پروژه مغز انسان (Human Brain Project) یک زیرساخت تحقیقاتی برای کمک به حوزه علوم اعصاب پیشرفته، پزشکی و علوم محاسبات ایجاد کرده است. این پروژه یکی از دو پروژه بزرگ علمیست که تا کنون توسط اتحادیه اروپا تأمین مالی شده است.
این پروژه ۱۰ ساله در سال ۲۰۱۳ آغاز به کار کرده و متشکل از حدود ۵۰۰ دانشمند در بیش از ۱۰۰ دانشگاه، بیمارستان‌ها‌ی آموزشی و مراکز تحقیقاتی در سراسر اروپا می‌باشد.
پروژه مغز انسان اهدافی بنیادینی از جمله ایجاد و راه اندازی یک زیرساخت تحقیقاتی علمی در اروپا برای پژوهش در حوزه‌ی مغز، علوم اعصاب شناختی و دیگر شاخههای الهام گرفته از علوم مغزی را دنبال می‌کند. از دیگر اهداف این پروژه جمع آوری، سازمان دهی و انتشار اطلاعاتی است که مغز و بیماری‌های مرتبط با آن را توصیف می‌کند. شبیه سازی مغز، ارائه نظریه داربستی (Scaffolding theories) چند سطحی و مدل‌هایی برای مغز؛ توسعه‌ی علوم محاسباتی، تجزیه و تحلیل داده‌ها و رباتیک مبتنی بر مغز و اطمینان از این که فعالیت‌های پروژه مغز انسان با مسئولیت پیش می‌رود و منافع عموم جامعه در نظر گرفته می‌شود، از دیگر اهداف این پروژه می‌باشند.
ایده پرداز ابتدایی پروژه مغز انسان هنری مارکرام (Henry Markram)، دانشمند به نامِ عصب شناسیست؛ که به خاطر ایده شبیه سازی مغز در ابرکامپیوترها در سال ۲۰۰۹ بسیار معروف شد. این طرح به سرعت مشهور شده و در سال ۲۰۱۳، مارکرام مدیریت پروژه جنجالی اتحادیه اروپا با هدف “یکپارچه سازی داده‌های تحقیقات علوم اعصاب و پزشکی در جهت درک مغز انسان به وسیله شبیه سازی” را برعهده گرفت.
هنری مارکرم
هنری جان مارکرم (متولد ۲۸ مارس ۱۹۶۲) دانشمند عصب شناس اسرائیلی و استاد دانشگاه پلی تکنیک (Fédérale de Lausanne (EPFL در سوئیس و مدیر پروژه بلو برین (blue brain) و بنیان گذار پروژه مغز انسان می‌باشد.
پروژه بلو برین (BBP)
هدف BBP شبیه سازی کمی ارتباطات داخلی کورتکس مغز با ویژگی عملکردی نورون‌ها و میکرو مدار‌ها در مقیاسی بی سابقه است. رده‌های مختلف نورون‌های قشر مغز به واسطه ویژگی‌های مورفولوژیکی، ویژگی‌های الکتریکی در فعال سازی سیناپسی نورون‌های دیگر، و همچنین مشخصات فارماکولوژیکی و بیان ژن شناخته می‌شوند. این برنامه تحقیقاتی توضیحات جامعی از نحوه سیم کشی یک ستون قشری و توسعه این ارتباطات با ستون‌های کناری و در نهایت کل مغز ارائه می‌دهد. دکتر مارکرام و همکارانش دلایل قانع کننده‌ای دارند که این رویکرد برای درک مبنای عصبی عملکرد قشر و همچنین درک مبانی عصبی اختلالات عصبی و روانی بسیار مهم است.
این یافته‌ها بر اساس تحقیق و اطلاعاتی از برش‌های قشریست. این یافته‌ها به پایگاه‌های اطلاعاتی مرتبط با ابرکامپیوترهایی وارد می‌شوند که اطلاعات را برای تجزیه و تحلیل کمی و آشکارسازی، بازیابی می‌کنند. این پژوهش به امکانات فوق العاده‌ی کامپيوتری نیاز دارد تا ارتباطات و خواص فيزيولوژيک را به طور کمی ثبت کند. این رویکرد بزرگ-مقیاس، به نوبه‌ی خود مفاهیمی که اساس توسعه‌ی نسل بعدی محاسبات با کارایی بالا هستند را تحت تأثیر قرار می‌دهد.
