Tercera Cultura en català
Dejar un comentario

Modelatge per ordinador: El cervell en un calaix

Pel seu interès, el nostre amic Antonio Arturo tradueix aquest articlepublicat a Nature el 22 febrer 2012

Henry Markram busca 1.000 milions d’euros per modelar tot el cervellhumà. Els escèptics no creuen que ho aconsegueixi. M. Mitchell Waldrop -22 febrer 2012

No va ser exactament el linxament que Henry Markram hauria esperat, però la pluja de comentaris crítics dels seus col·legues neurocientífics («és una merda», va dir un) ho va fer semblar un acte.

Oficialment, la reunió de l’Acadèmia Suïssa de Ciències a Berna el 20 de gener era un examen del modelatge a gran escala amb ordinadors en neurociències. Oficiosament, es tractava de la primera oportunitat real que tenien els neurocientífics d’obtenir respostes sobre la controvertida proposta de Markram del Projecte de Cervell Humà (HBP), un projecte de construcció d’una simulació en superordinadors que integri tot el coneixement sobre el cervell humà , des de les estructures de canals iònics de les membranes de les cèl·lules neuronals fins als mecanismes que hi ha després de la decisió conscient.

Markram, un electrofisiólogo del cervell sud-africà que treballa a l’Institut Federal de Tecnologia de Lausana (EPFL) des de fa una dècada, pot veure realitzats els seus somnis aviat. El projecte és un dels sis finalistes que competeixen per obtenir 1.000 milions d’euros si es converteix en una de les dues iniciatives de bandera de la Unió Europea per a la pròxima dècada.

