Hvad hvis din computer havde en hjerne, der virkede ligesom din egen? Det lyder som science fiction, men med utrolige fremskridt inden for neurovidenskab, nanoteknologi og supercomputerteknologi er tiden inde til, at computerforskere kan begynde at lave computere, der nærmer sig hjernens funktioner.

Hvilken betydning får det for fremtidens computere? Det er et forjættende spørgsmål, som forskere inden for kognitiv computervidenskab arbejder på at besvare. Hvis det lykkes dem at fortrænge silicium fra pc’en og sætte en hjerne ind i stedet, kommer vi til at se en revolution inden for computerens kraft og potentiale. Fremtidens computere bliver måske i stand til at tænke i stedet for blot at følge programmer.

Alle verdens data

Med tanke kan computere analysere kolossale datamængder på et øjeblik. Tænk for eksempel på de data, der bliver genereret af supermarkedskæden Tesco. Den har 3.956 butikker verden over og beskæftiger 440.000 mennesker. Alene det at holde styr på personalet kræver sandsynligvis et ret imponerende it-system. Føj hertil detaljer om alle de produkter, den sælger, såsom priser og lagerbeholdninger. I 2008 omsatte Tesco for 37,9 milliarder pund alene i Storbritannien. Der ryger konstant en del bønner, brød og bacon over disken.

Prøv at lade fingeren løb ned over en række børsnoterede selskaber og tænk over, hvor mange data de laver – banker, der slås i det kaotiske finansmarked, bagere, bilforhandlere og alle de andre. De køber, sælger og handler. Pludselig er det indlysende, at verden udspyer data i en hårrejsende grad. Ifølge analysefirmaet IDC stiger datamængden med ikke mindre end 60 procent om året.

Data er data

Problemet er, at data bliver ved med blot at være data, indtil de bliver analyseret. Først da bliver de til information. Men med alle de data vil selv de største hjerner med maskiner, der bugner af Intel Corei7-chips, kæmpe en hård kamp. Imidlertid tror IBM, at vi med blot én computer kan håndtere denne datamalstrøm. Den maskine vil have en hjerne som vores, og den vil kunne se mønstre og muligheder, der før var usynlige, i dette kogende datahav.
Det globale hjerneprojekt

Virksomheden tror, at en kognitiv computer, der virker som en global hjerne, hurtigt og præcist kan samle dette komplekse puslespil og hjælpe folk med hurtigt at træffe gode beslutninger. Det lyder som science fiction, men det er det ikke. I en meddelelse fra IBM står der: ”IBM Research og fem førende universiteter har slået sig sammen om at skabe computersystemer, der forventes at kunne simulere og emulere hjernens evner til sansning, opfattelse, handling, interaktion og erkendelse. Samtidig vil den konkurrere med hjernen om lavt strømforbrug og kompakt størrelse.”

Hovedideen bag kognitiv computervidenskab er at lave hjernelignende intelligente maskiner ved at efterligne hjernens struktur, dynamik, funktion og adfærd.
”Hjernen har en forbløffende evne til at integrere information fra en række sensorer såsom syn, hørelse, berøring og lugt, og den kan ubesværet skabe kategorier af tid, sted og indbyrdes forbindelser,” siger Dharmendra Modha, som er den IBM-forsker, der leder initiativet. ”Der er ingen computere, der blot kommer i nærheden af de forbløffende bedrifter, som hjernen leverer.”

Det amerikanske forsvar hjælper

For at hjælpe IBM og samarbejdspartnerne har det amerikanske Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) givet holdet 4,8 millioner dollar. Hvis det lykkes for holdet, kan resultatet blive helt nye kognitive systemer, computerarkitekturer, programmeringsparadigmer og talrige praktiske applikationer.

Holdet er ambitiøst og har stillet sig selv et mål – allestedsnærværende tilstedeværelse: ”Computere, der er gennemsyret af en ny intelligens, som kan integrere information fra forskellige sensorer og kilder, håndtere flertydighed, reagere kontekstafhængigt, lære med tiden og håndtere mønstergenkendelse i arbejdet med at løse vanskelige problemer – baseret på sansning, handling og erkendelse i komplekse, konkrete miljøer.”

”Forskning er kernen i IBM’s dna,” siger Josephine Cheng, der er direktør i IBM’s Almaden Research Centre i San Jose. ”Vi tror, at vores kognitive computerinitiativ vil være med til at påvirke computernes fremtid på en markant måde og inddrage nye teknologier, som vi endnu ikke er begyndt at forestille os.”

Kortlægning af hjernen

Før IBM kan lave sin hjernebaserede computer, må virksomheden forstå, dokumentere og detaljeret kortlægge hjernens funktioner. Men IBM er langtfra det eneste firma, der arbejder med denne forskning. I laboratorier rundt om i verden prøver computereksperter og forskere at kortlægge hjernens funktioner med det formål at skabe denne utrolige nye form for tænkende computere.

Den mest bemærkelsesværdige undersøgelse – Brain Atlas-projektet – forsøger at kortlægge menneskets hjerne, og projektet finder sted på Allen Institute for Brain Science i Seattle. Paul Allen grundlagde sammen med Bill Gates Microsoft, og han har bidraget med de fleste af midlerne. Allen fik konstateret Hodgkins sygdom i 1983, og han har arbejdet som filantrop i de seneste årtier. Han er navnlig interesseret i neurovidenskab.

