Cerebro Artificial

Introducción

El cerebro es una materia blanda. Sus neuronas, vasos sanguíneos y ventrículos llenos de líquido están compuestos de lípidos, proteínas y una gran parte de agua. Se puede hundir parte del cerebro con un dedo, cortarlo, insertar electrodos en las neuronas y ver como la sangre circula a través de él.

Los cerebros reales son altamente adaptativos. Son capaces de hacer cosas tales como leer una escritura que nunca han visto y comprender el habla de personas que desconocen. Y pueden tolerar cosas que no funcionan o van mal. Funcionan bastante bien a lo largo de la vida, aunque sus células mueran y envejezcan, todavía son capaces de aprender cosas nuevas.

El estudio del cerebro está totalmente ligado a la biología y la medicina. Sin embargo, hay otra manera de pensar sobre él y que ha atraído la atención de matemáticos, físicos, ingenieros e informáticos. Piensan en el cerebro escribiendo ecuaciones, creando modelos informáticos e incluso dispositivos de hardware que imitan a las verdaderas neuronas dentro de él.

Historia

Hace algo más de un siglo, Santiago Ramón y Cajal sentó las bases de la neurobiología moderna al demostrar que el tejido nervioso no era una red continua como se creía hasta entonces, si no que estaba formado por células individuales, conocidas como neuronas. Su trabajo, imprescindible para conocer cómo funciona el cerebro y los mecanismos por los que se desarrollan las enfermedades neurodegenerativas, fue galardonado con el Premio Nobel de Medicina o Fisiología en 1906.

El legado del neurocientífico español no llama la atención únicamente por el extraordinario avance que supuso para la investigación del cerebro. Cajal, al contrario de lo que sucede hoy en día, trabajó en sus primeros quince años prácticamente en solitario. Hoy en día la ciencia no podría entenderse sin equipos multidisciplinares, formados por investigadores con formación y origen muy diversos. De ahí que el aporte de Cajal a las neurociencias tenga un valor incalculable, ya que además consiguió crear una verdadera escuela de neurobiología formada por discípulos (donde destacaron algunos como Trello, Río-Hortega, Fernando de Castro o Lorente de Nó, entre otros muchos) que continuaron con su labor tras su muerte.

Desde hace tiempo, la comunidad científica se ha abocado a diseñar un modelo de cerebro artificial que emule la actividad del biológico a la perfección. Si bien existen versiones como el Blue Gene/Q Sequoia, de IBM, estas versiones han resultado terriblemente lentas; tardando horas en simular lo que a nuestro cerebro le costaría sólo un segundo en realizar.

El problema radica en que, el cerebro en sí no es más rápido que una de estas super-computadoras, sino que funciona de manera diferente. El cerebro puede llevar a cabo más cálculos por segundo ya que está conformado por sistemas paralelos, lo cual implica que hay redes enteras de neuronas trabajando al mismo tiempo para poder resolver una serie de problemas a la vez.

Las super-computadoras, por otro lado, funcionan de manera secuencial; completando un paso antes de llevar a cabo el siguiente.

Ahora, el Neurogrid, modelo con tan sólo un millón de neuronas, ha venido a revolucionar este último punto. Kwabena Boahen, profesor de la Universidad de Stanford y director del laboratorio de investigación Brains in Silicon, ha decidido simplificar la idea detrás de las super-computadoras y construir esta versión, que, además de ser mil 500 veces más rápida que el Blue Gene/Q Sequoia y otros modelos, utiliza notablemente menos energía para funcionar.

El Neurogrid está conformado por 16 chips; cada uno representando 65 mil neuronas. Utiliza cinco watts de electricidad para funcionar, comparado a los 8 que requieren modelos precedentes. Combinando estos elementos, los investigadores pueden programar alrededor de 80 parámetros en las neuronas, definiendo una función específica para cada grupo. Así, cada "neurona" puede comunicarse con otras miles y especializar su función, justo como lo haría un cerebro biológico.

El Neurogrid combina señales digitales y analógicas para llevar a cabo su función. Mientras que las señales digitales, idénticas a las utilizadas por otros modelos, funcionan de manera binaria, las analógicas, continuas, son las que le permiten llevar a cabo cálculos diversos en un tiempo reducido.

Se espera que este tipo de inventos sirvan a la comunidad científica para comprender más acerca del funcionamiento del cerebro y cómo está afectado por padecimientos como el autismo o la esquizofrenia.

¿Qué es Blue Brain?

Blue Brain o “cerebro azul”, el proyecto que promete develar más sobre los enigmas secretos del cerebro, conocer mejor su funcionamiento y capacidad para ser útil en aplicaciones tanto biomédicas como tecnológicas.