Oficialment, la reunió de l’Acadèmia Suïssa de Ciències a Berna el 20 de gener era un examen del modelatge a gran escala amb ordinadors en neurociències. Oficiosament, es tractava de la primera oportunitat real que tenien els neurocientífics d’obtenir respostes sobre la controvertida proposta de Markram del Projecte de Cervell Humà (HBP), un projecte de construcció d’una simulació en superordinadors que integri tot el coneixement sobre el cervell humà , des de les estructures de canals iònics de les membranes de les cèl·lules neuronals fins als mecanismes que hi ha després de la decisió conscient. Markram, un electrofisiólogo del cervell sud-africà que treballa a l’Institut Federal de Tecnologia de Lausana (EPFL) des de fa una dècada, pot veure realitzats els seus somnis aviat. El projecte és un dels sis finalistes que competeixen per obtenir 1.000 milions d’euros si es converteix en una de les dues iniciatives de bandera de la Unió Europea per a la pròxima dècada. «Els científics que investiguen el cervell estan generant 60.000 articles a l’any», va dir Markram en la seva explicació de la idea a Berna. «Tots són estudis bells i fantàstics, encara que tots centrats en la seva pròpia petita parcel · la: tal molècula, tal regió cerebral, tal funció, tal mapa». El HBP podria integrar aquests descobriments, va dir, i crear models per explorar com s’organitzen els circuits neuronals, i com donen origen aa la conducta i la cognició, entre els misteris més profunds de la neurociència. El darrer terme, segons Markram, el HBP fins i tot podria ajudar a tractar de resoldre malalties com l’Alzheimer. «Si no disposem d’una visió integrada, no comprendrem aquestes malalties», va declarar. No obstant això, hi ha un malestar gran sobre la idea de Markram, com va quedar clar en les reaccions a la reunió. Molts neurocientífics creuen que està mal concebuda, sobretot perquè el particular enfocament de Markram a la simulació cerebral els sembla grotescament complex i excessivament detallat. I no estan segurs en absolut de poder confiar en Markram per dirigir un projecte veritablement obert a altres idees. «Necessitem varietat en neurociències», va declarar Rodney Douglas, co-director de l’Institut de Neuroinformàtica (INI), una iniciativa conjunta de la Universitat de Zuric i de l’Institut Federal Suís de Tecnologia de Zuric (ETH Zurich). Atès el poc que se sap sobre el cervell, ha dit, «necessitem tanta gent diferent expressant idees diferents com sigui possible», una diversitat que es podria veure amenaçada si tan gran part de l’escàs diners per a la recerca en neurociències es desviés a una sol impuls. Markram no es va desanimar. En aquest precís moment, va exposar, els neurocientífics no disposen de cap pla per assolir una comprensió exhaustiva del cervell. «així que aquest és el pla,» va dir «construir models integradors». La gran idea de Markram Markram ha perseguit la unió des d’almenys 1980, quan va iniciar els seus estudis a la Universitat de Ciutat del Cap a Sud-àfrica. Va abandonar el seu primer camp, la psiquiatria, quan va decidir que aquesta consistia principalment en clasificarar gent en casellers diagnòstics i medicarla en conseqüència. «Això mai anava a dir-nos com funcionava el cervell», va recalcar a Berna. La seva recerca de nous camins va portar a Markram al laboratori de Douglas, en aquells dies un jove neurocientífic de Ciutat del Cap. Markram va quedar captivat. «Vaig dir, ‘això és!’ Vaig a investigar el cervell i el seu funcionament la resta de la meva vida, fins al més petit detall que puguem trobar «. Aquest entusiasme va portar a Markram a un doctorat a l’Institut Weizmann de Ciències a Rehovot, Israel, a postdoctorats al Intitut nacional de Salut de Bethesda, Maryland, USA, ia l’Institut Max Planck d’investigació Mèdica de Heidelberg, Alemanya, i al professorat de Weizmann el 1995. Es va guanyar una formidable reputació com experimentador, demostrant de manera notable la plasticitat sinàptica dependent de la temporització dels impulsos (spike-timing-dependent Plasticity), en què la intensitat de les connexions neuronals canvia segons quan els impulsos entren i surten (H. Markram et al. Science 275, 213-215; 1997). A mitjans dels 90, es trobava insatisfet amb els descobriments individuals. «Em vaig adonar que podria seguir fent això els pròxims 25 o 30 anys de la meva carrera, i tot i així això no anava a ajudar-me a comprendre com funciona el cervell», va dir. Per avançar, va raonar, els neurocientífics haurien conjuntar els seus descobriments de manera sistemàtica. Tot experiment implica un model, almenys tàcitament, sigui l’estructura molecular d’un canal iònic o la dinàmica d’un circuit cortical. Markram es va adonar que amb ordinadors es podrien codificar tots aquests models explícitament i fer-los funcionar conjuntament. Això ajudaria als investigadors a trobar les llacunes i contradiccions del seu coneixement i identificar els experiments necessaris per resoldre-les. L’enfocament de Markram no era original: els científics han estat ideant