Human Brain Project bojuje o miliardu EUR na co nejrealističtější počítačový model lidského mozku

Oficiálně měl být míting Švýcarské akademie věd, který se konal letos koncem ledna v Bernu, jen přehledem počítačového modelování v oblasti neurovědního výzkumu. Neoficiálně to však byla první reálná šance neurovědců dostat odpovědi týkající se kontroverzního Markramova návrhu na The Human Brain Project, jenž je defakto snahou o superpočítačovou simulaci zahrnující vše, co dosud víme o lidském mozku, od struktur iontových kanálů v membránách nervových buněk až k mechanismům vědomého rozhodování.

Henry Markram, původem jihoafrický elektrofyziolog, který do Švýcarského federálního institutu technologií v Lausanne přišel před deseti roky, může v dohledné době naplnit své vysoké ambice. Jeho projekt je jedním z šesti finalistů soupeřících o 1 miliardu EUR z programu FET Evropské unie. Dva vítězové v něm získají každý 100 miliónů EUR ročně po dobu deseti let.

"Výzkum mozku dnes generuje 60.000 odborných článků za rok," uvedl Henry Markram, při objasňování svého konceptu v Bernu. "Všechno to jsou krásné a fantastické studie - všechny se ale soustředí jenom na jednu uzonkou stránku problému: tato molekula, tato oblast mozku, tato funkce, tato mapa." Human Brain Project by všechna tato zjištění integroval a vytvořil by modely ke zkoumání toho, jak jsou mozkové obvody organizovány a jak to dává vznik našemu chování, schopnosti poznání a sebeuvědomění - tedy nejhlubších záhad neurověd. Human Brain Project by mohl výzkumníkům také pomoci vypořádat se s poruchami jako je Alzheimerova choroba. "Nebudeme-li mít ucelený pohled, nebudeme těmto chorobám nikdy pořádně rozumět," prohlásil Henry Markram v závěru obhajoby svého projektu.

Paradoxně místo toho, aby se po setkání akademiků záměry projektu vyjasnily, dostavily se ještě hlubší obavy a znepokojení ohledně Markramových vizí. Mnoho neurovědců mu vyčítá, že projekt je špatně koncipovaný, a Markramův přístup k simulaci mozku jim připadá zbytečně detailní a až groteskně těžkopádný. Poukazují také na vliv nevšedního zájmu ze strany médií, kterého se projektu dostává, a to zejména v přeceňování toho, co má přinést. A vůbec už si nejsou jistí svojí důvěrou, že projekt pod Markramovým vedením bude opravdu otevřený i vůči jiným myšlenkám.

"Neurovědy potřebují určitý rozptyl," prohlásil Rodney Douglas, jeden z ředitelů Institutu pro neuroinformatiku (INI), který je společnou iniciativou Univerzity v Curychu a Švýcarského federálního institutu technologií v Curychu (ETH Curych). Vzhledem k tomu, jak málo se o mozku ví, řekl: "Potřebujeme, aby se k tomu vyjadřovalo tolik různých lidí, kolik je možných různých nápadů" – pokud by se už tak omezené prostředky pro neurovědy nasměrovaly do jediného úsilí, byla by tato rozmanitost ohrožena.

Markram se nicméně nenechal odradit. "Právě teď," argumentoval, "neurovědci nemají žádný plán pro dosažení komplexního pochopení mozku." - "Toto je plán." - "Sestavit sjednocující modely."

Markramova velká vize

Markram se po této jednotě pídí již nejméně od roku 1980, kdy zahájil své postgraduální studium na univerzitě v Kapském Městě v Jižní Africe. Svůj první studijní obor, kterým byla psychiatrie, však záhy opustil. Rozhodl se tak, protože to bylo hlavně o strkání lidí do stanovených diagnostických šuplíků a v souladu s tím pak o provádění jejich léčby. "Toto nám ale nikdy nepoví, jak mozek pracuje," vzpomínal v Bernu.

Jeho hledání nového směru ho přivedlo do laboratoře již zmiňovaného Rodney Douglase v Kapském Městě. Markram byl uchvácen. "Řekl jsem: 'To je ono! Po zbytek svého života, se budu šťárat v mozku a snažit se pochopit, jak funguje, až do nejmenších detailů, do kterých to půjde.'" Zde také nakonec získal svůj první univerzitní titul bakaláře vědy B.Sc..

Stejné nadšení mu později přineslo titul Ph.D. na Weizmann Institute of Science v Rehovotu v Izraeli. Ve studiu iontových kanálů a synaptických váčků dále pokračoval v americkém Národním institutu zdraví v Marylandu. Své neurovědecké zkušenosti si pak dále obohatil na Institutu pro lékařský výzkum Maxe Plancka v Heidelbergu v Německu.

