Cum să construieşti un creier uman

Puşi în faţa complexităţii năucitoare a creierului uman, extrem de dificil de studiat pe viu pentru a-i înţelege toate secretele, o parte a comunităţii ştiinţifice încearcă să abordeze problema altfel. În loc să studieze creierele umane obişnuite, naturale, s-au gândit să creeze un creier - un creier artificial, un model digital a acestui uimitor organ, sperând ca astfel să poată desluşi enigmele acestei formidabile creaţii a naturii. Mai multe astfel de proiecte sunt în desfăşurare şi nu putem decât să admirăm tenacitatea şi entuziasmul cu care oamenii de ştiinţă trudesc la realizarea lor, având în vedere cât de mari sunt dificultăţile pe care le înfruntă şi de care noi, cei din afara domeniului, nici nu ne dăm seama pe deplin. Ca să înţelegem şi să apreciem mai bine efortul lor, iată o scurtă explicaţie privind cele mai mari obstacole cu care se confruntă cei care încearcă să simuleze, printr-o minune a tehnologiei, una dintre minunile naturii: creierul omenesc.

Deşi se vorbeşte mult despre un viitor - nu prea îndepărtat - în care inteligenţa artificială o va depăşi pe cea umană, în realitate „fabricarea” unui creier artificial egal ca performanţe cu creierul uman - cu cele 100 de miliarde de neuroni şi cu 100 trilioane de conexiuni ale sale - este un proiect de o dificultate extremă.

Asta nu înseamnă că oamenii de ştiinţă se lasă descurajaţi; ca dovadă, câteva astfel de proiecte sunt deja în desfăşurare.

• în Europa, specialistul în neuroştiinţe Henry Markram şi echipa sa întreprind ambiţiosul şi controversatul Blue Brain Project, care urmăreşte modelarea unui creier uman virtual, cu ajutorul unui supercomputer.
• în SUA, preşedintele Barack Obama a anunţat, la începutul acestui an, că fonduri generoase (milioane de dolari pe an, timp de 10 ani) vor fi direcţionate spre iniţiativa BRAIN (Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies), ce are ca scop înregisrtararea activităţii fiecărui neuron din creierul uman.
• iar anul viitor urmează să se încheie Proiectul Conectomului Uman, început în 2009 şi care are în vedere realizarea unei hărţi detailate a conexiunilor creierului omenesc.

Care este miza acestor cercetări? Sau, cu alte cuvinte, de ce trebuie? 

Studiind arhitectura creierului şi principiile funcţionării lui, oamenii de ştiinţă speră să înţeleagă substratul a numeroase afecţiuni neurologice, al unor boli mintale (mult studiate, dar încă puţin înţelese), ca şi procesele ce stau la originea învăţării, a memoriei, a conştiinţei, a atâtor capacităţi extraodinare ale creierului omenesc. Înţelegând mai bine aceste lucruri, amafla cum pot fi stimulate anumite procese din creierul normal, cum pot fi corectate unele deficienţe, cum pot fi tratate cu succes boli care, ca urmare a creşterii duratei vieţii şi a instalării unui anumit stil de viaţă în lumea contemporană, devin tot mai răspândite.

Recent, un grup de experţi reunit la World Science Festival, în New York, a trecut în revistă marile probleme ale acestor proiecte. După discuţii de specialitate foarte docte, au ajuns la concluzia că toate încercările de a simula un creier uman, printr-un model digital care să fie capabil de aceleaşi performanţe miraculoase cu care evoluţia a înzestrat creierul nostru, vor avea de depăşit 4 mari provocări. Iată-le, aşa cum sunt ele prezentate de Megan Gannon, într-un articol recent.

1. Creierul nu este un computer

În ciuda numeroaselor comparaţii, devenite banale, între creier şi un computer - sau un supercomputer - în realitate creierul uman nu operează întocmai ca un computer, explică  Douglas Fields, de la  National Institute of Child Health and Human Development, specialist în neurobiologia dezvoltării. Deşi comunicarea între neuroni se face prin impulsuri electrice, creierul rămâne un organ biologioc, alcătuit din milioane de celule, celule care, sunt, la drept vorbind, un fel de „punguţe cu lichid”. Creierul nu are sârme, coduri digitale sau programe. Aşa încât, chiar dacă oamenii de ştiinţă ar putea vorbi despre un cod cu ajutorul căruia comunică neuronii şi ar face o analogie între acesta şi un cod digital, tot nu ar şti în ce limbaj de programare este „scrisă” funcţionarea creierului. Mai rămân multe de făcut pentru a putea converti modul de funcţionare a creierului într-un limbaj ce poate fi accesibil computerelor, în aşa fel încât creierul şi calculatorul să ajungă să vorbească aceeaşi „limbă” sau cel puţin să beneficiem de o traducere completă şi exactă între cele două.

2. Avem nevoie de tehnologii mai performante

Se pare că totuşi cercetătorii nu prea scapă de tentaţia de a face analogii între creier şi computer: Kristen Harris, specialist în neuroştiinţe la University of Texas, din Austin, afirmă că oamenii de ştiinţă au adesea tendinţa de a crede că un singur neuron este echivalent, ca putere, cu un laptop - un mod de a reprezenta complexitatea înmărmuritoare a proceselor care au loc în interiorul fiecărei celule a creierului.

În prezent, oamenii de ştiinţă au ajuns să poată studia în detaliu conexiunile între neuroni individuali, dar numai printr-un proces extrem de laborios: tăierea în felii extrem de subţiri a ţesutului cerebral, scanarea fiecărei felii sub microscopul electronic şi apoi reasamblarea feliilor într-o reconstrucţie digitală, explică Murray Shanahan, profesor de robotică cognitivă la Imperial College London.

