Πασχίζοντας να λύσουν το μυστήριο του εγκεφάλου, οι από διάφορες αφετηρίες εκκινούντες επιστήμονες ανακάλυψαν σύντομα ότι οι απαντήσεις ανέκυπταν από τη σύνθεση δύο αντιπαράλληλων ερευνητικών δρόμων: ο ένας είναι της κλασικής μηχανικής, δηλαδή το πώς δουλεύει, και ο άλλος της ανάστροφης μηχανικής, δηλαδή το πώς μπορούμε να φτιάξουμε τεχνητό εγκέφαλο. Και οι δύο αυτοί δρόμοι φωτίστηκαν πρόσφατα από εντυπωσιακά επιτεύγματα που προοιωνίζονται ακόμη εντυπωσιακότερη συνέχεια.
Ολοι γνωρίζουμε ότι ο υπολογιστής του γραφείου μας δουλεύει με ηλεκτρικό ρεύμα, αλλά και όλοι μας αντιλαμβανόμαστε ότι το ρεύμα αυτό «μεταφράζεται» συνεχώς μέσα του από τα μικροσκοπικά τρανζίστορ των κυκλωμάτων του, ώστε να καταλήξουν στην περιβόητη «επεξεργασία και καταχώριση της πληροφορίας» που του ζητούμε. Συνεχή επεξεργασία και καταχώριση της πληροφορίας επιτελεί και ο εγκέφαλός μας, αλλά με τα δικά του «τρανζίστορ». Στις συνάψεις, τα σημεία επικοινωνίας μεταξύ των νευρικών κυττάρων, καθοριστικό ρόλο παίζουν οι νευροδιαβιβαστές, χημικά μόρια τα οποία απελευθερώνονται από ένα κύτταρο και, προσλαμβανόμενα από το γειτονικό του, λειτουργούν ως αγγελιαφόροι μεταβιβάζοντας συγκεκριμένες εντολές.
Εδώ και 50 χρόνια πειραματίζονται με τους νευρώνες στα εργαστήρια, αλλά κανείς δεν είχε υποψιαστεί ότι έχουν… γκάζια!
Τα τρανζίστορ του εγκεφάλου
Οι συνάψεις έχουν τυπικά πλάτος μόλις περίπου 50 νανόμετρα και εμπεριέχουν κάποιες χιλιάδες μορίων. Το να αναπαραγάγεις τεχνητά αυτά τα βιολογικά τρανζίστορ μοιάζει κυριολεκτικά με γόρδιο δεσμό. Κι όμως: τον Μάρτιο του 2003 οι ερευνητές Mark Peterman και Harvey Fishman, του καλιφορνέζικου πανεπιστημίου Stanford, παρουσίασαν την πρώτη τεχνητή σύναψη, κατασκευασμένη σε ένα κυκλωματάκι πυριτίου, πλάτους 5.000 νανόμετρων. Το επίτευγμα χαρακτηρίστηκε «άλμα», αλλά θα πρέπει να το δούμε σεμνά, ως «άλμα πρωτογόνου». Οχι τόσο επειδή ήταν εκατονταπλασίως πιο χονδροειδές από το βιολογικό αντίστοιχό του, αλλά επειδή το κυκλωματάκι του Stanford στέλνει ηλεκτρικούς παλμούς «αδιακρίτως». Αντίθετα, οι βιολογικές συνάψεις απελευθερώνουν νευροδιαβιβαστές που «μιλούν» διαφορετικά σε κάθε κύτταρο.
Το επόμενο «άλμα εξέλιξης» στις τεχνητές συνάψεις έγινε εφέτος τον Απρίλιο: οι καθηγητές Alice Parker και Chongwu Zhou, του Πανεπιστημίου της Νότιας Καλιφόρνιας (USC), χρησιμοποίησαν για το κύκλωμά τους νανοσωλήνες άνθρακα και κατάφεραν όχι μόνο να διαβιβάσουν με επιτυχία τα βιολογικά σήματα, αλλά και να αυξομειώσουν την ένταση αυτών των σημάτων, φθάνοντας πια σε εξαιρετική απομίμηση της λειτουργίας μιας πραγματικής σύναψης. Η πρώτη αξιοποίηση αυτού του επιτεύγματος εικάζεται ότι θα γίνει στην επούλωση εγκεφαλικών τραυμάτων.
