XÂY DỰNG MỘT BỘ NÃO
Giống như nhiều đứa trẻ khác, tôi đã từng thích tháo rời đồng hồ, tháo rời chúng, vặn hết ốc này tới vít khác, và sau đó thử xem toàn bộ mọi thứ khớp với nhau như thế nào. Tôi sẽ theo dõi từng bộ phận một cách tỉ mỉ, xem cách một thiết bị kết nối với bộ phận tiếp theo, cho đến khi toàn bộ mọi thứ khớp với nhau. Tôi nhận ra dây cót chính tác động lên bánh răng chính, thứ sau đó tác động lên một chuỗi các bánh răng nhỏ hơn, thứ cuối cùng mang lại sự vận hành tinh tế của chiếc đồng hồ.
Ngày nay, ở quy mô lớn hơn nhiều, các nhà khoa học máy tính và nhà thần kinh học đang cố gắng tách ra một vật thể phức tạp hơn vô cùng, vật thể tinh vi nhất mà chúng ta biết về trong vũ trụ này: bộ não con người. Hơn nữa, họ muốn lắp ráp lại nó, từng nơ-ron này tới nơ-ron khác một.
Do những tiến bộ nhanh chóng trong tự động hóa, robot, công nghệ nano và khoa học thần kinh, kỹ thuật đảo ngược, bộ não con người không còn là trò phỏng đoán lúc nhàn rỗi hay trò đùa sau những bữa tiệc lịch lãm nữa. Ở Mỹ và châu Âu, hàng tỷ đô la sẽ sớm được bơm vào các dự án từng được coi là vô lý. Ngày nay, một nhóm nhỏ các nhà khoa học có tầm nhìn đang cống hiến cuộc đời, hay sự chuyên nghiệp của họ cho một dự án, thứ mà họ có thể không sống để hoàn thành nó được. Ngày mai, hàng ngũ của họ có thể tràn vào cả một đội quân, được tài trợ cách hào phóng bởi Hoa Kỳ và các quốc gia Châu Âu.
Nếu thành công, những nhà khoa học này có thể thay đổi tiến trình của lịch sử loài người. Họ không chỉ có thể tìm ra phương pháp chữa trị và trị liệu mới cho các bệnh tâm thần, họ còn có thể mở khóa bí mật của ý thức và có thể tải nó vào máy tính.
Đó là một nhiệm vụ khó khăn. Bộ não con người bao gồm hơn một trăm tỷ tế bào thần kinh, xấp xỉ nhiều như số các ngôi sao có trong thiên hà Milky Way. Lần lượt, mỗi nơ-ron có thể được kết nối với khoảng mười nghìn nơ-ron khác, do đó, có tổng cộng mười triệu tỷ kết nối có thể xảy ra (và điều đó là không bắt đầu tính toán số lượng con đường có thể giữa những nhóm riêng dày đặc của các nơ-ron này). Do đó, số lượng "ý nghĩ" mà bộ não con người có thể hình dung được thực sự thì như là khám phá vũ trụ và vượt xa hiểu biết của con người.
Tuy nhiên, điều đó đã không ngăn được một nhóm nhỏ các nhà khoa học chuyên tâm quyết liệt cố gắng tái tạo lại bộ não từ đầu. Có một câu ngạn ngữ Trung Quốc cổ, "Một hành trình ngàn dặm nào cũng đều bắt đầu với bước đầu tiên." Bước đầu tiên đó thực sự được thực hiện khi các nhà khoa học giải mã, nơ-ron này tới nơ-ron khác, hệ thần kinh của một loài giun tròn. Sinh vật nhỏ bé này, được gọi là C.elegans, có 302 tế bào thần kinh và 7.000 khớp thần kinh, tất cả đều được ghi lại chính xác. Một bản thiết kế hoàn chỉnh của hệ thống thần kinh của nó có thể được tìm thấy trên Internet. Thậm chí tới hôm nay (2014), nó là sinh vật sống duy nhất có toàn bộ cấu trúc thần kinh được giải mã theo cách này.
