Engelsk computer skal befolkes af virtuelle mus

På Manchester University i England står en stor computer og blinker i seks kabinetter på størrelse med køleskabe. Dens kølesystem larmer, så den næsten overdøver professor Steve Furber, der ellers gerne vil fortælle om dens fortræffeligheder. Det er nemlig ikke en helt almindelig computer, selv om den ved første øjekast ligner. Den er designet til at fungere som en hjerne.

»Vi forsøger at besvare to fundamentale videnskabelige spørgsmål. For det første, om det er muligt at bygge en computermodel af hjernen, så vi kan finde ud af, hvordan den virker. For det andet, om vi med en bedre forståelse af hjernens virkemåde kan bygge mere effektive computere. Altså om vi med computere kan hjælpe hjerneforskere, og om hjerneforskning kan hjælpe os med at konstruere bedre computere,« siger Steve Furber.

Han er lidt af en legende inden for it, for han designede de første mikrochips baseret på ARM-arkitektur. Det er ARM-processorer, der i dag sidder i vores smartphones og tablets, og den kunstige hjerne, han snakker om, er da også bygget op af specialdesignede mikrochips med 18 ARM-processorkerner og indbygget netværk. Og det er netværket, der gør hele forskellen, for præcis som vores hjerneceller (neuroner) er forbundet på kryds og tværs, så kan hver simulerede neuron i computeren hurtigt kommunikere med mange andre neuroner:

»I hovedet er hver neuron forbundet til tusindvis af andre celler. Det kan vi ikke implementere elektronisk, for der er ikke plads til så mange ledninger. Men så udnytter vi, at elektroniske forbindelser er meget hurtigere end biologiske forbindelser,« fortæller Steve Furber:

»Typisk er en neuron forbundet til noget i retning af 10.000 andre neuroner. Det kan vi godt arbejde med i realtid. Men nogle neuroner får input fra en kvart million andre neuroner, og her har vi svært ved at følge med,« fortsætter han.

Neurale netværk baseret på viden om hjernen kan sagtens køre på almindelige computere, men det går frygtelig langsomt, så det kan tage timer at simulere et enkelt sekunds hjerneaktivitet. Forskerne i Manchester vil simulere hjernen i realtid, så de har bygget deres computer helt fra bunden og baseret den på en arkitektur kaldet SpiNNaker (Spiking Neural Network Architecture). I den nuværende konfiguration med 518.400 processorkerner kan den simulere 500 millioner neuroner og 500 milliarder synapser. Altså en halv milliard hjerneceller og 1.000 gange så mange forbindelser mellem dem. Forskerne regner med at fordoble regnekraften i løbet af de kommende måneder, så de kommer op på at simulere en milliard neuroner.

Virtuel ost til den virtuelle mus

Det er et godt stykke fra de cirka 86 milliarder neuroner og langt over 100 billioner synapser, som menneskehjernen har, men det skulle være rigeligt til at simulere en muse­hjerne, der har cirka 75 millioner neuroner. Så det vil forskerne bag projektet prøve, og de arbejder sammen med en anden forskergruppe, der prøver at skabe en detaljeret software-model af en mus – komplet med hud og hår, skelet og muskler, øjne, ører, næse, knurhår og ikke mindst et nervesystem og en hjerne, der kan samle og bearbejde alle indtryk fra virtuelle omgivelser og reagere på passende vis.

En virtuel mus skal altså slippes løs og leve livet – tænke, lære, løbe rundt og forhåbentlig opføre sig som en rigtig mus – ved hjælp af et neuralt netværk, der kan køre på SpiNNaker-maskinen. Det fortæller forskningsstipendiat Simon Davidson, der er ekspert i kunstige neurale netværk og blandt de forskere, der arbejder på SpiNNaker:

»Vi vil have en komplet virtuel mus, der løber rundt i sin virtuelle verden med alle de sensoriske input, som en rigtig mus ville have. Den vil tro, den bevæger sig rundt i et naturligt landskab, måske med lidt virtuel ost, den kan spise. En af fordelene ved sådan en simulering er, at vi kan foretage eksperimenter. Vi kan for eksempel ødelægge dele af musens hjerne og se, hvordan det påvirker den, og hvordan den tilbageværende hjerne reagerer. Og så kan vi begynde at genopbygge hjernen og se, hvad der så sker, hvilket ikke ville være så nemt med en rigtig mus.«

9/10 af menneskehjernen

Når den komplette, detaljerede muse­model er klar, skal den programmeres ind i SpiNNaker-maskinen. Musen er ikke klar endnu, men det ambitiøse projekt skulle kunne udføres på to år, fortæller Simon Davidson og fortsætter:

»Når vi forstår, hvordan en muse­hjerne virker, har vi nok forstået 90 procent af, hvordan menneskehjernen fungerer. De fundamentale hjernekredsløb virker på samme måde hos mennesker og mus. Men måske skal der rigtig mange neuroner til, før sådan noget som forestillingsevne opstår.«

Hent Profilanalysen og årets ranglister

Profilanalysen 2023

Forskerne indrømmer gerne, at de ikke helt forstår, hvordan de enkelte neuroner fungerer på det mest fundamentale, biokemiske niveau, og at modellerne nødvendigvis må være mere simple end den ægte vare. Der er også meget at lære om den måde, neuronerne kommunikerer på, og om, hvordan de organiserer sig i hjernecentre med forskellige formål. Men det er alt sammen noget, der forskes intenst i, og SpiNNaker-systemet kan løbende opdateres, så hjernen i computeren afspejler virkeligheden bedst muligt.

Tiden vil vise, hvor realistisk den virtuelle mus vil opføre sig med sin virtuelle hjerne, og hvor meget eksperimentet vil fortælle forskerne om hjernens virkemåde. Og selvfølgelig hører det med til historien, at målet i sidste ende er at simulere menneskehjernen, men det ligger trods alt et godt stykke ude i fremtiden.

Måske vil de neuromorfiske computere, der konstrueres med inspiration fra den biologiske hjerne, ikke føre til de helt store gennembrud inden for hjerneforskning, men i stedet til en ny generation af computere med en højere grad af kunstig intelligens. Sådan nogle kan for eksempel bruges i robotter, som vi kan få til at udføre opgaver, vi ikke selv har lyst til at kaste os over.