Τα γκάζια των νευρώνων
Προτού περάσει δίμηνο από την επίτευξη της τεχνητής σύναψης, μια «βόμβα» έσκασε στο περιοδικό Nature Neuroscience, της 22ας Ιουνίου 2011: Οι νευρώνες ελέγχουν, όχι μόνο το είδος της πληροφορίας που θα μεταδώσουν, αλλά και την ταχύτητα με την οποία θα γίνει η μετάδοση.
Στη σχετική εργασία, την οποία δημοσίευσε η ομάδα του καθηγητή Βιοχημείας Timothy Ryan, του Weill Cornell Medical College των ΗΠΑ, αποδεικνύεται ότι ο κάθε νευρώνας διαθέτει μηχανισμό ελέγχου της ταχύτητας με την οποία ανακυκλώνει τα συναπτικά κυστίδια. Τα κυστίδια αυτά είναι ο χώρος όπου συλλέγονται οι νευροδιαβιβαστές προτού απελευθερωθούν. Προκειμένου να αποδεσμευθεί ο κάθε νευροδιαβιβαστής, το κυστίδιο ενώνεται με την επιφάνεια του κυττάρου στη σύναψη. Υστερα από κάθε «αποστολή», τα κυστίδια – που είναι περιορισμένα σε αριθμό – πρέπει να ανακτηθούν, να αναδομηθούν και να ξαναγεμίσουν με νευροδιαβιβαστές.
Για να μετρήσουν την ταχύτητα ανακύκλωσης των κυστιδίων, οι ερευνητές κατέγραψαν οπτικά τη διεργασία σε 84 διαφορετικούς νευρώνες. Εξετάζοντας τις καταγραφές τους, ανακάλυψαν ότι κάθε νευρώνας ανακτά όλα τα συναπτικά του κυστίδια με περίπου την ίδια ταχύτητα. Οπως το περιέγραψε ο δρ Ryan, «ήταν σαν να υπήρχε ένα κεντρικό πεντάλ γκαζιού που καθόριζε την ταχύτητα». Ο ρυθμός ανάκτησης όμως διέφερε από νευρώνα σε νευρώνα και έφθανε ως και στο τετραπλάσιο, ακόμη και όταν οι νευρώνες επιτελούσαν την ίδια διεργασία!
«Το μυστήριο που πρέπει τώρα να λύσουμε» είπε ο δρ Ryan «είναι η φύση αυτού του γκαζιού». Και πώς να μη συμφωνήσει κανείς; Η ύπαρξη αυτού του ανεξιχνίαστου ως σήμερα μηχανισμού κατά πάσαν πιθανότητα σχετίζεται με τις συναπτοπάθειες και όλα όσα έπονται αυτών για την κατάσταση του μυαλού μας. Αλλά και για το όραμα κατασκευής τεχνητού εγκεφάλου, η παράλειψη ενός αντίστοιχου «γκαζιού» ίσως σήμαινε τη σιγουριά ενός ναυαγίου.
