه بين جميع الأمراض رياضيا. يحاول تعاون بين الجامعات يسمى مبادرة التصوير العصبي لمرض الزهايمر القيام بذلك، من خلال جمع فحوصات الدماغ والسائل النخاعي واختبارات الدم من عدد كبير من مرضى الخرف، ومن المشاركين الأصحاء.

مستقبل الحوسبة

هناك مسألة أخرى، لا تقل أهمية، وهي الحوسبة. يعد كمبيوتر Blue Gene الأحدث بمثابة وحش على نطاق بيتا فلوب، حيث يحتوي على حوالي 300,000 ألف معالج محشورين في حجم يبلغ حوالي 72 ثلاجة منزلية. ومثل هذه القوة الحسابية كافية لمحاكاة دماغ فأر يحتوي على 200 مليون خلية على المستوى الخلوي من التفاصيل، ولكن ليس دماغًا بشريًا يحتوي على 89 مليار خلية. ولهذا سنحتاج إلى جهاز كمبيوتر بقوة الإكافلوبس، وحتى ذلك الحين، فإن تصوير الدماغ البشري على المستوى الجزيئي سيظل بعيدًا عن متناولنا.

وتشهد جميع أنحاء العالم منافسة بين الفرق التي تحاول بناء مثل هذه الحواسيب. وعندما تنجح، كما حدث مع الأجيال السابقة من أجهزة الكمبيوتر العملاقة، فمن المرجح أن يتم استخدام أجهزة الكمبيوتر في البداية لمحاكاة العمليات الفيزيائية مثل تلك الموجودة في الفيزياء النووية. وللتصوير البيولوجي متطلبات أخرى، وبمساعدة كبار مصنعي أجهزة الكمبيوتر وشركاء الصناعة الآخرين، سيقوم فريقنا، الذي يضم خبراء حوسبة عالية الأداء، بتكييف هذا الكمبيوتر لمهمة تصوير الدماغ. سيقومون أيضًا بتطوير البرنامج الذي سيسمح لنا ببناء نماذج موحدة من أدنى مستوى إلى أعلى مستوى من الدقة، حتى نتمكن من تركيز تصويرنا على الجزيئات أو الخلايا أو الدماغ بأكمله.

عند اكتمال محاكاة الدماغ، سيتمكن الباحثون من إجراء تجارب على "الموضوع" المبرمج كما يفعلون على الموضوع البيولوجي - مع بعض الاختلافات المهمة. لفهم كل هذا، فكر في الطريقة التي يبحث بها العلماء حاليًا عن أسباب مرض معين باستخدام فئران خالية من جينات معينة ("الفئران المعطلة"). ويتعين على الباحثين أن يقوموا بالقتل الرحيم لهذه الفئران ــ وهي عملية طويلة ومكلفة وليست ممكنة دائما (على سبيل المثال، إذا أدى إسكات الجين إلى قتل الجنين)، وهذا حتى قبل أن نأخذ في الاعتبار الاعتبارات الأخلاقية المرتبطة بالتجارب على الحيوانات.

وفي الدماغ المحوسب سيكونون قادرين على إسكات الجين الافتراضي وملاحظة النتائج على أدمغة "بشرية" من مختلف الأعمار تعمل في أنماط مختلفة من العمل. سيكونون قادرين على تكرار التجربة تحت أي ظروف يريدونها بنفس النموذج بالضبط، مما يضمن دقة لا يمكن تحقيقها في الحيوانات. ولن يؤدي هذا إلى تسريع عملية تحديد الأدوية المحتملة من قبل الباحثين الطبيين فحسب، بل سيغير أيضًا طريقة إجراء التجارب السريرية. وسوف يكون من الأسهل كثيراً اختيار المجموعة السكانية المستهدفة، وسوف يكون فحص الأدوية غير الفعالة، أو الأدوية التي تسبب آثاراً جانبية لا تطاق، أسرع. ونتيجة لذلك، ستكون سلسلة البحث والتطوير أسرع وأكثر كفاءة.

الأشياء التي نتعلمها من عمليات المحاكاة سوف تعود وتندمج في مجال تصميم الكمبيوتر أيضًا. إذا عرفنا كيف أدى التطور إلى خلق دماغ متين، قادر على أداء العديد من العمليات المتوازية بسرعة على نطاق واسع، مع حجم ضخم من الذاكرة واستهلاك الطاقة مثل استهلاك المصباح الكهربائي، فيمكننا بناء أجهزة كمبيوتر أكثر كفاءة.

