Три подхода к мозгу

Мозг настолько сложен, что существует целых три способа разобрать его на части, нейрон за нейроном. Первый состоит в том, чтобы при помощи суперкомпьютеров создать электронную модель мозга; именно этот подход выбрали европейцы. Суть второго – составить карту нервных путей живого мозга, как в проекте BRAIN. (Эту задачу, в свою очередь, можно разделить на несколько подзадач в зависимости от метода исследования – анатомического, нейрон за нейроном или по выполняемой функции и активности.) И третий способ: можно расшифровать гены, управляющие развитием мозга. Пионером на этом пути стал миллиардер Пол Аллен из Microsoft.

При первом подходе – моделирование мозга при помощи транзисторов и компьютеров – сначала предполагается провести обратную разработку мозга животных в определенной последовательности: сначала мышь, затем крыса, кролик и кошка. Европейцы хотят пройти по пути эволюции, начав с простого мозга и продвигаясь постепенно к более сложному. Для компьютерщика решение этой проблемы определяется исключительно мощностью компьютеров – чем больше, тем лучше. И это означает, что для расшифровки мозга мыши и человека будут задействованы мощнейшие компьютеры планеты.

Первая мишень – мозг мыши. По размеру он в тысячу раз меньше человеческого и содержит около 100 млн нейронов. Процесс мышления в мозге мыши анализирует самый мощный на сегодня компьютер Blue Gene[18]фирмы IBM, расположенный в Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса в Калифорнии, где помимо него находятся и несколько других крупнейших компьютеров мира; они используются для расчета водородных боеголовок для Пентагона. Этот колоссальный набор транзисторов, микросхем и проводов содержит 147 456 процессоров и 150 000 Гб памяти. (В обычном домашнем компьютере один процессор и несколько гигабайт памяти.).

Работа продвигается медленно. Вместо того чтобы моделировать весь мозг целиком, ученые пытаются воспроизвести только связи между корой и таламусом, где сосредоточена значительная часть активности мозга. (Это означает, что чувственные связи с внешним миром пока остаются вне рассмотрения.)

В 2006 г. доктор Дхармендра Модха из IBM частично смоделировал мозг мыши на 512 процессорах. В 2007 г. его группа смоделировала мозг крысы на 2048 процессорах. В 2009 г. мозг кошки, содержащий 1,6 млрд нейронов и 9 трлн связей, был смоделирован на 24 576 процессорах.

Сегодня, воспользовавшись мощностью компьютера Blue Gene, исследователи из IBM смоделировали 4,5 % нейронов и синапсов человеческого мозга. Чтобы начать хотя бы частичное моделирование человеческого мозга, потребуется 880 000 процессоров; компьютер такой мощности может появиться около 2020 г.

Мне довелось снимать Blue Gene для телевидения. Чтобы попасть в лабораторию, мне пришлось преодолеть множество постов охраны, что неудивительно, ведь это лучшая оружейная лаборатория страны; но когда все проверки пройдены, вы попадаете в огромный зал с кондиционированным воздухом, где и располагается Blue Gene.

Компьютер поистине великолепен. Он состоит из множества стоек высотой около 2,4 м и длиной около 4,5 м с большими черными ящиками, полными переключателей и мигающих лампочек. Бродя между стойками, я думал о том, какие операции в данный момент выполняет компьютер. Скорее всего, он тогда строил модель внутреннего устройства протона, рассчитывал распад плутониевых триггеров, моделировал столкновение двух черных дыр и думал о мыши – и все это одновременно.

Затем мне сказали, что даже этот суперкомпьютер уступает место новому поколению под названием Blue Gene/Q Sequoia, который поднимет вычисления на новую высоту. В июне 2012 г. он поставил мировой рекорд по скорости вычислений. В пиковом режиме он может работать со скоростью 20,1 петафлопс (т. е. производить 20 100 трлн операций в секунду). Он занимает площадь около 300 кв. м и пожирает 7,9 МВт электроэнергии – достаточно для освещения небольшого города.

Но позволяет ли такая вычислительная мощь, сосредоточенная в одном компьютере, конкурировать с человеческим мозгом?

Увы, нет.

Пока компьютерное моделирование пытается воспроизвести всего лишь взаимодействие между корой и таламусом. Огромная часть мозга при этом просто не рассматривается. Доктор Модха сознает необъятность проекта. Проведенные исследования позволили ему оценить ресурсы, необходимые для создания рабочей модели целого мозга, а не его части или упрощенного варианта, с учетом всех отделов коры и связей с органами чувств. Он говорит об использовании не одного компьютера Blue Gene, а о тысяче таких компьютеров, которые займут не комнату, а целый городской квартал. Потребление энергии при этом было бы так велико, что для ее производства потребовалась бы атомная станция на 1000 МВт. А затем пришлось бы повернуть реку и пропустить ее сквозь схемы компьютера, чтобы отвести лишнее тепло и не дать им расплавиться.

Невероятно, но компьютер размером с город требуется для моделирования куска человеческой плоти весом около полутора килограммов, который умещается в вашем черепе, поднимает температуру вашего тела всего на несколько градусов, потребляет 20 Вт энергии и нуждается для поддержания работоспособности лишь в нескольких гамбургерах в день.