Denně se obklopujeme množstvím počítačů – od věciček v kapse u kalhot přes pracovní notebooky až po neviditelné internetové servery. Ten nejvýkonnější si ale nosíme mezi ušima. Lidský mozek dosahuje výkonu, vedle něhož jsou naše počítače jen dětskými hračkami. Snažíme se zjistit, jak je to možné, ale mozek si zatím své tajemství střeží. V Evropě však vzniká projekt, který má šanci odhalit víc, než dokázal kdokoliv předtím.
Pochopit sám sebe se lidský mozek snaží už takřka dvě století. Věda se pokouší od nejjednodušších struktur pronikat do stále vyšších sfér lidské mysli a inteligence. Cesta k poznání mozku se však ukázala jako nečekaně složitá. Má za sebou dvě století usilovného bádání, které se zintenzivnilo v posledních dvou dekádách. Pár ambiciózních programů však neskončilo podle očekávání svých zadavatelů. Iniciativu nyní přebírá nejnovější evropský Projekt lidského mozku. Možná má šanci, protože poprvé nejde o jen o čistou biologii – stejnou váhu bude mít kybernetika a informační technologie.
Základní biologickou jednotkou mozku je buňka. Dnes možná banální konstatování, avšak o tento fakt se vedly spory celé 19. století. Retikularisté chápali mozek jako velkou žlázu, jejíž výměšky se šíří v těle prostřednictvím nervů. Druhá skupina, neuronisté, tvrdili, že základem organizace nervového systému jsou autonomní buňky. Trvalo desítky let, než se vítězství přiklonilo na stranu neuronistů a většina akceptovala tzv. neuronovou doktrínu. První neurony našel český přírodovědec Jan Evangelista Purkyně. Stalo se to v roce 1832 a objevené buňky v malém mozku nesou jeho jméno. Ale až v roce 1891 dokázal španělský patolog Santiago Ramóny Cajal, že neuron je základní anatomickou i funkční jednotkou nervové soustavy. Za tento objev získal v roce 1906 Nobelovu cenu. Převzal ji společně s italským lékařem Camillem Golgihem, který objevil metodiku analýzy tkání. Neuronová doktrína chápe neurony jako hlavní signální jednotky nervového systému. Neurony přijímají signály přes dlouhé výběžky, dendrity, zpracují je v jádře a pošlou dál přes jiné výběžky – axony.
Spojení mezi axony jednoho a dendrity dalšího neuronu popsal v roce 1897 britský vědec sir Charles Sherrington. Nazval je synapsemi a celý proces popsal tak, že informace se předává prostřednictvím iontů, které de facto mění elektrický stav sousedních neuronů.
Kdo od dvacátého století očekával převratné objevy, musel být zklamaný. Výzkum postupoval pomalu. Ve čtyřicátých letech Američané Warren McCulloch a Walter S. H. Pitts zjistili, že malé sítě neuronů zvládají základní logické funkce. Kanadský psychoneurolog Donald O. Hebb v roce 1949 poodhalil mechanismus učení a paměti: neurony, které se normálně spojují, vytvářejí těsnější synaptické vazby. Do závěru století se vědomosti o detailní stavbě a funkci nervové tkáně dále prohloubily. Díky dokonalým zobrazovacím metodám, zvláště magnetické rezonanci, mapujeme, které části mozku odpovídají za které funkce a podrobně sledujeme jejich reakce.
„První neurony popsal český přírodovědec Jan Evangelista Purkyně. Stalo se to v roce 1832 a objevené buňky v malém mozku nesou jeho jméno. Ale až v roce 1981 dokázal španělský patolog Santiago Ramón Cajal, že neuron je základní anatomickou i funkční jednotkou nervové soustavy.“
I přesto však nedošlo k žádnému průlomu. Nepomohla ani „dekáda mozku“, kterou pro americké vědecké instituce vyhlásil v roce 1990 prezident George Bush starší. Vědy o mozku nepotkalo podobné štěstí jako genetiku. Objev dvojité šroubovice DNA a genetického kódu přinesl nečekaný rozvoj této vědy, genetici dnes konstruují organismy s novými vlastnostmi a čtou v kompletním genomu člověka. Neurologie zatím základní a jednoduchá pravidla fungování mozku „nevynalezla“. Navíc zkoumá jen jeho jednotlivé prvky a části, nedokáže zatím pohlédnout na mozek jako celek, najít zákonitosti jeho samoorganizace a inteligentního chování.
