Henry Markram bouwt een brein in een supercomputer

Het is onze missie om een gedetailleerd, realistisch computermodel van het brein te bouwen. We hebben in de afgelopen vier jaar een proof of concept gedaan op een klein deel van een rattenbrein, en schalen het project nu op naar het menselijke brein.

Waarom doen we dit? Er zijn drie belangrijke redenen. Ten eerste is het voor ons essentieel om het menselijke brein te begrijpen als we in de samenleving willen vooruitkomen. Ik denk dat het een beslissende stap is in de evolutie. De tweede reden is dat we niet altijd kunnen blijven experimenteren op dieren. We moeten al onze data en kennis verwerken in een werkend model. Het is een soort ark van Noach, een archief. De derde reden is dat er twee miljard mensen op de planeet zijn die te maken hebben met een geestelijke stoornis, terwijl de medicijnen die vandaag de dag gebruikt worden grotendeels empirisch zijn. Ik denk dat we met concrete oplossingen voor de dag kunnen komen om stoornissen te behandelen.

Zelfs in dit stadium kunnen we het breinmodel gebruiken om enkele fundamentele vragen te onderzoeken over hoe het brein werkt. Ik wil hier bij TED voor de eerste keer met jullie delen hoe wij één theorie benaderen -- er zijn vele theorieën – één theorie over hoe de hersenen werken. Deze theorie zegt dat het brein een versie van het universum creëert en deze versie van het universum als een bel rondom ons projecteert.

Dit is al eeuwen het onderwerp van filosofische debatten. Voor het eerst kunnen we dit aanpakken met breinsimulatie. We kunnen systematische en rigoureuze vragen stellen over de mogelijkheid van deze theorie. De reden dat de maan enorm is aan de horizon is dat onze waarnemingsbel zich geen 380.000 km kan uitstrekken. Ze komt ruimte te kort. Wat we dus doen is dit: we vergelijken de gebouwen in onze waarnemingsbel en we nemen een beslissing. We besluiten dat het zo groot is ook al is het niet zo groot.

Wat dit illustreert is dat beslissingen de sleutelcomponenten zijn waarop onze waarnemingsbel is gesteund. Ze houden ze in stand. Zonder beslissingen kun je niet zien, kun je niet denken, kun je niet voelen. En je mag denken dat verdoving werkt door je diep in slaap te brengen of door je receptoren te blokkeren zodat je geen pijn voelt, maar in feite werkt verdoving meestal niet op die manier. Verdoving introduceert een ruis in de hersenen zodat de neuronen elkaar niet meer kunnen verstaan. Ze zijn verward en je kan geen beslissing meer nemen. Terwijl jij je probeert af te vragen wat de dokter, de chirurg aan het doen is terwijl hij aan het snijden is in jouw lichaam, is hij al lang weg. Hij zit thuis aan de thee. (Gelach)

Wanneer je naar een deur loopt en die opent is dit wat je dwangmatig moet doen om te kunnen waarnemen: je moet beslissingen nemen, duizenden beslissingen over de afmeting van de kamer, de muur, de hoogte, de voorwerpen in de kamer. 99 procent van wat je ziet is niet wat door de ogen binnenkomt. Het is wat je besluit over die kamer. Ik kan dus met enige stelligheid zeggen: “Ik denk en daarom ben ik.” Maar ik kan niet zeggen: “Jullie denken en daarom bestaan jullie,” omdat "jullie" zich in mijn waarnemingsbel bevinden.

We kunnen hierover speculeren en filosoferen maar we hoeven dit eigenlijk niet te doen voor de komende honderd jaar. We kunnen een heel concrete vraag stellen. Kan het brein zo’n gewaarwording bouwen? Is het in staat om dit te doen? Bezit het het vermogen om dit te doen? En dat is wat ik vandaag voor jullie ga beschrijven.

Het kostte het universum 11 miljard jaar om het brein te bouwen. Het moest het een beetje verbeteren. Het moest wat aan het frontale deel toevoegen zodat je instincten zou hebben omdat de mens op het land moest kunnen overleven. Maar de echt grote stap was de neocortex. Het is een nieuw brein. Je had het nodig. De zoogdieren hadden het nodig omdat zij het ouderschap moesten aankunnen, en sociale interactie, complexe cognitieve functies.

Dus kun je de neocortex eigenlijk zien als de ultieme oplossing van vandaag, van het universum zoals wij dit kennen. Het is het toppunt, het is het uiteindelijke product dat het universum heeft geproduceerd. Het was zo succesvol in de evolutie dat het van muis tot mens duizendvoudig uitdijde, gerekend in termen van aantallen neuronen, om te leiden tot dit haast angstaanjagende orgaan, tot deze structuur. Het evolutionaire pad van het brein is nog niet ten einde. In feite ontwikkelt de neocortex van het menselijk brein zich met enorme snelheid.

