Pracownik Wydziału Elektroniki i Technik Informacyjnych będzie badał ludzki mózg?

Gdy rozmawiałem z jednym z profesorów z Instytutu Medycyny Doświadczalnej i Klinicznej PAN, ten zapytał mnie: „Panie Piotrze, a gdybym ja chciał radar zrobić?” To była reakcja na to, że uczestniczę w projekcie Human Brain Project (śmiech).

Myślę, że w przebiegu rozmowy udowodni Pan, że naukom ścisłym bliżej do medycyny, niż się niektórym wydaje. Jak powstał projekt Human Brain Project?

Kilka lat temu były rozmowy z komisarzami europejskimi. Naukowcy narzekali, że siódmy ramowy projekt nie pozwala im się w pełni realizować, że towarzyszy temu ogromna machina biurokratyczna. Zapytano ich o zdanie, co chcieliby zmienić. Komisarze europejscy usłyszeli: chcielibyśmy przynajmniej 10 lat w czymś uczestniczyć i by taki projekt był stabilny. Wymyślono wówczas ideę „okrętów flagowych”. Jak jednak wymyślić temat badawczy na 10 lat? Zajęło to trochę czasu. Powstał zatem projekt Human Brain Project, ale w podejściu inżynierskim. Głównym szefem projektu jest Henry Markram z Politechniki Federalnej w Lozannie. Zajmował się on wcześniej projektem Blue Brain, którego jednym z pierwszych etapów była symulacja pojedynczej kolumny neuronalnej mózgu szczura.

Czyli to kontynuacja tamtych badań?

My mamy nadzieję, że Human Brain Project to jest troszkę coś innego, niż dotychczasowe badania mózgu. Ciekawe jest to, jak ten projekt przebijał się, bo to jest kwestia umiejętności stworzenia pewnej wizji, ale także rozmów z politykami. Było kilka kluczowych, dobrych pomysłów. Wizjonerzy już swoje zrobili, teraz trzeba się do tego zabrać w rzeczywistości, a to nie jest łatwa sprawa. Jedni wierzą, że przy pojawianiu się ogromu publikacji na temat mózgu w pewnym momencie, osiągnie to masę krytyczną i wszystkich olśni i mózg nie będzie miał już przed nami tajemnic. Inni sądzą, że bez odpowiedniego planu (Markram mówi wręcz o skali przewrotu kopernikańskiego), bez zebrania tych cząsteczek wiedzy dotyczących tego organu możemy nie osiągnąć celu. Potrzebne są nowe teorie i wielki plan do tego.

Struktura w której ja uczestniczę to informatyka medyczna. My prezentowaliśmy taką myśl w Brukseli - każdego dnia w szpitalach europejskich robi się setki tysięcy badań rezonansu magnetycznego. Wyniki tych badań trafiają do badanych, a potem do archiwum i koniec. Dane te nie są już potem używane. Badania są zrobione, koszty tych badań poniesione – dlaczego by tych danych nie użyć? Sukces Google i ich filozofia „data mining”, gdzie z dużej bazy danych definiuje się problemy, jest na tyle spektakularny, że trzeba coś zrobić z takimi danymi. Weźmy zgromadzone dane, gromadźmy kolejne, z dużej liczby danych metodami komputerowymi będziemy szukali nowych definicji chorób, chociażby takich jak choroby demencyjne. Może choroba alzheimera to sto różnych chorób, które mylnie łączone są np. z jaskrą? Odrzucamy w tej chwili, czy może inaczej… Chcielibyśmy odrzucić to co wiemy, niech przemówią dane. Jeśli stworzy się dużą bazę danych, to może da się znaleźć i zdefiniować na nowo choroby.

Budowę ludzkiego mózgu znamy niemal do ostatniego neuronu. Gdzie mózg ma jeszcze przed nami tajemnice?

Patrzymy na jakąś maszynę, widzimy jak jest zbudowana, ale wrzucamy w nią kulkę i nie wiemy w jaki sposób ona przez maszynę przeleci. I o to w tym chodzi. Wiemy doskonale jak mózg wygląda, nie wiemy natomiast jakie są jego czynności. Może byśmy wiedzieli, gdybyśmy potrafili zrobić jego symulację? W Forschungszentrum Jülich w ramach projektu Human Brain Project jest grupa The High Performance Computing, która ma superkomputer oparty na architekturze Blue Gene. Oni mniej więcej w tej chwili wyliczyli, że by zasymulować ilość połączeń synaptycznych, ilość neuronów w mózgu, potrzeba mocy obliczeniowej rzędu 1 petaflopa. Kolejna grupa to Neuromorphic Computing, to grupa technologiczna, która wykonuje w krzemie chipy. Jest to wafer, który ma prototypowy chip. Takich chipów jest w nim 250. Jak się weźmie taki pojedynczy chip, to blisko 90 proc. jego powierzchni to jest realizacja połączeń. W połączeniach jest problem – mózg jest trójwymiarowy. W mikroprocesorze podstawowym budulcem są bramki logiczne, to układy które mają wejścia i wyjścia, które realizują jakąś funkcję logiczną wejść. Średnio w mikrokontrolerach, w elektronice krzemowej stosunek ilości wejść do wyjść wynosi pięć – na jedno wyjście przypada pięć wejść do takiej struktury. W ludzkim mózgu jest stosunek dziesięć do piątej. To zupełne odwrócenie tego co robimy. Nie potrafimy w strukturach planarnych, bo wszystkie krzemowe technologie są planarne, dwuwymiarowe, zrealizować takiej liczby połączeń jak w mózgu.
 

