Henry Markram simula il cervello umano in un supercomputer

La nostra missione è quella di costruire un modello computerizzato del cervello umano dettagliato e realistico. Nel corso degli ultimi quattro anni abbiamo dimostrato la fattibiltà del concetto simulando una piccola parte del cervello di un topolino, e adesso stiamo sviluppando ed ingrandendo il progetto per arrivare a simulare il cervello umano.

Perche stiamo facendo tutto ciò? Ci sono tre ragioni principali. La prima, è l'importanza di capire il funzionamento del cervello per progredire nella comprensione della società, ed penso che questo sia un passo fondamentale nell'evoluzione. La seconda ragione è che non possiamo continuare all'infinito a fare esperimenti sugli animali, e dobbiamo integrare tutti i dati e la conoscenza in un modello funzionale. E' come l'arca di Noè o un archivio. La terza ragione è che ci sono due miliardi di persone che soffrono di patologie mentali, ed i farmaci disponibili ad oggi funzionano prevalentemente in modo empirico. Penso che possiamo arrivare ad una soluzione concreta su come trattare patologie mentali.

Già allo stadio in cui siamo possiamo usare il modello computerizzato del cervello per esplorare alcuni aspetti fondamentali del suo funzionamento. Qui a TED, in anteprima, voglio illustrarvi il modo in cui stiamo verificando una delle molte teorie sul funzionamento del cervello. Questa teoria postula che il cervello crei, costruisca una propria versione dell'universo. E proietta questa versione dell'universo, come una bolla, tutt'intorno a noi.

Questo è stato argomento di dispute filosofiche per secoli. Ma, per la prima volta, possiamo veramente studiarlo per mezzo di una simulazione del cervello ponendo domande in maniera sistematica e rigorosa per verificare questa teoria. La ragione per cui la luna appare più grande all'orizzonte è semplicemente che la nostra bolla percettiva non si estende per 380.000 chilometri. Non è abbatanza grande. E così quello che facciamo è paragonare gli edifici all'interno della nostra bolla percettiva, e traiamo conclusioni. Decidiamo che uno è grande, anche se magari non è così grande,

e questo significa è che le decisioni sono ciò che sostiene la nostra bolla percettiva. La tiene in vita. Senza decisioni non ci è possibile vedere, pensare, o provare emozioni. Può essere che crediate che l'anestesia funzioni immergendovi in un sonno profondo, oppure bloccando i recettori in modo da non far sentire dolore, ma in realtà non funziona così. L'anaestesia crea un'interferenza nel cervello, in modo che i neuroni non possano capirsi l'un l'altro. Sono confusi e non ci consentono di prendere decisioni. Così, mentre cercate di decidere su cosa stia facendo il chirurgo mentre vi opera, il chirurgo se ne è già andato. E' a casa a bere il té. (Risate)

Quindi, quando trovate una porta e la aprite, quello che dovete obbligatoriamente fare per percepire, è prendere delle decisioni. Migliaia di decisioni circa le dimensioni della stanza, le pareti, l'altezza, gli oggetti presenti. Il 99 percento di quello che vedete non è quello che entra dagli occhi. E' quello che inferite della stanza. Ecco che si può dire, con certezza, "Penso, dunque sono". Ma non posso dire "tu pensi, quindi sei" perchè tu sei nella mia bolla percettiva.

Possiamo speculare e filosofare a questo proposito, ma non è necessario farlo per i prossimi cento anni. Possiamo porci una domanda molto concreta. "Può il cervello creare una tale percezione?" Ha la capacità di farlo? Ha il materiale per farlo? Ecco quello che vi voglio presentare oggi.

L'universo ha impiegato 11 miliardi di anni per costruire il cervello. Ha dovuto migliorarlo a poco a poco. Ha dovuto aggiungere i lobi frontali, in modo che si possano avere istinti, perchè questi erano necessari per sopravvivere. Ma il progresso più importante è stata la neo-corteccia cerebrale. E' il nuovo cervello che ci serviva. Era necessario ai mammiferi perchè dovevano far fronte all'allevamento della prole, alle interazioni sociali, a funzioni cognitive sofisticate.

