Υπερυπολογιστές με… ανθρώπινο μυαλό

Βενιού Ειρήνη 

10 Νοεμβρίου 2013

Οι ηλεκτρονικοί υπολογιστές έχουν υπεραπλουστεύσει τη ζωή μας. Μας βοηθούν στην καθημερινότητά μας, καθοδηγούν τις κινήσεις μας, μας συντροφεύουν σε εργασία και ψυχαγωγία. Φανταστείτε τώρα μια νέα γενιά υπερυπολογιστών που να μπορούν να συνδέουν όλα τα κομμάτια του παζλ μεταξύ τους, να πραγματοποιούν διεργασίες παρόμοιες με εκείνες του εγκεφάλου, να έχουν «ζωντανή» μνήμη, αντίληψη και κρίση.

Πριν από λίγες ημέρες βρεθήκαμε στο ερευνητικό κέντρο της IBM στη Ζυρίχη, όπου οι επιστήμονες έχουν στρέψει την προσοχή τους στον ανθρώπινο οργανισμό και συγκεκριμένα στη μελέτη του «λαβυρίνθου» του εγκεφάλου με σκοπό την ανάπτυξη νέων, ακόμη ταχύτερων, πιο αποδοτικών και οικονομικών υπολογιστών, προικισμένων με πραγματική τεχνητή νοημοσύνη.

Γνωστική… πληροφορική

Με κεντρικό άξονα τον τρόπο με τον οποίο λειτουργεί ο ανθρώπινος εγκέφαλος οι ερευνητές της IBM έχουν τρεις βασικούς στόχους: τη χαμηλή ενεργειακή κατανάλωση για την επεξεργασία υπερφορτίων δεδομένων, την ανοχή σε σφάλματα και την ανεξαρτησία των «έξυπνων» συστημάτων από την ανάγκη διαρκούς επαναπρογραμματισμού τους. Κατά τους ειδικούς, ο ανθρώπινος εγκέφαλος καταναλώνει περίπου 15 κιλοθερμίδες την ώρα που μεταφράζονται σε σχεδόν 20 βατώρες – όσο δηλαδή χρειάζεται ένας τετραπύρηνος επεξεργαστής σε περίπου 20 λεπτά. Αυτό σημαίνει ότι ο εγκέφαλος καταναλώνει περίπου τρεις φορές λιγότερη ενέργεια για να υποστηρίξει συνάψεις που είναι 40.000 φορές περισσότερες από τα τρανζίστορ ενός υπολογιστή, γεγονός που τον καθιστά 100.000 φορές πιο αποδοτικό ενεργειακά. Τη στιγμή που η βλάβη ενός τρανζίστορ μπορεί να καταστρέψει έναν μικροεπεξεργαστή, ο εγκέφαλος παραμένει πλήρως λειτουργικός παρά την απώλεια νευρώνων. Ακόμη, σε αντίθεση με τον υπολογιστή που ακολουθεί συγκεκριμένα «μονοπάτια» ενός αλγορίθμου, ο εγκέφαλος μαθαίνει, προσαρμόζεται και ανταποκρίνεται βάσει των ερεθισμάτων που δέχεται από το περιβάλλον.

Επεξεργαστής με ηλεκτρονικό «αίμα»

«Σήμερα η λειτουργία των υπερυπολογιστών που στηρίζουν τα κέντρα δεδομένων στοιχίζει περισσότερο από την αγορά των συγκεκριμένων συστημάτων. Αυτό πρέπει να αλλάξει και για αυτό στόχος μας είναι να δημιουργήσουμε νέα, αποδοτικότερα – σε ταχύτητα και ενεργειακή κατανάλωση – υπερσυστήματα» δήλωσε στο «Βήμα» ο ερευνητής δρ Μπρούνο Μίτσελ.  

Με βάση την αρχιτεκτονική του εγκεφάλου, ο ίδιος και η ομάδα του ανέπτυξαν έναν πρωτότυπο υπολογιστή υπό μορφή ενός τρισδιάστατου «σάντουιτς» κυκλωμάτων, ο οποίος στη λογική των ηλεκτρολυτών και με τη βοήθεια μιας μπαταρίας ροής οξειδοαναγωγής βαναδίου, χρησιμοποιεί υγρό τόσο για την ψύξη του συστήματος όσο και για την τροφοδοσία του με ηλεκτρική ενέργεια.