Později byl jmenován docentem na Weizmann Institute of Science, kde začal systematicky zkoumat neuronové kortikální sloupce. Odhalil, že synaptické učení může mít za následek spíše změny v synaptické dynamice resp. v redistribuci synaptické účinnosti, než pouhé změny síly jednotlivých spojů. Objevil také celé spektrum nových principů řízení mikroobvodových struktur a funkcí v neokortexu. Na základě vynořující se dynamiky mikroobvodů v neokortexu vytvořil společně s Wolfgangem Maassem teorii kapalného počítání neboli výpočetních procesů s vysokou mírou neuspořádanosti mikroskopických stavů založených na kapalném stavovém automatu, což je podobný výpočetní konstrukt jako neuronová síť.

"V polovině devadesátých let jsem si uvědomil, že tímto tempem nemám šanci pochopit, jak mozek funguje, ani za dalších 30 let své kariéry," říká Henry Markram.

Usoudil, že by pomohlo, kdyby neurovědci dali své jednotlivé objevy nějak systematicky dohromady. Každý experiment totiž alespoň mlčky zahrnuje model, ať už je to molekulární struktura iontového kanálu nebo dynamika kortikálního obvodu. Kdybychom mohli všechny tyto modely jednoznačně kódovat a dosáhnout jejich vzájemné provázanosti a spolupráce, pomohlo by to výzkumníkům najít mezery a rozpory v jejich znalostech a identifikovat, jaké další experimenty jsou ještě potřeba k jejich vyřešení.

Markram v tomto směru nebyl zdaleka první, kdo na problematiku výzkumu mozku takto nahlížel. Matematické modely neurálních aktivit vědci vymýšleli již od počátku dvacátého století. S příchodem počítačů v padesátých letech se pak samozřejmě snažili tento úkol řešit s jejich pomocí. Markramovy ambice v tomto směru však byly obrovské. Místo modelů na úrovni, co neuron to jeden uzel obrovské neuronové sítě, navrhl jít do mnohem větších detailů a při modelování zohlednit nejen všechny neuronové výběžky a synapse ale i jejich nesčetné iontové kanály. Místo modelování jen určitých neuronových partií jako řekněme třeba čichu, pak chtěl modelovat vše, od genetické úrovně, molekulární úrovně, neuronů a synapsí, formování mikroobvodů, makroobvodů, mesoobvodů, celých mozkových oblastí – až konečně porozumíme, jak jsou tyto úrovně propojené, včetně celé cesty až k projevům chování a kognice.

Pro tak rozsáhlou simulaci by výkon počítačového systému musel být v řádu exaflop neboli 10¹⁸ operací za sekundu. V devadesátých letech bylo dosažení takového výkonu beznadějně nereálné. Ani to však Markrama neodradilo. Spoléhal na to, že se výkon počítačů zhruba každých 18 měsíců zdvojnásobí, což by znamenalo, že dostatečný výkon bude k dispozici kolem roku 2020. Mezitím by se na to neurovědci měli připravit.

Markramovi ambice dokonale zapadaly do plánů Patricka Aebischera, neurovědce, který se v roce 2000 stal prezidentem EPFL, a který chtěl z univerzity učinit leadera jak ve výpočetním tak v biomedicínském výzkumu. Markram se v roce 2002 stal jedním z prvních posil, které mu v tom měly pomoci. "Henry nám dal ospravedlnění koupit Blue Gene," říká Aebischer, odkazuje se přitom na nový superpočítač IBM optimalizovaný pro rozsáhlé simulace. Ten byl uveden do provozu v roce 2005, kdy na něm Markram zahájil Blue Brain Project, jeho první experiment v oboru integrativních neurověd, který lze zpětně vnímat jako prototyp pro Human Brain Project.

"Součástí projektu byla demonstrace toho, co by unifikovaný model mohl znamenat," říká Markram. "Začali jsme se souborem dat mozkové kůry potkana, které jme spolu s mými studenty naakumulovali od roku 1990. Ten zahrnuje výsledky 20.000 experimentů z mnoha laboratoří. Údaje o každém typu buněk, ke kterým jsme přišli při morfologii, 3D rekonstrukcích, při zkoumání elektrických vlastností, synaptické komunikace, umístění synapsí a způsobu jejich chování a dokonce i dat o genové expresi."