Oι αναμνησεις των memristors
Περνώντας όμως από το «πώς λειτουργεί ο εγκέφαλος» στο «πώς μπορούμε να φτιάξουμε τεχνητό εγκέφαλο», δεν μπορούμε να αποφύγουμε τον ακόλουθο βασικό γρίφο: Το τρανζίστορ ήταν μεν το κλειδί «επεξεργασίας της πληροφορίας» για τον υπολογιστή μας, όμως η «δυναμική καταχώριση» αυτής δεν επιτεύχθηκε παρά μόνο με την ανακάλυψη της μαγνητικής μνήμης. Αλλά τότε ποιο θα μπορούσε να είναι το ανάλογο επίτευγμα μνήμης για έναν τεχνητό εγκέφαλο;
Ως το 2008 οι ηλεκτρονικοί που έψαχναν απάντηση στον γρίφο είχαν απελπιστεί ότι δεν θα την έβρισκαν με τις τεχνολογίες ημιαγωγών που διέθεταν. Ωστόσο η απελπισία τους μετατράπηκε σε άκρατη αισιοδοξία όταν η γνωστή Hewlett Packard (HP) ανακοίνωσε ότι μπόρεσε να κατασκευάσει σειρά διατάξεων που είχαν όλα τα χαρακτηριστικά ενός «memristor». Γιατί; Και «τι είν’ πάλι τούτο»;
Λεξικογραφικά, το μεμρίστορ προκύπτει από τις λέξεις memory-resistor, άρα στη γλώσσα μας θα αποδιδόταν ως «αντίσταση με μνήμη». Επιστημονικά, είναι διάταξη δύο ακροδεκτών, της οποίας η αντίσταση διέλευσης ηλεκτρικού ρεύματος είναι συνάρτηση του ολοκληρώματος του εισερχομένου. Με όρους της φυσικής, η διάταξη αυτή διατηρεί μια λειτουργική σχέση μεταξύ του φορτίου (χρονικό ολοκλήρωμα του ρεύματος) και της διαφοράς δυναμικού (ροής). Πρακτικά, αυτό σημαίνει ότι το memristor θυμάται πόσο ρεύμα πέρασε από μέσα του την προηγούμενη φορά, ακόμη κι όταν βρίσκεται εκτός τάσης!
Εκείνος που το πρωτοπεριέγραψε θεωρητικά – και το βάφτισε – ήταν ο Leon Chua, του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας στο Berkeley, το 1971. Εκείνη που κατάφερε να το κατασκευάσει με τρόπο ώστε να είναι και λειτουργικό και γρήγορο ήταν η HP που προείπαμε. Αλλά εκείνη που έδωσε τα κονδύλια για να καταλήξει σε κάτι πολύ πιο μεγαλεπήβολο ήταν η «αμυντική ΓΓΕΤ των ΗΠΑ», η πολύ γνωστή DARPA. Συγκεκριμένα, η DARPA χρηματοδότησε το έργο «SyNAPSE» (Systems of Neuromorphic Adaptive Plastic Scalable Electronics) της HP και του Πανεπιστημίου της Βοστώνης, για «την ανάπτυξη νευρομορφικών αρχιτεκτονικών που θα μπορούν να βασίζονται σε συστήματα memristors». Οπως επεξήγησαν στο περιοδικό IEEE Computer (τεύχος Φεβρουαρίου 2011) οι Massimiliano Versace και Ben Chandler, ο στόχος του έργου – και ο λόγος που οι στρατιωτικοί ενδιαφέρονται σφόδρα – είναι το πρώτο νευρωνικό δίκτυο μεγάλης κλίμακας που θα συνθέτει κυκλώματα πλήρους εγκεφάλου, για την «ενδυνάμωση ιδεατών και ρομποτικών πρακτόρων».
Τα τρία κλειδιά
Αν έχετε σαστίσει για το άλμα από μια αντίσταση που θυμάται ως ένα ρομπότ που σκέφτεται, ιδού η εξήγηση των δύο αρμόδιων ερευνητών: «Πριν από το μεμρίστορ ήταν αδύνατο να κατασκευάσουμε κάτι με τη λειτουργικότητα του εγκεφάλου, τις χαμηλές του ανάγκες σε ενέργεια και την αμεσότητα εσωτερικής επικοινωνίας του. Αποδείχθηκε ότι αυτά τα τρία είναι τα κλειδιά για οτιδήποτε μιμείται τον εγκέφαλο και επιδέχεται εκπαίδευση ώστε να συμπεριφέρεται σαν εγκέφαλος. Τα μεμρίστορ είναι η πρώτη τεχνολογία μνήμης με ενεργειακή απόδοση και πυκνότητα τέτοια που να συναγωνίζεται τις βιολογικές διεργασίες. Με αυτές τις διατάξεις, είμαστε σίγουροι ότι μπορούμε να δομήσουμε μια τεχνητή νοημοσύνη αντίστοιχη σε μέγεθος και ενεργειακές ανάγκες με τον εγκέφαλο ενός θηλαστικού».