models matemàtics de l’activitat neuronal des de principis del segle vint, i usant ordinadors per a això des dels anys 50 ( http://www.nature.com/nature/journal/v482/n7386/full/482462a.html ). Però la seva ambició era gran. En lloc de modelar cada neurona com un node puntual d’una xarxa neuronal, ell va proposar modelar en tot el seu detall multi-ramificat, descendint al detall de les seves miríades de canals iònics ( http://www.nature.com/news/computer-modelling-brain-in-a-box-1.10066#build ). I en lloc de modelar només els circuits neuronals implicats en, per exemple, el sentit de l’olfacte, pretenia modelar tot «des del nivell genètic, el nivell molecular, les neurones i sinapsas, com estan formats els microcircuits, els macrocircuitos, els mesocircuitos, les àrees del cervell, fins a aconseguir comprendre com enllaçar aquests nivells fins arribar a la conducta i la cognició «. La potència de càlcul requerida per executar aquesta grandiosa teoria unificada seria del voltant d’un exaflops, és a dir, 10 elevat a 18 operacions per segon, cosa impossible en els anys 90. Però Markram no es va descoratjar: la potència de càlcul es dobla cada 18 mesos aproximadament, de manera que els ordinadors d’escala de exaflops podrien ser una realitat cap a 2020 ( http://www.nature.com/news/computer-modelling-brain-in-a-box-1.10066#far ). I mentrestant, va assegurar, els neurocientífics haurien preparar-se per ells. Les ambicions de Markram encaixen perfectament amb les de Patrick Aebischer, un neurocientífic que va arribar a la presidència del EPFL el 2000 amb el propòsit de fer de la universitat una potència tant en informàtica com en investigació biomèdica. Markram va ser un dels seus primers fitxatges, el 2002. «Henry ens va donar una justificació per comprar un Blue Gene» diu Aebischer, en referència a l’aleshores nou supercomputador IBM optimitzat per a simulacions a gran escala. Es va instal · lar un al EPFL el 2005, el que va permetre a Markram iniciar el Projecte Blue Brain: el seu primer experiment en neurociència integrada i, en retrospectiva, el prototip del HBP. Part del projecte ha consistit a demostrar el que pot suposar un model unificador, diu Markram, qui va començar amb una base de dades sobre el còrtex de la rata que ell i els seus estudiants han vingut acumulant des dels anys 90. Segons ell, s’hi recullen al voltant de 20.000 experiments de diferents laboratoris, «informació sobre gairebé cada tipus de cèl · lula amb què ens hem trobat, morfologia, reconstrucció tridimensional, propietats elèctriques, comunicació sinàptica, localització de les sinapsas, la manera com es comporten les sinapsas, fins i tot informació genètica sobre com s’expressen els gens «. A finals de 2005 el seu equip havia integrat tota la informació rellevant d’aquesta base de dades en un model d’una neurona individual. El 2008, els investigadors havien connectat 10.000 d’aquests models formant la simulació d’un tros tubular de còrtex conegut com a columna cortical. Ara, utilitzant una versió més avançada de Blue Gene, han simulat 100 columnes interconnectades. El treball ha rendit alguns descobriments, diu Markram, com l’encara no publicada distribució estadística de les sinapsas en una columna. Però el seu èxit real ha consistit en provar que els models integradors són capaços, com prometien, de servir com a magatzems d’informació de l’estructura i funcionalitat cortical. És cert que la major part del treball dels equips s’ha dedicat a crear «l’enorme ecosistema d’infraestructura i programari» necessari perquè Blue Brain sigui d’utilitat per a qualsevol neurocientífic, diu Markram. Aquí s’inclouen les eines automàtiques per a la conversió de dades en simulacions, i eines informàtiques com  http://channelpedia.net, un lloc web cooperatiu que reuneix automàticament informació estructural sobre canals iònics a partir de la base de dades PubMed i que compta actualment amb al voltant de 180.000 abstracts. L’objectiu final sempre va ser integrar informació del cervell complet, diu Markram. L’oportunitat d’apropar a aquesta escala va aparèixer per fi el desembre de 2009, quan la Unió Europea va anunciar que es proposava dotar amb 1.000 milions d’euros cada un a dos projectes de insígnia, de risc alt però revolucionaris en potència. Markram, que havia format part del consell assessor de 27 membres que havia aprovat la iniciativa, no va perdre temps en organitzar la seva pròpia candidatura. Al maig de 2011 el HBP va ser nominat com un dels sis candidats que obtindrien una subvenció inicial i haurien de presentar una proposta completa el maig de 2012. Si l’HBP és seleccionat, un dels objectius fonamentals serà fer-ho altament cooperatiu i accessible per Internet, obert a invetigadors de tot el món, diu Markram, i afegeix que el consorci del projecte actualment ja compta amb uns 150 investigadors de primera línia i 70 institucions de 22 països. «Hi haurà molts Einsteins treballant junts en la construcció d’un cervell», diu, aportant cadascú les seves idees i experiències pròpies.

