دانشمندان تلاش کردند کل مغز انسان را در یک کامپیوتر دوباره بسازند: نگاهی به پروژه مغز انسان

• موژان پارسا
• • خبر خارجی

بعد از ۱۰ سال و مشارکت حدود ۵۰۰ دانشمند و هزینه حدود ۶۰۰ میلیون یورو در پروژه مغز انسان – یکی از بزرگترین تلاش های تحقیقاتی که تاکنون توسط اتحادیه اروپا تامین مالی شده است، اکنون این پروژه در حال پایان است. هدف جسورانه آن درک مغز انسان با مدل سازی آن در رایانه بود.

دست آوردهای پروژه مغز انسان

در طول اجرای آن، دانشمندان زیر چتر پروژه مغز انسان (HBP) هزاران مقاله منتشر کرده اند و پیشرفت های چشمگیری در علوم اعصاب داشته اند، مانند ایجاد نقشه های سه بعدی دقیق از حداقل ۲۰۰ منطقه مغز، توسعه ایمپلنت های مغزی برای درمان نابینایی و استفاده از ابر رایانه ها برای مدل سازی عملکردهایی مانند حافظه و آگاهی و پیشبرد درمان برای اختلالات مختلف مغز.

توماس اسکورداس، معاون مدیرکل کمیسیون اروپا در بروکسل می‌گوید: «زمانی که پروژه شروع شد، به ندرت کسی به پتانسیل دیتاهای عظیم و امکان استفاده از آن یا ابررایانه‌ها برای شبیه‌سازی عملکرد پیچیده مغز باور داشت.»

با این حال، تقریباً از زمانی که پروژه مغز انسان شروع به کار کرد، مورد انتقاد قرار گرفت.

این پروژه به هدف خود برای شبیه سازی کل مغز انسان دست نیافت – هدفی که بسیاری از دانشمندان در وهله اول آن را دور از ذهن می دانستند.

Yves Frégnac عضو پروژه مغز انسان، دانشمند علوم شناختی و مدیر تحقیقات آژانس تحقیقات ملی فرانسه CNRS در پاریس، می‌گوید: این پروژه چندین بار تغییر جهت داد و خروجی علمی آن «تکه‌تکه و موزاییک‌مانند» شد. برای او، این پروژه در ارائه درک جامع یا اصلی از مغز کوتاهی کرده است. Frégnac می گوید من مغز را نمی بینم، بلکه تکه هایی از مغز را می بینم.

مدیران پروژه مغز انسان امیدوارند با یک پلتفرم مجازی – به نام EBRAINS – که به عنوان بخشی از پروژه ایجاد شده است، این درک را یک گام به آن نزدیکتر کنند. EBRAINS مجموعه ای از ابزارها و داده های تصویربرداری است که دانشمندان در سراسر جهان می توانند از آن برای اجرای شبیه سازی ها و آزمایش های دیجیتال استفاده کنند. ویکتور جیرسا، عصب شناس در دانشگاه اکس مارسی فرانسه و یکی از اعضای هیئت مدیره HBP می گوید: «امروز، ما همه ابزارها را برای ساختن یک مغز دوقلوی دیجیتالی واقعی در اختیار داریم.»

اما بودجه برای این شاخه هنوز نامشخص است. و در زمانی که پروژه‌های مغزی عظیم و گران‌قیمت در جاهای دیگر نیز در حال انجام است، دانشمندان در اروپا از این که نسخه آن‌ها رو به اتمام است، ناامید هستند. خورخه مجیاس، عصب شناس محاسباتی در دانشگاه آمستردام، که در سال ۲۰۱۹ به HBP پیوست، می گوید: “ما احتمالاً یکی از اولین کسانی بودیم که این موج علاقه به مغز را آغاز کردیم.”