به طور خلاصه، تحقیقات BBP، در نوع خود منحصر به فرد است. این پروژه در حال تعریف سازوکار جدیدی برای شبیه‌سازی عملکرد عصبی مغز است. این فعالیت‌ها در سوئیس با تحقیقات تکمیلی در آزمایشگاه‌های دیگر در سراسر اروپا ارتباط داشته و هسته مرکزی پروژه مغز انسان می‌باشند.
پروژه مغز انسان (HBP)
پروژه مغز انسان یک برنامه نظری، چند زمینهای و چند مرحله‌ای و چند آزمایشگاهیست که بر روی شبیه سازی کامپیوتری با عملکرد بالا از سلول‌های عصبی و میکروسیستم‌های عصبی پروژه بلو برین کار می‌کند. این فعالیت‌ها همه در جهت به سازی تحقیقات مشترک در سایر حوزه‌های مهم فناوری مورد استفاده در علوم مغز است. در این تلاش ابداعی، BBP بنیان اساسی HBP را تشکیل می‌دهد، زیرا ICT (information and communications technology) توسعه یافته در پروژه بلو برین برای بسیاری از تحولات پیش بینی شده در HBP برای درک مغز ضروری است، از جمله اهمیت محاسبات در مقیاس بزرگ برای دسترسی به انواع اطلاعاتی که نیاز به ذخیره، دسترسی و استفاده در مدل‌های عملکرد مغز در بسیاری از جنبه‌های HBP دارند. بنیان ویژه‌ای که توسط پروژه بلو برین ارائه شده است، شامل جزئیات ارتباط قشر مغزی و تاسیسات ICT است که برای استفاده از این اطلاعات در مقیاس بزرگتر مانند شبیه سازی قشر مغز تهیه شده است. با توجه به تخصص و مهارت ICT پروژه بلو برین، کمیته ارزیابی معتقد است که پروفسور مارکرم فردی ایده آل برای هدایت پروژه مغز انسان بوده و دسترسی به امکانات توسعه یافته بلو برین به عنوان بخش اصلی برنامه پروژه مغز انسان یک مزیت بزرگ است.
این کمیته یادآور می‌شود که برای این که پروژه بلو برین بتواند همچنان نقش مهمی در پیشرفت پروژه مغز انسان بازی کند، سرمایه گذاری‌های بیشتر در زیرساخت‌ها (هم از نظر کارکنان و هم از نظر امکانات کامپیوتری) را می‌طلبد. بر این اساس، کمیته با اشتیاق فراوان به HBP توصیه می‌کند که از طریقICT یک راه علمی برای تحقیق در مورد یکی از مهمترین زمینه‌هایی که انسان‌ها می‌توانند مطالعه کنند فراهم کند: نحوه عملکرد مغز چگونه است و چگونه چنین درکی پایه‌ای برای درمان بهتر مشکلات مغزی از جمله اختلالات روانی خواهد بود. این مورد چالش کلیدی قرن بیست و یک است که اکنون برای تحولات سریع آماده می‌باشد. این تحولات سریع نیاز به رویکردی چند زمینهای دارد. پروژه مغز انسان و پایگاه ICT اش با فراهم آوردن داده‌ها و ابزارهای محاسباتی برای دسترسی و استفاده از داده‌هایی که بسیاری از دانشمندان را در اروپا و جوامع بین المللی در بسیاری از رشته‌ها قادر به شرکت در این تلاش‌ها می‌کند، این امر را تسهیل کرده است. این اشتراک سخاوتمندانه ابزار و تخصص یکی از ارزشمندترین جنبه‌های HBP پروژه HBP خواهد بود و BBP باید سهم بسیار خوبی در این زمینه داشته باشد.
