El futuro del cerebro: la década de 2030 y más allá - Asistente de soldadura Co., Ltd de Jinan

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Para mediados de siglo, deberíamos poder completar el siguiente hito en la historia de la IA: la ingeniería inversa del cerebro humano. Los científicos, frustrados por no haber podido crear un robot hecho de silicio y acero, también están intentando el enfoque opuesto: desarmar el cerebro, neurona por neurona (al igual que un mecánico podría desarmar un motor, tornillo a tornillo) y Luego ejecutamos una simulación de estas neuronas en una computadora enorme. Estos científicos están intentando sistemáticamente simular la activación de las neuronas en los animales, empezando por los ratones y los gatos, y subiendo por la escala evolutiva de los animales. Este es un objetivo bien definido y debería ser posible a mediados de siglo.

Fred Hapgood, del MIT, escribe: "Descubrir cómo funciona el cerebro exactamente como funciona, de la misma manera que sabemos cómo funciona un motor, reescribiría casi todos los textos de la biblioteca".

El primer paso en el proceso de ingeniería inversa del cerebro es comprender su estructura básica. Incluso esta sencilla tarea ha sido un proceso largo y doloroso. Históricamente, las distintas partes del cerebro se identificaban durante las autopsias, sin tener idea de su función. Esto comenzó a cambiar gradualmente cuando los científicos analizaron a personas con daño cerebral y notaron que el daño en ciertas partes del cerebro correspondía a cambios en el comportamiento. Las víctimas de accidentes cerebrovasculares y las personas que sufrían lesiones o enfermedades cerebrales exhibieron cambios de comportamiento específicos, que luego podrían relacionarse con lesiones en partes específicas del cerebro. El ejemplo más espectacular de esto ocurrió en 1848 en Vermont, cuando una varilla de metal de 3 pies y 8 pulgadas de largo atravesó el cráneo de un capataz de ferrocarril llamado Phineas Gage. Este accidente histórico ocurrió cuando la dinamita explotó accidentalmente. La vara entró por un lado de su cara, le destrozó la mandíbula, atravesó su cerebro y salió por la parte superior de su cabeza. Milagrosamente sobrevivió a este horrendo accidente, aunque uno o ambos lóbulos frontales quedaron destruidos. El médico que lo atendió al principio no podía creer que alguien pudiera sobrevivir a un accidente así y seguir con vida. Estuvo en un estado semiconsciente durante varias semanas, pero luego se recuperó milagrosamente. Incluso sobrevivió doce años más, realizando trabajos ocasionales y viajando, hasta que murió en 1860. Los médicos conservaron cuidadosamente su cráneo y la varilla, y desde entonces han sido estudiados intensamente. Las técnicas modernas, utilizando tomografías computarizadas, han reconstruido los detalles de este extraordinario accidente. Este evento cambió para siempre las opiniones predominantes sobre el problema mente-cuerpo. Anteriormente, incluso en los círculos científicos se creía que el alma y el cuerpo eran entidades separadas. La gente escribía a sabiendas sobre alguna “fuerza vital” que animaba el cuerpo, independientemente del cerebro. Pero informes de amplia circulación indicaron que la personalidad de Gage sufrió cambios marcados después del accidente. Algunos relatos afirman que Gage era un hombre extrovertido y querido que se volvió abusivo y hostil después del accidente. El impacto de estos informes reforzó la idea de que partes específicas del cerebro controlaban diferentes comportamientos y, por lo tanto, el cuerpo y el alma eran inseparables. En la década de 1930, se logró otro avance cuando neurólogos como Wilder Penfield notaron que mientras realizaban cirugía cerebral para pacientes con