Szuperagy

BBP/EPFL http://www.andyross.net/ 

Jakabffy Éva, Természet Világa

A Kék Agy Projekten dolgozó kutatók először hozták létre egy 0,5 x 2 milliméteres agykéregi sejtoszlop „virtuálisan valósághű” modelljét. A tudósok szerint ebben nem kevesebb, mint 100 év agykutatásának eredményei összegződnek. A projekt végső célja a virtuális emberi agy megépítése, ami sokakban kételyeket kelt. Ugyanakkor már a most elkészült modell is kiválóan használható például olyan betegségek kutatására, mint az Alzheimer-kór, az autizmus vagy az epilepszia. Eszközként szolgálhat arra is, hogy a gyógyszerkutatásban helyettesítse az állatkísérletek egy részét. 

Az agykéregben (szürkeállományban) található az emberi agy idegsejtjeinek több mint háromnegyede. Ez felelős egyebek közt az emlékezés, a gondolkozás, a reflexió, az empátia, a kommunikáció, a problémamegoldás, az új helyzetekhez való alkalmazkodás és a tervezés funkciójáért. Erősen barázdált, néhány milliméter vastagságú réteg. Először az emlősöknél jelent meg, és alapvetően olyan egyszerű, több milliószor ismétlődően jelen lévő sejtoszlopok alkotják, amelyek minden emlősfajnál megegyeznek. Ezek az oszlopok 0,5 milliméter széles, 2 milliméter magas működési egységek, amelyek körülbelül 10 000 idegsejtet tartalmaznak. Az egységek úgy működnek, mint a mikroáramkörök a számítógépben.

http://arnoskatas.wordpress.com/ 

Sehova sem jutunk, ha a szkeptikusokra hallgatunk – mondja ezzel szemben Henry Markram izraeli neurobiológus, a Lausanne-i Műszaki Egyetem (École Polytechnique Fédérale de Lausanne, EPFL) Agy-Elme Intézetének, valamint Idegtudományi és Technológiai Központjának igazgatója, aki 15 éven át folytatott kutatásokat a világ legnagyobb idegtudományi intézeteiben, türelmesen várva arra, hogy agymodellezési projektje életre keljen. Így került 2002-ben a Lausanne-i EFPL-be, ahol az élenjáró számítástechnikának komoly hátszele van.

 2005-re Markram meggyőzte az iskolát és az IBM-et arról, hogy bocsássanak rendelkezésére egy Kék Gén/L-t (Blue Gene/L) – vagyis egyet a világ legnagyobb, több hűtőszekrény-méretű blokkból álló szuperszámítógépeiből -, innen ered a projekt elnevezése is. Majd számítástechnikusokból, matematikusokból, biológusokból és fizikusokból 35 fős csoportot hozott létre. 

Az eredmények máris impozánsak. A projekt első szakaszának végére előállt egy virtuális sejtoszlop, 10000 szimulált idegsejtből. Ahhoz, hogy megalkossák ezt a kérgi oszlopot, minden idegsejtet minden szögből meg kellett vizsgálni. Meg kellett mérni alaktani, elektromos és genetikai tulajdonságaikat. Ebben a munkafázisban vették észre, hogy azok a sejtek, amelyek bizonyos géneket fejeztek ki, mindig egyforma elektromos tulajdonságúak. Ily módon 240 idegsejttípust azonosítottak. 

Ahogy Markram elmondta: „kicsit olyan ez, mintha az amazóniai őserdőben feljegyeznénk minden fát és megnéznénk, hogyan helyezkednek el egymáshoz képest”.

A biológiai tulajdonságok sok ezer információját a külön erre a célra fejlesztett szoftver gigászi matematikai adatbázissá alakította át. Ebből állítottak elő virtuális idegsejteket és idegi áramköröket.  

http://www.visualcomplexity.com/

Markram szerint a Kék Agy Projekt előtt egyetlen idegsejt modellezéséhez 3 év kellett, ma viszont megnyomunk egy gombot, s máris előttünk egy teljes agykérgi oszlop. Ez bizony egészen más, mint az eddigi modellek, amelyek néhány 100 idegsejtet tartalmaztak.

Mára azonban a biológia és a számítástechnika párhuzamos fejlődése lehetővé tette, hogy a 10 000 virtuális idegsejtet – az őket összekapcsoló 30 millió szinapszissal és több kilométernyi rosttal együtt – 3 dimenzióban modellezzék. Az ehhez fejlesztett grafikus szoftverrel pedig könnyedén elérhető, hogy a szemlélő e hálózat kellős közepében érezze magát. Sőt a szoftver nemcsak arra képes, hogy adott 10 000 idegsejtes oszlop felépítését rekonstruálja, hanem arra is, hogy futószalagon gyártson ilyeneket. A virtuális sejtek ugyanis a valódi sejteknél kimutatott valószínűségek alapján kapcsolódnak egymáshoz – ehhez számításba kell venni alakjukat, térbeli közelségüket és egyéb jellemzőiket is. A szoftver által készített sejtoszlopot azután a kutatók tesztelik: valóban úgy viselkedik-e, mint biológiai eredetije. Virtuális elektromos impulzusokat adnak neki, amelyek reakciók kaszkádját eredményezik. Ennek kell ugyanolyannak lennie, mint amilyen a valódi idegsejt-oszlopban keletkezne. 