De baix a dalt

La descrición del HBP com un recurs obert als seus usuaris va despertar interès i entusiasme en la convenció de Berna. Però els crítics amb Markram van tenir molta més veu, i molts d’ells es van referir a la suposada incapacitat del model Blue Brain i de l’enfocament de Markram per integrar la informació. A la base de la proposta hi ha la convicció Markram que un bon model unificador ha d’integrar la informació de baix a dalt. Segons aquest enfocament, els modeladors han de començar al nivell més bàsic (i insisteix en els canals iònics perquè determinen quan una neurona es dispara) i fer que tot funcioni abans de passar al nivell següent. Per això es requereixen moltes hipòtesis ben fonamentades, però Markram raona que els grans buits que sabem que tenim en el coneixement del cervell es poden anar omplint a mesura que els experiments es van publicant (el model Blue Brain s’actualitza un cop per setmana). Segons ha dit Markram, amb l’enfocament alternatiu, avançar fent abstracció del detall biològic, no hi ha manera d’estar segur que les respostes dels models tinguin alguna cosa a veure amb el funcionament real del cervell. En això és on altres neurocientífics experts en computació es mostren reticents. La majoria d’ells ja fan servir models simples de neurones individuals per investigar funcions d’alt nivell com el reconeixement de pautes. Segons van al · legar molts d’ells a Berna, en la proposta baix a dalt de Markram existeix el risc que els arbres no ens deixin veure el bosc: el model podria ser tan detallat que no fos més fàcil d’entendre que el cervell real. I això en el cas que Markram pogués construir-lo. A jutjar pel que Blue Brain ha aconseguit en els passats sis anys, això sembla poc probable. La minúscula capa simulada de còrtex de rata no té entrades d’òrgans sensorials ni sortides cap a altres parts del cervell, i gairebé no produeix comportament d’interès, va assenyalar en un email Kevan Martin, codirector de l’INI. «Certament, no és el cas» que Markram hagi simulat la columna tal com funciona en un animal complet, va dir. La resposta de Markram a Berna a tals crítiques va ser que contínuament se li suma capacitat a Blue Brain. Però Martin no va quedar convençut. El seu email continuava dient que «No puc imaginar com aquest nivell de detall, que encara està molt incomplet malgrat el considerable treball d’Henry, es podrà obtenir alguna vegada d’alguna cosa més que unes poques regions del cervell d’un rosegador, no diguem cervells de Drosophila, peix zebra, ocell, ratolí o mico «. «Per descomptat», continua Martin, «tot això no seria més que una tempesta acadèmica en un got d’aigua» si l’HBP no hagués irromput i elevat enormement l’envit. És fàcil imaginar altres àrees de recerca en neurociències privades de recursos pel HBP, especialment a Suïssa que, com a país amfitrió, haurà d’aportar una part encara per determinar però substancial dels fons. Douglas es pregunta gastaria Europa mil milions d’euros en finançar el fervent afany d’una persona? Admet que el progrés de vegades necessita visionaris, «Però què passa si estan ferventment equivocats?». També fomenten la inquietud (i la irritació) l’estesa impressió que Markram ha vingut exposant les seves idees a través dels mitjans de comunicació i no en publicacions, conferències i altres canals convencionals de la ciència. Als periodistes els agrada: Markram és alt, atractiu i explica les seves idees amb claredat, concisió i insistència, com una versió sud-africana del desaparegut Carl Sagan. Posseeix un «efecte hipnòtic», diu Richard Hahnloser, neurocientífic computacional de l’INI. Però els crítics diuen que això produeix massa titulars que donen la impressió que el HBP eliminarà, per exemple, la necessitat d’animals experimentals. «Tota la comunitat de les neurociències tindrà problemes durant deu anys a partir d’ara», quan les prediccions no resultin encertades, diu un altre investigador de l’INI, preocupat perquè els polítics vinguin de seguida dient «vostè va prometre».

La marxa del progrés

En Berna, Markram es va irritar davant acusacions que havia buscat publicitat deliberadament. «Jo no he dit mai que el HBP substituís els experiments animals» va dir a un dels seus interpel. «Jo vaig dir que la simulació t’ajuda a triar els experiments que afegeixin més valor». Markram va tractar també d’insistir per tots els mitjans en què el HBP estarà obert a altres enfocaments de modelatge. «Aquest temor és infundat perquè ni tan sols s’han molestat a assabentar-se de la proposta» va declarar a Nature després de la reunió. La instal · lació final «permetrà a qualsevol construir models en una varietat de nivells de detall biològic amb tanta informació com sigui possible obtinguda en qualsevol lloc». Markram sembla estar reunint suports. L’any passat, el consell que supervisa tant l’ETH com el EPFL ratificar de manera entusiasta el projecte Blue Brain després d’una rigorosa revisió duta a terme per un comitè de quatre membres entre els quals quals hi havia dos obertament escèptics amb el projecte de Markram. El consell va demanar al Parlament suís que assignés 75 milions de francs suïssos (81 milions de dòlars) al projecte per al període 2013-2016, més de deu vegades el pressupost actual de Blue Brain. S’espera la decisió del Parlament per al mes proper. Markram es mostra optimista amb que la Unió Europea arribi a la mateixa conclusió amb el HBP. No obstant això, si el projecte no és aprovat, diu Markram, «simplement seguirem amb Blue Brain», encara que portarà molt més temps arribar a una simulació del cervell completa. Markram clarament sent que la Història està del seu costat. «La investigació basada en la simulació és ineludible», va declarar a Berna. «Si es m’impedeix, es desenvoluparà. S’ha produït abans en moltes àrees de la ciència. I passarà en les ciències de la vida».

—————————————————-

Nature  482,  456–458 (23 Febrero 2012)

http://www.nature.com/news/computer-modelling-brain-in-a-box-1.10066

—————————————————-

Trad. Antonio Arturo Gonzalez

Deja un comentario

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *