Sumber foto
Tikus bergigi putih kerdil , mamalia terkecil menurut massa. Ada otak kecil, holistik, kompleks di dalamnya, yang pada prinsipnya dapat dipetakan.
Jawaban singkat itu mungkin, tetapi tidak lengkap dan tidak terlalu akurat. Artinya, kita belum bisa meniru kesadarannya, tetapi kita lebih dekat dengan ini daripada sebelumnya. Hiduplah dua puluh tahun lagi - dan, mungkin, otak Anda juga akan dapat kembali bekerja.
Untuk lebih dekat dengan digitalisasi kesadaran dan jenis keabadian yang eksotis, pertama-tama Anda harus berurusan dengan jaringan saraf yang hidup. Rekayasa terbalik mereka menunjukkan kepada kita bagaimana proses berpikir (komputasi) secara umum dapat diatur dalam sistem yang dioptimalkan dengan baik.
60 tahun yang lalu, pada tanggal 13 September 1960, para ilmuwan mengumpulkan simposium pertama ahli biologi dan insinyur sehingga mereka dapat menemukan perbedaan antara mesin yang kompleks dan organisme. Dan apakah itu ada di sana. Sains disebut bionik, dan tujuannya adalah penerapan metode sistem biologi untuk teknik terapan dan teknologi baru. Biosistem dipandang sebagai prototipe teknologi baru yang sangat efisien.
Ahli neuroanatom militer Jack Steele menjadi salah satu orang yang secara signifikan mempengaruhi kemajuan teknologi lebih lanjut, termasuk di bidang AI, di mana bidang-bidang seperti teknik neuromorfik dan komputasi bioinspired dikembangkan. Steele adalah seorang dokter, berpengalaman dalam psikiatri, menyukai arsitektur, tahu bagaimana menerbangkan pesawat dan memperbaiki peralatannya sendiri, yaitu, dia adalah insinyur terapan yang cukup baik. Karya ilmiah Steele menjadi prototipe naskah film Cyborg. Jadi, dengan sedikit bentangan, Anda bisa memanggilnya kakek buyut Terminator. Dan di mana Terminatornya, Skynet ada di sana, seperti yang Anda tahu.
Pos ini didasarkan pada bahan dari buku masa depan rekan kami Sergei Markov "Berburu Domba Listrik: Buku Besar Kecerdasan Buatan".
Secara umum, pertanyaan tentang hubungan antara proses fisiologis yang terjadi dalam sistem saraf manusia dan fenomena mental merupakan salah satu pertanyaan paling menarik dalam sains modern. Bayangkan prosesor komputer rahasia telah jatuh ke tangan Anda dan Anda ingin menyalinnya. Anda dapat mengirisnya menjadi lapisan tipis dan menyalinnya dengan hati-hati selapis demi selapis. Tapi seberapa tepatnya Anda membutuhkan salinan agar berfungsi penuh atau setidaknya sebagian? Sangat sulit untuk menjawab pertanyaan seperti itu tanpa eksperimen.
Bionik, atau biomimetik, meniru prinsip-prinsip biosystems atau mengambilnya sebagai dasar. Saat Leonardo da Vinci mengamati burung-burung terbang dan menemukan ornithopter (sayangnya, tidak ada bahan dan sumber energi yang cocok yang ditemukan saat itu), maka pada abad kedua puluh kami menyalin sistem yang semakin kompleks. Chip RFID, perekat medis (perekat), struktur hidrofobik, sensor nano - semua ini dan lebih banyak lagi dibuat menggunakan bioprototipe. Di suatu tempat, keberadaan prototipe di alam memungkinkan untuk memahami bahwa pada prinsipnya teknologi itu mungkin. Jika tanaman mampu mensintesis gula dan pati dari karbon dioksida dan air, maka dapat dibuat perangkat yang melakukan fungsi yang sama.
Dan jika evolusi mengoptimalkan sistem menuju kemampuan beradaptasi terhadap lingkungan, maka kita dapat mengoptimalkannya untuk tugas kita. Dari sudut pandang evolusi, otak manusia harus mengkonsumsi sedikit energi, harus tahan terhadap pengaruh fisik (Anda tidak mungkin menyukainya jika Anda benar-benar kehilangan ingatan dari jatuhnya apel di kepala Anda), kepala bayi harus bebas mengatasi jalan lahir saat lahir, dan sebagainya.
