Nauka do wstrzyknięcia
Wykupienie dostępu pozwoli Ci czytać artykuły wysokiej jakości i wspierać niezależne dziennikarstwo w wymagających dla wydawców czasach. Rośnij z nami! Pełna oferta →
MICHAŁ GIKOWSKI: Wszyscy dzisiaj ekscytują się postępami w badaniach nad sztuczną inteligencją. Jak z perspektywy Pani – specjalistki od neurobiologii – to wszystko wygląda? Czy jesteśmy blisko stworzenia sztucznego systemu, który funkcjonalnie przypominałby ludzki mózg?
PROF. KATRIN AMUNTS: Poziom złożoności naszego mózgu jest niezwykły. Staramy się coraz lepiej rozumieć jego organizację i to, w jaki sposób struktura powiązana jest z jego funkcjami. To wciąż rozwijające się pole badań i mamy wciąż wiele pytań bez odpowiedzi, zwłaszcza jeśli idzie o to, w jaki sposób zorganizowane są połączenia wewnątrzmózgowe. Jak tworzone są w mózgu sieci, które następnie kształtują nasze zachowania czy realizują pewne zadania. Bo choć dość dobrze rozumiemy to, jak działają pewne funkcje behawioralne czy kognitywne, to w wielu przypadkach nasza wiedza jest ograniczona.
To, czego dowiadujemy się o mózgu, może być potencjalnie przenoszone na technologie komputerowe, na budowę sztucznych sieci neuronowych. Nawet stosując sieci o prostszej architekturze od tych obserwowanych w naturze, możemy osiągnąć nieoczekiwane rezultaty. Widzimy to obecnie w rozwoju technik tzw. „głębokiego uczenia”. To nie jest nowa koncepcja, pochodzi jeszcze z lat 50., kiedy zaproponowano pierwsze, bardzo prymitywne sieci neuronowe. Potem stało się jasne, że w procesie uczenia liczne warstwy mogą zrobić więcej niż jedna, że sieć o bardziej zorganizowanej strukturze może działać lepiej niż sieć o prostszej organizacji. Szybki rozwój tych technologii, jaki obecnie obserwujemy, bazuje na dostępności ogromnej ilości danych, w których wyszukujemy wzorców, wykorzystując wielką moc obliczeniową. Ale to podejście inne od tego, co obserwujemy w ludzkim mózgu.
ZAMASKOWANI. CO NAPRAWDĘ WIEMY O AUTYZMIE
Bo ludzie uczą się inaczej niż komputery?
Ludzie zazwyczaj uczą się na bardzo niewielkiej liczbie przykładów. Nie potrzebujemy ich tysięcy, żeby zrozumieć, że ślimak to istota o pewnych ogólnych cechach, gdy idzie o wygląd czy sposób poruszania się. Kiedy po raz pierwszy zobaczymy ślimaka, będziemy w stanie natychmiast zakwalifikować inne podobne zwierzęta jako ślimaki. Współczesne systemy głębokiego uczenia działają inaczej, często opierają się na prostych metodach statystycznych. Tempo postępu w tej dziedzinie jest zdumiewające, ale niekoniecznie jest on blisko powiązany z ludzkim mózgiem.
Jednym ze „świętych Graali” badań nad ludzkim mózgiem miało być stworzenie wirtualnego mózgu, superkomputerowej symulacji wszystkich zachodzących w nim procesów. Jak daleko od tego jesteśmy?
Kiedy jako neuronaukowcy mówimy o symulacji mózgu, zazwyczaj szukamy odpowiedzi na bardzo konkretne pytania. Chcemy symulować funkcjonowanie pamięci, symulować procesy towarzyszące poruszaniu się, chwytaniu obiektów albo działanie poszczególnych komórek. Od tego, jak pracuje pojedyncza komórka, po to, jak działają ich wielkie sieci czy jak takie sieci wchodzą między sobą w interakcje. Ale to zawsze symulacja konkretnego zjawiska, a nie próba odtworzenia funkcjonowania całego mózgu.
Nastąpiły duże postępy w zwiększaniu rozmiarów i wszechstronności tych symulacji oraz w wykorzystywaniu ich do poszukiwania odpowiedzi na konkretne pytania – w nauce podstawowej, w klinicznych prognozach z wykorzystaniem spersonalizowanych modeli mózgów pacjentów, a także w technologii, np. przy budowie nowych typów sztucznej inteligencji. Symulacja jest narzędziem pozwalającym zrozumieć konkretne procesy, i – jak każdy model – ma mocne i słabe strony. Ale jeśli pytanie, jakie sobie zadajemy, jest wystarczająco precyzyjne, zazwyczaj jesteśmy w stanie dzięki symulacjom lepiej zrozumieć problem.
Wydaje się, że im więcej wiemy, im więcej pojawia się pytań, im bardziej zagłębiamy się w to, jak działa mózg, z tym większą liczbą wyzwań zaczynamy się mierzyć. Które z nich są obecnie najciekawsze?
To, że wraz z zagłębianiem się w temat wciąż pojawiają się nowe pytania, nie jest czymś charakterystycznym wyłącznie dla badań nad mózgiem. Podobny proces zachodzi np. w astrofizyce, w badaniach nad klimatem czy w genetyce. Pytania, które zadajemy, ewoluują. Pytania o to, jak działa mózg, jak jego struktura jest powiązana z jego funkcjami, co pozwala nam wykonywać czynności tak złożone, jak gra na fortepianie czy jazda na rowerze – są pytaniami bardzo starymi. Zmienia się jednak to, jak próbujemy na nie odpowiadać.
W ostatnich latach zrozumieliśmy, że mózg to niezwykle złożony system, który jest zorganizowany w różnych skalach przestrzennych i czasowych. Od cząsteczek, przez komórki, małe sieci komórek, wielkie sieci, po mózg jako całość i mózg jako element ludzkiego ciała. Największe wyzwanie polega na zrozumieniu, jak połączyć te wszystkie skale. Mamy informacje o aktywności elektrycznej komórek – ale jak wiążą się one z konkretnymi zachowaniami czy decyzjami podejmowanymi przez człowieka?
Chciałabym oczywiście zrozumieć organizację całego mózgu. Jednak w tym celu musimy cofnąć się do pojedynczych komórek, zrozumieć to, jak się rozgałęziają, jaka jest ich chemiczna i genetyczna charakterystyka. Musimy powiązać naszą wiedzę o pojedynczej komórce o wielkości 10 mikrometrów z wiedzą o całym organie, który waży niemal 1,5 kg. To ogromne, koncepcyjne wyzwanie, bo wymaga interakcji wielu dziedzin: fizjologów, anatomów, genetyków, psychologów, fizyków.
Wyzwanie jest także metodologiczne, bo nie mamy jednego instrumentu, który pozwalałby nam podglądać mózg na wszystkich poziomach. Mamy jednak tworzony przez nas atlas o nazwie EBRAINS. To narzędzie, które pozwala łączyć wiedzę o różnych skalach organizacji mózgu, a także odkrycia dokonywane w różnych laboratoriach. Pozwala nam ujmować różne aspekty organizacji mózgu w jednej przestrzennej siatce. Atlas jest otwarty, może być rozbudowywany przez innych naukowców i daje nam wspólną przestrzeń, na której próbujemy zrozumieć różne aspekty organizacji mózgu.
Jak EBRAINS wygląda z perspektywy użytkownika? Pozwala podziwiać w dużym przybliżeniu dowolną część mózgu?
Tak, jest trochę jak aplikacja Google Maps dla mózgu. Możesz zrobić zbliżenie i przyjrzeć się organizacji pojedynczych komórek, albo spojrzeć szeroko na wielkie ich sieci. I, tak jak w Google Maps, w naszym atlasie, poza wyszukiwaniem prostych informacji przestrzennych, możemy też zapytać o konkretne dane – odpowiednik wpisania hasła „gdzie jest najbliższa restauracja”.
JAK DZIAŁA GPT-4
Innymi słowy, opracowywany przez nas atlas to nie tylko narzędzie do wizualizacji tego, gdzie jesteś, ale i tego, co się dzieje. Możesz zacząć od danego punktu w mózgu i sprawdzić, jaka jest gęstość znajdujących się tam komórek czy ich sygnatura molekularna. I powiązać te informacje z danymi funkcjonalnymi, by spróbować zrozumieć, czy to się wiąże z rolą, jaką ten sam obszar pełni w jakimś procesie językowym. Atlas pozwala więc łączyć różne poziomy organizacji, struktury i funkcji mózgu; aspekty mikroskopowe, makroskopowe i genetyczne, ale też łączyć je na różnych skalach.
Filozofowie lubią powtarzać, że ludzki mózg to najbardziej skomplikowana struktura we wszechświecie – przynajmniej spośród tych, które znamy. Potrafimy go już opisać komórka po komórce?
Szacujemy, że w mózgu znajduje się ok. 86 mld neuronów i podobna liczba komórek glejowych, powiązanych na różne sposoby z neuronami. Nie możemy oczywiście z najwyższą precyzją opisać tego, co robi każda z tych komórek. Przyjmijmy dla uproszczenia, że mamy około 100 mld komórek nerwowych. Każda z nich może mieć 10 tys. połączeń z innymi komórkami nerwowymi. To oznacza, że mamy 2 razy 10 do 15 potęgi różnych możliwych stanów. Opisanie ich wszystkich jest niemożliwe. Ale staramy się zrozumieć zasady rządzące zachowaniem komórek. Możemy wykorzystywać metody takie jak uczenie maszynowe, by przewidywać funkcjonowanie elementów mózgu.