شش سکو تحقیقاتی ICT، هسته مرکزی زیرساخت‌های HBP را تشکیل می‌دهند: نورواینفورماتیک یا علوم محاسباتی اعصاب (دسترسی به اطلاعات به اشتراک گذاشته شده در مورد مغز)، شبیه سازی مغز (تکرار ساختار و فعالیت مغز در رایانه‌ها)، تجزیه و تحلیل و محاسبات با عملکرد بالا (ارائه محاسبات و تجزیه و تحلیل‌های مورد نیاز)، انفورماتیک پزشکی (دسترسی به اطلاعات بیمار، شناسایی ویژگی‌های بیماری)، محاسبات نورومورفیک (توسعه محاسبات الهام گرفته از مغز) و نوروروباتیک (استفاده از روبات‌ها برای بررسی شبیه سازی مغز).
HBP همچنین مطالعات نظری و تحقیقات هدفمندی انجام داده و به بررسی ساختار و عملکرد مغز در انسان‌ها، جوندگان و سایر گونه‌ها می‌پردازد. علاوه بر این، پروژه مغز انسان مفاهیم اخلاقی و پیامدهای اجتماعی را نیز بررسی می‌کند.
توضیحات مختصری از هر سکو
نورواینفورماتیک (Neuroinformatics): سکوی نورواینفورماتیک پروژه مغز انسان باید قابلیت‌های فنی‌ای را فراهم کند تا تجزیه و تحلیل داده‌های ساختاری و عملکردی مغز برای تهیه و هدایت اطلس‌های چند مرحله‌ای مغز برای دانشمندان حوزه علوم اعصاب آسان‌تر شود. این پلت فرم همچنین باید شامل ابزارهایی برای پیش بینی نورواینفورماتیک باشد، تا امکان تشخیص قوانین آماری در رابطه با نمایش داده‌ها در سطوح مختلف سازمان مغز را فراهم کرده و ارزش‌های پارامترهایی که اندازه گیری آن‌ها با آزمایش دشوار یا ناممکن است را تخمین بزند. این ابزارها راهی جدید برای پر کردن شکاف‌های موجود در داده‌ها و دانش است که در حال حاضر ما را از دستیابی به درکی یک پارچه از مغز باز می‌داد.
شبیه سازی مغز (Brain Simulation): پروژه مغز انسان باید یک پلت فرم شبیه سازی مغز در مقیاس بزرگ را ایجاد کند تا بتواند مدل‌های چندگانه مغز را در سطوح مختلف از نظر جزئیات متناظر با سؤالات مختلف علمی طراحی و شبیه سازی کند. این پلت فرم که نقش کلیدی در کل پروژه بازی می‌کند، باید برای محققان ابزارهای مدل سازی، گردش کار (workflows) و شبیه سازهایی فراهم کند که به آن‌ها این امکان را دهد تا بتوانند حجم زیادی از داده‌های ناهمگن را در مدل‌های چند مقیاسه از مغز انسان و موش ادغام کرده و پویایی آن‌ها را شبیه سازی کنند . این فرصت به آن‌ها اجازه می‌دهد تا آزمایش‌های درون رایانه‌ای که در آزمایشگاه‌ها امکانش نیست را انجام دهند. ابزارهای ارائه شده توسط این پلت فرم، یک ورودی ضروری برای تحقیق HBP در حوزه پزشکی (مدل بیماری‌ها و اثرات مواد مخدر)، محاسبات نورومورفیک (مدل‌های مغز برای پیاده سازی در سخت افزار neuromorphic و نورورباتیک (مدل مدارهای عصبی برای وظایف شناختی و رفتاری به خصوص) را تولید می‌کند.
محاسبات با کارایی بالا (High Performance Computing): سکوی محاسبات با کارایی بالا پروژه مغز انسان باید برای پروژه و جامعه قدرت محاسباتی مورد نیاز برای طراحی و شبیه سازی مدل‌های مغز را فراهم کند. این سکو باید آخرین تکنولوژی و قوی‌ترین تکنولوژی ابر کامپیوتری، فراتر از exascale و قابلیت‌های کاملا نوین برای محاسبات تعاملی و تجسم را شامل باشد.