«Ο ανθρώπινος εγκέφαλος είναι 10.000 φορές πιο πυκνός και πιο αποδοτικός ακόμη και από τον πιο υπερσύγχρονο υπολογιστή. Αυτό συμβαίνει ακριβώς επειδή ο εγκέφαλος χρησιμοποιεί ένα εξαιρετικά περίπλοκο και αποδοτικό δίκτυο από τριχοειδή αγγεία, το οποίο απομακρύνει τη θερμότητα και ταυτόχρονα μεταφέρει ενέργεια» μας τόνισε.

Το πιο φιλόδοξο πρόγραμμα για τον εγκέφαλο

O καθηγητής νευροεπιστήμης της Πολυτεχνικής Σχολής της Λωζάννης και συντονιστής του Human Brain Project, δρ Χένρι Μάρκραμ (Πηγή: EPFL)

Ονομάζεται Human Brain Project και αποτελεί το ερευνητικό πρόγραμμα της Ευρωπαϊκής Ένωσης, το οποίο αναμένεται να φέρει την επανάσταση στον τρόπο με τον οποίο αντιλαμβανόμαστε τόσο τον ανθρώπινο εγκέφαλο όσο και τους ηλεκτρονικούς υπολογιστές. Όπως μας εξήγησε ο επικεφαλής του ερευνητικού προγράμματος που έχει ως σκοπό τη «χαρτογράφηση» του εγκεφάλου με τη βοήθεια αλγορίθμων, δρ Χένρι Μάρκραμ, το νέο ελπιδοφόρο σχέδιο αναμένεται να βοηθήσει τόσο στην κατανόηση νευροεκφυλιστικών νόσων (όπως Πάρκινσον, Αλτσχάιμερ κ.ά.), όσο και στη δημιουργία νέων ευφυών συστημάτων με παρόμοια «καλωδίωση» και οργάνωση με εκείνη του ανθρώπινου εγκεφάλου.

«Πρόκειται για το μποζόνιο Χιγκς του εγκεφάλου, για την κιβωτό του Νώε του μυαλού. Είναι σαν ένα τηλεσκόπιο με εμβέλεια πέραν του Σύμπαντος που μελετά τον εγκέφαλο, σε μίκρο και μάκρο επίπεδο» σχολιάζει ο δρ Μάρκραμ.

Όταν ο ίδιος είχε παρουσιάσει το πρωτοποριακό του όραμα πριν από τέσσερα χρόνια στο πλαίσιο του συνεδρίου TEDGlobal, στην Οξφόρδη, λίγοι ήταν οι επιστήμονες που πίστεψαν ότι η ιδέα του ήταν υλοποιήσιμη. Σήμερα, με τη βοήθεια των ερευνητών των πολυτεχνικών σχολών της Λωζάννης και της Ζυρίχης, της IBM Research και του υπερυπολογιστή της Blue Gene/Q, η φουτουριστική ιδέα της αποκρυπτογράφησης κάθε «γωνιάς» του ανθρώπινου εγκεφάλου μπορεί να γίνει πραγματικότητα.

Γιατί αργούν οι θεραπείες;

 «Κατά τα τελευταία 100 χρόνια η πειραματική προσέγγιση του εγκεφάλου έχει επιταχυνθεί. Στον τομέα των νευροεπιστημών είμαστε σε θέση να εξαγάγουμε πολύ περισσότερα δεδομένα πλέον και έχουμε τη δυνατότητα να μελετάμε εις βάθος. Όμως τελικά έχουμε φτάσει στο σημείο να κατανοούμε καλύτερα τον εγκέφαλο και τις νόσους που τον πολιορκούν;» αναρωτιέται ο δρ Μάρκραμ. «Στην Ευρώπη, περίπου 300 εκατ. ευρώ τον χρόνο δαπανώνται για τη μελέτη του εγκεφάλου, ενώ σε παγκόσμιο επίπεδο το ποσό αυτό αγγίζει τα 7 δισ. τον χρόνο. Ακόμη, κάθε χρόνο περίπου 100.000 επιστημονικές μελέτες με πυρήνα τον εγκέφαλο υποβάλλονται για δημοσίευση σε έγκυρες επιθεωρήσεις. Η μελέτη του εγκεφάλου όμως δεν αφορά μόνο τη μελέτη του οργάνου, αλλά συνδυάζει και άλλους τομείς της βιολογίας, όπως π.χ. τη γενετική, τη μοριακή βιολογία, την κατανόηση του πώς λειτουργούν τα εγκεφαλικά κύτταρα και του πώς εκφράζονται τα γονίδια».