Projekt będzie realizowany przez dekadę. Jakie są plany i cele przy tak długim projekcie?

Każde z tych zagadnień ma jakiś plan na 10 lat. Jeśli chodzi o Medical Informatics to w pierwszej fazie chcemy mieć 3 szpitale połączone siecią, potem 50 i na koniec 500 szpitali europejskich, które będą zbierać dane z badań pacjentów. Grupa High Performance Computing chcą mieć wspomnianego petaflopa, grupa Neuromorphic Computing ma teraz wafer, który realizuje kilkaset neuronów i chce regularnie rozwijać jego możliwości. Każda grupa w tym projekcie ma swoje cele rozplanowane na 10 lat. Czy za dekadę wyjaśnią się wszystkie tajemnice mózgu? Trzeba tu postawić znak zapytania. Chyba jednak nikt się nie odważy powiedzieć, że w ciągu dekady zrozumiemy w pełni ludzki mózg.

Dr hab. inż. Piotr Bogorodzki

Warto podjąć ten trud? Czy uda się na zakończenie Human Brain Project przedstawić światu sztuczny mózg?

Będą z tego projektu ogromne korzyści technologiczne i to bardzo wymierne. Mój telefon na przykład nie wytrzymuje doby bez ładowania. Weźmy takie chipy inspirowane sposobem obliczeń, jakie realizuje mózgu. Żeby zrealizować wizję sztucznego mózgu, potrzeba na chwilę obecną mniej więcej 10 megawatów mocy, a mózg potrzebuje raptem kilka watów mocy. Mamy zatem wiele do zrobienia na tym polu.

Zatem co może nas zbliżyć technologicznie do stworzenia sztucznego mózgu? Może technologiczne novum, jakim jest grafen?

Tu trzeba by być wielkim wizjonerem, dlatego, że grafen jako materiał jest jeszcze w fazie badawczej. Aby przekuć to w jakąś technologię, jeszcze potrzeba pewnie wiele czasu. Gdyby była jakaś technologia realizacji struktur obliczeniowych, połączeń z udziałem grafenu… Na razie to jednak chyba zupełnie inne światy.

10 lat trwania projektu przy takim poziomie jego skomplikowania, to długi, czy krótki okres czasu?

Na otwarcie projektu Human Brain Project była przemowa, skierowana szczególnie do starszych kolegów, w której padło pytanie: czy zdają sobie oni sprawę, że muszą oddać swoje życie naukowe temu projektowi i czy chcą to zrobić? Oni powiedzieli tak. No to my, młodsi mielibyśmy powiedzieć nie? (śmiech)

A Pan Profesor nie boi się poświęcić 10 lat swojego naukowego życia?

Jestem częścią tego projektu, ale ten projekt nie jest dla mnie. Ja widzę tu szansę dla nas, doktorów, doktorantów, bo ta struktura umożliwia nieprawdopodobne wprost możliwości. Ten projekt angażuje 200 najlepszych uczelni technicznych w Europie, ale także kilka amerykańskich. Nie ma o czym dyskutować, sprawa jest oczywista.

Dr. hab. inż Piotr Bogorodzki (w środku) wraz z zespołem z Pracowni Biomedycznych i Nukleonicznych Systemów Komputerowych

Przejdźmy do żmudnej pracy, jaką czeka Pański zespół, który będzie odpowiadał za tworzenie bazy danych. Jak będzie wyglądało zbieranie wyników badań rezonansem magnetycznych?

Jest już kilka podobnych inicjatyw, np. Alzheimer's Disease Neuroimaging Initiative (ADNI). To amerykańska sieć zbierania danych i uczestniczy w niej około 800 szpitali. Są tam najlepsze placówki. Technicznym koordynatorem tego jest Paul Thompson z Uniwersytetu Kalifornijskiego. Osoba ta jest również konsultantem w Human Brain Project. Na pewno skorzystamy z jego wiedzy. Byłby to system zamieszczany w szpitalach, powinien umieć pobierać dane z systemu szpitalnego i systemu obrazowego. Jest w tym sporo specyfiki, bo jest to wszystko unormowane - są na przykład standardy przesyłania danych. Gdy te dane z kilkuset szpitali trafią do nas, to nie będzie to jakiś skomplikowany proces, z którym technologicznie sobie nie można poradzić.