Οπότε η απλή διατύπωση του σκεπτικού είναι ότι για να φτιάξεις κάτι που σκέφτεται πρέπει να φτιάξεις κάτι που μαθαίνει, άρα που θυμάται. Αλλά για να φτιάξεις κάτι ανάλογο του εγκεφάλου ενός θηλαστικού, θα χρειαζόσουν μυριάδες ενεργοβόρες μνήμες. Εκτός… αν χρησιμοποιήσεις memristors που «παγώνουν» στην κατάσταση που ήταν, ώσπου μια νέα διαφορά δυναμικού να τα «ξυπνήσει». Αυτή η χειμερία νάρκη τους δεν απαιτεί ενέργεια. Αρα ο τεχνητός εγκέφαλος που θα φτιαχτεί με αυτά μπορεί να είναι πολύ πιο μικρός και αποδοτικός _ τόσο που να πλησιάζει τα όρια ενός βιολογικού.
Αν τώρα θελήσετε μια εικόνα του πώς δείχνει ένα memristor από κοντά, φανταστείτε ένα σάντουιτς σε μικρογραφία. Οι φέτες του ψωμιού είναι δύο μεταλλικά σύρματα και το «ψαχνό» είναι ένα οξείδιο τιτανίου (TiO2). Φορτισμένες ηλεκτρικά φυσαλίδες οξυγόνου περνούν μέσα από το οξείδιο και, ανάλογα με τη θέση τους, επάνω ή κάτω, καθορίζουν την κατάσταση του memristor. Αυτή η κατάσταση είναι αντίστοιχη της κατάστασης των συνάψεων: Στον εγκέφαλο, κάθε σύναψη δημιουργείται στο «άγγιγμα» δύο νευρώνων και η κατάστασή της προσδιορίζεται από την απόσταση των νευρώνων μεταξύ τους. Τελικά αυτό που παρέχουν τα memristors είναι η αμεσότητα γειτνίασης της πληροφορίας με τον πόρο επεξεργασίας της και ο εκμηδενισμός της απαιτούμενης ενέργειας διατήρησής της, όπως ακριβώς γίνεται στους βιολογικούς εγκεφάλους.
Η πιο μεγάλη ελπίδα «αντιγραφής» των συνάψεων του εγκεφάλου: Memristor, στο μικροσκόπιο.
Πολυπύρηνη μνήμη
Εκείνο που τώρα χτίζει η HP με τα λεφτά του στρατού των ΗΠΑ είναι ένας επεξεργαστής-εγκέφαλος για έναν ρομποτικό ανιχνευτή. Η αρχιτεκτονική του είναι πολυπύρηνη (όπως άλλωστε είναι και όλοι οι σύγχρονοι μικροεπεξεργαστές των υπολογιστών μας). Αντί όμως να έχει τους 4, 6 ή 8 πυρήνες που έχουν οι συμβατικοί, ο επεξεργαστής αυτός θα έχει εκατοντάδες, όπου ο κάθε πυρήνας θα έχει και τη δική του μνήμη από memristors. Πόση μνήμη; Η πρόβλεψη είναι ότι μέσα στην ερχόμενη εικοσαετία η μνήμη αυτή θα συγκεντρώνει 1 πέταμπιτ (τετράκις εκατομμύρια bits) ανά τετραγωνικό εκατοστό!
Βεβαίως, όλοι γνωρίζουμε ότι ο επεξεργαστής του υπολογιστή μας δεν «κουνιέται ρούπι» αν δεν του πει το λειτουργικό σύστημα τι να κάνει. Κατ’ αντιστοιχία, ο υπό κατασκευή τεχνητός εγκέφαλος του «SyNAPSE» δέχεται εντολές από ένα νέου τύπου λειτουργικό σύστημα που ανέπτυξαν, ονόματι «Cog Ex Machina». Η κύρια διαφορά του από εκείνο του υπολογιστή μας είναι ότι σχεδιάστηκε για να διευκολύνει «νευρομορφικούς υπολογισμούς». Δηλαδή, θα επιμοιράζει τους υπολογισμούς αφενός σε κυκλώματα που επεξεργάζονται την πληροφορία, όπως το σώμα των νευρώνων, και αφετέρου σε κυκλώματα που την επεξεργάζονται, όπως οι άξονες των νευρώνων και οι δενδρίτες τους.