انفورماتیک پزشکی (Medical Informatics): پلت فرم انفورماتیک پزشکی HBP باید داده‌های بالینی را از بایگانی بیمارستان و پایگاه داده‌های اختصاصی، با رعایت حفظ اطلاعات هر بیمار، فراهم کند. چنین قابلیت‌هایی به محققان اجازه می‌دهد تا «امضاهای بیولوژیکی» فرآیندهای بیماری‌های خاص را شناسایی کنند که این به خودی خود یک پیشرفت پایه‌ای محسوب می‌شود. هنگامی که محققان هدف و روش مبتنی بر زیست شناختی برای شناسایی و طبقه بندی بیماری‌ها را دارند، قادر به درک علل بیماری‌ها و تهیه درمان موثر خواهند بود.
محاسبات نورومورفیک (Neuromorphic Computing): در زیر پروژه محاسبات نورومورفیک پروژه مغز انسان دو فعالیت عمده انجام می‌شود: ساخت دو دستگاه بزرگ مقیاس و بی نظیر از لحاط نورومورفیک و نمونه سازی نسل بعدی تراشه‌های نورومورفیک.
دستگاه های نورومورفیک بزرگ مقیاس بر پایه دو اصل مکمل هستند. دستگاه چند هسته‌ای SpiNNaker واقع در منچستر (بریتانیا) ۵۰۰۰۰۰ پردازنده ARM را با شبکه بسته‌ای، که برای مبادله پتانسیل‌های عمل عصبی (نیزه‌ها) بهینه سازی شده است، متصل می‌کند. دستگاه مدل فیزیکیBrainScaleS واقع در هایدلبرگ (آلمان) مدل‌های الکترونیکی آنالوگ از ۴ میلیون نورون و ۱ میلیارد سیناپس را بر روی ۲۰ قرص سیلیکونی ((silicon wafers پیاده می‌کند. هر دو دستگاه برای پروژه همکاریHBP استفاده می‌شوند و پشتیبانی نرم افزاری کاملی برای پیکربندی، عملیات و تجزیه و تحلیل داده‌ها ارائه می‌دهند.
مهمترین ویژگی دستگاه‌های نورومورفیک سرعت اجرای آن‌هاست. سیستم SpiNNaker به صورت real-time کار می‌کند، BrainScaleS به صورت یک سیستم شتاب دهنده و۱۰۰۰۰ بار سریع‌تر از real-time فعالیت می‌کند. شبیه سازی در ابر کامپوترهای معمولی ۱۰۰۰ بار آهسته‌تر از بیولوژی زمان می‌برد و نمی‌توانند زمان بندی‌های بسیار متنوعی، که در مبحث یادگیری و توسعه در محدوده میلی ثانیه تا چند سال هستند را شامل شوند.
تحقیقات اخیر در حوزه علوم اعصاب و محاسبات نشان داده است که یادگیری و توسعه جنبه کلیدی علوم اعصاب و برنامه‌های کاربردی دنیای واقعی از محاسبات شناختیست. HBP تنها پروژه‌ایست در سراسر جهان که با اختصاص دادن ساختار‌های سخت افزاری جدید به این نیاز پاسهخ می‌دهد.
سیستم‌های در دسترس
سیستم BrainScaleS مبتنی بر شبیه سازی‌های فیزیکی نورون (آنالوگ یا مخلوط سیگنال)، سیناپس و مدل‌های انعطاف پذیر با قابلیت اتصال دیجیتال و با سرعت ده هزار بار سریع‌تر از زمان واقعی عمل می‌باشد.
سیستم SpiNNaker مبتنی بر مدل‌های عددی است که به صورت real-time در تراشه‌های چند هسته‌ای سفارشی دیجیتال با استفاده از ساختار ARM اجرا می‌شود. سیستم NM-MC-1) SpiNNaker) متشکل از تقریبا ۳۰۰۰۰ تراشه سفارشی دیجیتال هر کدام دارای هجده هسته و یک RAM معمولی ۱۲۸ مگابایت است که مجموعا بیش از ۵۰۰۰۰۰ هسته در اختیار قرار می‌دهد.