epilepsia, cuando tocaba partes del cerebro con electrodos, se podían estimular ciertas partes del cuerpo del paciente. Tocar esta o aquella parte de la corteza podría hacer que una mano o una pierna se muevan. De esta manera, pudo trazar un esquema aproximado de qué partes de la corteza controlaban qué partes del cuerpo. Como resultado, se podría volver a dibujar el cerebro humano, enumerando qué partes del cerebro controlaban qué órgano. El resultado fue un homúnculo, una imagen bastante extraña del cuerpo humano mapeada en la superficie del cerebro, que parecía un extraño hombrecito, con enormes yemas de los dedos, labios y lengua, pero un cuerpo diminuto. Más recientemente, las resonancias magnéticas han nos han proporcionado imágenes reveladoras del cerebro pensante, pero son incapaces de rastrear las vías neuronales específicas del pensamiento, y tal vez impliquen sólo unos pocos miles de neuronas. Pero un nuevo campo llamado optogenética combina la óptica y la genética para desentrañar vías neuronales específicas en los animales. Por analogía, esto puede compararse con intentar crear una hoja de ruta. Los resultados de las resonancias magnéticas serían similares a determinar las grandes autopistas interestatales y el gran flujo de tráfico en ellas. Pero la optogenética podría en realidad determinar caminos y caminos individuales. En principio, incluso permite a los científicos la posibilidad de controlar el comportamiento animal estimulando estas vías específicas. Esto, a su vez, generó varias historias sensacionales en los medios. El Drudge Report publicó un titular espeluznante que gritaba: "Los científicos crean moscas controladas a distancia". Los medios de comunicación evocaron imágenes de moscas controladas a distancia realizando el trabajo sucio del Pentágono. En The Tonight Show, Jay Leno incluso habló de una mosca controlada a distancia que podría volar hasta la boca del presidente George W. Bush cuando se lo ordenara. Aunque los comediantes se divirtieron imaginando escenarios extraños en los que el Pentágono controlaba hordas de insectos con solo presionar un botón, la realidad es mucho más modesta. La mosca de la fruta tiene aproximadamente 150.000 neuronas en el cerebro. La optogenética permite a los científicos iluminar ciertas neuronas en el cerebro de las moscas de la fruta que corresponden a ciertos comportamientos. Por ejemplo, cuando se activan dos neuronas específicas, se puede indicar a la mosca de la fruta que escape. Luego, la mosca automáticamente extiende sus patas, extiende sus alas y despega. Los científicos pudieron criar genéticamente una cepa de moscas de la fruta cuyas neuronas de escape se activaban cada vez que se encendía un rayo láser. Si apuntabas con un rayo láser a estas moscas de la fruta, despegaban cada vez. Las implicaciones para determinar la estructura del cerebro son importantes. No sólo podríamos desentrañar lentamente las vías neuronales para ciertos comportamientos, sino que también podríamos usar esta información para ayudar a las víctimas de accidentes cerebrovasculares y a los pacientes que sufren enfermedades cerebrales y accidentes. Gero Miesenböck, de la Universidad de Oxford, y sus colegas han podido identificar las mecanismos neuronales de los animales de esta manera. Pueden estudiar no sólo las vías del reflejo de escape en las moscas de la fruta, sino también los reflejos implicados en oler olores. Han estudiado las vías que rigen la búsqueda de alimento en los nematodos. Han estudiado las neuronas implicadas en la toma de decisiones en ratones. Descubrieron que, mientras que tan solo dos neuronas estaban involucradas en comportamientos intrigantes en las moscas de la fruta, en ratones se activaban casi 300 neuronas para la toma de decisiones.