Στο επόμενο βήμα, οι ερευνητές σκοπεύουν να δημιουργήσουν χιλιάδες ρομποτικά ζωάκια («animats»), με ελάχιστα διαφοροποιημένες αρχιτεκτονικές εγκεφάλου μεταξύ τους. Θα τα αφήσουν να αλληλεπιδράσουν με το περιβάλλον και, ανάλογα με τις επιδόσεις τους στην επίτευξη αυτονομίας, θα ξεδιαλέξουν τα καλύτερα. Μια βασική δοκιμασία αυτονομίας για τα ρομποτάκια αυτά είναι η «επιβίωσή τους» όταν τα ρίξουν σε έναν υδάτινο λαβύρινθο, από τον οποίο πρέπει να βγουν κολυμπώντας. Μετά το πέρας όλων των δοκιμών, η πρωταθλήτρια αρχιτεκτονική εγκεφάλου θα εμφυτευθεί σε ένα μεγαλύτερων διαστάσεων ρομπότ και… η νέα εποχή θα αρχίσει.
Στο ερώτημα αν αυτοί οι τεχνητοί εγκέφαλοι θα «βιώσουν» συναισθήματα και ενοράσεις όπως οι βιολογικοί, οι ερευνητές σπεύδουν να επισημάνουν ότι στους στόχους τους «δεν εντάσσεται η υποκειμενική εμπειρία των μηχανών – η ανάπτυξη συνείδησης δηλαδή – αλλά μόνο η δόμηση λειτουργικών μηχανών που θα συμπεριφέρονται έξυπνα σε περίπλοκα περιβάλλοντα. Αυτό σημαίνει να έχουν νοήμονα συμπεριφορά, συναισθηματική προκατάληψη και κίνητρο, χωρίς τον περιορισμό να έχουν πραγματική επίγνωση αυτών των συναισθημάτων, σκέψεων και κινήτρων».
Βάσει προδιαγραφών λοιπόν, τα νοήμονα ρομπότ του αύριο θα είναι «ασυνείδητα». Ωστόσο εμένα με τριβελίζει ακόμη το ερώτημα: «Και ο Κάιν; Τι ήταν;».
ΣΥΝΑΨΕΙΣ ΜΕ… ΑΛΛΗ ΦΑΣΗ
Το ότι οι συνάψεις «ερμηνεύουν» πληροφορίες που έλαβαν μέσω ηλεκτρικών ώσεων και τις αναμεταδίδουν με χημικές μεθόδους, περνώντας από τη μια «φάση» στην άλλη θύμισε σε κάποιους βρετανούς ερευνητές τις αλλαγές φάσης της παραφίνης και των διαφόρων αλάτων που ανήκουν στα λεγόμενα «υλικά αλλαγής φάσης» (PCM). Τα υλικά αυτά είναι γνωστά εδώ και δύο αιώνες και χρησιμοποιούνται κατά κόρον στην ψύξη ευπαθών εμπορευμάτων. Τα τελευταία χρόνια έγιναν ευρύτερα γνωστά από τα «άλατα των αθλητών», που κατά την κρυστάλλωσή τους εκπέμπουν θερμότητα. Η δραματική αλλαγή φάσης που χαρακτηρίζει τα PCM έδωσε στον καθηγητή David Wright και στην ομάδα του, στο Πανεπιστήμιο του Exeter, την ιδέα να αντιστοιχίσουν τις ενεργειακές καταστάσεις αυτών των υλικών στα γνωστά 0 και 1 (κλειστό – ανοιχτό) των υπολογιστικών μνημών: την αρχική χαμηλή ενεργειακή τους κατάσταση στο 0 και την τελική υψηλή στο 1.