Los responsables del proyecto Blue Brain, afirman que serán capaces de crear un cerebro artificial detallado y totalmente funcional en los próximos 10 años, algo que resolverá muchísimas enfermedades relacionadas con este órgano. Este proyecto se inició en el año 2005 en Suiza en conjunto con la empresa IBM con el objetivo de estudiar cómo funciona el cerebro humano para poder lograr fabricar un cerebro artificial que replique todas esas funciones. Los complejos cálculos para el proyecto hacen necesaria el uso de supercomputadores.

Para que tengamos una idea, cada una de las neuronas reconstruidas virtualmente requiere la potencia de un ordenador portátil, y se estima que el cerebro de una rata tiene 100.000 columnas con 10.000 neuronas cada una, por lo cual sin el aporte de este ordenador el proyecto hubiera sido imposible de realizar, en los seres humanos esta cifra se multiplica significativamente, un cerebro humano puede tener hasta 2 millones de columnas con 100.000 neuronas cada una.

¿Cómo se investiga en Blue Brain?

En el laboratorio se analiza la actividad neuronal de cerebros de rata inyectando en sus neuronas un líquido con contraste para medir su actividad. Los investigadores aplican al animal una serie de estímulos para analizar específicamente cómo se comportan las neuronas ante un estímulo específico y posteriormente intentan reproducirlo en el ordenador.

El objetivo de esta iniciativa era desarrollar lo que se conoce como ingeniería inversa del cerebro, para explorar su funcionamiento y servir de herramienta para futuras investigaciones en neurociencia y biomedicina.

A finales de 2006, el proyecto Blue Brain había creado un modelo de la unidad funcional básica del cerebro, la columna cortical. Sin embargo, las metas propuestas por el proyecto, que se marca un plazo de 10 años, imponían su conversión en una iniciativa internacional. En este contexto surge en enero de 2009 el proyecto Cajal Blue Brain, donde se materializa la participación española en el proyecto, liderado por Javier De Felipe, Profesor de Investigación del CSIC.

Para el desarrollo del proyecto se cuenta con diversas herramientas y nuevos métodos computacionales que suponen un importante aporte tecnológico. Entre estas herramientas y métodos destacan el desarrollo de técnicas de inyección intracelular e integración y explotación de datos microanatómicos, la utilización del superordenador Magerit (Universidad Politécnica de Madrid) y la nueva tecnología FIB/SEM (microscopio electrónico de doble haz) que permite estudiar a nivel ultraestructural grandes volúmenes de tejido de forma semiautómática, una tecnología esencial para descifrar el sinaptoma.

El proyecto Blue Brain ha servido de base para proponer el aún más ambicioso “Human Brain Project” (HBP) presentado hace unos días, y que cuenta con la participación de un número mayor de laboratorios e instituciones de todo el mundo. El principal objetivo del HBP es obtener simulaciones detalladas, desde el punto de vista biológico, del cerebro humano completo, así como desarrollar tecnologías de supercomputación, modelización e informáticas para llevar a cabo dicha simulación.

A través de la colaboración de más de un centenar de entidades relacionadas con la investigación, entre las que destacan Universidades como la de Oxford o Cambridge, empresas como IBM, SAP o CRAY y colaboraciones españolas, se pretende sentar el conocimiento definitivo sobre el cerebro. En esta nueva iniciativa, además de la utilización del Magerit, se utiliza el supercomputador Mare Nostrum, del Barcelona Supercomputing Center.

Estudiar este órgano no es una tarea sencilla. El investigador Javier de Felipe explica:

“A pesar de la complejidad del cerebro y la dificultad de su estudio, estoy convencido de que algún día no muy lejano podremos descifrar el funcionamiento del cerebro. Por ejemplo, hasta hace poco tiempo observar las conexiones sinápticas entre dos neuronas en 3D resultaba complicadísimo, y sin embargo, este trabajo que antes costaba años, puede realizarse ahora de forma automática en cuestión de días”.

En pocas palabras el proyecto quiere llegar a la cima del gran misterio de la neurociencia: ¿cómo se genera la inteligencia? Blue Brain espera al menos ordenar las piezas de este complejo rompecabezas, e intentará replicar la inteligencia.

¿Qué es un Cerebro Artificial?

El cerebro artificial es un modelo que ya existe y que gracias a la tecnología usando redes neuronales artificiales, a base de fuerza de conexiones que tienen una con la otra, tal como el cerebro humano. Este tema es algo abstracto y difícil de entender pues es muy nueva la tecnología que se usa, esta forma parte de la inteligencia artificial, que es la tecnología que hace que se ejecuten los procesos

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