Dalam kasus mengembangkan perangkat menggunakan prinsip yang sama, kami tidak memiliki batasan ini. Seperti ratusan lainnya.
Ngomong-ngomong, nenek moyang kita sering menganut teori pemikiran "terminal", yang menyatakan bahwa proses berlangsung di suatu tempat yang jauh (di dalam jiwa) dan disalurkan dalam bentuk perintah melalui beberapa organ. Aristoteles dan rekan-rekannya percaya bahwa terminal jiwa ada di dalam hati. Tetapi percobaan para dokter kuno dibatasi oleh tingkat teknis peradaban. Ini berlanjut kira-kira sampai Luigi Galvani menemukan pada tahun 1791 bahwa arus menyebabkan otot berkontraksi. Eksperimen ini memunculkan penelitian di bidang fenomena bioelektrik. Pada titik tertentu, Cato memutuskan untuk mengukur potensi segala sesuatu di sekitar dan mulai membuka hewan untuk pengukurannya. Dia menemukan bahwa permukaan luar materi abu-abu bermuatan lebih positif daripada struktur dalam otak. Dia juga mencatat bahwa arus listrik di otak tampaknya terkait dengan fungsi dasar."Ketika saya menunjukkan kismis kepada monyet, tetapi tidak memberikannya, ada sedikit penurunan ampere . " Berkat dia, elektroensefalografi non-invasif (yaitu, tidak terkait dengan penetrasi melalui penghalang eksternal tubuh) lahir. Pada tahun 1890, ahli fisiologi Adolph Beck dari Polandia menemukan osilasi tegangan rendah frekuensi tinggi potensial listrik yang terjadi antara dua elektroda yang ditempatkan di korteks oksipital otak kelinci.
Pada saat itu menjadi jelas bagi banyak ilmuwan bahwa otak adalah sesuatu yang secara fundamental dapat dikenali. Mungkin ini bahkan bukan "terminal" untuk jiwa ilahi, tetapi mesin listrik yang sepenuhnya dapat dimengerti, tetapi hanya sangat kompleks. Atau mengandung komponen teknik dan dapat dipelajari. Cato membuat prasyarat untuk kemunculan EEG selanjutnya. Elektroensefalografi modern diciptakan oleh Berger, meskipun ia memiliki pendahulunya seperti Pravdich-Neminsky dan lainnya.
Dua tahun sebelum percobaan Cato, pada tahun 1873, metode Golgi (dinamai menurut nama penulisnya, ahli fisiologi Italia Camillo Golgi) ditemukan, yang memungkinkan pewarnaan neuron individu (meskipun kata "neuron" tidak digunakan sampai tahun 1891).
Sebelum penemuan Golgi dalam biologi, sebuah konsep populer, yang diajukan oleh ahli histologi Jerman Joseph von Gerlach, yang percaya bahwa serat yang muncul dari berbagai benda seluler terhubung ke jaringan tunggal yang disebut "retikulum". Popularitas gagasan Gerlach disebabkan oleh fakta bahwa, tidak seperti jantung atau hati, otak dan sistem saraf tidak dapat dibagi menjadi unit struktural yang terpisah: meskipun sel-sel saraf dijelaskan dalam jaringan oleh banyak peneliti pada waktu itu, hubungan antara sel-sel saraf dan akson yang menghubungkannya. dan dendrit tidak jelas. Alasan utama untuk ini adalah kurangnya mikroskop. Berkat penemuannya, Golgi melihat bahwa proses bercabang dari satu tubuh sel tidak bergabung dengan yang lain. Dia tidak, bagaimanapun, menolak konsep Gerlach, menunjukkan bahwa pelengkap yang panjang dan ramping itu mungkinterhubung ke satu jaringan berkelanjutan.
Itu seperti yang sudah diketahui para mekanik dan tukang listrik. Pendekatan mekanistik berhasil. Benar, masih belum jelas cara kerjanya. Atau setidaknya bagaimana cara kerjanya.