Στην εργασία τους, η οποία δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Advanced Materials της 22ας Ιουνίου 2011, περιγράφουν μια διάταξη ονόματι memflector (memory reflector, ήτοι μνημοκλαστήρας), φτιαγμένη από κράμα γερμανίου, αντιμονίου και τελλουρίου. Το κράμα αυτό, μέσω της συμπεριφοράς «υλικού αλλαγής φάσης», λειτουργεί ως μνήμη. Ταυτόχρονα όμως η διάταξη λειτουργεί ως φωτονικός καθρέφτης και αλλάζει την ανακλαστικότητά του ως προς το φως. Πράγμα που σημαίνει ότι το memflector επιτελεί και την καταχώριση της πληροφορίας και την επεξεργασία της, όπως κάνει η βιολογική σύναψη. Ενθουσιασμένος από το αποτέλεσμα ο καθηγητής Wright δήλωσε ότι «ανακαλύψαμε μια τεχνική για να αναπτύξουμε νέες μορφές βιονικών υπολογιστών, που θα μπορούν να μαθαίνουν, να προσαρμόζονται και να αλλάζουν συν τω χρόνω».
ΕΝΑΣ ΕΓΚΕΦΑΛΟΣ ΑΠΟ ΤΣΙΠΑΚΙΑ ΤΗΛΕΦΩΝΩΝ
Η ιδέα του «SpiNNaker» είναι να αντιστοιχίσουν σε κάθε νευρώνα έναν υπολογιστή, συρρικνωμένο σε τσιπάκι όσο η SIM του κινητού μας.
Στην προσπάθειά τους να εξιχνιάσουν τον εγκέφαλο, τόσο οι γιατροί όσο και οι μηχανικοί παραπονιούνται για την έλλειψη μιας «ενιαίας θεωρίας του εγκεφάλου». Βρίσκονται δηλαδή στη θέση του Κολόμβου, ο οποίος κατέγραφε τα επισκεφθέντα «παράλια των Ινδιών» χωρίς να φαντάζεται ότι είχε βρει την Αμερική! Για να αποσαφηνιστεί λοιπόν αυτό το τόσο άγνωστο γνωστό τοπίο, μια ομάδα βρετανικών πανεπιστημίων συνένωσαν τις ερευνητικές δυνάμεις τους για να φτιάξουν τον πληρέστερο προσομοιωτή του ανθρώπινου εγκεφάλου.
Το έργο τους, το οποίο ανακοινώθηκε στις 7 Ιουλίου 2011, υπό το όνομα «SpiNNaker» (Spiking Neural Network architecture), δεν προαλείφεται διόλου εύκολο. Ωστόσο οι ερευνητές πιστεύουν ότι έχουν βρει τη λύση, καταφεύγοντας στους φθηνούς μικροεπεξεργαστές ARM, που χρησιμοποιούνται κυρίως στα κινητά τηλέφωνα. Τους συνδύασαν με ένα μικροκύκλωμα μνήμης και συνέπηξαν τα δύο τσιπάκια σε ένα κύκλωμα, πλάτους 19 χιλιοστών – μέσω της τεχνολογίας 3D System-in-Package, της Unisem Europe. Αυτό το «πακετάκι» έχει από μόνο του την υπολογιστική ισχύ ενός PC, αλλά καταναλώνει μόλις ένα κερί (1 Watt). Πώς τώρα θα κλιμακωθεί αυτός ο λιλιπούτειος υπολογιστής στο αρχικό ζητούμενο; Απλά, θα συνενωθούν ως και 1 εκατομμύριο τέτοια «πακετάκια»! H προσομοίωση των νευρώνων θα γίνεται μέσω εξισώσεων, την επίλυση των οποίων θα αναλαμβάνει λογισμικό πραγματικού χρόνου (real-time), που θα τρέχει σε κάθε «πακετάκι».
Εάν και εφόσον το SpiNNaker πετύχει, οι γιατροί θα αποκτήσουν επιτέλους έναν σαφή πίνακα αντιστοίχισης εγκεφαλικών παθήσεων με μέτρα θεραπείας τους και οι μηχανικοί τα «κατασκευαστικά σχέδια» του μοντέλου που θέλουν να αντιγράψουν.