Dar a repeta acest proces astfel încât să se obţină o reconstrucţie a unui singur creier uman ar dura o veşnicie, cu tehnologia actuală; în plus, pentru a obţine informaţii despre cum funcţionează un creier „mediu”, un creier uman obişnuit, ar trebui comparate mai multe astfel de creier reconstituite, şi e vorba de trilioane de conexiuni. E limpede că e nevoie de foarte mulţi specialişti şi de instrumente şi metode de lucru mai rapide şi mai precise, altfel va fi imposibil să se obţină rezultatele dorite. Singura speranţă este ca proiectele în desfăşurare să stimuleze şi inventarea unor noi tehnologii de investigare a creierului şi ca fizicienii şi inginerii să vină în ajutorul neurobiologilor. Proiectul BRAIN, speră Kristen Harris, ar putea stimula asemenea colaborări, care vor da un impuls considerabil studiului creierului omenesc.

3. Nu e vorba numai despre neuroni

Chiar dacă tehnologii şi aparate mai noi şi mai deştepte vor reuşi să cartografieze în mod eficient toate acele trilioane de conexiuni neuronale din creier, cercetătorilor tot le va rămâne de făcut ceva încă şi mai greu: să înţeleagă ce semnificaţie au acele legături pentru conştiinţa umană, pentru comportamentul uman...

Apoi, neuronii reprezintă doar 15% dintre celulele creierului. Celelalte sunt celule gliale, considerate, în mod tradiţional, ca alcătuind aşa-numita „substanţă albă” a creierului, în vreme ce neuronii alcătuiesc „substanţa cenuşie” sau „materia cenuşie”. Referirile la materia cenuşie ca „sediu” al inteligenţei reflectă un mod de gândire care domină de secole concepţiile ştiinţifice: multă vreme s-a crezut că doar neuronii „au de-a face cu gândirea”, iar celulele gliale au numai rolul de a asigura suportul structural şi nutriţional pentru neuroni. 

Dar cercetări mai recente par să arate că rolul celulelor gliale se extinde mult dincolo de funcţiiile care le erau atribuite până acum un 2-3 decenii. Douglas Fields spune că e posibil ca aceste celulel gliale să fie implicate într-un tip de comunicare cerebrală vitală, care nu este nici electrică, nici sinaptică.

Oamenii de ştiinţă au identificat anumite modificări specifice la nivelul celulelor gliale, la pacienţii cu boli neurologice precum scleroza amiotrofică laterală, epilepsia şi maladia Parkinson. Un studiu din 2011 a descoperit, analizând creierele unor pacienţi cu depresii grave şi care se sinuciseseră, anormalităţi la nivelul unor celulele gliale numit astrocite.

Field mai aminteşte şi de creierul lui Einstein (care a fost conservat pentru studiu) şi care nu avea nimic remarcabil în ceea ce priveşte neuronii, dar avea anumite caracteristici neobişnuite în ceea ce priveşte celulele gliale: unele studii afirmă că acestea erau mai numeroase şi cu o alcătuire mai complexă decât cele din creierele obişnuite.

Prin urmare, concentrarea pe neuroni ca fiind partea „activă” a gândirii, purtătorii, transmiţătorii şi „prelucrătorii” imensei cantităţi de informaţie care stă la baza capacităţilor cognitive atât de avansate ale creierului uman, înseamnă a pierde din vedere o parte cel puţin la fel de importantă, despre care ştim însă mult mai puţin. Însă aşa cum, fără materia albă, creierul nu ar putea funcţiona, nici oameni de ştiinţă nu ar putea cu adevărat înţelege creierul uman fără a înţelege cum sunt, ce fac şi cum fac celulele gliale.

4. Creierul este parte dintr-un ansamblu mai mare şi mai complex

Creierul răspunde permanent la informaţii primite din restul organismului. A studia creierul în mod izolat înseamnă a ignora, în mod inevitabil, semnalele care vin pe aceste căi, avertizează Gregory Wheeler, filosof şi informatician care lucrează la Carnegie Mellon University.

„Creierele au evoluat pentru a face corpul să funcţioneze în mediul din jur”, spune el. După părerea lui, în loc să încerce să realizeze un model al creierului izolat, experţii ar trebui mai curând să încerce să-l integreze într-un corp robotic, pentru a simula mai bine modul în care operează creierul în condiţii reale, ca un  „centru de comandă” al întregului organism.

Wheeler dă ca exemplu de corp robotic, util în acest sens, pe Shrewbot, un robot creat la Bristol Robotics Lab, Marea Britanie, inspirat dintr-un animal, chiţcanul etrusc pitic, Suncus etruscus, (cel mai mic mamifer din lume, ca greutate, cântărind doar aproximativ 1,8 g la maturitate).

Shrewbot este dotat cu „mustăţi” sensibile, ce imită vibrizele (perii senzitivi sau „mustăţile”) pe care le au pe bot multe mamifere. Semnalele captate de aceste mustăţi, înzestrate cu senzori de mare fineţe, influenţează modul în care se mişcă robotul - un proces care simulează, în mod foarte simplificat, procesul nartural prin care un animal funcţionează în mediul său de viaţă, în funcţie de semnalele senzoriale pe care le primeşte din mediu. 

Prin urmare, proiectul fabricării unei creaţii artificiale care să imite convingător funcţionarea creierului uman este cu adevărat una dintre cele mai îndrăzneţe intenţii umane. Va fi nevoie de tot entuziasmul şi priceperea cercetătorilor, de fonduri uriaşe şi chiar de o mare doză de nebunie creatoare, de extravaganţă inspirată, pentru a susţine aceste eforturi, „miracolul” ştiinţific necesar pentru a descifra întreaga enigmă a acestor miracole ale evoluţiei - creierul uman şi mintea umană.