Als je inzoomt op het oppervlak van de neocortex ontdek je dat het is opgebouwd uit kleine modules, G5-processors, zoals in een computer. Er zijn er ongeveer een miljoen van. Ze waren zo succesvol in de evolutie dat we ze steeds weer gingen dupliceren en er meer en meer aan het brein toevoegden tot de ruimte in de schedel op was. De hersenen begonnen zichzelf op te vouwen. Dat is de reden waarom de neocortex zo sterk opgerold is. Wij zijn gewoon kolommen aan het inpakken zo dat we meer neocorticale kolommen hebben om meer complexe functies uit te voeren.

Je kan je de neocortex zien als een massieve grote piano, een grote piano met een miljoen toetsen. Elk van deze neocorticale kolommen zou een noot doen klinken. Als je het stimuleert klinkt er een symfonie. Maar het is niet enkel een symfonie van gewaarwording. Het is een symfonie van jouw universum, jouw werkelijkheid. Het duurt natuurlijk jaren om een concertvleugel met een miljoen toetsen onder de knie te krijgen. Dat is waarom jullie je kinderen naar goede scholen moeten sturen, hopelijk uiteindelijk naar Oxford. Maar het gaat niet alleen om onderwijs, het gaat ook om genetica. Je kan gelukkig zijn geboren, of je weet hoe je jouw neocorticale kolom kan beheersen en kan je een fantastische symfonie spelen.

Er is zelfs een nieuwe theorie over autisme, die de “intense wereld” theorie wordt genoemd, die veronderstelt dat de neocorticale kolommen superkolommen zijn. Zij zijn zeer reactief, en zij zijn super elastisch, en zo is de autist waarschijnlijk in staat een symfonie te bouwen en te leren die voor ons ondenkbaar is. Maar je kunt ook begrijpen dat als je een ziekte hebt in een van deze kolommen de noot dan vals is. De gewaarwording, de symfonie die je schept raakt verstoord en je krijgt ziektesymptomen.

De heilige graal voor de neurowetenschap is om het ontwerp te begrijpen van de neocorticale kolom. Het is niet alleen omwille van de neurowetenschap. Het is om gewaarwording te begrijpen, om de werkelijkheid te begrijpen, en misschien zelfs ook om de fysieke werkelijkheid te begrijpen. Dus wat we de afgelopen vijftien jaar deden was het systematisch uitpluizen van de neocortex. Het is een beetje als het catalogiseren van een stukje van het regenwoud. Hoeveel bomen zijn er? Welke vormen hebben de bomen? Hoeveel van elk soort boom heb je? Waar zijn ze gelokaliseerd?

Maar het is iets meer dan catalogiseren omdat je eigenlijk alle regels van communicatie moet beschrijven en ontdekken, de regels voor verbinding, omdat de neuronen zich niet met eender welk neuron willen verbinden. Ze kiezen zeer zorgvuldig met wie ze zich verbinden. Het is ook meer dan catalogiseren omdat je driedimensionele digitale modellen van hen moet bouwen. En wij deden dat voor tienduizenden neuronen. We bouwden digitale modellen van de verschillende types neuronen die we tegenkwamen. En wanneer je dat eenmaal hebt kun je beginnen met het bouwen van de neocorticale kolom.

En hier rollen we ze op. Maar wanneer je dit doet zie je dat de vertakkingen elkaar snijden op miljoenen plaatsen, en op elk van die snijpunten kunnen ze synapsen vormen. Een synaps is een chemische plek waar zij met elkaar communiceren. Deze synapsen vormen samen het netwerk of de stroomkring van de hersenen. De stroomkring kun je ook zien als het weefsel van het brein. Als je denkt aan het weefsel van het brein - hoe het gebouwd is, wat het patroon van het tapijt is, dan ontdek je dat dit een fundamentele uitdaging stelt aan elke theorie van het brein en speciaal aan die theorie die zegt dat er een werkelijkheid voortkomt uit dit tapijt, uit dit specifieke tapijt met een specifiek patroon.

Dit komt omdat belangrijkste geheim van het ontwerp van het brein verscheidenheid is. Iedere neuron is anders. Het is zoals in het bos. Iedere den is anders. Je kan verschillende soorten bomen hebben maar elke den is verschillend. En in het brein is het hetzelfde. Er is geen neuron in mijn brein dat hetzelfde is als een ander, en er is geen neuron in mijn brein hetzelfde als in dat van jullie. Jullie neuronen oriënteren en positioneren zich niet op precies dezelfde manier. Je kunt meer of minder neuronen hebben. Het is zeer onwaarschijnlijk dat je hetzelfde materiaal hebt, dezelfde stroomkring.