V tomto roce však neurověda dostala nové impulzy. Důvodem není jen touha po poznání, ale především rostoucí počet neurologických onemocnění. Medicína potřebuje novou diagnostiku pro autismus, epilepsii, schizofrenii, stejně jako prostředky na léčbu depresí a Alzheimerovy choroby. Jen v Evropě postihují duševní nemoci 180 milionů lidí, to znamená téměř každého třetího obyvatele, a tento podíl se bude s prodlužováním věku populace dále zvyšovat.
V USA běží několik výzkumných programů, které sledují vazby mezi nervovými buňkami a mapují systémy nervových tkání. Před čtyřmi lety prezident Barack Obama oznámil federální podporu dalšího programu – Brain Activity Map. V prvním roce plánoval získat sto milionů dolarů, aby sledoval aktivitu signálů v neuronových sítích. Ve srovnání s touto iniciativou to však vypadalo, že se špičkový výzkum mozku přesune z USA na starý kontinent. Evropská unie si na začátku jara 2013 zvolila Projekt lidského mozku (Human Brain Project) za „vlajkovou loď“ evropského výzkumu. Evropský projekt předpokládá zapojení více než 250 odborníků z biologie, fyziky, kybernetiky, IT, neurorobotiky i etiky z celého světa. Projekt povede Henry Markram ze Švýcarského federálního technologického institutu v Lausanne. Cílem je navázat na Markramovu dosavadní práci a do roku 2020 vytvořit virtuální simulátor, schopný napodobit činnost nervových buněk, jejich sítí, center i celého mozku. Bude základem pro modelování lidské mysli, demonstrátorem, na kterém si vědci ověří teorie a hypotézy o fungování mozku.
Základem virtuálního mozku jsou digitální neurony.
Markramův tým od roku 2005 studuje různé typy mozkových buněk a mapy jejich propojení. Podle údajů o geometrických a elektrických vlastnostech vytvořil digitální 3D modely desítek druhů neuronů. V dalším kroku je začal kombinovat. Vycházel z předpokladu, že existuje jakýsi základní konstrukční prvek, „lego kostka“, a z nich je poskládán celý mozek.
„Evoluce musela vytvořit základní modul, a když se ukázal jako účinný, používala ho stále dokola, přidávala k němu další a další,“ vysvětluje Markram v časopise Scientific American. V reálném mozku je „lego kostkou“ váleček s průměrem 0,5 a výškou 1,5 milimetru. V tomto kousku tkáně, která prochází všemi šesti vrstvami mozkové kůry, se skrývá síť deseti tisíc neuronů. Markramův tým dokázal sloupeček digitalizovat a nasimulovat v superpočítači IBM Blue Gene. „Když neurony dostaly simulovaný elektrický pulz, začaly intenzivně komunikovat. Akční potenciály proudily mezi vrstvami a oscilovaly tam a zpět, přesně jak to dělají ve vrstvách reálného mozku. Takovéto chování se vynořilo úplně spontánně. Neurony zůstaly aktivní dokonce i poté, co jsme stimulaci zastavili. Na chvíli vyvinuly vlastní dynamiku a dále pracovaly s informacemi,“ vzpomíná Markram na první test z roku 2008. Přidáváním stále dokonalejších „kostek“ vznikl v roce 2011 virtuální mezoobvod ze stovky modulů. Další metou je celý mozek potkana, obsahující sto mezoobvodů. Není vyloučeno, že simulace se podaří už příští rok. Potom přijde na řadu stotisíckrát složitější orgán – mozek člověka. Ten už převezme evropský Projekt lidského mozku.
Digitální mozek není výzvou jen pro přírodovědce, ale i výrobce počítačů. Zatím neexistuje žádný, který by byl schopen „utáhnout“ jeho činnost. Ani petaflopy (biliardy operací za sekundu) nejnovějšího Blue Gene nestačí. Virtuální mozek bude potřebovat tisíckrát rychlejší exasuperpočítače, jejichž výkonnost se bude měřit v exaflopech (trilionech operací).