گذشته بحث برانگیز پروژه مغز انسان

HBP از همان ابتدا بحث برانگیز بود. هنگامی که در سال ۲۰۱۳ راه اندازی شد، یکی از اهداف کلیدی آن توسعه ابزارها و زیرساخت های مورد نیاز برای درک بهتر عملکرد و سازماندهی مغز و بیماری های آن، در کنار پروژه های کوچکتر در علوم اعصاب پایه و بالینی بود. این یکی از دو برنامه تحقیقاتی بلندمدت بود که در آن سال به آن بودجه اعطا شد و هدف آن تقویت صنعت در اروپا بود. دیگری پروژه ای برای مطالعه پتانسیل گرافن بود.

به HBP قول داده شده بود که یک میلیارد یورو (۱.۱ میلیارد دلار) بودجه داشته باشد. در پایان، ۶۰۷ میلیون یورو، از جمله ۴۰۶ میلیون یورو از اتحادیه اروپا، در چهار مرحله منتشر شد و به آزمایشگاه‌هایی که در هر مرحله برای دریافت کمک هزینه رقابت می‌کردند، فرستاده شد.

اما در سال اول، HBP با مشکل مواجه شد…

موسس و مدیر سابق، عصب شناس هنری مارکرام در موسسه فناوری فدرال سوئیس در لوزان (EPFL)، گفت که HBP قادر خواهد بود مغز انسان را در سطح سلولی در یک دهه بازسازی و شبیه سازی کند. اظهارات مارکرام باعث شک و تردید گسترده دانشمندان علوم اعصاب شد. مارکرام می‌گوید: «وقتی علم مسیر جدیدی را ترسیم می‌کند، به طور طبیعی بحث و جدل به وجود می‌آید.

تیموتی اولری، عصب‌شناس محاسباتی در دانشگاه کمبریج بریتانیا، که بخشی از HBP نیست، می‌گوید: این هدف عالی ممکن است به HBP کمک کند تا از زمین خارج شود. «مشخص نیست که HBP بدون داشتن نوعی هدف مضحک جاه طلبانه نیز کمک مالی دریافت می کرد یا نه.»

با گذشت زمان، رهبری مارکرام به طور فزاینده ای منفور شد.

در سال ۲۰۱۴، او و دو عضو دیگر کمیته اجرایی، تمرکز پروژه را تغییر دادند و مجموعه‌ای از تحقیقات در زمینه علوم اعصاب شناختی را قطع کردند که منجر به خروج شبکه‌ای از ۱۸ آزمایشگاه از پروژه شد. مارکرام می‌گوید که بر سر تامین مالی برای سلاح‌های مختلف اختلاف وجود داشت. در پاسخ، بیش از ۱۵۰ دانشمند نامه‌ای اعتراضی را امضا کردند و از کمیسیون اروپا خواستند که به موقع در مورد هدف HBP برای دور دوم بودجه تجدید نظر کند. در این نامه آمده است که HBP ضعیف مدیریت شده و تا حدودی دوره علمی خود را به پایان رسانده است. مارکرام می‌گوید: «مشخص شد که برخی در جامعه علوم اعصاب آماده نیستند که تحت یک چشم‌انداز واحد متحد شوند.»

اتحادیه اروپا کمیته ای متشکل از متخصصان مستقل تشکیل داد تا نحوه اجرای پروژه را بررسی کنند و اهداف علمی آن را بازبینی کنند. این کمیته توصیه کرد که HBP باید اهداف علمی خود را مجدداً ارزیابی کرده و واضح تر بیان کند، و همچنین علوم اعصاب شناختی و سیستمی را در برنامه اصلی خود ادغام کند. در فوریه ۲۰۱۵، هیئت مدیره HBP به انحلال کمیته اجرایی سه نفره و جایگزینی آن با هیئت مدیره بزرگتر رأی داد.
این هیاهو باعث شد که برخی از دانشمندان نسبت به این پروژه محتاط شوند. این شک و تردید کمی ادامه پیدا کرد.

