Capire come funziona il cervello umano rimane la sfida più complessa e affascinante, che ha conquistato tanto gli informatici quanto i neuroscienziati.
di Von Holger Dambeck
Per i profani, Watson , il supercomputer sviluppato da IBM, è l’hardware più abile al mondo.Non si limita a ‘ far di conto’ ma risolve problemi formulati in linguaggio colloquiale.
Neppure una domanda come:”anche uno rotto segna due volte al giorno l’ora giusta ” non lo mette in difficoltà, e la risposta corretta :”un orologio”, giunge prontamente.
Tuttavia Watson è ancora mille miglia lontano dall’intelligenza artificiale che ci sentiamo promettere da decenni. Può infatti rispondere a domande di formazione generale, ma non può creare conoscenza né essere creativo.
Su cosa si basi l’intelligenza umana, come vengano prese le decisioni e perché il cervello sia così potente, non lo sanno ancora gli scienziati del cervello né gli informatici.
Questo rappresenta per Henry Markram una sfida. I neuro-ricercatori dalla ‘Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne’ (EPFL) vogliono ora simulare il cervello umano su un computer. Insieme con scienziati provenienti da tutta Europa, Markram ha presentato all’UE la domanda per un finanziamento di un miliardo di Euro in dieci anni con questo scopo: creare un simulatore del cervello.
I ricercatori guidati da Markram costituiscono uno dei sei consorzi, che vogliono ottenere lo Status di ‘progetto Flagship’. Da 25 anni, Markram studia le cellule nervose, fino al livello dei geni. A Losanna, ha guidato il progetto Blue Brain, in cui è simulato il cervello di un ratto, un precursore del progetto Human Brain.
Nel 2007, il team riuscì, al Politecnico di Losanna con l’aiuto del suo supercomputer, a simulare, a livello cellulare, una piccola parte del cervello del ratto, la cosiddetta colonna neocorticale con 10 000 neuroni.
Qui, i ricercatori di Losanna cercano di osservare quanto più vicino possibile i processi nelle cellule nervose. Solo così credono di poter arrivare a capire come funziona il cervello umano. Il modello riproduce anche la diversità dei neuroni.
Secondo Markram, ci sono 16 diversi tipi di neuroni nella colonna. “Ogni cellula nervosa ha da 20000 a 30000 geni, di cui efficaci, solo 3000-4000”, spiega. Conoscendo questi geni si potrebbero ricreare al computer i tipi di cellula.
Per trovare la posizione dei diversi tipi di neuroni nel cervello, i ricercatori utilizzano proteine fluorescente e i cosiddetti ultramicroscopi. Se si utilizzano proteine colorate diversamente per geni differenti e poi si osservano le cellule, si ottiene una mappa tridimensionale con la distribuzione di diversi tipi di cellule. Ogni cellula nervosa è associata con un massimo di 20 000 altri neuroni attraverso le sinapsi. La maggior parte dei collegamenti riguarda neuroni nelle immediate vicinanze, ma ci sono diverse sinapsi tra cellule lontane. Mentre il cervello apprende, alcune sinapsi vengono collegate ex-novo o rafforzano i legami esistenti, mentre altre vengono tagliate. Al centro di questo esperimento si trova un frammento di cervello di ratto.
Con microsonde i ricercatori misurano le tensioni elettriche nei diversi punti dei neuroni.
“I neuroni “, spiega Markram, “scelgono con molta attenzione, con quali associarsi. “La configurazione di questi legami è uno dei grandi misteri del cervello.
“Il cervello si sveglia di colpo da una certa stimolazione in su “, spiega.” I neuroni inizialmente a riposo cominciano poi a emettere impulsi. “Questo non è programmato”, afferma Markram, “è l’equivalente neurale della Ola da stadio”.
Ma molto di più che la ripetizione di questi comportamenti sincronizzati non è ancora venuto fuori dalle simulazioni.
I ricercatori presso l’EPFL, non hanno pubblicato alcun risultato dettagliato delle simulazioni, sebbene siano già passati anni.
Sarebbe possibile riprodurre il comportamento dei neuroni e spiegare cosa determina le connessioni tra i neuroni. Le evidenze pur scarse potrebbero essere correlate, ma sia Markram che i suoi concorrenti non vogliono rivelare troppo.
Probabilmente la concorrenza più seria è rappresentata dal team di Dharmendra Modha dell’ IBM Almaden Research Lab (California). Il team di Modha comunque sta perseguendo un approccio diverso, basato su una rete neuronale artificiale.
Markram parla di quasi 40 opere pubblicate, ma riconosce che non trattano tanto dei risultati delle simulazioni, quanto piuttosto della tecnologia dietro di esse.”Abbiamo bisogno di scrivere articoli per placare i nostri critici, per difendere l’obiettivo principale della costruzione del simulatore”, ammette. Il progetto Human Brain non deve solo aiutare a risolvere i misteri del cervello. Essa contribuirà anche a comprendere le più di 500 malattie conosciute del cervello.
