چگونه دانشمندان به بازسازی مغز در رایانه پرداختند؟

پروژه مغز انسان (HBP) $یک تلاش 10 ساله و 600 میلیون

 توسط اتحادیه اروپا برای پیشبرد علوم اعصاب و بازسازی دیجیتالی مغز انسان بود. هدف بلندپروازانه مدل سازی مغز در سطح سلولی ظرف یک دهه بود. بیش از 500 دانشمند از سراسر دانشگاه و صنعت شرکت کردند.

این پروژه به دلیل کوتاهی در رسیدن به هدف خود برای شبیه سازی کل مغز انسان مورد انتقاد قرار گرفت که بسیاری در ابتدا تصور می کردند غیر واقعی است. خروجی های علمی پراکنده و فاقد یکپارچگی نامیده می شوند. با این حال، HBP پیشرفت های مهمی در علوم اعصاب داشت، مانند نقشه های مغزی سه بعدی بسیار دقیق، ایمپلنت های مغزی برای درمان نابینایی، و استفاده از ابر رایانه ها برای مدل سازی عملکردهایی مانند حافظه و هوشیاری.

HBP همچنین شش پلتفرم تخصصی در زمینه‌هایی مانند شبیه‌سازی مغز، تجزیه و تحلیل داده‌ها و نورروباتیک توسعه داده است. ایده این بود که در نهایت آنها را ادغام کنیم، اگرچه آنها کاملاً مستقل شروع به کار کردند. مدیریت بهتر و راهنمایی علمی از آن زمان ادغام را بهبود بخشیده است.

یکی از دستاوردهای کلیدی اطلس مغز انسان بود که بیش از 200 ساختار قشری و زیر قشری را در سه بعدی ترسیم کرد. اطلس تنوع فردی را استاندارد کرد و شش ناحیه مغزی تازه شناسایی شده درگیر در عملکردهایی مانند حافظه، زبان، توجه و پردازش موسیقی را نشان داد. اطلس با داده های ژنتیکی ترکیب شد تا الگوهای بیان را با تغییرات ساختاری و عملکردی پیوند دهد.

الگوریتم های منحصر به فردی برای بازسازی کل مناطق مغز از تصاویر میکروسکوپی توسعه داده شد. این منطقه CA1 هیپوکامپ را که برای حافظه مهم است با حدود 5 میلیون نورون و 40 میلیارد سیناپس ترسیم کرد.

مدل‌های دیجیتال شخصی‌شده مغز یا «دوقلوهای دیجیتال» برای بهبود درمان‌های صرع و پارکینسون ساخته شده‌اند. آزمایش‌های بالینی در حال آزمایش هستند که آیا این مدل‌ها که از اسکن مغز بیماران ساخته شده‌اند، می‌توانند به شناسایی منبع تشنج و بهبود نتایج جراحی کمک کنند یا خیر. این ترجمه از پلتفرم های پایه به کاربردهای بالینی تاکنون محدود بوده است.

چشم انداز اولیه این پروژه شامل توسعه سیستم های کامپیوتری برای مدل سازی عملکردهای مغز بود. شبکه‌های عصبی پیشرفته HBP قادر به شبیه‌سازی سیستم‌های بزرگ و شبیه مغز برای آزمایش ایده‌های مربوط به عملکرد مغز و کنترل سخت‌افزارهای خارجی مانند روبات‌ها هستند.

این ابتکار از همان ابتدا بحث برانگیز بود. در سال اول، هدف شبیه سازی کل مغز انسان در عرض 10 سال با شک و تردید گسترده دانشمندان علوم اعصاب مواجه شد. رهبری که این امر را ترویج می کرد به طور فزاینده ای دور از دسترس تلقی می شد.

در سال 2014، او و دو نفر دیگر به طور یکجانبه تمرکز خود را از علوم اعصاب شناختی تغییر دادند و 18 آزمایشگاه HBP را ترک کردند. بیش از 150 دانشمند طوماری را امضا کردند و از اتحادیه اروپا خواستند تا قبل از دور بعدی بودجه، اهداف پروژه را مورد ارزیابی مجدد قرار دهد. آنها از مدیریت ضعیف و دامنه علمی محدود انتقاد کردند.

اتحادیه اروپا گروهی از کارشناسان مستقل را تشکیل داد که توصیه می‌کردند تمرکز مجدد و شفاف‌سازی اهداف و ادغام علوم اعصاب شناختی و سیستمی را در برنامه اصلی قرار دهند. در سال 2015، هیئت اجرایی سه نفره با هیئت مدیره بزرگ تری جایگزین شد.

درام اولیه برخی از دانشمندان را در مورد درگیر شدن با HBP محتاط کرد. اما پروژه های بزرگ مغز دیگری نیز در سراسر جهان مانند ایالات متحده، ژاپن، چین، استرالیا و کره جنوبی در حال اجرا بودند.

از سال 2016 تا 2020، حتی با افزایش سرعت علم، تغییرات مدیریتی در سطح بالا در HBP مکرر بوده است. این شش پلتفرم شروع به توسعه ابزارهای قابل همکاری و استانداردهای داده کردند و برخی از گروه ها به جای رشته ها، حول چالش های علمی سازماندهی مجدد کردند. اما ادغام هنوز یک کار در حال پیشرفت است.

در سه سال گذشته، HBP برای غلبه بر پراکندگی با استفاده از فناوری‌ها در پلتفرم EBRAINS خود تلاش کرده است. این ابررایانه های تعاملی خدمات داده، مدل ها و اطلس هایی را برای شبیه سازی ها و آزمایش های مغز ارائه می کنند. EBRAINS به عنوان یک میراث ارزشمند در خدمت دانشمندان علوم اعصاب در سراسر جهان دیده می شود.

از آنجایی که بودجه HBP در سپتامبر 2022 به پایان می رسد، آینده بسیاری از دانشمندان درگیر نامشخص است. برخی از تلاش‌ها بودجه جداگانه‌ای را برای ادامه کسب کرده‌اند، اما احتمالاً برای حفظ EBRAINS به بودجه عمومی و خصوصی نیاز است. بررسی مستقل HBP در نوامبر آغاز می شود و در ژانویه 2023 به پایان می رسد.

منتقدان و حامیان به طور یکسان به یک موضوع ثابت در سراسر HBP اشاره می کنند - تکه تکه شدن. گفته می شود که نتایج توزیع شده ناشی از اهداف غیرمتمرکز و همکاری ناکافی است. اما طرفداران استدلال می کنند که توسعه پلتفرم های مردمی به زمان نیاز دارد و HBP اکنون جوامع متحد شده حول اهداف مشترک ایجاد کرده است.

در حالی که HBP از بلندپروازانه ترین اهداف خود کوتاهی می کند، پیشرفت هایی را در علوم اعصاب ایجاد کرده و فناوری های مفیدی را به ارمغان آورده است. چالش های پیش رو درس های مهمی را در مورد ایجاد تعادل بین بینش های جسورانه و اجرای منظم ارائه می دهد. ابتکارات مغزی آینده نیاز به تمرکز بر علم در مقیاس کوچک و بزرگ دارد

مدل‌های ملی، پلتفرم‌های تخصصی و شبکه‌های مشارکتی. در حالی که با انتقاد از مدیریت و ادغام مواجه بود، ابزارها، داده ها و علمی مفیدی تولید کرد که اکنون آماده خدمت به جامعه علوم اعصاب اروپا هستند. میراث به این بستگی دارد که آیا پایه‌های آن می‌توانند از تحقیقات منسجم‌تر و هدف‌گراتر در آینده حمایت کنند