Hoe is het dan mogelijk dat we een realiteit scheppen, dat we elkaar zelfs kunnen begrijpen? We hoeven niet te speculeren. We kunnen naar alle tien miljoen synapsen kijken. We kunnen naar het weefsel kijken. We kunnen neuronen veranderen. We kunnen andere neuronen gebruiken met andere varianten. We kunnen ze op verschillende posities plaatsen, ze naar verschillende plaatsen richten. We kunnen er meer van gebruiken of minder. Als we dat doen ontdekken we dat de stroomkring wel verandert. Maar het patroon waarop de stroomkring is ontworpen verandert niet. Voor het weefsel van de hersenen geldt: zelfs als je hersenen kleiner zijn, groter, met verschillende types neuronen, verschillend gevormde neuronen, wij delen hetzelfde weefsel. Wij denken dat dit soortafhankelijk is wat betekent dat dit kan verklaren waarom we niet tussen soorten kunnen communiceren.

Laten we het aanzetten. Om dat te doen, moet je het tot leven roepen. We brengen het tot leven met vergelijkingen, een heleboel wiskunde. De vergelijkingen die van neuronen elektrische generators maken werden ontdekt door twee Nobelprijswinnaars uit Cambridge. We hebben dus de vergelijkingen om de neuronen tot leven te doen komen. We hebben ook de wiskunde om te beschrijven hoe neuronen informatie verzamelen, en hoe ze een kleine bliksemschicht opwekken om met elkaar te communiceren. Als ze de synaps raken is het effect letterlijk een schok voor de synaps. Het is als een elektrische schok die de chemische stoffen van deze synapsen doet vrijkomen.

We hebben de wiskunde om dit proces te beschrijven. Dus we kunnen de communicatie tussen neuronen beschrijven. Er zijn letterlijk maar een handvol vergelijkingen nodig om de activiteit van de neocortex te simuleren. Maar je hebt wel een erg grote computer nodig. Je hebt één laptop nodig om alle berekeningen te doen voor één enkele neuron. Dus je hebt 10.000 laptops nodig. Dus waar ga je heen? Je gaat naar IBM, en je krijgt een supercomputer, omdat zij in staat zijn om 10.000 laptops in een ruimte zo groot als een koelkast te plaatsen. Nu hebben we dus deze Blue Gene Supercomputer. We kunnen alle neuronen opladen, elk op zijn eigen processor, ze aanzetten, en bekijken wat er gebeurt. Welkom voor een ritje op het tovertapijt.

Hier activeren we het. Dit geeft de eerste glimp van wat er in je brein gebeurt als het wordt gestimuleerd. Het is het eerste gezicht. Als je hier voor het eerst naar kijkt, denk je, “Mijn God. Hoe komt de werkelijkheid daaruit?” In werkelijkheid kan je, ook al hebben we deze neocorticale kolom niet getraind, een speciale realiteit beginnen te scheppen. We kunnen vragen: “Waar is de roos?” We kunnen vragen: “Waar zit het van binnen, als we het stimuleren met een plaatje?” Waar zit het in de neocortex? Uiteindelijk moet het daar zitten als we het ermee stimuleren.

De manier waarop we dat kunnen bekijken is door de neuronen te negeren, de synapsen te negeren en gewoon op de ruwe, elektrische activiteit te letten. Omdat het dat is wat het tot stand brengt. Het schept elektrische patronen. Toen we dat deden zagen we voor het eerst deze spookachtige structuren: elektrische voorwerpen die verschijnen binnen de neocorticale kolom. Het zijn deze elektrische objecten die alle informatie bevatten over wat het ook stimuleerde. Toen we hierop inzoomden was het als een echt universum.

Dus de volgende stap is om deze breincoördinaten in waarneembare ruimte te projecteren. Als je dat doet, ben je in staat binnen een werkelijkheid te stappen die geschapen is door deze machine, door dit stukje van het brein. Samengevat denk ik dat het universum zichzelf misschien – het is mogelijk – heeft ontwikkeld tot een brein om zichzelf te zien, wat een eerste stap kan zijn naar zelfbewustzijn. Er moet nog veel meer gebeuren om deze theorieën te testen, en om elke andere theorie te testen. Maar ik hoop dat jullie in ieder geval gedeeltelijk zijn overtuigd dat het niet onmogelijk is om een brein te bouwen. We kunnen het doen binnen 10 jaar, en als we slagen zullen we TED over 10 jaar een hologram sturen om tot jullie te spreken. Dank jullie. (Applaus)