Računari i mozak

Napredak u mapiranju moždanih puteva dovodi nas do granice naučne fantastike – mogućnosti da u mozak uploadujemo misli, emocije, sećanja

ili da svest čoveka potpuno prebacimo u kompjuter

Pre samo nekoliko godina, ideje o povezivanju ljudskog mozga i računara bile su limitirane na domen naučnofantastičnih knjiga ili filmova. Kada ste pre deceniju čuli nekoga da priča o direktnom dvosmernom protoku informacija između računara i mozga ili o uploadovanju kompletne svesti neke osobe u mašinu to je značilo jednu od dve stvari. Ili se radi o SF autoru ili o poremećenoj osobi. Danas stvari stoje prilično drugačije. Nedavno ostvarena tehnološka i naučna dostignuća omogućuju da po prvi put uradimo neke, do sada nezamislive stvari. U stanju smo da mapiramo mozak detaljnije nego ikada pre što nas dovodi bliže pronicanju u njegovo ultrakompleksno funkcionisanje. Takođe, progres na polju nanotehnologije sve više nas približava stvaranju interfejsa između elektronike i ljudskih neurona.

Apstrakcija

Najjednostavnije rečeno, mozak može najgrublje da se podeli na sivu i belu masu. Sivu masu čine tela moždanih ćelija, neurona, koje su grupisane u razne centre kore mozga. Svaki neuron ima jedan akson, dugi produžetak koji provodi signal na udaljene lokacije, kao da su moždani dalekovodi između ćelija. Da se signal ne bi izgubio ili izmenio na svom dugom putu, aksoni, kao strujni kablovi, ima izolaciju od supstance zvane mijelin koja je bele boje. Tako da se bela masa sastoji od aksona, od milijardi tankih puteva koji omogućavaju funkcionisanje ljudskog „centralnog procesora„. Mada, kablovi provode struju jednostavno, kretanjem elektrona. Signali u mozgu prenose se na mnogo kompleksniji način. Signal putuje duž aksona tako što pravi depolazizacionu kaskadu na samoj membrani, a prenos s neurona na neuron, takozvana sinapsa, funkcioniše hemijski, lučenjem raznih neurotransmiterskih supstanci.

Iako su osnovni putevi u mozgu već odavno poznati, istraživanja i dalje traju kako bi se još tačnije ispratili povezanost moždanih centara i prenos signala. Tehnika koja se koristi za ovo mapiranje je takozvani DMI (diffusion spectral imaging). DMI podrazumeva praćenje prirodnog toka molekula vode kroz moždano tkivo putem magnetne rezonance (MRI). Voda se prati jer je njena spontana difuzija olakšana paralelno s moždanim putevima, a otežana normalno na njih. Tako da kada pratite vodu, pratite puteve električnih impulsa u mozgu. Boja na snimku ukazuje na intenzitet protoka vode, pa samim tim i aktivnost odnosno brzinu provođenja nekim putem. Preteča DMI je takozvano funkcionalno MRI snimanje gde se pomoću magnetne rezonance prati protok krvi u centre mozga. Kako bi centri bili kativni, tokom snimanja se prate dobrovoljci kojima je naloženo da se koncentrišu na nešto specifično ili da obavljaju neki poseban zadatak. Nedavno je fokus pomeren na mnogo kompleksnije ponašanje mozga u opuštenom stanju, bez specifičnih zadataka. Ovaj takozvani DMN (Default Mode Network) režim ukazuje da mozak i tokom opuštanja neumorno radi i analizira postojeće podatke i sećanja.

Vizualizacija obrađenih podataka dobijenih pomoću DMI na prvi pogled izgleda kao prelepi komad apstraktne umetnosti. Sem toga, ove slike su deo rezultata napornog rada Human Conectome Projecta čije preliminarno objavljivanje je nedavno počelo. HCP je najveća studija ove vrste koja planira da obuhvati paralelne skenove oko trista parova identičnih blizanaca, kao i njihove sestre i braću koji nisu blizanci. Do kraja projekta napraviće se ukupno više od 1200 skenova različitih osoba. Ova misija počela je pre četiri godine s budžetom od četrdeset miliona dolara i njen konačni cilj je kompletno, precizno mapiranje svih puteva u ljudskom mozgu. Iako na ovom projektu učestvuju stručnjaci iz celog sveta, sama ispitivanja obavljaju se tamo odakle je najveći deo finansiranja – u SAD. Kako bi rezolucija snimaka bila što veća i mapiranje preciznije koristi se jedan od najjačih MRI skenera na planeti koji se nalazi u bolnici Massachsetts General.