Las herramientas básicas que han estado utilizando son genes que pueden controlar la producción de ciertos tintes, así como moléculas que reaccionan a la luz. Por ejemplo, existe un gen de las medusas que puede producir proteína verde fluorescente. Además, hay una variedad de moléculas como la rodopsina que responden cuando se les ilumina con luz permitiendo que los iones atraviesen las membranas celulares. De este modo, al iluminar estos organismos se pueden desencadenar determinadas reacciones químicas. Armados con estos tintes y sustancias químicas sensibles a la luz, estos científicos han podido por primera vez desentrañar los circuitos neuronales que gobiernan comportamientos específicos. Entonces, aunque a los comediantes les gusta burlarse de estos científicos por intentar crear moscas de la fruta tipo Frankenstein controladas con solo presionar un botón, la realidad es que los científicos, por primera vez en la historia, están rastreando las vías neuronales específicas del cerebro que controlan áreas específicas. comportamientos.

La optogenética es un primer y modesto paso. El siguiente paso es modelar todo el cerebro, utilizando lo último en tecnología. Hay al menos dos maneras de resolver este colosal problema, que requerirá muchas décadas de arduo trabajo. La primera es utilizar supercomputadoras para simular el comportamiento de miles de millones de neuronas, cada una conectada a miles de otras neuronas. La otra forma es localizar cada neurona del cerebro. La clave para el primer enfoque, simular el cerebro, es simple: potencia informática bruta. Cuanto más grande sea la computadora, mejor. La fuerza bruta y las teorías poco elegantes son quizás la clave para resolver este gigantesco problema. Y la computadora que podría realizar esta hercúlea tarea se llama Blue Gene, una de las computadoras más poderosas del mundo, construida por IBM. Tuve la oportunidad de visitar esta monstruosa computadora cuando recorrí el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en California, donde diseñan ojivas de hidrógeno para el Pentágono. Es el principal laboratorio de armas ultrasecreto de Estados Unidos, un extenso complejo de 790 acres en medio de una zona agrícola, con un presupuesto de 1.200 millones de dólares al año y que emplea a 6.800 personas. Este es el corazón del establishment de armas nucleares de Estados Unidos. Tuve que pasar por muchas capas de seguridad para verlo, ya que este es uno de los laboratorios de armas más sensibles del mundo.

Finalmente, después de pasar una serie de puntos de control, logré entrar al edificio que alberga la computadora Blue Gene de IBM, que es capaz de calcular a la velocidad deslumbrante de 500 billones de operaciones por segundo. Blue Gene es una vista extraordinaria. Es enorme, ocupa alrededor de un cuarto de acre y consta de fila tras fila de gabinetes de acero negro azabache, cada uno de aproximadamente 8 pies de alto y 15 pies de largo. Cuando caminé entre estos gabinetes, fue toda una experiencia. A diferencia de las películas de ciencia ficción de Hollywood, donde las computadoras tienen muchas luces parpadeantes, discos giratorios y rayos de electricidad que crujen en el aire, estos gabinetes son totalmente silenciosos, con solo unas pocas luces diminutas parpadeando. Te das cuenta de que la computadora está realizando billones de cálculos complejos, pero no escuchas ni ves nada mientras funciona. Lo que me interesaba era el hecho de que Blue Gene estaba simulando el proceso de pensamiento del cerebro de un ratón, que tiene alrededor de 2 millones de neuronas (en comparación con los 100 mil millones de neuronas que tenemos nosotros). Simular el proceso de pensamiento del cerebro de un ratón es más difícil de lo que cree porque cada neurona está conectada a muchas otras neuronas, formando una densa red de neuronas. Pero mientras caminaba entre los estantes de las consolas que componen Blue Gene, no pude evitar sorprenderme de que esta asombrosa potencia de computadora pudiera simular solo el cerebro de un mouse, y solo durante unos segundos. (Esto no significa que Blue Gene pueda simular el comportamiento de un ratón. En la actualidad, los científicos apenas pueden simular el comportamiento de una cucaracha. Más bien, esto significa que Blue Gene puede simular la activación de las neuronas que se encuentran en un ratón, no su comportamiento. .)De hecho, varios grupos se han centrado en simular el cerebro de un ratón. Un intento ambicioso es el Proyecto Blue Brain de Henry Markram de la École Polytechnique Fédérale de Lausanne, en Suiza. Comenzó en 2005, cuando pudo obtener una versión pequeña de Blue Gene, con sólo 16.000 procesadores, pero al cabo de un año logró modelar la columna neocortical de la rata, parte del neocórtex, que contiene 10.000 neuronas y 100 millones de conexiones. . Ese fue un estudio histórico porque significó que era biológicamente posible analizar completamente la estructura de un componente importante del cerebro, neurona por neurona. (El cerebro del ratón consta de millones de estas columnas, repetidas una y otra vez. Así, modelando una de estas columnas, podemos empezar a entender cómo funciona el cerebro del ratón.) En 2009, Markram dijo con optimismo: “No es imposible construir un cerebro humano y podemos hacerlo en diez años. Si lo construimos correctamente, debería hablar, tener inteligencia y comportarse de forma muy parecida a lo que hace un ser humano”. Advierte, sin embargo, que para lograrlo se necesitaría una supercomputadora 20.000 veces más potente que las supercomputadoras actuales, con un almacenamiento de memoria 500 veces el tamaño total de la Internet actual.