Wspomniała Pani, że Human Brain Project wymaga bardzo szerokiego podejścia i współpracy m.in. fizyków, chemików, biologów i psychologów. Wyobrażam sobie, że już znalezienie wspólnego języka dla ludzi z tak różnych dziedzin było wyzwaniem.
To był trudny proces, który w ramach Human Brain Project zajął kilka lat. Mamy jeden cel, choć każdy z nas ma inne motywacje. Specjaliści od neuromorficznych komputerów – tzn. funkcjonujących na podobnych zasadach jak mózg – chcą budować lepsze neuromorficzne komputery. Psycholog będzie chciał zrozumieć, dlaczego ludzie przejawiają tak zróżnicowane zachowania czy zdolności poznawcze, albo jak lepiej leczyć pacjentów. Ostatecznie jednak wszyscy chcemy po prostu lepiej zrozumieć działanie mózgu. Musimy wspólnie wypracować i podejście, i narzędzia, takie jak atlas czy symulacje.
Badanie czegoś tak złożonego jak ludzki mózg wymaga połączenia sił. Przekracza możliwości jednej grupy, jednego instytutu, a nawet jednego kraju. Stąd pomysł na flagowy projekt gromadzący ludzi z różnych państw, dyscyplin i kultur. Stworzyliśmy w Europie infrastrukturę badawczą, która może pomóc innym badaczom odpowiadać na kolejne pytania.
Dlaczego zainteresowała się Pani badaniami mózgu?
Od początku, jeszcze od czasu studiów, fascynowała mnie architektura komórek. Pamiętam, że oglądałam preparaty z wycinkami mózgów rozwijających się dzieci, dorosłych czy tkanek dotkniętych schorzeniami. Chciałam zrozumieć, jak struktury z tych wycinków związane są z funkcjami wypełnianymi przez mózg.
Architektura komórek to temat, który jest analizowany od ponad stu lat. Od samego początku tych badań opierano się na hipotezie, że architektura mówi nam coś o połączeniach obszarów mózgu, ale też o ich funkcjach. To była hipoteza, która leżała u podstaw prac słynnego badacza mózgu z początku XX w., Korbiniana Brodmanna, ale też prac Cécile i Oskara Vogtów, na cześć których nazwano w Düsseldorfie instytut, którym obecnie kieruję. Punktem wyjścia dla mnie była jednak fascynacja architekturą mózgu i przekonanie, że jej lepsze poznanie pozwoli mi lepiej zrozumieć, jak działa mózg i dlaczego w pewnych sytuacjach nie działa prawidłowo.
Pani zdaniem mózg jest piękny?
Tak, o architekturze mózgu można mówić w kategoriach piękna. Ja jestem anatomem, fascynuje mnie więc jej porządek i struktura, ale ma ona też dużą wartość estetyczną.
Jeśli spojrzymy w przeszłość, na ostatnią dekadę badań nad mózgiem, to jakie były największe odkrycia, których dokonaliśmy? Co nas zaskoczyło?
Odpowiedzi na te pytania mogłyby wypełnić program całej konferencji naukowej. Dla mnie kluczowe jest to, że nauczyliśmy się łącznie traktować różne aspekty organizacji mózgu. Żeby zrozumieć jego mechanizmy i funkcje, musimy patrzeć na strukturę i funkcjonowanie mózgu szeroko, z wielu różnych perspektyw. Human Brain Project był w znacznym stopniu pionierskim badaniem tego rodzaju. Neuronauka, z pokawałkowanego pola badawczego, składającego się z wielu, wielu dziedzin często działających w częściowej izolacji, zmieniła się w coś o wiele bardziej zintegrowanego. Kiedy odkrywamy, że mamy do czynienia ze zmianami na poziomie molekularnym, możemy pytać, co oznaczają one na poziomie komórkowym albo na poziomie przekazywania sygnału do innych komórek aż do np. aktywacji mięśni, które pozwalają nam ruszyć palcem.