Putevi

Značaj ovog istraživanja je u tome što ide na ruku naučnicima koji već neko vreme tvrde da su konekcije, a ne moždani centri, ono zbog čega se ponašamo na određeni način. Tako, na primer, centar za strah nalazi se u regionu po imenu amigdala (lat. Corpus amygdaloideum) u sredini slepoočnog režnja mozga. S druge strane, svesno poimanje straha odvija se u kori čeonog režnja. Zato će osoba s jačim konekcijama između ova dva udaljena regiona imati burnije reakcije na stresne situacije nego osoba s manje puteva. Slično tome, dobri javni govornici su uvek osobe kod kojih je Vernikeova zona za razumevanje jezika snažno povezana sa Brokinim regionom za formiranje govora.

U okviru istog programa postoji više „konzorcijuma„ odnosno timova sa specfičnim zadacima. Dok grupe s Univerziteta UCLA i Harvard rade na mapiranju velikih moždanih puteva, drugi konzorcijum zvani WU-Minn (univerziteti u Vašingtonu i Minesoti) radi na malim grupama neurona koji formiraju lokalne puteve u centrima. Registrovanje snažnog protoka vode u ovim putevima ukazuje na pojačanu nervnu aktivnost pojedinih centara i zona. Na osnovu dobijenih podataka, pravi se lepezasta mapa moždanih puteva, kako lokalnih, tako i magistralnih. Naučnici se nadaju da će na osnovu ovih mapa, odnosno da će na bazi sličnosti i razlika u mapama blizanaca i njihovih najbližih rođaka moći da se definiše električno funkcionisanje mozga u određenim situacijama.

Ako možemo da definišemo funkcionisanje mozga na električnom nivou, onda ovaj biološki sistem može da se poveže s računarom. Sledeći koraci nakon toga vode u dva pravca. S jedne strane je pokušaj da se napravi simulacija kompletnog električnog sistema mozga u računaru. S druge je povezivanje s ljudskim mozgom i izazivanje ovih impulsa putem spoljašnjeg uređaja što bi, u teoriji, moglo da prenosi osete, misli i osećanja ili, pak, puna sećanja specifičnih događaja.

HBP i BRAIN

Iako Human Conectome Project još traje, objavljivanje preliminarnih podataka pokrenulo je dva nova multinacionalna poduhvata za izučavanje funkcionisanja mozga i razvijanje potrebnih tehnologija, pogotovo neuroinformatike i nanobiotehnologija. U aprilu u SAD pokrenuta je BRAIN Initiative (Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies) s inicijalnim budžetom od sto miliona dolara. Nekoliko nedelja ranije, Evropska zajednica počela je Human Brain Project, misiju koju predvode Univerziteti u Lozani i Hajdelbergu za koju će tokom sledeće decenije biti izdvojeno gotovo 1,2 milijarde evra.

Dok mape mozga, pravljene pomoću DMI, lepo izgledaju i usmeravaju istraživače u pravom smeru, cilj je da se precizno odredi šta radi svaki neuron. Trenutno, to je moguće samo invazivnim metodama, odnosno ugradnom nanosonde u neuron koji ispitujemo. Takođe, za sada smo ograničeni na jednostavne organizme, kao što je sićušni valjkasti crv Caenorhabditis elegans. Nervni sistem ovog crva broji samo 302 neurona i oko 5000 sinapsi, tako da je relativno lako mapirati sve njegove puteve. Sledeći koraci su ovladavanje nervnim sistemom vinske mušice, zatim malih riba, pa miševa, da bi se zatim počelo s ispitivanjem primata. Istraživači se nadaju da će njihov rad biti ispraćen značajnim napretkom na polju nanotehnologije koja će biti neophodna za ispitivanje nervnih sistema kompleksnih životinja i, na kraju, samih ljudi.

Danas, ove sonde su i pored svoje mikronske veličine prilično invazivne. Veličinu sonde trenutno diktira promer elektroda koje detektuju signale i vodiča koji prenose podatke registrovane elektrodama. Moderan senzorski snop sadrži 52 žice i 456 elektroda. Koje 52 elektrode od tih 456 će biti aktivne određuje istraživač preko eksternog interfejsa. Pretpostavke naučnika su da će već sledeće godine smanjiti ovaj sistem da ima četiri puta više žica i pet puta više elektroda. Ipak, njihova nada je da će buduće sonde biti nanomašine s veoma specifičnim osobinama. Idealna nanosonda biće u stanju da se trajno poveže s membranom neurona, da energiju za svoj rad crpi od same ćelije koju prati, ali bez ometanja njene funkcije i, na kraju, da podatke koje sakuplja šalje bežično. Za kvalitetan interfejs između mozga i računara nije dovoljno samo registrovanje postojećih električnih potencijala u neuronima nego je potrebno i njihovo stvaranje. Istraživanja na valjkastim crvima pokazala su da je za pobuđivanje impulsa u neuronima dovoljan mali, niskoenergetski svetlosni izvor.