Do konce roku 2005 byly všechny relevantní části uvedeného souboru dat integrovány Markramovým týmem do modelu jediného neuronu. Do roku 2008 se výzkumníkům podařilo zapojit okolo 10.000 těchto modelů neuronů do simulace jednoho kortikálního sloupce. Nyní, s použitím pokročilejší verze superpočítače Blue Gene, mohou simulovat až 100 těchto sloupců vzájemně propojených.

Naše úsilí přineslo několik objevů, říká Markram, jako například dosud nepublikované statistické rozložení synapsí ve sloupci. Skutečným úspěchem je však to, že se ukázalo, že unifikované modely mohou opravdu sloužit jako úložiště dat o kortikální struktuře a funkci. "Většina týmového úsilí šla do tvorby obrovského ekosystému infrastruktury a softwaru, aby 'Blue Brain' mohl být opravdu užitečný pro každého neurovědce," říká Markram. Součástí ekosystému jsou automatické nástroje umožňující přípravu a formování dat pro simulace a dále informační nástroje, jako je channelpedia.net, která shromažďuje strukturované i nestrukturované údaje o iontových kanálech jednak od výzkumníků-přispěvatelů a potom z on-line zdrojů jako je například databáze PubMed, ze které jsou automaticky získávány nejnovějších citace a abstrakty nově vycházejících prací a článků o iontových kanálech. Channelpedia jich v současné době obsahuje již na 180.000.

Konečným cílem vždy byla integrace dat v rámci celého mozku, říká Henry Markram. Příležitost pro dosažení takového rozsahu vyvstala v prosinci roku 2009, kdy Evropská unie oznámila, že je připravena nalít po jedné miliardě EUR do dvou vysoce rizikových projektů se značným transformačním potenciálem, který by byl zárukou, že se později stanou vlajkovými loděmi budoucího směru výzkumu a vývoje. Markram byl jedním z 27-ti členů poradní skupiny, která tuto iniciativu schválila. Jeho projekt pak samozřejmě nemohl chybět mezi uchazeči. Human Brain Project byl poté v květnu 2011 vybrán mezi šestici kandidátů, kteří obdrželi počáteční kapitál pro přípravu plnohodnotného návrhu. Ten má být předložen letos v květnu 2012.

"Bude-li Human Brain Project vybrán, bude jedním z jeho klíčových cílů, aby byl vysoce kooperativní, internetově dostupný a otevřený pro výzkumné pracovníky z celého světa," říká Markram s tím, že konsorcium projektu se již skládá z přibližně 150 šéfů výzkumů ze 70 institucí v 22 zemích. "Spousta Einsteinů se spojí, aby společně postavili mozek. Každý z nich pak přináší své vlastní nápady a zkušenosti" dodává Markram.

Zdola nahoru

Popis Human Brain Projektu jako otevřeného uživatelského prostředku vyvolal mezi účastníky zasedání v Bernu určitý zájem a nadšení. Více však byli slyšet Markramovi kritici, z nichž mnozí se zaměřovali na nedostatky Blue Brain modelu a Markramova přístupu k integraci dat.

Jádrem tohoto přístupu je Markramovo přesvědčení, že správný unifikující model musí data vstřebávat zdola nahoru. Podle jeho názoru by modeláři měli začít na té nejzákladnější úrovni – má přitom na mysli iontové kanály, které určují, kdy neurony takzvaně 'pálí' - a dostat vše, co pracuje na jedné úrovni předtím, než přistoupí k úrovni další. To vyžaduje provedení ještě mnoha odborných studií a kvalifikovaných odhadů. Markram na jedné straně přiznává existující obrovské mezery ve znalostech o mozku, na druhé straně však tvrdí, že mohou být naplněny daty publikovaných experimentů - Blue Brain model je aktualizován jednou týdně. Alternativní přístupy založené na aproximaci a abstrahování od biologických detailů, nedávají žádnou jistotu, že takové modely chování mají něco společného s tím, jak mozek pracuje.

To je místo, kde ostatní výpočetní neurovědci skřípají zuby. Většina z nich totiž již používá jednoduché modely jednotlivých neuronů ke zkoumání vyšších funkcí mozkových. Markramův přístup podle nich riskuje, že pro stromy neuvidí les. Jak mnozí z nich v Bernu tvrdili, model by mohl být tak podrobný, že pro porozumění nebude jednodušší než samotný reálný mozek. Je tedy otázka, zda Markram vůbec může takový model postavit? Soudě podle toho, co Blue Brain v posledních šesti letech dosáhl, kritici tvrdí, že se to zdá nepravděpodobné. "Titěrný výsek simulované kůry potkana nemá žádné vstupy ze smyslových orgánů, ani žádné výstupy do jiných částí mozku, a neprodukuje téměř žádné zajímavé chování," poukázal Kevan Martin, jeden z ředitelů INI. "To tedy rozhodně není případ, kdy by Markramem simulovaný sloupec, fungoval v celém mozku zvířete," dodal Kevan Martin.