پروژه های مغز دیگر

در همین حال، پروژه‌های مغز بزرگ در جاهای دیگر راه‌اندازی می‌شوند یا به سرعت در حال اجرا هستند. ایالات متحده و ژاپن هر دو پروژه های مغز را تقریباً همزمان با HBP راه اندازی کردند – اولی تا سال ۲۰۲۶ ادامه خواهد داشت و دومی امیدوار است در مجموع ۱۵ سال اجرا شود. پروژه مغز چین در سال ۲۰۲۱ آغاز شد و پروژه های استرالیا و کره جنوبی هر دو وارد سال هفتم خود شدند.

درام HBP با حذف کمیته اجرایی به پایان نرسید. بین سال‌های ۲۰۱۶ تا ۲۰۲۰، تغییرات زیادی در سطوح بالای مدیریت پروژه رخ داد. در همین حال، علم شروع به افزایش سرعت کرد. در سال ۲۰۱۶، در نتیجه مرحله توسعه پروژه، HBP شش پلتفرم عملیاتی تخصصی را راه اندازی کرد که حوزه هایی مانند شبیه سازی مغز، تجزیه و تحلیل و محاسبات با کارایی بالا و نورورباتیک را پوشش می دهد.

کاترین آمونتس، عصب شناس در مرکز تحقیقاتی یولیچ در آلمان و مدیر تحقیقات علمی HBP می گوید، ایده این بود که با گذشت زمان، این شش رشته را با هم ادغام کنیم، اما در ابتدا، «آنها نسبتاً مستقل بودند».

دست آوردهای پروژه مغز انسان

گذشته از مدیریت، HBP تعدادی دست آورد علمی مهم و مفید را جمع آوری کرده است. دانشمندان HBP با ایجاد و ترکیب نقشه های سه بعدی از حدود ۲۰۰ ساختار قشر مغز و ساختارهای عمیق تر مغز، اطلس مغز انسان را ساختند که از طریق EBRAINS قابل دسترسی است. اطلس سازماندهی چندسطحی مغز را از معماری سلولی و مولکولی گرفته تا ماژول های عملکردی و اتصال آن به تصویر می کشد.

آمونتس طی یک نشست مطبوعاتی در نشست HBP 2023 در ماه مارس گفت: «اطلس مغز انسان کمی شبیه نقشه های گوگل است، اما برای مغز».

اطلس مغز انسان

این اطلس از داده‌های مغز پس از مرگ برای تولید نقشه‌های استاندارد شده استفاده کرد که تغییرات طبیعی بین افراد را محاسبه می‌کرد. دانشمندان HBP با استفاده از اطلس، شش ناحیه ناشناخته مغز را در قشر پیشانی مغز شناسایی کردند که به حافظه، زبان، توجه و پردازش موسیقی کمک می کند. همچنین نقشه‌های خود را به داده‌های بیان ژن در اطلس مغز انسان آلن، پایگاه داده‌ای که توسط مؤسسه علوم مغز آلن در سیاتل، واشنگتن ایجاد شده و نورون‌های سراسر مغز را مشخص می‌کند، مرتبط می‌کند. با استفاده از اطلس های جفت، محققان نشان دادند که چگونه تغییرات در بیان ژن مرتبط با افسردگی با تغییرات ساختاری و عملکردی در ناحیه ای از قشر پیشانی مرتبط است.

فهم دقیقتر مغز

محققان HBP همچنین الگوریتم‌های منحصربه‌فردی را توسعه داده‌اند که می‌تواند یک مدل داربست در مقیاس کامل از مناطق مغز را از تصاویر میکروسکوپی بسازد. با استفاده از این ابزار، محققان نقشه دقیقی از منطقه CA1 در هیپوکامپ، منطقه ای که برای حافظه مهم است، تهیه کرده اند. این نقشه شامل حدود ۵ میلیون نورون و ۴۰ میلیارد سیناپس است.