سيتم استخدام رقائق الكمبيوتر الشبيهة بالدماغ لبناء أجهزة كمبيوتر "شبيهة بالخلايا العصبية". سيقوم مشروع HBP بطباعة دوائر الدماغ على رقائق السيليكون، بناءً على التقنيات التي تم تطويرها في مشروعي BrainScaleS وSpiNNaker التابعين للاتحاد الأوروبي.

ستفتقر عمليات محاكاة الدماغ الكامل الأولى التي نجريها على أجهزتنا إلى خاصية أساسية جدًا للدماغ البشري: لن يتطور مثل الطفل. منذ لحظة الولادة فصاعدًا، تتطور القشرة الدماغية نتيجة نمو وهجرة و"تقليم" الخلايا العصبية، ونتيجة لعملية تعتمد بشكل كبير على التجارب وتعرف باسم "اللدونة". وبدلاً من ذلك، ستتخطى نماذجنا سنوات من التطوير، وتبدأ في سن اعتباطية ما، وتكتسب الخبرة منذ تلك اللحظة. ولهذا سيتعين علينا بناء الآلية التي تسمح للنموذج بالتغيير استجابة للمدخلات من البيئة.

الاختبار الحاسم لعقلنا الافتراضي سيحدث عندما نربطه ببرنامج يمثل الجسم ونضعه في بيئة افتراضية واقعية. سيتمكن الدماغ الافتراضي بعد ذلك من تلقي المعلومات من البيئة والتصرف بناءً عليها. فقط إذا وصلنا إلى مثل هذا الإنجاز، يمكننا تعليم الدماغ مهارات مختلفة والتحقق مما إذا كان ذكيًا بالفعل. وبما أننا نعلم أن الدماغ البشري يحتوي على التكرار - الأنظمة العصبية التي تدعم بعضها البعض - فيمكننا أن نبدأ في اكتشاف جوانب وظيفة الدماغ التي تعتبر ضرورية للسلوك الذكي.

يثير مشروع HBP قضايا أخلاقية مهمة. حتى لو كانت الأداة التي تحاكي الدماغ البشري لا تزال بعيدة عن متناولنا، فمن المشروع أن نتساءل عما إذا كان بناء دماغ افتراضي يحتوي على أعمدة قشرية أكثر من الدماغ البشري، أو دماغًا يجمع بين العمل المسؤول، هو عمل مسؤول. ذكاء شبيه بالإنسان مع قدرة على حساب الأرقام أكبر بمليون مرة من ذكاء ديب بلو، حاسوب آي بي إم للعبة الشطرنج.

نحن لسنا الوحيدين الذين يضعون معايير عالية في محاولة إعادة توحيد مجال أبحاث الدماغ المجزأ. في مايو 2010، أطلق معهد ألين لعلم الأعصاب في سياتل أطلس ألين للدماغ البشري، والذي يهدف إلى رسم خريطة لجميع الجينات النشطة في العقول البشرية.

يبدو أن العقبة الرئيسية التي تعيق أي مجموعة بحثية تعمل في هذا المجال هي التمويل. وفي حالتنا، لا يمكننا تحقيق الهدف إلا إذا حصلنا على الدعم المالي الذي نحتاجه. تعد أجهزة الكمبيوتر العملاقة باهظة الثمن، ومن المتوقع أن تتطابق التكلفة النهائية لـ HBP مع تكلفة مشروع الجينوم البشري أو تتجاوزها. في فبراير 2013، سنعرف ما إذا كنا قد تلقينا "الضوء الأخضر"، وفي هذه الأثناء نحقق أكبر قدر ممكن من التقدم في المشروع الذي، في رأينا، سيعطينا رؤى غير مسبوقة حول هويتنا ككائنات قادرة على الانعكاس. حول تأثيرات الضوء والظل في لوحة كارافاجيو، أو مفارقات فيزياء الكم.

______________________________________________________________________________________________

عن المؤلف

هنري ماركرام (ماركرام) يدير مشروع Blue Brain في المعهد الفيدرالي السويسري للتكنولوجيا في بلوازان. أجرى العديد من الدراسات حول اتصال الخلايا العصبية وتواصلها وتعلمها. كما اكتشف المبادئ الأساسية للدونة الدماغ وشارك في تطوير نظرية "العالم الذي لا يطاق" للتوحد ونظرية العملية الحسابية للدماغ كسائل يتحرك باستمرار.

والمزيد حول هذا الموضوع

روابط لمواقع متعلقة بمشروع العقل البشري:

مشروع الدماغ البشري: www.humanbrainproject.eu

برينسكال: http://brainscales.kip.uni-heidelberg.de

سبيناكير: http://apt.cs.man.ac.uk/projects/SpiNNake