Ban đầu, người ta nghĩ rằng kỹ thuật đảo ngược hoàn toàn của sinh vật đơn giản này sẽ mở ra cánh cửa cho bộ não con người. Trớ trêu thay, điều ngược lại đã xảy ra. Mặc dù các tế bào thần kinh của tuyến trùng có số lượng hữu hạn, mạng liên kết ấy vẫn phức tạp và phức tạp đến nỗi phải mất nhiều năm để hiểu được những sự thật đơn giản về hành vi của sâu, chẳng hạn như con đường nào (trong mạng lưới kia) chịu trách nhiệm cho hành vi nào. Nếu ngay cả loài giun tròn thấp có thể trốn tránh sự hiểu biết khoa học của chúng ta, các nhà khoa học đã buộc phải đánh giá mức độ phức tạp của bộ não con người.
BA CÁCH TIẾP CẬN NÃO BỘ
Bởi vì bộ não rất phức tạp, có ít nhất ba cách riêng biệt để có thể tách rời để tiếp cận – học hỏi từng phần, từng nơ-ron này tới nơ-ron khác. Đầu tiên là mô phỏng bộ não điện tử với siêu máy tính, đây là cách tiếp cận đang được người châu Âu đưa ra. Thứ hai là bản đồ hóa các con đường thần kinh của bộ não sống, như trong dự án BRAIN. (Quay trở lại, nhiệm vụ này có thể được chia nhỏ hơn, tùy thuộc vào cách phân tích các nơ-ron này – về mặt giải phẫu, nơ-ron tới nơ-ron, hoặc theo chức năng và hoạt động.) Và cách thứ ba, người ta có thể giải mã các gen kiểm soát sự phát triển của bộ não, đây là một cách tiếp cận được tiên phong bởi tỷ phú Paul Allen của Microsoft.
Cách tiếp cận đầu tiên, mô phỏng bộ não bằng cách sử dụng bóng bán dẫn và máy tính, đang tiến lên bằng kỹ thuật dự trữ bộ não của động vật theo một trình tự nhất định: đầu tiên là chuột nhắt, sau đó là chuột cống, thỏ và mèo. Người châu Âu đang theo dõi quá trình tiến hóa thô sơ, bắt đầu với những bộ não đơn giản và làm việc hướng lên. Đối với một nhà khoa học máy tính, giải pháp là sức mạnh tính toán thô – càng nhiều, càng tốt. Và điều này có nghĩa là sử dụng một số máy tính lớn nhất trên Trái đất để giải mã bộ não của chuột và con người.
Mục tiêu đầu tiên của họ là bộ não của một con chuột, có kích thước bằng một phần nghìn bộ não của con người, chứa khoảng một trăm triệu tế bào thần kinh. Quá trình suy nghĩ đằng sau bộ não chuột đang được phân tích bởi Máy tính IBM Blue Gene, đặt tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore ở California, nơi đặt một số máy tính lớn nhất trên thế giới; chúng được sử dụng để thiết kế đầu đạn hydro cho Lầu năm góc. Bộ sưu tập bóng bán dẫn, chip và dây khổng lồ này chứa 147.456 bộ xử lý với bộ nhớ 150.000 gigabyte đáng kinh ngạc. (Một PC thông thường có thể có một bộ xử lý và vài gigabyte bộ nhớ.)
Tiến bộ thì vẫn chậm nhưng ổn định. Thay vì mô hình hóa toàn bộ bộ não, các nhà khoa học cố gắng sao chép chỉ các kết nối giữa vỏ não cortex và đồi thị thalamus, nơi tập trung nhiều hoạt động của bộ não. (Điều này có nghĩa là các kết nối cảm giác với thế giới bên ngoài bị thiếu trong mô phỏng này.)
Năm 2006, Tiến sĩ Dharmendra Modha của IBM đã mô phỏng một phần não chuột theo cách này với 512 bộ xử lý – processor. Năm 2007, nhóm của ông đã mô phỏng bộ não chuột với 2.048 bộ xử lý. Năm 2009, bộ não mèo, với 1,6 tỷ nơ-ron và chín nghìn tỷ kết nối, được mô phỏng với 24.576 bộ xử lý.
Ngày nay, bằng cách sử dụng toàn bộ sức mạnh của máy tính Blue Gene, các nhà khoa học của IBM đã mô phỏng 4,5% tế bào thần kinh và khớp thần kinh của bộ não con người. Để bắt đầu mô phỏng một phần bộ não con người, người ta sẽ cần 880.000 bộ xử lý, điều này có thể thực hiện được vào khoảng năm 2020.