Τα δεδομένα που θα προκύψουν από το συγκεκριμένο πρότζεκτ δεν πρόκειται να προσφέρουν βοήθεια μόνο σε θεωρητικό επίπεδο, παραδέχθηκε ο επιστήμονας. «Παρά το γεγονός ότι οι νευροεπιστήμες με τη βοήθεια της τεχνολογίας μπορούν πλέον να μελετούν εις βάθος σημαντικές λειτουργίες του εγκεφάλου, είναι πραγματικά σοκαριστικό το γεγονός ότι οι θεραπείες για σοβαρές νευροεκφυλιστικές νόσους βρίσκονται στο σημείο μηδέν. Πέρυσι μόνο πέντε σκευάσματα έλαβαν έγκριση από την Αμερικανική Υπηρεσία Τροφίμων και Φαρμάκων (FDA) – τρία από τα οποία ήταν κατά της σκλήρυνσης κατά πλάκας. Είναι δηλαδή σαν να έχουμε αποτύχει να συγκεντρώσουμε όλη την απαραίτητη γνώση που έχει προκύψει από τη μελέτη του εγκεφάλου. Υπάρχει μια αδυναμία ως προς τη διαχείριση όλων αυτών των δεδομένων που έχουν συγκεντρωθεί σε κέντρα δεδομένων ανά τον κόσμο» μας ανέφερε ο δρ Μάρκραμ.

Ο πιο δύσκολος χάρτης

 «Πώς θα μπορούσαμε να «προσεγγίσουμε» κάτι τόσο περίπλοκο όπως ο εγκέφαλός μας με σκοπό να τον ξεδιπλώσουμε; Η λεγόμενη χαρτογράφηση του εγκεφάλου είναι αδύνατη. Πολλοί επιστήμονες πιστεύουν ότι μπορούν να το κάνουν, λες και πρόκειται για το ανθρώπινο γονιδίωμα. Είναι αδύνατη η χαρτογράφηση όλων των γονιδίων, όλων των πρωτεϊνών, όλων των εγκεφαλικών κυττάρων, όλων των συνάψεων. Ακόμη και αν γινόταν, δεν μπορεί να πραγματοποιηθεί για κάθε περιοχή του εγκεφάλου, για κάθε είδος, για κάθε ηλικία, για κάθε γενετική παραλλαγή. Η συγκεκριμένη διαδικασία δεν μπορεί να πραγματοποιηθεί και για τις 600 νόσους που πλήττουν τον εγκέφαλο και για όλα τα στάδιά τους. Πρόκειται για μια ψευδαίσθηση!» μας ξεκαθάρισε ο δρ Μάρκραμ.

Πίσω από τον καθηγητή κατά τη συνέντευξη κρεμόταν ένας πίνακας που θα μπορούσε να αποτελεί αφαιρετικό έργο τέχνης. Στην πραγματικότητα όμως ήταν κάτι άλλο. «Αυτό που βλέπετε πίσω μου είναι ένα μικρό μέρος του νεοφλοιού, ύψους 1,5 χιλιοστού και πλάτους 1,5 χιλιοστού – περίπου όσο το κεφαλάκι μιας καρφίτσας. Στη συγκεκριμένη περιοχή υπάρχουν περί τις 31.000 νευρώνες και 55 διαφορετικά είδη κυττάρων, που θεωρητικά μας προσφέρουν 3.025 μοναδικά «μονοπάτια» συνάψεων. Χρειαστήκαμε περίπου 20 χρόνια έρευνας για τη χαρτογράφηση μόλις 25 μονοπατιών προς περίπου ένα εκατομμύριο δολάρια έκαστο. Ακόμη και η συγκεκριμένη χαρτογράφηση δεν είναι πλήρης, αλλά ανατομική και λειτουργική χαρτογράφηση» υπογραμμίζει ο επικεφαλής του ευρωπαϊκού πρότζεκτ. «Φανταστείτε όμως τι θα μπορούσαμε να κάνουμε με τη βοήθεια της σύγχρονης τεχνολογίας. Αν ακολουθούσαμε τον παραδοσιακό τρόπο, τότε θα χρειαζόμασταν περίπου 3.000 χρόνια για τη χαρτογράφηση μιας περιοχής του εγκεφάλου με μέγεθος καρφίτσας – και έχουμε περίπου ένα εκατομμύριο τέτοιες! Το Human Brain Project αποτελεί μια εντελώς νέα προσέγγιση για το πώς μπορούμε να επιτύχουμε μια συνολική κατανόηση του εγκεφάλου σε διαφορετικές ηλικίες, σε διαφορετικές νόσους και διαφορετικά είδη. Θα επικεντρωθούμε ωστόσο στο ποντίκι και στον άνθρωπο».