Entonces, ¿cuál es el obstáculo que impide alcanzar este colosal objetivo? Para él es simple: dinero. Dado que conoce la ciencia básica, siente que puede tener éxito simplemente invirtiendo dinero en resolver el problema. Dice: “No es una cuestión de años, es una cuestión de dólares…. Es una cuestión de si la sociedad quiere esto. Si lo quieren en diez años, en diez años lo tendrán. Si lo quieren dentro de mil años, podemos esperar”. Pero un grupo rival también está abordando este problema, reuniendo la mayor potencia computacional de la historia. Este grupo está utilizando la versión más avanzada de Blue Gene, llamada Dawn, también con sede en Livermore. Dawn es realmente un espectáculo impresionante, con 147.456 procesadores con 150.000 gigabytes de memoria. Es aproximadamente 100.000 veces más potente que la computadora que tienes en tu escritorio. El grupo, dirigido por Dharmendra Modha, ha obtenido varios éxitos. En 2006, pudo simular el 40 por ciento del cerebro de un ratón. En 2007, pudo simular el 100 por ciento del cerebro de una rata (que contiene 55 millones de neuronas, mucho más que el cerebro de un ratón). Y en 2009, el grupo batió otro récord mundial. Logró simular el 1 por ciento de la corteza cerebral humana, o aproximadamente la corteza cerebral de un gato, que contiene 1.600 millones de neuronas con 9 billones de conexiones. Sin embargo, la simulación fue lenta, aproximadamente 1/600 de la velocidad del cerebro humano. (Si simuló sólo mil millones de neuronas, fue mucho más rápido, aproximadamente 1/83 de la velocidad del cerebro humano). “Éste es un telescopio Hubble de la mente, un acelerador lineal del cerebro”, dice Modha con orgullo, comentando la gigantesca escala de este logro. Dado que el cerebro tiene 100 mil millones de neuronas, estos científicos ahora pueden ver la luz al final del túnel. Consideran que está a la vista una simulación completa del cerebro humano. “Esto no sólo es posible, es inevitable. Esto sucederá”, dice Modha. Sin embargo, existen serios problemas a la hora de modelar todo el cerebro humano, especialmente la energía y el calor. La computadora Dawn consume 1 millón de vatios de energía y genera tanto calor que necesita 6.675 toneladas de equipos de aire acondicionado, que expulsan 2,7 millones de pies cúbicos de aire frío cada minuto. Para modelar el cerebro humano, habría que ampliarlo en un factor de 1.000. Esta es una tarea verdaderamente monumental. El consumo de energía de esta hipotética supercomputadora sería de mil millones de vatios, o la producción de toda una central nuclear. Se podría iluminar una ciudad entera con la energía consumida por esta supercomputadora. Para enfriarlo, sería necesario desviar un río entero y canalizar el agua a través de la computadora. Y la computadora en sí ocuparía muchas cuadras de la ciudad. Sorprendentemente, el cerebro humano, por el contrario, utiliza sólo 20 vatios.

El calor generado por el cerebro humano apenas se nota, pero supera fácilmente a nuestro mayor superordenador. Además, el cerebro humano es el objeto más complejo que la Madre Naturaleza ha producido en esta sección de la galaxia. Dado que no vemos evidencia de otras formas de vida inteligentes en nuestro sistema solar, esto significa que hay que viajar al menos a 24 billones de millas, la distancia a la estrella más cercana, e incluso más allá para encontrar un objeto tan complejo como el que está sentado. dentro de tu cráneo. Podríamos ser capaces de realizar ingeniería inversa en el cerebro dentro de diez años, pero sólo si tuviéramos un programa intensivo masivo al estilo del Proyecto Manhattan y invirtiéramos miles de millones de dólares en él. Sin embargo, no es muy probable que esto suceda pronto, dada la situación económica actual. Programas intensivos como el Proyecto Genoma Humano, que costó casi 3 mil millones de dólares, fueron apoyados por el gobierno de Estados Unidos debido a sus obvios beneficios científicos y para la salud. Sin embargo, el beneficio de la ingeniería inversa en el cerebro es menos urgente y, por lo tanto, llevará mucho más tiempo. De manera más realista, abordaremos este objetivo en pasos más pequeños, y puede llevar décadas lograr plenamente esta hazaña histórica. Así que la simulación por computadora del cerebro puede llevarnos a mediados de siglo. E incluso entonces, se necesitarán muchas décadas para clasificar las montañas de datos que surgen de este proyecto masivo y relacionarlos con el cerebro humano. Nos ahogaremos en datos sin los medios para resolver el ruido de manera significativa.