نوروروبوتیک (Neurorobotics): پلت فرم نوروروبوتیک پروژه مغز انسان باید ابزارها و گردش‌های کاری را برای محققان فراهم کند تا آن‌ها بتوانند الگوهای مغزی دقیق را در یک بدن و محیط شبیه سازی شده با هم روبه رو سازند، و رفتارهایی که می‌توانند بیاموزند را با نتایج آزمایش‌های انسان و حیوانات مقایسه کنند. این قابلیت‌ها راهبردهای جدیدی را برای مطالعه مکانیسم‌های چندسطحی مبتنی بر رفتار در اختیار دانشمندان علوم اعصاب قرار می‌دهد. از دیدگاه تکنولوژیکی، این کار ابزارهای لازم برای توسعه روبات‌هایی با قابلیت دست یابی به توانایی‌های انسانی را فراهم می‌کنند، که در سیستم‌هایی که کنترل کننده‌ای مانند مغز ندارند ممکن نیست.
جامعه و اخلاق
با توجه به تاثیر بالقوه تحقیقات HBP، ضروری است که پروژه از یک سری قوانین ابداعی معتبر پیروی کند. علاوه بر این HBP باید برنامه‌های اجتماعی و اخلاقی فراگیری را تهیه کرده، بر روی تحقیقات آکادمیک در مورد تاثیرات بالقوه اجتماعی و اقتصادی مطالعات HBP و پیامدهای اخلاقی و مفهومی آن سرمایه گذاری کند، به مدیریت برنامه‌هایی برای افزایش سطح آگاهی اخلاقی و اجتماعی در بین محققان بپردازد و گفت وگو‌هایی بین سرمایه گذاران و جامعه مدنی فراهم کند تا درباره تفاوت‌های اجتناب ناپذیر در رویکردها و ارزش‌ها توضیحات شفافی داده شود.
مراحل سه گانه
پروژه مغز انسان در سه مرحله، که به طور کلی ۱۰ سال به طول می‌انجامند، سازمان دهی شده است.
۱- در دو سال و نیم ابتدایی (مرحله صعود یا ramp-up)، پروژه باید بر روی راه اندازی نسخه‌های اولیه پلت فرم‌های ICT و بارگذاری آن‌ها با داده‌های استراتژیک انتخاب شده تمرکز کند. در پایان این مرحله، سیستم باید برای استفاده توسط محققان داخل و خارج پروژه آماده باشد.
۲- برای چهار و نیم سال بعدی (مرحله عملیاتی یا operational)، پروژه باید فعالیتش را برای تولید داده‌های استراتژیک و اضافه کردن قابلیت‌های جدید به پلت فرم‌ها افزایش دهد؛ در حالی که هم زمان، ارزش این پلت فرم‌ها را برای تحقیقات پایه علوم اعصاب و برنامه‌های کاربردی در حوزه پزشکی و تکنولوژی محاسبات آینده مشخص می‌کند.
۳- در سه سال پایانی (مرحله پایداری یا sustainability)، این پروژه باید در کنار ادامه تمامی این فعالیت‌ها، به سمت استقلال مالی پیش رود-در واقع اطمینان از این که قابلیت‌ها و علوم تولیدی به یک دارایی دائمی برای علم و صنعت اروپا تبدیل شود.
هزینه
طبق برآوردها‌ی انجام شده هزینه کل پروژه مغز انسان در حدود ۱۱۹۰ میلیون یورو خواهد بود که از آن ۸۰ میلیون دلار برای مرحله صعود، ۶۷۳ میلیون یورو برای مرحله عملیاتی و ۴۳۷ میلیون یورو برای مرحله پایداری صرف خواهد شد. بودجه مورد نیاز از کمیسیون اروپا مبلغی حدود ۶۴۳ میلیون یورو خواهد بود.
نظارت و مدیریت
پروژه مغز انسان یک پروژۀ بین رشته‌ای بزرگ و ده ساله خواهد بود که شرکایی از بیش از بیست کشور و بودجه‌ای عظیم خواهد داشت. بنابراین ضروریست که نظارت و مدیریت پروژه، رهبری قوی و انعطاف پذیر داشته باشد، در حالی که هم زمان تضمین کننده این مورد باشد که پلت فرم‌هایICT یک منبع معتبر مشترک محسوب شوند. فعالیت‌های فوق العاده مهم کمسیون باید توسط کنسرسیومی از شرکا (کنسرسیوم (HBP انجام شود که ترکیب آن در طول زمان پروژه تکمیل شود. تحقیقاتی که با استفاده از پلت فرم‌های ICT انجام می‌شوند باید شکل پروژه‌های تحقیقاتی را به خود بگیرند و از طریق یک پروسه رقابتی، که به سوی کل جامعه علمی گشوده است، انتخاب شوند.