Si può pensare che la neo-corteccia sia la soluzione definitiva prodotta dall'universo, per quel che ne sappiamo. E' il pinnacolo, il prodotto finale che l'universo ha prodotto. Ha avuto un tale successo evolutivo che, dal topo fino all'uomo, è cresciuta di un migliaio di volte in termini di numero di neuroni, per arrivare a questo quasi terrificante organo, a questa struttura. E non ha terminato il proprio percorso evolutivo. A tutti gli effetti, la neo-corteccia del cervello umano si sta evolvendo ad un'enorme velocità.

Se fate uno zoom sulla superficie della neo-corteccia scoprirete che è costituita da piccoli moduli processori G5, come in un computer Ma ce ne sono circa un milione Hanno avuto un tale successo nell'evoluzione che quello che abbiamo fatto è stato di moltiplicarli via via, aggiungendone sempre più al cervello fino a non trovare più spazio dentro al cranio Così, il cervello ha cominciato a ripegarsi su se stesso e questa è la ragione per cui la neo-corteccia è così convoluta. Non si sta facendo altro che stipare colonne per poter avere ulteriori colonne neo-corticali per eseguire funzioni sempre più complesse

Dunque potete pensare alla neo-corteccia come ad un enorme pianoforte un pianoforte con un milione di tasti. Ognuna di queste colonne corticali può produrre una nota. La stimolate e produce una sinfonia. Ma non è semplicemente una sinfonia di percezioni. E' una sinfonia del vostro universo, la vostra realtà. Ci vogliono anni per imparare a padroneggiare un pianoforte con un milione di tasti. Ecco perchè bisogna mandare i bambini a buone scuole, sperabilmente fino ad Oxford. Ma non è solo questione di educazione ma anche di genetica. Se siete fortunati, o sapete padroneggiare le vostre colonne corticali potete suonare una sinfonia fantastica.

C'è una nuova teoria sull'autismo chiamata teoria del "modo intenso", che postula che le colonne corticali siano "super colonne" altamente reattive ed super plastiche e così chi è autistico è in grado di creare ed imparare una sinfonia che per noi altri è inpensabile. Ma capirete anche che se c'è qualche disfunzione in una di queste colonne la nota può risultare stonata. La percezione, la sinfonia prodotta, sarà rovinata, e si mostreranno i sintomi della malattia.

Quindi, il Santo Graal per le neuroscienze è capire la struttura delle colonne corticali e non solo nell'interesse delle neuroscienze, ma forse anche per capire la percezione, la realtà, e perfino la realtà del mondo fisico. Quello che abbiamo fatto negli ultimi 15 anni è stato sezionare la neo-corteccia, in modo sistematico. E' un po' come andare a catalogare un pezzo di foresta. Quanti alberi ci sono? Di che forma sono gli alberi? Quanti ce ne sono per ogni tipo? come sono posizionati?

E' qualcosa di più di un catalogare perchè bisogna scoprire e descrivere le regole della comunicazione e le regole della connettività perche ai neuroni non piace connettersi con qualunque altro neurone. Scelgone con attenzione a chi si connettono. Si tratta di qualcosa di più che catalogare anche perchè bisogna costruire dei modelli digitali tridimensionali delle colonne. E noi l'abbiamo fatto per decine di migliaia di neuroni avbbiamo costruito dei modelli digitali di vari tipi dei neuroni che abbiamo trovato. Una volta fatto questo, si può realmente cominciare a costruire la colonna neocorticale.

Ecco, qui stiamo arrotolandone una sull'altra. Ma mentre lo fate, quello che scoprite è che i rami si intersecano in milioni di punti e ad ognuna di queste intersezioni si forma una sinapsi. La sinapsi è il luogo chimico in cui le colonne comunicano tra di loro. E queste sinapsi tutte insieme formano la rete o il circuito del cervello. Il circuito si può considerare come il tessuto del cervello. E quando si pensa al tessuto del cervello, come è fatta la struttura? Qual'è il disegno del tappeto? Potete capire che questo rappresenta una sfida fondamentale per qualsiasi teoria del cervello, ed in particolare per una teoria che dice che c'è una realtà che emerge da questo tappeto, da questo tipo di tappeto con un proprio disegno particolare.

Questo accade perchè il più importante segreto del disegno del cervello è la diversità. Ogni neurone è differente. E' lo stesso in una foresta. Ogni pino è diverso. Ci possono essere molti tipi diversi di alberi ma ogni pino è diverso. E nel cervello è lo stesso. non c'è un neurone nel mio cevello che sia uguale ad un altro, e non c'è un neurone nel mio cevello che sia uguale a uno dei vostri. E i vostri neuroni non saranno posizionati ed orientati esattamente allo stesso modo. Si possono avere più o meno neuroni. Così è molto improbabile che voi abbiate lo stesso tessuto, gli stessi circuiti.