HBP برخی از یافته‌ها را با استفاده از مدل‌های شخصی‌سازی شده مغز – یا “دوقلوهای دیجیتال” – برای بهبود درمان‌های صرع و بیماری پارکینسون به کاربردهای بالینی تبدیل کرده است. جیرسا توضیح می‌دهد که دوقلوهای دیجیتالی نمایش‌های ریاضی مغز یک فرد هستند که اسکن‌های یک فرد را با یک مدل ادغام می‌کنند.

جیرسا و همکارانش یک کارآزمایی بالینی به نام EPINOV را در ژوئن ۲۰۱۹ راه‌اندازی کردند تا آزمایش کنند آیا مدل‌های دیجیتال ساخته شده با استفاده از داده‌های اسکن مغز می‌توانند به شناسایی منشا تشنج و بهبود میزان موفقیت جراحی برای صرع کمک کنند. جیرسا می‌گوید: «این چیزی است که من نمی‌توانستم خارج از EBRAINS انجام دهم».

آزمایش EPINOV ، در ۱۱ بیمارستان فرانسه ۳۶۵ نفر را شامل شده است. جیرسا امیدوار است که داده های تصویربرداری حاصل از کارآزمایی را از طریق EBRAINS در اختیار سایر محققان قرار دهد.

طرح اولیه پروژه برای HBP شامل توسعه سیستم های محاسباتی مدل سازی شده بر روی مغز بود. دانشمندان HBP به شبکه‌های عصبی کمک کرده‌اند که می‌توانند سیستم‌های بزرگ شبیه مغز را شبیه‌سازی کنند، چه برای آزمایش ایده‌هایی در مورد نحوه کار مغزها و چه برای کنترل سخت‌افزارهای دیگر، مانند روبات‌ها یا گوشی‌های هوشمند.

نداشتن تصویری واحد

سازمان دهندگان و منتقدان پروژه به یک موضوع مشترک که در HBP جریان دارد اشاره می کنند: تکه تکه شدن. این یک موضوع دیرینه در تحقیقات علوم اعصاب است. Frégnac می‌گوید: «من برنامه‌های بسیار زیرکانه‌ای می‌بینم، اما شما یکپارچگی چند مقیاسی را نمی‌بینید، و نمی‌بینید که مشکلات بزرگ در حال حل شدن هستند.»

در سه سال گذشته، HBP سعی کرده است با ترکیب کردن فناوری های خود در EBRAINS، بر پراکندگی پروژه های فرعی بین رشته ای خود غلبه کند.

ابتکارات در سرتاسر شش پلتفرم HBP شروع به توسعه ابزارهای سازگار و استانداردهای داده مشترک کردند، و برخی از گروه‌ها دوباره سازمان‌دهی شدند تا بر چالش‌های علمی خاص متمرکز شوند. جیرسا می گوید: «اما کارهای زیادی برای انجام دادن وجود دارد.»

برای برخی از محققان، نتایج علمی پراکنده HBP ناشی از عدم تمرکز است. فرد ولف، عصب‌فیزیکدان نظری در دانشگاه گوتینگن آلمان که پس از امضای نامه سرگشاده، HBP را ترک کرد، می‌گوید: «پروژه‌ای که بیش از ده سال طول می‌کشد، من انتظار دارم که یک پیشرفت مفهومی ایجاد کند. اما این مورد برای HBP صادق نبود.»

دیوید هانسل، عصب شناس در مرکز علوم اعصاب و شناخت یکپارچه در پاریس، که بخشی از این پروژه نبود، می گوید عدم اولویت بندی و همکاری محدود HBP به این معنی است که نتوانست به اندازه خود سرمایه گذاری کند و واقعاً جامعه علوم اعصاب را در پشت آن متحد کند. یک هدف مشترک و فهرستی از سؤالات اصلی و معقول برای رسیدگی وجود نداشت. اساسا، “هدف” درک مغز بود.

جان نگای، مدیر ابتکار تحقیقات مغز مؤسسه ملی سلامت ایالات متحده از طریق پیشرفت فناوری‌های عصبی نوآورانه (BRAIN) در بتسدا، مریلند، که بر توسعه ابزارهایی برای فهرست‌نویسی، نظارت و اندازه‌گیری مغز تمرکز دارد، فکر می‌کند که تاکید بر جمع‌آوری داده‌ها به جای فرضیه علم محوری قابل دفاع است.