W ciągu ostatniej dekady zrobiliśmy też postępy na polu symulacji. Kiedyś działały na poziomie komórek, dziś jesteśmy w stanie symulować funkcjonowanie znacznych obszarów mózgu. Dziesięć lat temu nie mieliśmy tak rozwiniętych metod głębokiego uczenia, albo raczej było to jedno z wielu narzędzi. Tymczasem dziś jest jednym z kluczowych narzędzi w naszych rękach i, co więcej, odkrycia neuronaukowe dotyczące struktury mózgu przekładają się na jego rozwój. Spodziewam się, że wkrótce zobaczymy na tym polu jeszcze większy postęp, że zamiast stosunkowo prostej struktury programów takich jak ChatGPT zobaczymy sztuczne sieci neuronowe inspirowane biologią i zasadami rządzącymi funkcjonowaniem ludzkiego mózgu.
Trudno byłoby w tej rozmowie uciec od wielkich pytań. Bo w końcu badania nad mózgiem to badania nad tym, kim jesteśmy jako ludzie. Jak blisko jesteśmy odpowiedzi np. na to, skąd bierze się świadomość?
To jedno z najbardziej fundamentalnych pytań, jakie sobie zadajemy. Opracowaliśmy narzędzia opisujące ją na poziomie matematycznym czy na poziomie praktycznych pomiarów. To ważne nie tylko ze względu na filozoficzną wagę tego pytania, ale także ze względu na potrzeby medycyny mózgu. Bo pytanie o świadomość jest bardzo praktyczne z medycznego punktu widzenia. Musimy wiedzieć, jak podchodzić do tej kwestii, by pomóc ludziom znajdującym się w głębokiej śpiączce czy cierpiących na inne zaburzenia świadomości. W ciągu ostatnich lat dokonaliśmy w ramach Human Brain Project istotnych postępów na tym polu. Mamy zaawansowane metody pozwalające mierzyć to, czy pacjenci, którzy nie reagują na bodźce, są w rzeczywistości świadomi i postrzegają swoje otoczenie.
SZKOŁA PSZCZELEGO TAŃCA
Zrozumienie tego, co czyni nas ludźmi, jest niezwykle trudne i niezwykle istotne. Wykracza też poza samą neuronaukę. Potrzebujemy w tym celu psychologów poznawczych, filozofów, etyków, fizyków i informatyków, ale też wkładu całego społeczeństwa. Odpowiedź na te fundamentalne pytania nie należy tylko do nas, ale jako neuronaukowcy możemy pomóc zapewnić tej debacie naukowe podstawy. Tak, by ta dyskusja była oparta na twardej wiedzy, a nie jedynie na spekulacjach. Najważniejszym zadaniem, jakie przed nami stoi, jest jednak to, by nasze badania pomogły poprawić stan zdrowia i jakość życia pacjentów oraz rozwiązywać praktyczne problemy.
Przenieśmy się na koniec o pięć lat w przyszłość. Co chciałaby Pani wtedy wiedzieć, czego nie wiemy jeszcze dzisiaj?
Chciałabym móc sformułować prosty zestaw zasad rządzących tym, jak elementy mózgu łączą się ze sobą. Chciałabym mieć ukończony szczegółowy atlas, pokazujący strukturę mózgu i rdzenia kręgowego z rozdzielczością do pojedynczej komórki. I chciałabym, by nasze badania przełożyły się na medycynę i pomagały pacjentom cierpiącym z powodu chronicznego bólu, parkinsona czy innych schorzeń. ©
KARTOGRAF MÓZGU
PROF. KATRIN AMUNTS jest tak nazywana w materiałach prasowych udostępnionych na oficjalnej stronie Human Brain Project. Obecna dyrektor naukowa tego projektu badawczego pracuje nad stworzeniem precyzyjnego, trójwymiarowego atlasu ludzkiego mózgu. Jak sama mówi – neurologicznego odpowiednika Google Maps.
HUMAN BRAIN PROJECT jest jednym z flagowych programów badawczych Unii Europejskiej. Zapoczątkowany w 2013 r., zrzesza przeszło 500 badaczy z 19 krajów i 155 instytucji. Ma nie tylko pchnąć naprzód naszą wiedzę o strukturze i funkcjonowaniu układu nerwowego człowieka – co może pomóc choćby w opracowaniu terapii nieuleczalnych dziś schorzeń neurologicznych. Przeznaczone na ten projekt przez Komisję Europejską ponad 600 mln euro może też skutkować rozwojem nowych technologii, choćby zaawansowanych form uczenia maszynowego i sztucznej inteligencji.
PROF. AMUNTS kieruje także Instytutem Badań nad Mózgiem im. Cécile i Oskara Vogtów na Uniwersytecie Heinego w Düsseldorfie oraz Instytutem Neuronauki i Medycyny w Jülich. Będzie jednym z głównych gości tegorocznej edycji Copernicus Festival, w ramach którego 25 maja wygłosi w Krakowie wykład: „Brain, Computer, Comprehension” (Mózg, komputer i rozumienie).