Brain Atlas-projektet er forbavsende ambitiøst, og ikke kun fordi det prøver at lave en komplet model af genernes arbejde i menneskets hjerne. Projektet vil også gøre dette hjerneatlas bredt tilgængeligt på internettet. Tanken er at gøre det til et slags socialt netværk for videnskabsfolk og forskere, der i samarbejde kan gøre videnskabelige opdagelser på måder, der ikke ville være mulige, hvis Brain Atlas kun fandtes i et lukket laboratorium.

Kort over hjernen

Det første skridt bestod i at kortlægge en musehjerne. Ved hjælp af komplekse teknikker lavede Allen Institute over en million scanninger i høj opløsning af cirka 20.000 gener i musehjernen for at afbilde genernes fremtoning inden i hjernen. Dernæst fandt de ud af, hvordan forskerne kunne se og bruge disse data. Instituttet har brugt 150 cpu’er – med hver 8GB ram – til museprojektet.

Menneskets hjerne er 2.000 gange større end musens, så hvis Brain Atlas-projektet skalerede op med hardware, ville det kræve 10 terabyte lagerplads. Instituttet regner med at bruge software og mindre hukommelse pr. genbillede for at lave mindre scanninger, der nemmere kan distribueres via internettet.

”Hovedparten af vores arkitektur er lager, og i øjeblikket fylder museprojektet 600 terabyte,” siger Chinh Dang, der er teknologidirektør. ”Hver skive på 2x3 cm af en menneskehjerne – det svarer til 1/65.000 af hele hjernen – genererer et billede på fra 1 til 2GB, og vi skal lave og bearbejde millioner af sådanne billeder.”

Hvad viser billedet?

Den anden udfordring ved kortlægning af hjernen er, at et enkelt billede ikke fortæller hele historien. Hjernen har millioner af overlappende fibre, der befinder sig på samme sted, og hver eneste fiber har en vigtig funktion inden i hjernen – for eksempel at bevare hukommelse, reagere på smerte eller løse et problem. Tidligere har hjernespecialister antaget, at hjernen har specifikke sektioner, men forskning fra Massachusetts General Hospital viser, at fibrene overlapper og sender information mellem sektionerne.

”Vi konstruerer billeder, der viser fibrenes stisystem i hjernen,” siger Wedeen. Men det er ikke helt så enkelt, som det kan lyde. ”Det er et usædvanligt datasæt, for stisystemerne overlapper tredimensionalt. De er ikke engang synlige hele tiden.”

Wedeen siger, at puslespillets manglende brikker – grunden til, at kortlægning af hjernen stadig er et nyt begreb, der ikke bruges uden for forskningslaboratorierne – har med grafikbehandling at gøre. Kortet bliver tegnet, ved at man henter data fra hjernen, samler disse data og aflæser fiberdata. Et program, der hedder TrackVis (www.trackvis.org) indlæser MR-dataene og laver hjernekortene. Konstruktionen kan tage få minutter eller adskillige timer, afhængig af dataenes kompleksitet og den måde, de skal bruges på.

Gpu'er hjælper virtuelle hjerner

I fremtiden vil gpu’er gøre endnu mere: ”Betydelige flaskehalse bliver fjernet, når vi går over til gpu’er,” siger Wedeen. Gpu’er, der ellers ville være ubrugte, bliver sat til at bearbejde data. ”Det andet store spørgsmål drejer sig om at gemme datasæt i multi-gigabytestørrelsen i hukommelsen og få hurtig adgang til dem. Men scanninger kan nemt parallelliseres på gpu’er uden store udgifter.”

Projektets næste fase består i at læse data fra mere end en hjerne: sammenligning af to eller måske ti hjerner samtidig. Det er problematisk, at eksisterende skærme ikke kan vise alle detaljerne på et 3D-kort over flere hjerner – der er simpelthen ikke pixel nok. I dag er 30 tommer-skærme ved 2400x1600 ikke tilstrækkelige, fordi de ikke viser alle 3D-forbindelserne.

Hvad er drømmemålet? En skærm på 3000x6000 ville give den bedste datavisualisering til hjernekortlægning.

Andre fordele

Fordelene ved alt dette arbejde kan være mange. Hvis det IBM-styrede hold ikke lever op til de store forventninger, kan de afledte virkninger, som forskningen afføder, sandsynligvis alligevel være nyttige for os alle. Det kræver enorme mængder af konventionel computerkraft at forstå og kortlægge hjernen. Det kan ikke undgå at hjælpe vores kollektive forståelse af teknikker som parallellisme og datavisualisering.

Der er også mere menneskelige fordele. Resultaterne af hjernekortlægning vil ændre diagnosticering og behandling af lidelser som sklerose og Alzheimer, og de kan hjælpe læger med at vurdere skizofrene og folk med alvorligt stofmisbrug. De kan endda hjælpe os med at forstå forskellene på mænd og kvinder – og det kan man da med sindsro kalde en god grund til at juble over kognitiv computerforskning.