Empat belas tahun kemudian, pada tahun 1887, ahli saraf Spanyol Santiago Ramon y Cajal membuktikan bahwa proses panjang dan tipis yang muncul dari badan sel sama sekali tidak terhubung ke dalam satu jaringan. Sistem saraf, seperti semua jaringan hidup lainnya, terdiri dari elemen-elemen terpisah. Pada tahun 1906, Ramon y Cajal dan Camillo Golgi menerima Penghargaan Nobel dalam bidang Fisiologi dan Kedokteran untuk pekerjaan mereka pada struktur sistem saraf . Sketsa Ramon-i-Cajal, yang sekitar 3.000 di antaranya bertahan hingga hari ini , tetap menjadi salah satu deskripsi paling rinci tentang keragaman struktural otak dan sistem saraf.
Sketsa oleh Santiago Ramon y Cajal
Penelitian lebih lanjut telah menunjukkan secara lebih rinci bahwa kita pada dasarnya dapat mengetahui cara berpikir kita - di tingkat teknik. Artinya kita bisa melakukan biomimetik terapan.
Meskipun telah diketahui sejak zaman Galvani bahwa saraf dapat tereksitasi secara elektrik, rangsangan yang digunakan untuk merangsang saraf tersebut cukup sulit untuk dikendalikan. Berapa kekuatan dan durasi sinyal tersebut? Dan bagaimana hubungan antara stimulus dan rangsangan dijelaskan oleh biofisik yang mendasari? Pertanyaan-pertanyaan ini ditanyakan pada pergantian abad ke-19 dan ke-20 oleh para pelopor dalam studi rangsangan saraf Jan Horweg (Jan Leendert Hoorweg, 1841-1919, kadang-kadang secara tidak akurat diterjemahkan sebagai "Hoorweg"), Georges Weiss (Jules Adolphe Georges Weiss, 1851-1931) danLouis Lapicque (1866-1952) . Dalam studi pertamanya pada tahun 1907, Lapik menyajikan model saraf, yang ia bandingkan dengan data yang diperoleh dengan menstimulasi saraf katak. Model ini, berdasarkan rangkaian kapasitor sederhana, akan berfungsi sebagai dasar untuk model membran sel neuron di masa mendatang.
Agar Anda memahami kompleksitas sains pada tahun-tahun itu, ada baiknya Anda memberikan beberapa contoh. Stimulus yang digunakan Lapik adalah impuls listrik pendek yang dikirim melalui dua elektroda yang dirancang dan diproduksi khusus untuk tujuan ini. Idealnya, eksperimen stimulasi dapat menggunakan pulsa arus, tetapi sumber arus yang sesuai tidak mudah dibuat. Sebagai gantinya, Lapik menggunakan sumber tegangan - baterai. Pengaturan tegangan dilakukan dengan menggunakan pembagi tegangan, yaitu kabel panjang dengan penggeser, mirip dengan potensiometer modern. Sulit juga untuk mendapatkan pulsa yang akurat dengan durasi hanya beberapa milidetik, alat yang ditemukan sedikit lebih awal untuk ini disebut "rheotome". Alat itu terdiri dari pistol dengan kunci kapsul,yang pelurunya pertama kali mematahkan pelompat pertama, menciptakan arus di sirkuit yang merangsang, kemudian memutus pelompat kedua dalam perjalanannya, memutus kontak.
Pekerjaan tahun 1907 membawa Lapik ke sejumlah pertimbangan teoretis. Dia mendalilkan bahwa aktivasi rantai sel saraf bergantung pada stimulasi listrik sekuensial setiap sel oleh impuls atau potensial aksi dari sel sebelumnya. Lapik mengusulkan teori proses saraf yang menyerupai tuning atau resonansi antara rangkaian radio osilasi.
Pada tahun 1943, buku Lapik La machine syaraf [Mesin saraf] diterbitkan , meringkas penelitian ilmuwan selama bertahun-tahun.