تاثیرات
پروژه مغز انسان به طور شگفت انگیزی پیشرفت به سوی درک چند سطحی از ساختار و عملکرد مغز، به سوی تشخیص، درک و درمان بهتر بیماری‌های مغز و به سوی فن آوری اطلاعات و ارتباطات جدید الهام گرفته از مغز را سرعت بخشیده است. تأثیرات این پروژه بر روی علم، صنعت، اقتصاد و جامعه اروپا به طور بالقوه بسیار چشم گیر است. صحبت علمی، داده‌های تولید شده توسط HBP و قابلیت‌های تکنولوژیکی ارائه شده توسط پلت فرم‌های ICT این پروژه به غلبه بر از هم گسیختگی تحقیقات علوم اعصاب کمک کرده، و در نتیجه دروازه‌های جدیدی را به سوی درکی کاملا مدرن از روابط بین ساختار و عملکرد مغز گشوده است.
این پروژه به محققان اجازه می‌دهد تا با برخی از مهمترین چالش‌های پیش روی علوم اعصاب مدرن، از جمله یادگیری و حافظه، ماهیت اصطلاح کد عصبی، و حتی مکانیسم‌های عصبی هوشیاری و آگاهی، آشنا شوند. همچنین پروژه مغز انسان تاثیر زیادی در پزشکی، تسریع در توسعه ابزار تشخیصی بهتر و درمان بهتر داشته است. با توجه به هزینه‌های عظیم بیماری‌های مغز، حتی پیشرفت‌های کوچک (به عنوان مثال تشخیص زودهنگام، درمان‌هایی که کاهش توانایی شناختی را در بیماری‌های تحلیل عصبی به تاخیر می‌اندازند و غیره) نیز مزایای اقتصادی و اجتماعی فراوانی را در پی دارد.کاهش در هزینه‌های کشف مواد دارویی و بهبود میزان موفقیت و اثربخشی دارو، مزایای مهمی برای صنعت داروسازی خواهد داشت.
با تلفیق تحقیق مغز با ICT ،HBP به تعیین جهت آینده فناوری محاسبات کمک شایانی کرده است. در دوره ابر کامپوتر‌ها، تکنیک‌های نوین تعامل و تجسم، شبیه سازی چند مقیاسی و رایانش ابری (cloud computing) توسعه یافته توسط این پروژه، توسعه خدمات جدید را برای صنعت و مصرف کنندگان ترغیب کرده و موجب پیدایش چرخه مطلوبی می‌شود که در آن افزایش تقاضا موجب صرفه جویی در مقیاس و کاهش هزینه‌ها شده و در ادامه کاهش هزینه‌ها موجب افزایش تقاضا می‌شود و همچنین ابر کامپیوترها نسبت به حال حاضر در بخش‌های مختلف آکادمیکی و صنعت بیشتر در دسترس خواهند بود.
بسیاری از این قابلیت‌ها به نرم افزاری پیشرفته نیاز دارد – حوزه‌ای که در آن اروپا مزیت‌های رقابتی قوی‌ای را داراست. کار HBP در محاسبات نورومورفیک و نوروروبوتیک مسیری را برای توسعه سیستم‌های فشرده کم قدرت با پتانسیل بلند مدت باز کرده است تا به هوشی مشابه مغز دسترسی پیدا شود. اگر چه این تکنولوژی‌ها جایگزین فناوری‌های رایجی که رشد اروپا را طی پنجاه سال گذشته موجب شده‌اند نمی‌شود، اما گستره پتانسیل برنامه‌های کاربردی و اهمیت استراتژیک آن‌ها به یک میزان هستند. HBP با در دست گرفتن رهبری توسعه خود، نقش حیاتی در تأمین موقعیت رقابتی اروپا در اقتصاد جهانی بازی خواهد کرد.
برای اطلاعات بیشتر و آگاهی از آخرین اخبار و دست آورد‌های پروژه از وب سایت HBP دیدن کنید.
سایت پروژه مغز انسان: https://www.humanbrainproject.eu/en/