Mohly by být k dispozici kolem roku 2020. Jenže digitalizace neuronových sítí může ovlivnit i samotnou stavbu počítačů. U křemíkových technologií spolu s výkony rostou i energetické nároky – exapočítače zřejmě spotřebují asi 20 MW, čímž se vyrovnají menšímu městu v zimě. „Lidský mozek vystačí s dvaceti watty, tedy jako slabá žárovka,“ říká Karlheinz Meier z univerzity v německém Heidelbergu. Zvládá přitom funkce, na které počítače ještě nedozrály. Ty stále mají problém s vizuálním „čtením“ celé scény, neumějí z útržkovitých informací předvídat budoucí události. Popravdě, to jsou věci, které zvládá mozek každého savce. Při digitalizaci se zřejmě odhalí i zákonitosti, jak je reálny mozek zorganizován. Mohou posloužit jako východisko pro tzv. neuropočítače a inteligentní roboty s čipy podobnými mozkovým okruhům.
Rozhodující zkouškou bude připojení mozku k napodobenině lidského těla. Až potom bude zpracovávat informace z okolního prostředí a vysílat řídicí instrukce. Až tehdy se ukáže, jestli je opravdu inteligentní.
Zatím lze těžko předvídat, jestli bude „lego taktika“ Markramova týmu opravdu úspěšná. Kritici pochybují, že dokážeme napodobit aktivitu složitých sítí, které v každém okamžiku přenášejí desítky bilionů informací. Avšak také proto projekt získal statut „vlajkové lodi“. Evropská unie takto podporuje výzkum, jehož výsledky jsou sice nejisté, nicméně v případě úspěchu doslova revoluční. Co když projekt uspěje a virtuální neurony, neustále zdokonalované nejnovějšími biologickými poznatky, se začnou chovat jako skutečné? Digitální mozek bude k dispozici celé vědecké komunitě, takže badatelé z kterékoliv části světa si na něm mohou rezervovat „strojový čas“ na svoje experimenty. Vědci dnes při hledání příčin neurologických onemocnění využívají zvířata. Bez ohledu na humánnost tohoto postupu zvířata pochopitelně nejsou ke všem experimentům vhodná – například „vypnutí“ některých genů může způsobit smrt embrya. Naopak počítačová simulace nezpůsobí problém a umožní sledovat, jaké důsledky to vyvolá v „lidském“ mozku. Navíc experimenty lze opakovat v různých podmínkách. To umožní vyvinout nové diagnostické postupy a léky připravovat „na míru“ pacientovi. A co vzdálenější budoucnost? Vědci možná časem zjistí, jak k virtuálnímu mozku přidávat další a další seskupení „lego kostek“, aby zvýšili jeho schopnosti. Možná jednou dokážou vytvořit i sestavu vícero mozků. Vznikla by tak megainteligentní struktura, jaká nemá obdobu v celém známém vesmíru. Něco podobného jako Hal 9000 ve filmu 2001: Vesmírná odysea. Není sporu, že pokud se jednou meziplanetární lety lidí mají stát realitou, bez podobné umělé inteligence se neobejdou.
Vypravte se s námi do historie české energetiky, společně ale nahlédneme i do její budoucnosti. Hostem podcastu je Tomáš Hüner, ředitel divize chytré infrastruktury v českém Siemensu, který se oblasti energetiky věnuje již více než 30 let.
Průmyslové metaverzum – nový svět, který zrcadlí a simuluje skutečné stroje, továrny, města, dopravní sítě a ostatní i velmi složité systémy – nabídne svým aktérům interaktivní reprezentace a simulace skutečného světa v reálném čase. V dějinách průmyslu představuje zcela novou kapitolu, kterou začínáme společně psát.
Reprezentativní budova Opery v Dubaji, hlavním městě stejnojmenného emirátu, v sobě skrývá špičková zařízení Siemens, která symbolizují pronikání moderních technologií této společnosti nejenom do exkluzivních koncertních sálů. Jsou také příkladem pro budování inteligentních měst.
Budoucím trendem zemědělství je udržitelné pěstování plodin s méně zdroji a bez použití chemických přípravků. Aby zemědělci mohli vyhovět těmto novým nárokům a požadavkům, musejí úzce spolupracovat s průmyslem, který jim dokáže poskytnout potřebné nástroje. Jak dobře může taková spolupráce fungovat, názorně předvádí FRAVEBOT – robot, který na brněnské rodinné farmě Ráječek monitoruje a sklízí jahody.