Allora, come è possibile che creiamo una realtà tale che possiamo comprenderci vicendevolmente? Non serve fare speculazioni, Possiamo guardare alle dieci milioni di sinapsi. Possiamo prendere in esame il tessuto e cambiare i neuroni. Possiamo usare neuroni differenti, con differenti variazioni. Possiamo posizionarli in luogi differenti, e orientarli in diversi modi. Possiamo usarne di più o di meno, E quando facciamo tutto ciò scopriamo è che i circuiti in effetti cambiano Ma lo schema di come i circuiti sono disegnati non cambia. Così, il tessuto del cervello, benchè il vostro proprio cervello può essere più piccolo o più grande, può avere svariati tipi di neuroni, svariate morfologie. Abbiamo in comune lo stesso tessuto. Riteniamo che questo fatto sia specifico per ogni specie, il che potrebbe spiegare perchè non possiamo comunicare tra speci diverse.

Allora, facciamolo funzionare. Ma per fare ciò occorre dargli vita. Gli si dà vita con equazioni e formule. Le equazioni che descrivono i neuroni come dei generatori di elettricità furono scoperte da due premi Nobel di Cambridge. Abbiamo le formule che animano i neuroni. Abbiamo anche le formule che descrivono il modo in cui i neuroni raccolgono informazioni, e il modo in cui creano una piccola scarica elettrica per comunicare tra di loro. E quando si arriva alla sinapsi, quello che fanno in realtà, è di causare, letteralmente, uno shock alla sinapsi. E' come uno shock elettrico che libera dei composti chimici.

Abbiamo le equazioni che descrivono anche questo processo. Così possiomo descrivere la comunicazione tra i neuroni. E' solo una manciata di equazioni quella che serve per simulare l'attività della neo-corteccia. Però serve un computer molto potente. In realtà serve un computer portatile per eseguire i calcoli per un solo neurone. Allora servono 10.000 portatili. Bisogna andare all'IBM, e usare un supercomputer, perchè loro sanno come prendere 10.000 laptop e concentrarli nelle dimensioni di un frigorifero. Con questo computer Blue Gene. Possiamo caricare tutti i neuroni, ciascuno sul suo processore, dare l'avvio, e stare a vedere cosa succede. Portare il tappeto magico a fare un giro.

Qui lo attiviamo. E questo ci dà un'idea di ciò che succede nel vostro cervello quando c'é uno stimolo. E' una prima prospettiva. Quando guardate per la prima volta, vi viene da pensare: "Dio mio. Com'è che la realtà viene fuori da lì?" Però in effetti è possibile constuire una realtà particolare anche se non abbiamo istruito questa collona neo-corticale, Ma possiamo chiedere: "dov'è la rosa?" Possiamo chiedere "dove si trova nella corteccia, se la stimoliamo con una foto?" Dove è collocata nella neo-corteccia? Se abbiamo creato questo stimolo, deve trovarsi all'interno.

Possiamo ignorare i neuroni e le sinapsi, e concentrarci solo sull'attività elettrica. Perchè questo è ciò che viene creato. Si generano modelli di attività elettrica. Quando facciamo così per la prima volta vediamo queste strutture fantasmatiche: oggetti fatti di elettricità che compaiono dentro la colonna neo corticale. Sono proprio questi oggetti che contengono tutte le informazioni relative a qualsiasi cosa le abbia stimolate. E quando abbiamo fatto uno zoom su questa realtà, è come un universo vero e proprio.

Il prossimo passo è prendere queste coordiante cerebrali e proiettarle nello spazio percettivo. E facendo ciò si può entrare nella realtà che si è creata da questo pezzo di cervello per mezzo di questa macchina. Quindi, in sintesi, Penso che l'universo possa - possibilmente - aver evoluto un cervello per guardare a se stesso. che può essere un primo passo verso l'auto-coscienza. C'è ancora un sacco di cose da fare per verificare queste teorie, o qualsiasi altra teoria. Ma spero che voi siate almeno parzialmente convinti che non è impossibile costruire un cervello. Possiamo arrivarci in 10 anni, e se ce la facciamo, spediremo a TED, tra 10 anni, un ologramma per tenere la conferenza. Grazie. (Applausi)