tiistai 22. huhtikuuta 2014

Digitaaliset aivot

Elokuvassa Transcendence (2014) ihmisen aivot ladataan Internetiin. Täyttä hölypölyä, vai mahdollista vielä elinaikanamme? Ja kannattaako sitä edes tutkia?

Kävin pääsiäisenä katsomassa Johnny Deppin tähdittämän Trancendence-elokuvan. Elokuvan aihepiiri oli tieteiskirjallisuudesta tuttu - mielen siirtäminen koneeseen. Aiheen käsittely puolestaan oli tuttua Hollywood-hömppää ja noudatti tasan tarkkaan Aristoteleen näytelmärakenteen kaavaa johdantoineen, huippuineen ja loppuratkaisuineen. Hyvää elokuvassa olivat erikoistehosteet, ja sen asettama kysymys: voidaanko ihmismieli siirtää koneeseen ja kytkeä suoraan Internetiin?

Kurkataan lyhyesti aiheeseen, ja lähdetään liikkeille biologisista aivoista.

Aivojen rakenne

Aivot ovat erittäin monimutkainen elin. Aivoissa on arviolta 80-100 miljardia solua, neuronia. Yksittäinen aivosolu saattaa puolestaan kytkeytyä jopa kymmeniin tuhansiin muihin neuroneihin. Kytkentöjen täsmällistä määrää ei ole pystytytty tarkasti arvioimaan, mutta niitä on huima määrä, Neurology-lehden artikkeli Do we have brain to spare? arvioi aikuisen aivosolujen kytkentöjen kokonaismäärän olevan jotain 100 - 500 biljoonan väliltä.

Yksittäisen aivosolun toiminta ymmärretään hyvin. Yksinkertaistaen: aivosolut keräävät tuojahaarakkeidensa kautta hermoimpulsseja. Impulssit voivat vaikuttaa hermosolun sisäiseen jännite-eroon eli potentiaaliin joko vähentävästi tai nostavasti. Kun jännite-ero kasvaa riittävän isoksi, hermosolun varaus purkautuu viejähaarakkeeseen joka vie impulssin toiseen soluun tai elimeen. Hermosolu voi sykkiä jopa 100 kertaa sekunnissa tai olla sykkimättä lainkaan.


Tiedämme myös että hermosolut toimivat yhdessä kokonaisuuksina.

Alunperin aivoista on pystytty aivosairauksien ja vammojen perusteella selvittämään eri toimintojen sijainti aivokuorella. Esimerkiksi näkökeskus sijaitsee aivojen takaosassa, liikuttelemme kehonosiamme aivokuoren keskiosan liikealueen avulla, korkeammat toiminnot kuten päätöksentekokyky, tunteiden tunnistaminen, ennustaminen jne. on paikallistettu otsalohkoon.

Kuva: aivokuoren alueet
Aivot ja niiden toiminta ovat erittäin aktiivisen tutkimuksen kohteena. Vaikka tiedämme aivoista jo paljon, olemme silti niiden ymmärtämisessä vasta alussa. Tutkittavaa riittää edelleen aivojen biologiassa, matemaattisessa mallintamisessa, tietoisuuden ja tunteiden ymmärtämisessä, ja niin edelleen.

Voidaanko aivot digitalisoida?

Osalle meistä pelkkä kysymys voi olla kauhistuttava ja suorastaan epäeettinen. Tätä kuitenkin pohditaan aktiivisesti.

Tällä hetkellä vallitseva käsitys on että pystyisimme luomaan tai simuloimaan ihmisaivot vuoden 2025 paikkeilla, ja että ihmisaivojen tietojen ja muistojen siirtäminen kokonaan digitaaliseksi olisi mahdollista n. vuonna 2045. Jos ja kun se on ylipäätään mahdollista, syntyy siitä tietenkin koko joukko eettisiä, lainopillisia ja filosofisiakin ongelmia. Lisää aiheesta mm. Wikipedian artikkelissa Mind uploading.

Mihin nämä ennusteet perustuvat?

Aivoja voidaan, ja ehkä pitääkin ajatella biologisena informaationkäsittelyjärjestelmänä, eräänlaisena tietokoneena.

Aivolla ja tietokoneella on huomattavia eroja rakenteen, muistin ja laskennallisen hyötysuhteen osalta, mutta niiden vertailu ei ole silti mahdotonta. Oheinen kuva esittää ihmisaivoja verrattuna supertietokoneeseen, kissan aivoihin, iPadiin ja Internetiin.

Aivojen muisti, laskentateho ja tehon kulutus verrattuna Intenetiin,
tehokkaaseen supertietokoneeseen, iPad 2:seen ja kissaan. Lähde
:
Scientific American.

Tiedämme kuinka huimasti tietokoneiden laskentateho on kehittynyt - se tuplaantuu n. joka toinen vuosi. Kehitystä kutsutaan Mooren laiksi, ja samankaltainen, eksponentiaalinen kehitys on ollut havaittavissa myös muilla teknologian osa-alueilla. Järjettömältä tai mahdottomalta ennuste ei suinkaan tunnu.

Kuva: nykykehitysvauhdilla tiekoneiden laskentateho saavuttaa ihmisaivojen tehon n. vuonna 2025. Lähde: Transhumanist.com

Laskentateho on ylittänyt jo alkeellisimpien biologisten eliöiden hermoston ("aivojen") laskentatehon jo 1990-luvulla. Miksi meillä ei siis jo ole keinotekoisia alkueliöitä tai hyönteisiä?