A rágcsálótól az emberig 

A következő feladathoz, a virtuális patkányagy létrehozásához még fel kell építeni a milliónyi agykérgi oszlopot, és azt is el kell érni, hogy az összes oszlop kommunikáljon egymással. Ám ezután már az emberi agykéreg modellezése előtt is megnyílik az út. Ugyanis az agykérgi oszlopok olyan egységes építőkövek, amelyek embernél szinte ugyanazok, mint a patkánynál. A kutatók szerint a rágcsáló és az ember agya közti különbség „alapvetően csak térfogatbeli”: az embernek sokkal több agykérgi oszlopa van, mint a rágcsálónak. 
Randall O’Reilly (Coloradói Egyetem, Idegtudományok Központja) agymodellezés-specialista szerint Markram helyesen választott: a biológiai realitás csak ennyire bonyolult modellel közelíthető meg. Bár az absztraktabb modelleket könnyebb megérteni, és segítenek abban, hogy az agyműködésről általános képet kapjunk, azok mégiscsak inkább a mi elménk szüleményei, mint a valóság pontos ábrázolásai. 

Ha egy virtuális agy minden eddiginél valószerűbben tükrözi a biológiai agyat – mint a majdani „Kék Agy” –, akkor talán az sem lehetetlen, hogy abban egyfajta tudat is keletkezzék? E merész elképzelést egyes kutatók nem tartják lehetetlennek. Szerintük a tudat csupán az interakciók kritikus mennyiségéből következik, ezért kialakulhat egy kellően bonyolult mesterséges hálózatban is. Honnan tudjuk azonban, hogy tényleg „tudatos”-e a gép? Ennek ellenőrzése igencsak feszegeti a jelenlegi tudomány határait. 
Éppígy a projekt számítástechnikai kapacitás iránti gyorsan növekvő igénye. Gondoljuk el, a mostani 10 000 idegsejtes modell is óriási adatbázison nyugszik. Szorozzuk ezt be úgy millióval – ennyi alegységből épül fel a patkányagy. A macska-, a főemlős- majd az emberi agy, amelyeket szintén modellezni szeretnének, még ennél is többől. 
Az emberi agynál a nagyságrendek óriásiak: a 100 milliárd idegsejt mindegyike több 1000 társával kapcsolódik. Ez a sejtnyúlványok milliárdos nagyságrendű hálózatát jelenti. Összességében a projekt befejezéséhez a Kék Gén számítási kapacitásának százszorosára, tárolókapacitásának még ennél is többszörösére lenne szükség. Egyes tudósok szerint ettől még 100 évre vagyunk. Ám lehet, hogy a számítástechnika területén a fejlődés van annyira gyors, hogy az ügy ne legyen reménytelen: 3 éve az EFPL Kék Gén/L-je a világ 8. legnagyobb kapacitású gépe volt, ma az 54. azok közül, amelyekről jelenleg tudunk. 

A Kék Agy mindenkié 

Markram etikailag elítéli a túl sok állatkísérletet és az olykor nem elég hatékony orvostudományt, amely fel tudná használni modelljét. Ha ugyanis számos paraméter „in silico” is tesztelhető lenne, jóval kevesebb állatkísérletre lenne szükség. Az egereken végzett tesztek előtt a terápiás molekulákat előzetes szűréseknek vethetnék alá: egyszerűen beadnák a molekula adatait a megfelelő programba, s megnéznék a hatását.

„Ma az agy gyógyászata kezdetleges: a véletlenre bízva, molekulák tucatjaival próbálkoznak, míg valamelyikről kiderül, hogy – nem tudni, miért – hatásos”. A virtuális sejtoszlopon végzett első gyógyszer-szimulációk azt mutatják meg, milyen fiziológiai változások következnének be a szer beadásának hatására. 

A másik felhasználási lehetőséget az adja, hogy a virtuális sejthálózat szándékosan is elváltoztatható egyes neurológiai betegségek jobb megértése érdekében. A mesterséges agy fő előnye azonban az – mondja Markram – , hogy új típusú kísérleteket tesz lehetővé. Például mi történik akkor, ha olyan típusú sejtek károsodnak, amelyek funkciója még ismeretlen? Hány sejtet lehet kikapcsolni, amíg a túlélő sejtek viselkedése a környezetükben hibás nem lesz, vagy akár az egész áramkör össze nem omlik? Tudjuk, hogy hasonló folyamat következik be epilepsziás vagy Alzheimer-kóros betegeknél. A jelenlegi módszerekkel, amelyek természetükből eredően külső megfigyelésekre alapoznak, az orvostudomány csak sematikus képet nyert az ilyen betegek agyában zajló folyamatokról. A Kék Agy Projekt segítségével a kutatók egyszerűen oda tudnak „repülni” a virtuális koponya kritikus területeihez.

Markram ingyen akarja „kék agyát” a tudományos világ rendelkezésére bocsátani. „Minden évben 35 000 idegtudományi publikáció jelenik meg. Egy-egy kutató ennek csak a századrészét tudja elolvasni: sehova nem jutunk, ha nincs olyan modell, amely minden töredékismeretet egybefog.” Ha sikerrel jár a Kék Agy Projekt – melyet kitalálója a Humán Genom Projekthez hasonlít –, az emberiségé kell, hogy legyen.