Pero ¿qué pasa con el segundo enfoque, identificar la ubicación precisa de cada neurona en el cerebro? Este enfoque también es una tarea hercúlea y también puede requerir muchas décadas de dolorosa investigación. En lugar de utilizar supercomputadoras como Blue Gene, estos científicos adoptan el enfoque de cortar y cortar, comenzando por diseccionar el cerebro de una mosca de la fruta en rodajas increíblemente delgadas de no más de 50 nm de ancho (aproximadamente 150 átomos de ancho). Esto produce millones de rebanadas. Luego, un microscopio electrónico de barrido toma una fotografía de cada uno, con una velocidad y resolución cercanas a los mil millones de píxeles por segundo. La cantidad de datos que arroja el microscopio electrónico es asombrosa: alrededor de 1.000 billones de bytes de datos, suficiente para llenar una sala de almacenamiento con solo un cerebro de mosca de la fruta. Procesar estos datos, mediante la tediosa reconstrucción del cableado tridimensional de cada neurona del cerebro de la mosca, llevaría unos cinco años. Para obtener una imagen más precisa del cerebro de la mosca, hay que cortar muchos más cerebros de mosca. Gerry Rubin, del Instituto Médico Howard Hughes, uno de los líderes en este campo, cree que en total se necesitarán veinte años para elaborar un mapa detallado de todo el cerebro de la mosca de la fruta. "Una vez que resolvamos esto, diría que estamos a una quinta parte del camino hacia la comprensión de la mente humana", concluye. Rubin se da cuenta de la enormidad de la tarea que enfrenta. El cerebro humano tiene un millón de veces más neuronas que el cerebro de una mosca de la fruta. Si se necesitan veinte años para identificar cada neurona del cerebro de la mosca, entonces ciertamente se necesitarán muchas décadas más para identificar completamente la arquitectura neuronal del cerebro humano. El costo de este proyecto también será enorme. Por eso los trabajadores en el campo de la ingeniería inversa del cerebro están frustrados. Ven que su objetivo está tentadoramente cerca, pero la falta de financiación obstaculiza su trabajo. Sin embargo, parece razonable suponer que en algún momento hacia mediados de siglo tendremos tanto la potencia informática para simular el cerebro humano como también mapas toscos de la arquitectura neuronal del cerebro. Pero bien puede ser necesario hasta finales de este siglo antes de que comprendamos plenamente el pensamiento humano o podamos crear una máquina que pueda duplicar las funciones del cerebro humano. Por ejemplo, incluso si te dan la ubicación exacta de cada gen dentro de una hormiga, eso no significa que sepas cómo se crea un hormiguero.

De manera similar, el hecho de que los científicos conozcan ahora los aproximadamente 25.000 genes que componen el genoma humano no significa que sepan cómo funciona el cuerpo humano. El Proyecto Genoma Humano es como un diccionario sin definiciones. Cada uno de los genes del cuerpo humano se explica explícitamente en este diccionario, pero lo que hace cada uno sigue siendo en gran medida un misterio. Cada gen codifica una proteína determinada, pero no se sabe cómo funcionan la mayoría de estas proteínas en el cuerpo. En 1986, los científicos pudieron mapear completamente la ubicación de todas las neuronas en el sistema nervioso del diminuto gusano C. elegans. Inicialmente, esto se anunció como un gran avance que nos permitiría decodificar el misterio del cerebro. Pero conocer la ubicación precisa de sus 302 células nerviosas y 6.000 sinapsis químicas no produjo ninguna nueva comprensión de cómo funciona este gusano, ni siquiera décadas después. De la misma manera, se necesitarán muchas décadas, incluso después de que finalmente se aplique ingeniería inversa al cerebro humano, para comprender cómo funcionan y encajan todas sus partes. Si finalmente se aplica ingeniería inversa al cerebro humano y se lo decodifica por completo para finales de siglo, habremos dado un paso de gigante en la creación de robots con apariencia humana. Entonces, ¿qué les impide tomar el poder?