Markram na tuto kritiku reagoval tím, že Blue Brain simulace může být vždy obohacena o další schopnosti. Martina tím ale neohromil. "Nedovedu si představit, jak na této úrovni detailu, která je i po značné Henryho námaze stále ještě velmi neúplná, bude možné během následujících let získat více než několik oblastí mozku hlodavců, natož pak celého mozku octomilky, akvarijní rybky, ptáka, myši nebo opice," pokračuje Kevan Martin.

"Jistě," dodává Martin: "tohle všechno by byla jen bouře v profesorově sklence vody, pokud by HBP (Human Brain Project) nepřispěchal a nezvýšil neobyčejně své šance. Je až příliš snadné si představit další oblasti neurovědeckého výzkumu postrádající díky HBP zdroje - zejména Švýcarsko, jako hostitelská země tohoto projektu, bude muset zajistit podstatnou, ale stále ne předem určenou, část finančních prostředků." Rodney Douglas se ptá: "Evropa by měla utratit 1 miliardu EUR na podporu vášnivé snahy jediného muže?" Připouští sice, že vizionáři jsou občas pro dosažení pokroku potřeba. "Ale co když se vášnivě mýlí?"

Další věc, která neurovědcům poněkud vadí je, že Markram získává svou popularitu spíše prostřednictvím masových sdělovacích prostředků, než publikováním prostřednictvím konvenčních vědeckých kanálů jako jsou vědecká sympozia, konference či vědecké časopisy. "Markram je vysoký, výrazný, své myšlenky vysvětluje velmi jasně s naléhavostí a s přiléhavými citáty, což novinářům a publicistům evidentně imponuje. Má až 'hypnotický účinek'," říká Richard Hahnloser, výpočetní neurovědec z INI. Výsledkem této popularity a zájmu ze strany sdělovacích prostředků pak může být dojem, že Human Brain Project odstraní potřebu pokusných zvířat pro výzkum mozku.

"Celá komunita neurovědců pak bude mít za deset let problém, pokud se tyto předpoklady nenaplní," říká další výzkumník z INI, který se obává, že politici pak budou mít právo namítat: "Ale vy jste slíbili!"

Nástup pokroku

Markram popuzený z nařčení ze záměrně pěstovaného humbuku se v Bernu ostře ohradil: "Nikdy jsem netvrdil, že by Human Brain Project měl nahradit pokusy na zvířatech. Řekl jsem jen, že simulace vám pomůže vybrat experimenty, které budou nejlepší přidanou hodnotou."

Markram znovu a znovu trpělivě potvrzoval, že Human Brain Project bude otevřený i pro jiné modelovací přístupy. "Tato obava je jednoduše neopodstatněná, pánové se prostě jen neobtěžovali podrobněji seznámit s tím, co je v projektu navrhováno," řekl Markram po mítinku. "Navrhované zařízení bude ve finále umožňovat stavět modely v jakémkoli rozsahu úrovní biologických detailů, jaké jen dovolí pořízená data. Díky přístupu přes internet to pak bude možné dělat odkudkoliv."

Zdá se, že Markram i přes námitky kritiků získává podporu. V loňském roce rada, která dohlíží jak nad ETH tak nad EPFL, nadšeně podpořila Blue Brain Project, po přísném přezkoumání čtyřčlennou porotou, která zahrnovala dva vyhraněné skeptiky Markramova přístupu. Rada požádala švýcarský parlament o schválení 75 milionů švýcarských franků (cca 1,5 miliardy korun) na další podporu projektu na léta 2013-16, což je více než desetinásobek aktuálního rozpočtu Blue Brain Projektu. Rozhodnutí Parlamentu je očekáváno v následujících týdnech.

Výzkum založený na počítačových simulacích je nevyhnutelný.

Pokud jde o Human Brain Project zůstává Markram optimistický: "Evropská unie dojde k podobnému závěru. Nicméně, pokud by projekt podporu nezískal, budeme prostě pokračovat v rozjetém Blue Brain Projektu" i když to může trvat mnohem mnohem déle, než plné simulace mozku dosáhneme.

Markram jasně cítí, že historie je na jeho straně. "Výzkum založený na počítačových simulacích je nevyhnutelný," prohlásil v Bernu. "I kdybych to musel přestat dělat, dříve nebo později k tomu stejně dojde. Stejně jako k tomu došlo již v mnoha jiných oblastech vědy."