Digitaalinen mato ja madon aivot

Olemme itse asiassa jo yrittäneet rakentaa keinotekoista eliötä. Sukkulamadon aivot kuvattiin elektronimikroskoopilla vuonna 1986 ja niistä on pystytty luomaan matemaattinen malli. Tutkijoiden tarkoituksena on nyt luoda maailman ensimmäinen keinotekoinen elämänmuoto, aina geeneistä sen käyttäytymiseen asti. Kuka tahansa voi osallistua ja seurata madon tutkimita ja mallintamista avoimen lähdekoodin OpenWorm-projektissa.

Sukkulamadon hermosto. Kuvassa vasemmalta oikealle: hermoston matemaattinen malli ja kytkennät, hermosto 3D-mallinnettuna, mikroskoopin kuva sukkulamadosta. Kuvat: Wikipedia ja OpenWorm-projekti.

Video: Johdanto OpenWorm-projektiin

Projektin lähestymistapa on alhaalta ylös - oppimalla alkeellisia hermoston rakenteita ja yhteyksiä, tutkijat uskovat pystyvänsä selvittämään miten madon hermosto tekee päätöksiä uhan väistämisestä, ravinnon hankkimisesta ja lisääntymisestä. Jos opimme luomaan madon, pystymme soveltamaan ja hyödyntämään tuloksia kehittyneemmän elämänmuodon mallintamisessa ja luomisessa. Kehityspolun päässä häämöttävät ihmisaivot. Ennen sitä tieteellä on kuitenkin lukuisia haasteita ratkastavanaan, niihin voi tutustua vaikkapa
Wikipedian neurotieteitä käsittelevässä artikkelissa.

Voiko ihmishermosto hyötyä digitaalisuudesta jo ennen digiaivoja? 

Second Sightin Argus II kytkeytyy
suoraan verkkokalvoon.
Samalla kun madon hermostoa tutkitaan, voidaan ihmisaivoihin kytkeytyä suoraan jos ymmärrämme aivoalueiden toimintaa ja mihin informaatiolähteisiin ne kytkeytyvät. Otetaan vaikka esimerkiksi näkö.

Tiedämme että aivojen näkökeskus kytkeytyy silmän verkkokalvoon. Jos silmä on vaurioitunut, mutta verkkokalvo on ehjä, voimme jo kytkeytyä suoraan verkkokalvoon ja aivoihin. Yritys nimeltä Second Sight on kehittänyt implantit joiden avulla ihminen voi nähdä yksinkertaisia kuvioita (resoluutio on 60 elektrodia), mutta teknologia kehittyy jatkuvasti.

Standfordin yliopiston BrainGate2-hankkeessa tutkitaan onko mahdollista liittyä suoraan aivokuoren sormia ja kättä ohjaavaan alueeseen. Kehittyessään teknologia mahdollistaa robottiproteesien ja raajojen suoran ohjaamisen aivoista, ja ne ihmiset jotka ovat vangittuna nyt pyörätuoliin saavat teknologian avulla liikuntakykynsä takaisin.

Standfordin yliopiston BrainGate2-hanke tutkii miten
robottia ja koneita voidaan ohjata suoraan aivoista.

Nainen ohjaa robottikättä suoraan aivoillaan.

Ja tätä ajattelua kun vie vain aavistuksen pitemmälle, olemme maailmassa jonka elokuva Surrogates (2009) meille maalaa: voimme ohjata robotteja suoraan, jopa tehdä niistä näköisiämme. Jos tämä teknologia toteutuu, voimme myös kytkeytyä suoraan toiseen ihmiseen ja liikuttaa hänen raajojaan. Kuulostaa hurjalta, mutta todella pitkällä ollaan jo.

Elokuvassa Surrogates ihmiset ohjaavat näköisiään 
robottihahmoja biologisella aivoillaan kotinsa turvasta.


Totta vai tarua?

Digitaalinen kehitys on siis jo täydessä vauhdissa, aivotutkimukseen panostetaan paljon. Näyttää siltä ettemme ihan viiden vuoden sisään kehitä ihmisaivojen kopiota, mutta itse en epäile lainkaan ettei se olisi vielä elinaikanani mahdollista.

Digiaivojen kehitys tapahtuu asteittain, ja monella rintamalla yhtäaikaa. Vaikka kehitys saattaa pelottaa, on varmaa myös että hyödymme hermostotutkimuksesta erittäin paljon sairauksien ja vammojen hoidossa, ja samalla teknologia avaa huimia mahdollisuuksia ihmisen evoluutiolle.

Palaan tähän aiheeseen varmasti vielä uudelleen.


Odotan mielenkiinnolla kommenttiasi tästä blogista, ja voit vapaasti lähettää minulle ideoita tai toiveita blogin sisällöksi!

Digiterveysterveisin,

Pekko (digiterveys@gmail.com)

© Pekko Vehviläinen
(Huom. Tämän blogin kirjoitukset ja esitykset eivät edusta varsinaisen työnantajani, Accenture Oy:n näkemyksiä eivätkä mielipiteitä vaan ovat omiani ja Digital Health Solutions Oy:n omaisuutta.)

0 kommenttia:

Lähetä kommentti

Digiterveys-blogini tarkastelee digitaalisen vallankumouksen vaikutusta terveyteen laajalti, mutta myös omakohtaisesti.

Pekko Vehviläinen

Olen koulutukseltani tekniikan tohtori ja lajivalmentaja (ju-jutsu), opiskelen ravintotieteitä yliopistossa sekä kuntoilen myös intohimoisesti! Haluan kertoa sinulle informatiivisesti terveyden digitaalisesta murroksesta. Tarkastelen blogissa uusimman teknologian vaikutusta omaan itseeni ja haluan tuoda omat kokemukseni sinunkin kommentoitavaksesi. Tervetuloa mukaan!

HeiaHeia!-treenilokini

Endomondo-lokini

Suosituimmat artikkelit

Networkedblogs

Sisällön tarjoaa Blogger.