Zajednički jezik

Sama količina neurona i sinapsi u ljudskom mozgu ukazuje na to koliki posao je pred naučnicima. Procenjuje se da mozak prosečnog čoveka ima oko 90 milijardi neurona koje povezuje više od 100 biliona sinapsi. Detaljne slike moždanih puteva samo jedne koje su napravljene putem DMI „teške„ su oko 300 gigabajta. Tako da više od dvesta ljudi na projektu HCP ima dužnost samo da pregleda ove snimke i da prati moždane puteve. Kako je DMI samo korak u pravom smeru, a ne finalno rešenje pri mapiranju moždanih signala, treba da očekujemo da će nove tehnologije generisati još više podataka za čiju obradu će biti potrebno ili više ljudi ili mnogo moćniji superračunari. Nemojte da vas iznenadi ako se uskoro pojave crowdsourcing projekti koji od vas traže da u slobodno vreme pratite kretanje signala kroz neurone. Pretpostavlja se da mozak sadrži petabajt statičnih podataka, tako da za praćenje celog mozga više stotina ispitanika tokom dužeg vremenskog perioda dobijamo potrebu da se brzo obrađuju zetabajti podataka. Ideja je da se različite zone mozga proučavaju odvojeno radi lakšeg razumevanja, a zatim na osnovu sakupljenih podataka napravi virtuelni model kompletnog mozga u superračunaru na kom bi se testirala stečena znanja i teorije.

Da stvar bude smešnija, obrada ogromne količine podataka je lakši deo problema. Ključ za pronicanje u tajne mozga leži u kontekstualizaciji tih podataka. Naime, mašine već sada mogu da „čitaju misli„. U potiljačnom režnju velikog mozga nalazi se vizuelni korteks koji je zadužen za razumevanje svega što vidimo. Kako je vid dominantno čulo, ovaj deo kore mozga je solidno mapiran i putem funkcionalnog MRI-ja moguće je „pročitati„ šta ta osoba gleda. Ipak, čak i kada dobijemo u računaru sliku objekta kog neko vidi, mašina ne zna šta taj predmet znači. Odnosno, mozak „vidi„ objekte pomoću vizuelnog korteksa, ali ostatak mozga povezuje tu sliku s iskustvima i daje im smisao.

Neki istraživači idu dotle da tvrde da se sva naša iskustva zapravo sastoje od okvira koje čine informacije sakupljene čulima, a onda se taj okvir nadograđuje maštom i povezivanjem s ranijim iskustvima. Kao kad kamen padne u vodu i pravi talase, čulne informacije su udar kamena u površinu vode, a sećanje su talasi koji se šire na mnogo većem prostoru. Ovo znači da za prenos sećanja mnogo komplikovaniji od pukog isporučivanja podataka koje su u tom trenutku registrovala čula. Naučnici trenutno rade na transferu „udara kamena„ koji je načelno isti kod svih ljudi, a već za ovaj deo potrebno je stvaranje novih programskih jezika koji će omogućiti bolje sporazumevanje između mozga i računara. Idealno, tehnologije koje će biti razvijene tokom ovog procesa, stvoriće nov način skladištenja podataka, možda i arhitekture procesora koji će dovesti do neophodnog povećanja pomenutih hardverskih prohteva. „Širenje talasa„, s druge strane, jedinstveno je kod svake osobe i postavlja se pitanje da li ćemo ikada moći da prenesemo te podatke.

Upload?

Tako konačno dolazimo u svet SF-a od kog smo pominjali na početku. Da li će uskoro biti moguće surfovanje internetom tako što ćemo samo da priključimo neki uređaj direktno na glavu? Možda ćemo moći da učitamo tuđa sećanja i bez rizika „doživimo„ padobranske skokove ili penjanje na Everest. Naravno, kada postane izvesno da će biti moguće da ovako nešto stvarno zaživi u skoroj budućnosti, samo je pitanje vremena kada će početi upozoravanja s raznih strana na opasnosti koje vrebaju od neetičkog korištenja ovih tehnologija. Ipak, pre nego što neko krene da preti distribucijom „ekstremnijih„ ljudskih sećanja kao što smo mogli da vidimo u filmu Strange Days ili najavljuje apokalipsu u vidu Matrixa treba imati u vidu zbog čega se sve ovo radi.

Cilj svih ovih istraživanja je bolje razumevanje rada ljudskog mozga kako bi mogla da se leče brojna oboljenja nervnog sistema, bilo stečena bilo urođena. Što više znamo o tome šta se tačno dešava na kompleksnim, ultrabrzim auto-putevima našeg uma, to je moguće pomoći većem broju ljudi s različitijim tegobama. Naravno, dodatni je plus ako nusproizvodi ovakvih istraživanja dovedu do neočekivanih unapređenja čovečanstva. Mogućnost transfera znanja i sećanja, možda nova generacija virtuelne stvarnosti koja se dešava u našem umu ili čak opcija da se svest osobe na samrti prebaci u računar gde će „živeti večno„ – sve ovo svakim danom sve više postaje budućnost naučne stvarnosti, a manje današnja naučna fantastika.

Dragan KOSOVAC