L’industria farmaceutica si allontana sempre più dalla ricerca, perché il cervello è troppo complesso e lo sviluppo di nuovi farmaci troppo rischioso e troppo costoso. Tuttavia circa 100 000 lavori scientifici all’anno sono pubblicati nella ricerca sul cervello.
Markram vuole rispondere al flusso di carta con il suo simulatore col quale i ricercatori possano testare le loro ipotesi e possibilmente scoprire i meccanismi della malattia di Alzheimer come di altre.
La richiesta di Markram di un miliardo alla UE non trova d’accordo altri ricercatori, data la scarsità di risultati. La critica più severa al team di Markram è venuta dai colleghi di Zurigo che nel progetto vedono in primo luogo lo spreco di fondi pubblici. Scetticismo è stato espresso anche da Raùl Rojas dell’Istituto per ‘l’Informatica di Berlino.
Egli ritiene che i ricercatori abbiano semplicemente sottovalutato la complessità del cervello. “Markram e Modha cercano di volare verso la luna, quando è stata appena inventata la ruota. Non abbiamo idea di quanto ancora ignoriamo”, Rojas critica, inoltre, che i ricercatori di Losanna fino ad oggi lavorino con un sistema chiuso: “E i sensori?”,chiede. “Un sistema può essere intelligente se interagisce con il mondo esterno e viene da questo modificato “.
Tra i dubbiosi c’era originariamente Stanislas Dehaene, ricercatore all’Institut national de la santé et de la recherche médicale (INSERM) a Parigi. Dehaene, autore di diversi libri, fa ora parte del team del Progetto Human Brain e guiderà l’area Comportamento e Cognizione.
Misteriosa rimane tuttavia, ancora, l’interazione di decine di migliaia di neuroni nel cervello. Si conta di tenere sotto controllo il problema della grande complessità con la cosiddetta simulazione multi-scala. “A volte dobbiamo simulare esattamente tutti i dettagli”, ha detto Dehaene,” in altri processi possiamo operare astrazioni “.
I risultati di una simulazione in dettaglio vengono poi forniti in forma di parametri a modelli più astratti, meno dettagliati, che illustrano una visione d’insieme.”Non esiste simulazione che possa includere tutto”, afferma Dehaene.
Timori che il loro progetto possa fallire per mancanza della potenza di calcolo necessaria, gli scienziati non ne hanno. Con Thomas Lippert, direttore del Centro di Calcolo presso il Centro di ricerca Jülich,il progetto Human Brain ha ingaggiato uno scienziato di grande esperienza con i computer di grandi dimensioni: Il supercomputer “JUGENE” presso il Centro di Ricerca Julich, costituito da IBM Blue Gene / P con 73.000 processori quad-core da 850 MHz, è classificato 13° nel mondo secondo la lista dei 500 supercomputer di novembre 2011. Il computer su cui sono state effettuate le prime simulazioni della colonna neocorticale a Losanna (un IBM Blue Gene/L, con 8.000 processori) è al confronto decisamente piccolo.
Lippert ammette che esistono ancora interrogativi sulla simulazione su larga scala. “Forse abbiamo bisogno di hardware speciale come il computer Anton , sviluppato appositamente, dal New York Institute D. E. Research Shaw, per il ripiegamento proteico. Potrebbe anche essere necessario uno dei cosiddetti chip neuromorfici, che riproducono le strutture cerebrali direttamente via hardware. Il progetto Human Brain si propone di mostrare come sia possibile costruire un simile computer, ” dice Lippert.
Lippert e i suoi colleghi stanno anche sognando un robot intelligente il cui controllo sia preso dal simulatore di cervello. Forse il progetto Human Brain porta l’umanità molto più vicina alla cosiddetta singolarità.
Tra gli scienziati informatici è considerato il punto in cui la velocità e direzione del progresso tecnologico non potranno più essere stimati: se per esempio i robot fossero in grado di migliorare se stessi, questo sarebbe un tale punto di singolarità.
Lo scienziato informatico americano Ray Kurzweil ha previsto nel 2006, che la prima singolarità sarebbe stata raggiunta nel 2045. Markram e i suoi colleghi puntano sul 2020.
Al Consorzio ‘Human Brain Project’ partecipano 13 istituti di ricerca da nove paesi. Il consorzio è guidato da Henry Markram (EPFL,Svizzera). Condirettori sono Thomas Lippert (Research Jülich, Germania), Karlheinz Meier (Università di Heidelberg, Germania), Sten Grillner (Karolinska Institutet, Svezia) e Richard Frackowiak (Centre Hospitalier Universitaire Vaudois e Université de Lausanne, Svizzera).
www.humanbrainproject.eu
Per i progetti flagship competono per i Finanziamenti UE, fino a un miliardo di euro, divisi in dieci anni: FuturICT, Grafene, IT Future of Medicine, The Guardian Angels, RoboCom e Human Brain Project.
Nella seconda metà del 2012 la Commissione sceglierà i due che otterranno la promozione a progetti flagship.