Penerbit Paris: Maison parisienne Neurdein (ND. Phot.), Sd
Seringkali, ketika membahas pekerjaan Lapik untuk ilmu saraf komputasi, seseorang mungkin menemukandengan pernyataan bahwa Lapik adalah pencipta dan peneliti model neuron pertama yang disebut "integrasi-dan-api". Sesuai dengan model ini, algoritme neuron dapat dijelaskan sebagai berikut: ketika arus diterapkan ke input neuron, perbedaan potensial (tegangan) melintasi membran meningkat seiring waktu hingga mencapai nilai ambang tertentu di mana terjadi perubahan seperti lompatan dalam potensi keluaran, tegangan disetel ulang ke potensi sisa, setelah itu proses dapat diulangi lagi dan lagi. Faktanya, hubungan antara eksitasi saraf dan pembentukan impuls saraf pada masa Lapik masih belum jelas, dan ilmuwan tidak mengajukan hipotesis baik tentang ini atau tentang bagaimana membran kembali ke keadaan semula setelah impuls dikeluarkan.
Perkembangan lebih lanjut dari gagasan Lapik dalam kerangka neurobiologi komputasi menyebabkan munculnya banyak model neuron biologis yang lebih akurat dan lengkap. Ini termasuk model integrasi-dan-api yang bocor, model integrasi-dan-api pesanan-pecahan, model Galves-Löckerbach [ Galves - model Locherbach], model integrasi-dan-api eksponensial, dan banyak lainnya. Penghargaan Nobel 1963 diberikan untuk penelitian Sir Alan Lloyd Hodgkin (1914-1998) dan Sir Andrew Fielding Huxley (1917-2012, jangan disamakan dengan seorang penulis).
Sumber
Cumi-cumi pantai berkaki panjang (Doryteuthis pealeii), seperti cumi-cumi lainnya, adalah organisme model yang sangat nyaman bagi ahli neurofisiologi karena adanya akson raksasa di dalamnya. Akson cumi-cumi raksasa adalah akson yang sangat besar (biasanya berdiameter sekitar 0,5 mm, tetapi terkadang hingga 1,5 mm) yang mengontrol bagian dari sistem reaktif air cumi-cumi, yang digunakannya terutama untuk pergerakan singkat tetapi sangat cepat di dalam air. Sebuah siphon terletak di antara tentakel cumi-cumi, di mana air dapat dengan cepat didorong keluar karena kontraksi otot-otot dinding tubuh hewan. Kontraksi ini dipicu oleh potensial aksi di akson raksasa. Karena hambatan listrik berbanding terbalik dengan luas penampang suatu benda, potensial aksi merambat lebih cepat di akson yang lebih besar daripada di akson yang lebih kecil.Oleh karena itu, peningkatan diameter akson raksasa dipertahankan dalam proses evolusi, karena hal itu memungkinkan peningkatan kecepatan reaksi otot. Ini adalah hadiah nyata bagi Hodgkin dan Huxley, yang tertarik pada mekanisme ionik potensial aksi - bagaimanapun juga, berkat diameter akson yang besar, elektroda penjepit dapat dipasang di lumennya!
Sumber
Model Hodgkin - Huxley adalah sistem persamaan diferensial nonlinier yang kira-kira menggambarkan karakteristik listrik sel tereksitasi. Hasilnya adalah model yang menjadi dasar untuk penelitian yang lebih rinci - ini merupakan terobosan besar dalam neurofisiologi abad ke-20.
Salah satu proyek yang lebih menarik dilakukan oleh para ilmuwan dari laboratorium Sebastian Seung. Tujuan langsung dari proyek ini adalah untuk membuat peta hubungan antar neuron di retina tikus bernama Harold. Retina dipilih sebagai objek model untuk menguji teknologi yang diperlukan untuk mencapai tujuan ilmiah jangka panjang - deskripsi lengkap tentang penghubung otak manusia. Otak tikus dikeluarkan dari tengkorak dan diiris menjadi lapisan tipis.
Bagian yang diperoleh dilewatkan melalui mikroskop elektron. Ketika staf laboratorium menyadari bahwa merekonstruksi peta koneksi satu neuron membutuhkan sekitar lima puluh jam waktu kerja spesialis dan pemetaan retina tikus untuk sekelompok seratus ilmuwan akan memakan waktu hampir dua ratus tahun, jelaslah bahwa solusi yang berbeda secara fundamental diperlukan. Dan itu ditemukan. Dia menciptakan game online EyeWire, di mana pemain bersaing satu sama lain untuk mewarnai foto potongan otak tikus.