Tôi đã có cơ hội quay phim máy tính Blue Gene. Để đến phòng thí nghiệm, tôi phải trải qua các tầng và lớp của an ninh, vì đây là phòng thí nghiệm vũ khí hàng đầu của quốc gia, nhưng một khi bạn đã được cho qua tất cả các trạm kiểm soát, bạn vào một căn phòng máy lạnh lớn chứa Blue Gene.
Chiếc Máy tính kia, thực sự là một phần cứng tuyệt vời. Nó bao gồm cơ số các giá tầng đỡ các tủ lớn màu đen chứa đầy các bộ chuyển đổi và đèn nhấp nháy, mỗi cái cao khoảng tám feet và dài khoảng mười lăm feet. Khi tôi đi giữa các tủ tạo nên Blue Gene, tôi tự hỏi những hoạt động mà nó đang thực hiện. Rất có thể, nó đã mô hình hóa phần bên trong của một proton, tính toán sự phân rã của các yếu tố kích hoạt plutoni, mô phỏng sự va chạm của hai lỗ đen và nghĩ về một con chuột, tất cả trong cùng một lúc.
Sau đó, tôi được cho biết rằng ngay cả siêu máy tính này cũng nhường chỗ cho thế hệ tiếp theo, chiếc Blue Gene/Q Sequoia, sẽ đưa điện toán lên một tầm cao mới. Vào tháng 6 năm 2012, nó đã lập kỷ lục thế giới về siêu máy tính nhanh nhất. Ở tốc độ tối đa, nó có thể thực hiện các hoạt động ở 20,1 PFLOPS (hay 20,1 nghìn tỷ hệ điều hành điểm nổi mỗi giây, floating point operations per second). Nó có diện tích ba ngàn feet vuông, và ngấu nghiến năng lượng điện với tần suất/rate 7,9 megawatt, đủ năng lượng để thắp sáng một thành phố nhỏ.
Nhưng với tất cả hỏa lực tính toán khổng lồ này tập trung trong một máy tính, liệu nó có đủ sức cạnh tranh với bộ não con người?
Thật tiếc phải trả lời rằng: Không.
Những mô phỏng máy tính này chỉ cố gắng sao chép các tương tác giữa vỏ não và đồi thị. Do đó, khối lớn của não bị bỏ lỡ. Tiến sĩ Modha hiểu được sự vĩ đại của dự án của mình. Nghiên cứu đầy tham vọng của anh đã cho phép anh ước tính những gì sẽ cần để tạo ra một mô hình hoạt động của toàn bộ bộ não con người, và không chỉ là một phần hay một phiên bản nhợt nhạt của nó, hoàn thành tất cả các phần của vùng vỏ não và các kết nối với các giác quan. Anh ta hình dung không chỉ sử dụng một máy tính Blue Gene mà hàng ngàn trong số chúng, sẽ lấp đầy không chỉ một căn phòng mà cả một thành phố. Tiêu thụ năng lượng sẽ lớn đến mức bạn sẽ cần một nhà máy điện hạt nhân ngàn megawatt để tạo ra tất cả lượng điện kia. Và sau đó, để làm mát chiếc máy tính kỳ dị này để nó không bị tan chảy, bạn sẽ cần chuyển hướng một dòng sông và đưa nó qua các mạch máy tính.
Điều đáng chú ý thú vị ở đây là cần có một máy tính khổng lồ, kích thước cỡ một thành phố để mô phỏng một mảnh mô người nặng ba pound, nằm gọn trong hộp sọ của bạn, tăng nhiệt độ cơ thể chỉ cỡ vài độ, sử dụng hai mươi watt điện và chỉ cần một vài chiếc hamburger để giữ cho nó đi lại và hoạt động.