Kiedy projekt wystartuje?

Gdy Unia Europejska wybrała już projekty, będące okrętami flagowymi, okazało się niestety, że brak mechanizmów do finansowania dziesięcioletnich projektów. Zrobiono więc manewr, że podzielono projekt na trzyletnią fazę wstępną i 7 lat jego kontynuacji. Trzyletni projekt pasuje do mechanizmu projektu zintegrowanego w siódmym Programie Ramowym i można go pod niego podciągnąć. Dzięki temu już wiadomo, ilu musi być recenzentów, jak wyglądają wszystkie procedury, itd. Na razie wiemy, co robimy przez najbliższe 3 lata, ale jak będą wyglądały pozostałe, tego jeszcze do końca nie wiadomo.

Czy nauki ścisłe są w stanie pomóc medycynie? Czy poprzez skomplikowane analizy można lepiej zrozumieć pewne choroby?

Oczywiście, że tak. Nie wiem, czy to dociera do środowisk medycznych, ale sądzę, że od strony aparatury wszystko jest coraz bardziej skomplikowane. Od 15 lat zajmuję się taką techniką, jak czynnościowy rezonans magnetyczny, czyli obrazowanie czynności mózgu. Od co najmniej dekady borykam się z mentalnym problemem zrozumienia, że w tej chwili badań mózgu nie robi ani lekarz, ani psycholog, ani inżynier, tylko muszą być do tego stworzone interdyscyplinarne zespoły. To jest kluczowa sprawa.

Problem jest taki, że zorganizowanie takiego zespołu jest bardzo trudne. Ludzie skupiają się na tym, co daje im regularny zarobek, a wówczas pozostaje jedynie czas wolny po pracy. Trudno konkurować z zespołami, które mają pełne finansowanie, skupiają się tylko na tym, nie są rozproszone na sto innych rzeczy. Takie zespoły mają na przykład w University College London, Politechnice Federalnej w Lozannie. Takie grupy powstają również przy słynnych szpitalach, takich jak Instytut Karolinska. Tak to jest organizowane na świecie. Budowanie zespołów naukowych, to złożona sprawa i czasochłonny proces.

Od lat zajmuje się Pan badaniami mózgu. Zmieniło się Pana postrzeganie tego organu?

Mózg nie był moim głównym punktem zainteresowania, raczej rezonans magnetyczny i techniki z tym związane. Zawsze starałem się przy tym zagadnieniu łączyć, czy też wykorzystywać technikę, by ludzie, którzy ze mną pracują, studenci wynosili z tego coś zawodowo, jakieś konkretne umiejętności. Jest to dziedzina, która wymaga znajomość radiotechniki. Wielu moich studentów wykonywało odbiorniki cyfrowe itd. Tu trzeba mieć świadomość, że specyfika naszej pracy jest taka, że cel naukowy, czy dążenie do niego musi mieć przyswajalność studencką. Studenci muszą coś przy tym robić, czegoś się z tego uczyć. Niektórzy mówią, że to spowalniacz, a inni, że wręcz przeciwnie.
Mamy też rzeczy stricte naukowe np. musimy pokazać, że grubość kory mózgowej w obszarze pierwotnej kory wzrokowej różni się między osobami chorymi na jaskrę i osobami zdrowymi. Cel czysto naukowy, ale żeby jednak to zrobić, to trzeba się zastanowić, jak coś trójkątami aproksymować, jak dobrze oddać pofalowanie mózgu.

Wracając jednak do pytania, uświadomiłem sobie całkiem niedawno, że odeszła u mnie ta cała „metafizyka” związana z mózgiem. Potrafię to sobie zamknąć w pewnym „pudełku”. Jeżeli weźmiemy dwa identyczne strukturalnie mózgi, poddamy je tym samym procesom uczenia, to one będą takie same. Dotarło też do mnie, że jeśli nawet Human Brain Project zrozumie mózg, to nie odpowie na jednak najważniejsze pytania, które męczą ludzkość, typu po co żyjemy i itd.

Sztuczny mózg nam na to nie odpowie?

Tak, dokładnie (śmiech). Zrozumiemy może, jak się realizuje to wszystko w mózgu, ale nie odpowiemy na tak ważkie pytania. Na pewno zrozumienie sposobu komunikacji neuronów przyniesie nam jednak nowy rodzaj elektroniki. Ta inżynieria neuromorficzna jest czymś nowym. Zrozumienie choroby, to również wielki przemysł farmaceutyczny, a chorób związanych z mózgiem jest naprawdę sporo. Human Brain Project to na pewno ważny krok. Najpierw trzeba coś zrozumieć, żeby potem to reperować.