Pada tahun 2014, dua tahun setelah peluncuran EyeWire, staf laboratorium membuat penemuan pertama dan melaporkannya di jurnal Nature. Para ilmuwan telah menemukan dengan tepat bagaimana mamalia mengenali gerakan. Ketika cahaya mengenai sel fotoreseptor, mereka mengirimkan sinyal ke sel bipolar, kemudian sel amacrine - dan akhirnya sel ganglion. Para ilmuwan menganalisis 80 neuron amacrine stellate (29 di antaranya dijelaskan oleh pemain EyeWire) dan sel bipolar yang terhubung dengannya. Mereka memperhatikan bahwa jenis sel bipolar yang berbeda mengikat secara berbeda ke neuron amakrin: sel bipolar dari satu jenis terletak jauh dari "soma" (tubuh) sel bintang dan mengirimkan sinyal dengan cepat, sel jenis lain terletak dekat, tetapi sinyal ditransmisikan dengan penundaan.
Jika rangsangan di bidang penglihatan menjauh dari tubuh (soma) sel amacrine stellata, maka sel bipolar yang "lambat" diaktifkan terlebih dahulu, kemudian sel yang "cepat". Kemudian, meskipun terjadi penundaan, sinyal dari kedua jenis sel tersebut mencapai neuron amacrine stellata pada saat yang sama, ia memancarkan sinyal yang kuat dan meneruskannya ke sel ganglion. Jika stimulus bergerak ke arah soma, sinyal dari berbagai jenis neuron bipolar tidak "bertemu" dan sinyal dari sel amacrine lemah .
Data yang diberi label oleh para pemain digunakan untuk melatih model pembelajaran mesin yang sesuai pada mereka, yang kemudian dapat melakukan pewarnaan sendiri.... Semacam ironi terletak pada kenyataan bahwa model-model ini didasarkan pada jaringan saraf konvolusional (kita akan membicarakannya secara rinci nanti), diciptakan, pada gilirannya, di bawah pengaruh data ilmiah yang diperoleh selama mempelajari korteks visual otak.
Pada tanggal 2 April 2013, BRAIN Initiative dimulai. Batu bata pertama di yayasan adalah artikel oleh Paul Alivizatos, yang menguraikan rencana eksperimental untuk proyek yang lebih sederhana, termasuk metode yang dapat digunakan untuk membangun "penghubung fungsional" dan juga mencantumkan teknologi yang perlu dikembangkan selama proyek. Direncanakan untuk berpindah dari cacing dan lalat ke biosistem yang lebih besar, khususnya, tikus kerdil. Ia adalah mamalia terkecil yang diketahui menurut berat badannya, dan otaknya hanya terdiri dari sekitar satu juta neuron. Tikus menjadi primata dapat dipindahkan, termasuk pada tahap terakhir - ke manusia.
Penghubung pertama makhluk hidup, yaitu nematoda C. elegans, dibangun kembali pada tahun 1986 oleh sekelompok peneliti yang dipimpin oleh ahli biologi Sydney Brenner (1927-2019) dari Cambridge. Brenner dan rekan-rekannya dengan hati-hati memotong cacing milimeter menjadi irisan tipis dan memotret setiap bagian menggunakan kamera film yang dipasang pada mikroskop elektron, dan kemudian secara manual menelusuri semua koneksi antar neuron menggunakan gambar . Namun, C. elegans hanya memiliki 302 neuron dan sekitar 7.600 sinapsis. Pada tahun 2016, tim ilmuwan dari Dalhousie University di Kanada mengulangi prestasi rekan-rekan mereka untuk larva tunicate laut Ciona intestinalis, yang ternyata sistem saraf pusatnya terdiri dari 177 neuron dan 6.618 koneksi sinaptik.... Namun, perlu dicatat bahwa metode yang digunakan untuk membangun penghubung tidak efektif untuk sistem saraf besar. Para peneliti tidak secara serius mempertimbangkan untuk memulai proyek yang jauh lebih besar sampai tahun 2004, ketika fisikawan Winfried Denk dan ahli saraf Heinz Horstmann mengusulkan penggunaan mikroskop otomatis untuk membedah dan memvisualisasikan otak, dan perangkat lunak untuk mengumpulkan dan menggabungkan gambar yang dihasilkan .