«Προβλεπτική» νευροεπιστήμη, ένα νέο πεδίο

Αφού λοιπόν οι επιστήμονες είναι αδύνατο να χαρτογραφήσουν ολόκληρο τον εγκέφαλο, θα προσπαθήσουν να τον… προβλέψουν! «Πρέπει να προβλέψουμε το μεγαλύτερο μέρος της βιολογίας του εγκεφάλου, τον αριθμό και τον τύπο των νευρώνων και των συνάψεων, την ακριβή θέση των πρωτεϊνών, τον τρόπο που αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Πρόκειται λοιπόν για τη γέννηση ενός νέου επιστημονικού πεδίου: του πεδίου των «προβλεπτικών» νευροεπιστημών. Ουσιαστικά διαχειριζόμαστε τα δεδομένα που έχουμε συλλέξει σε συνδυασμό με τους βιολογικούς κανόνες, γύρω από το πώς οι νευρώνες συνδέονται μεταξύ τους και αναπτύσσουμε αλγορίθμους και στη συνέχεια «χτίζουμε» ένα υποθετικό μοντέλο του εγκεφάλου. Είναι σαν να μαντεύουμε τα κομμάτια που λείπουν από το παζλ του εγκεφάλου. Οταν έχουμε τις βιολογικές προβλέψεις, προχωρούμε σε επαλήθευση για να δούμε κατά πόσο το υποθετικό μοντέλο που έχουμε δημιουργήσει είναι σωστό. Αν είναι σωστό, τότε εξετάζουμε εις βάθος άλλα κομμάτια που λείπουν. Αν είναι λάθος, τότε αυτό σημαίνει ότι είτε μας λείπουν σημαντικά δεδομένα ή ότι δεν κατανοούμε σωστά τους κανόνες του εγκεφάλου. Και ουσιαστικά αυτό είναι η επιστήμη: η κατανόηση των βιολογικών κανόνων, γεγονός που μπορεί να οδηγήσει με τη σειρά του στην καλύτερη αντιμετώπιση νόσων και στην εξεύρεση νέων αποτελεσματικότερων θεραπειών».

Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι γύρω στα μέσα του πρότζεκτ θα έχουμε μια πολύ καλή εικόνα ως προς την οργάνωση του εγκεφάλου του ποντικού. «Γύρω στο 2020-2023 θα έχουμε και ένα «προσχέδιο» ως προς τη δομή του ανθρώπινου εγκεφάλου, το οποίο θα υποβληθεί σε νέο ξεκαθάρισμα, που θα πάρει χρόνια ως την τελική του εικόνα. Η αλήθεια είναι ότι ακόμη και οι υπερυπολογιστές μπορεί να μην είναι σε θέση να «τρέξουν» την προσομοίωση ενός πλήρως λειτουργικού εγκεφάλου του ανθρώπου ή του ποντικού. Θα πρέπει να αναπτυχθούν νέες τεχνολογίες που να μπορούν να στηρίξουν κάτι τέτοιο. Σκοπός μας είναι να συμβάλουμε – μεταξύ άλλων – και στη δημιουργία υπερυπολογιστών ικανών να «τρέξουν» μια τόσο απαιτητική προσομοίωση όπως η περίπλοκη λειτουργία του εγκεφάλου». 

Ο δρ Εμανουέλ Ντελαμάρς, επικεφαλής του εργαστηρίου Πειραματικών Βιοεπιστημών της IBM στη Ζυρίχη (Πηγή: IBM RESEARCH)

Υπερυπολογιστές εναντίον καρκίνου

Σε συνεργασία με παθολόγους από το πανεπιστημιακό νοσοκομείο της Ζυρίχης, οι ερευνητές του αμερικανικού κολοσσού ανέπτυξαν ένα πολύτιμο εργαλείο για τη διάγνωση του καρκίνου. Ως γνωστόν, κατά τη βιοψία οι ειδικοί λαμβάνουν δείγμα ιστού από την «ύποπτη» περιοχή. Στη συνέχεια το δείγμα αυτό «ψεκάζεται» από μια σειρά χημικά που θα μπορούσαν να σηματοδοτήσουν τη νόσο. Πολλές φορές το δείγμα είναι αρκετά περιορισμένο με αποτέλεσμα να καταστρέφεται από την παραπάνω διαδικασία προτού οι ειδικοί καταφέρουν να χρησιμοποιήσουν όλους τους χημικούς «δείκτες».