میراث پروژه مغز انسان

در پایان سپتامبر، HBP از اعطای بودجه خودداری می کند. اگرچه برخی از تلاش‌های حاصل از این پروژه قبلاً کمک‌های مالی را برای ادامه کار خود دریافت کرده‌اند، آینده برای بسیاری از محققانی که به طور جزئی یا کامل با HBP کار کرده‌اند نامشخص است.

اما آمونتس و دیگران امیدوارند که کار HBP و پلتفرم EBRAINS برای سال‌های آینده پایه‌ای برای علوم اعصاب اروپایی باشد. آمونتس می گوید: «تحقیق در مورد مغز مستلزم درک چند سطحی و چند مقیاسی مغز است.»

در ژانویه ۲۰۱۸، پروژه مغز انسان ۵۰ میلیون یورو، از جمله ۲۵ میلیون یورو از اتحادیه اروپا، برای توسعه ابزارهای ابررایانه تعاملی و خدمات ذخیره سازی داده برای EBRAINS دریافت کرد.

محققان در حال حاضر از این پلتفرم استفاده می‌کنند تا ببینند مغز چگونه ممکن است به تحریک واکنش نشان دهد و ربات‌های تقلید کننده مغز را توسعه دهند. نگای می گوید که محوریت HBP بر EBRAINS ابزار ارزشمندی تولید کرده است. پلتفرم های مشابه در جاهای دیگر وجود دارند، اما فاقد مقیاس و خدمات ارائه شده توسط EBRAINS هستند.

آینده پروژه مغز انسان: بودجه از کجا تامین خواهد شد؟

در ماه مارس، کمیسیون اروپا درخواست ۳۸ میلیون یورو برای ادامه فعالیت EBRAINS را رد کرد، اما در ژوئن پس از مذاکره با HBP، مجدداً همان فراخوان بودجه را باز کرد و به تیم فرصت دیگری برای درخواست داد. در صورت عدم موفقیت، این پلتفرم به ترکیبی از بودجه خصوصی و حمایت مالی از کشورهای اتحادیه اروپا تکیه خواهد کرد.

در همین حال، کمیسیون اروپا در حال آماده شدن برای بررسی وضعیت است. بررسی نهایی این پروژه در نوامبر آغاز می‌شود و انتظار می‌رود در ژانویه ۲۰۲۴ منتشر شود. «اگر نمی‌خواهیم زمستانی معادل زمستان هوش مصنوعی در جهان علوم اعصاب داشته باشیم، باید آن را قابل احترام کنیم. ما واقعاً باید ارزیابی کنیم که آیا این نوع ابتکار شاخص، خوب بوده است یا خیر.»

پاول Świeboda، مدیر اجرایی EBRAINS و مدیر کل HBP می گوید، پایان HBP پایان علوم اعصاب در اروپا نیست.

کمیسیون اروپا و کشورهای عضو در حال برنامه ریزی مرحله بعدی تحقیقات سلامت مغز اروپا هستند که بر استفاده از مدل های مغز شخصی سازی شده برای پیشبرد کشف دارو و بهبود درمان اختلالات مغزی تمرکز خواهد کرد.

اما محققان می گویند که پروژه های آینده باید از کشمکش هایی که HBP را گرفتار کرده است اجتناب کنند. اولری می‌گوید: «ما نمی‌خواهیم HBP دیگری را همانطور که در ابتدا بود انجام دهیم. ما نیاز به حمایت از علم متمرکز در مقیاس کوچک و همچنین پروژه های یکپارچه جاه طلبانه داریم.»

او می‌گوید در نهایت، این پروژه بزرگ جوامعی از دانشمندان را ایجاد کرد که بر روی برخی اهداف مشترک متمرکز بودند.

“این یک میراث ماندگار است.”

موژان پارسا