Pada 2019, jurnal Nature menerbitkan publikasi oleh Dr. Scott Emmons dengan laporan rinci tentang rekonstruksi nematoda Caenorhabditis elegans connectome menggunakan metode baru.... Setahun sebelumnya, sekelompok ilmuwan yang dipimpin oleh Zhihao Zheng dari Universitas Princeton menyelesaikan pekerjaan pemindaian otak Drosophila, yang terdiri dari sekitar 100.000 neuron. Sistem tersebut, yang dikembangkan oleh Zheng dan rekan-rekannya, memungkinkan untuk melewati transmisi pemindaian mikroskop elektron lebih dari 7.000 bagian yang lebih tipis dari otak seekor lalat, yang masing-masing tebalnya sekitar 40 nm, dan ukuran total gambar yang dihasilkan adalah 40 triliun piksel .
Pada April 2019, karyawan Institute of the Brain. Allen di Seattle merayakan pemecahan tonggak terakhir dalam sebuah proyek untuk memetakan satu milimeter kubik otak tikus dengan 100.000 neuron dan satu miliar koneksi di antara mereka. Untuk memproses sampel seukuran biji sawi, mikroskop beroperasi terus menerus selama lima bulan, mengumpulkan lebih dari 100 juta gambar dari 25.000 bagian korteks visual. Kemudian perangkat lunak yang dikembangkan oleh para ilmuwan institut tersebut membutuhkan waktu sekitar tiga bulan untuk menggabungkan gambar-gambar tersebut menjadi satu susunan tiga dimensi yang berukuran 2 petabyte. Semua gambar planet kita, yang dikumpulkan selama lebih dari 30 tahun oleh misi Landsat, hanya menempati sekitar 1,3 petabyte, yang membuat otak tikus memindai secara praktis "seluruh dunia dalam sebutir pasir". Tujuan akhirnya - penghubung otak manusia berskala nano - masih jauh.Jumlah neuron di dalamnya sebanding dengan jumlah bintang di Bima Sakti (sekitar 1011). Dengan teknologi pencitraan saat ini, dibutuhkan puluhan mikroskop yang beroperasi sepanjang waktu selama ribuan tahun untuk mengumpulkan data yang diperlukan untuk mencapai tujuan akhir. Namun kemajuan dalam mikroskop, serta perkembangan komputer dan algoritme yang lebih kuat untuk analisis gambar, telah mendorong bidang koneksiomik maju begitu cepat sehingga mengejutkan para peneliti sendiri. "Lima tahun lalu, terlalu ambisius untuk memikirkan milimeter kubik," kata Reid. Saat ini, banyak peneliti percaya bahwa pemetaan lengkap otak tikus, dengan volume sekitar 500 milimeter kubik, akan mungkin dilakukan dalam dekade mendatang. “Saat ini, memetakan otak manusia pada tingkat sinaptik mungkin tampak luar biasa. Tetapi jika kemajuan berlanjut dengan kecepatan yang sama,baik dalam daya komputasi maupun dalam metode ilmiah, peningkatan kemampuan seribu kali lipat lainnya sudahtampaknya tidak terbayangkan bagi kami . "
Sumber
BRAIN Initiative bukan satu-satunya program berskala besar di area ini. Ilmuwan dari Proyek Otak Biru dan Proyek Otak Manusia juga terlibat dalam pembuatan model fungsional otak tikus (dengan mata tertuju pada otak manusia). Proyek Otak China juga tidak tinggal diam.
Sebenarnya, sekarang setelah Anda memahami kompleksitas prototipe biologis ini, Anda dapat beralih ke pendekatan teknik dan secara bertahap mulai membahas penerapan prinsip-prinsip dalam komputasi modern. Tapi lebih banyak tentang itu lain kali. Atau - lebih rinci bagian ini dan berikut ini - dalam buku "Perburuan Domba Elektrik: Buku Besar Kecerdasan Buatan" karya Sergei Markov, yang sedang disiapkan untuk diterbitkan oleh penerbit "Alpina Non-Fiction". Sedangkan buku belum bisa dibeli, namun tulisan pada materi sudah bisa dibaca. Secara umumoulenspiegel.dll spesialis yang sangat keren.