Πριν από περίπου δύο χρόνια οι ερευνητές αποφάσισαν να δημιουργήσουν ένα στόμιο το οποίο να καθοδηγεί με ακρίβεια τους ψεκασμούς αυτούς σε επίπεδο μικροκλίμακας. Αυτό πραγματοποιείται με τη βοήθεια ενός δεύτερου στομίου το οποίο λειτουργεί ως… «ηλεκτρική σκούπα», απομακρύνοντας τα περιττά χημικά που θα μπορούσαν να διαρρεύσουν σε κάποιο άλλο σημείο του ιστού καταστρέφοντας την επιφάνεια του εναπομείναντος δείγματος.

«Οι χημικοί δείκτες ανιχνεύουν την «υπογραφή» του τύπου της νόσου, χρωματίζοντας τον ιστό που «νοσεί». Για τον λόγο αυτόν, όταν λαμβάνουμε ένα ύποπτο δείγμα προσπαθούμε να δοκιμάσουμε όσο το δυνατόν περισσότερους χημικούς δείκτες» μας εξήγησε ο δρ Εμανουέλ Ντελαμάρς. «Η συγκεκριμένη διαδικασία μπορεί να αποκαλύψει τον τύπο όπως επίσης και την επιθετικότητα του καρκίνου, γεγονός ιδιαίτερα σημαντικό για την επιλογή της κατάλληλης και εξατομικευμένης θεραπείας. Σε πολλές περιπτώσεις ωστόσο τα δείγματα είναι περιορισμένα, με αποτέλεσμα να μην είναι εφικτή η δοκιμή όλων των χημικών».

Οι δοκιμές του καινοτόμου στομίου που παραπέμπει σε μύτη πένας καλλιγραφίας και θα μπορούσε κατά τους ειδικούς να οδηγήσει σε μια νέα μορφή βιοψίας, με σκοπό την επιλογή μιας θεραπείας κομμένης και ραμμένης στα μέτρα του κάθε ασθενούς, αναμένεται να ξεκινήσουν στο πανεπιστημιακό νοσοκομείο της Ζυρίχης στις αρχές του 2014.

PHASE-CHANGE MEMORY
Υπερ-μνήμη εν όψει!
 

Ο Έλληνας επικεφαλής του τμήματος τεχνολογιών αποθήκευσης της ΙΒΜ δρ Ευάγγελος Ελευθερίου (Πηγή: IBM RESEARCH)

Έναν δυναμικό αντίπαλο πρόκειται να αντιμετωπίσει σύντομα η μνήμη flash, καθώς, όπως όλα δείχνουν, οι ερευνητές της IBM Research κρύβουν έναν άσο στο μανίκι τους. Το όνομα αυτού: phase-change memory ή αλλιώς PCM. Όπως μας εξήγησε ο έλληνας επικεφαλής του τμήματος τεχνολογιών αποθήκευσης της ΙΒΜ δρ Ευάγγελος Ελευθερίου, πρόκειται για μια νέα τεχνολογία αποθήκευσης δεδομένων η οποία εμφανίζει αυξημένη ανθεκτικότητα σε αλλεπάλληλες επανεγγραφές, καλύτερη απόδοση, οικονομικότερη λειτουργία και αστραπιαία προσπέλαση δεδομένων.

«Στην παρούσα φάση εργαζόμαστε πυρετωδώς στην τεχνολογία αποθήκευσης που ονομάζεται phase-change memory (PCM), η οποία βασίζεται σε νέα υλικά τα οποία έχουν τη δυνατότητα να τροποποιούν τη σύστασή τους από άμορφη σε κρυσταλλική, ή το ανάποδο» αναφέρει ο δρ Ελευθερίου. «Εμφανισιακά είναι σαν ένα τσιπάκι, στο οποίο αλλάζει η αντίσταση ανάλογα με το ηλεκτρικό φορτίο που δέχεται κάθε φορά, μια διαδικασία που σηματοδοτεί την αποθήκευση των δεδομένων».

Σύμφωνα με την IBM, η οποία βρίσκεται ήδη σε συνεργασία με μεγάλη κορεατική εταιρεία γύρω από την εν λόγω τεχνολογία, η PCM έχει τη δυνατότητα εγγραφής (που αγγίζει τουλάχιστον 10 εκατομμύρια κύκλους) και προσπέλασης δεδομένων 100 φορές ταχύτερα, συγκριτικά με τη μνήμη flash.  Σύμφωνα με τον δρα Ελευθερίου η τεχνολογία PCM θα μπορούσε να κυκλοφορήσει υπό μορφή ολοκληρωμένων προϊόντων στην αγορά μέσα στα επόμενα τρία-τέσσερα χρόνια.

ΠΗΓΗ: ΒΗΜΑ-SCIENCE