XÂY DỰNG MỘT BỘ NÃO
Nhưng có lẽ nhà khoa học tham vọng nhất đã tham gia chiến dịch này là Tiến sĩ Henry Markram của Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, ở Thụy Sĩ. Anh là động lực thúc đẩy đàng sau Dự án Não Người (Human Brain Project), vốn đã nhận được hơn một tỷ đô la tài trợ từ Ủy ban châu Âu. Anh đã dành mười bảy năm để cố gắng giải mã hệ thống kiến trúc thần kinh của não. Anh ta cũng đang sử dụng máy tính Blue Gene để đảo ngược bộ não (phương pháp kĩ thuật). Hiện tại, Dự án Não Người của anh ta đang triển khai một khoản tiền có trị giá lên đến 140 triệu đô la từ Liên minh châu Âu và nó chỉ chiếm một phần nhỏ nguồn lực máy tính mà anh ta sẽ cần trong thập kỷ tới.
Tiến sĩ Markram tin rằng đây không còn là một dự án khoa học mà là một nỗ lực kỹ thuật, đòi hỏi một khoản tiền lớn. Anh nói, "Để xây dựng điều này – siêu máy tính, phần mềm, công trình nghiên cứu – chúng tôi cần khoảng một tỷ đô la. Điều này không tốn kém khi người ta cho rằng gánh nặng bệnh não toàn cầu sẽ sớm vượt quá hai mươi phần trăm tổng thu nhập toàn cầu dự đoán sẽ đến rất sớm." Đối với anh ta, một tỷ đô la không là gì, chỉ là một khoản tiền nhỏ so với hàng trăm tỷ hóa đơn xuất phát từ bệnh Alzheimer, Parkinson và các bệnh liên quan khác khi thế hệ thuộc thời kỳ bùng nổ sinh sản baby boomers, hay Thế Hệ Im Lặng, (chỉ những người sinh vào khoảng 1960 đến 1964) bắt đầu nghỉ hưu.
Vì vậy, đối với Tiến sĩ Markram, giải pháp là một trong những quy mô. Ném đủ tiền vào dự án, và bộ não con người (được giải mã) sẽ xuất hiện. Bây giờ anh ta đã giành được giải thưởng tỷ đô đáng thèm muốn từ Ủy ban châu Âu, giấc mơ của anh ta có thể trở thành hiện thực.
Anh đã có câu trả lời sẵn sàng khi được hỏi người đóng thuế trung bình sẽ nhận được gì từ khoản đầu tư tỷ đô này. Anh hồi đáp, có ba lý do để dấn thân vào nhiệm vụ cô đơn nhưng tốn kém này. Đầu tiên, "Điều cần thiết là chúng ta phải hiểu bộ não con người nếu chúng ta muốn tiến bộ cách hài hòa trong xã hội, và tôi nghĩ rằng đó là một bước quan trọng trong quá trình tiến hóa. Lý do thứ hai là, chúng ta không thể tiếp tục thử nghiệm động vật mãi mãi ... Điều ấy giống câu chuyện con thuyền của Noah. Nó trông chỉ giống như một cái kho hay bộ sưu tập cho việc lưu trữ. Và lý do thứ ba là có hai tỷ người trên hành tinh này bị ảnh hưởng bởi chứng rối loạn tâm thần..."
Đối với anh, đó là một vụ bê bối mà rất ít người biết về các bệnh tâm thần, gây ra rất nhiều đau khổ cho hàng triệu người. Ông nói, "Ngày nay không có một bệnh thần kinh nào, trong đó có ai biết được sự cố này là mạch nào cả - con đường nào, khớp thần kinh nào, tế bào thần kinh nào, thụ thể nào. Điều này gây sốc."
Lúc đầu, có vẻ như không thể hoàn thành dự án này, với rất nhiều tế bào thần kinh và rất nhiều kết nối. Có vẻ đây như là việc lặt vặt của một kẻ ngốc. Nhưng các nhà khoa học nghĩ rằng có một con át chủ trong cuộc chơi này.
Bộ genome của con người có khoảng hai mươi ba nghìn gen, nhưng bằng cách nào đó nó có thể tạo ra bộ não, bao gồm một trăm tỷ tế bào thần kinh. Nó dường như là một sự bất khả thi về mặt toán học để tạo ra bộ não con người từ những gen của chúng ta, nhưng nó (vẫn cứ đang) xảy ra mỗi khi một phôi thai được hình thành. Làm thế nào nhiều thông tin có thể được nhồi nhét vào một cái gì đó quá nhỏ?
Câu trả lời, Tiến sĩ Markram tin rằng, thiên nhiên sử dụng các ngõ tắt. Chìa khóa cho cách tiếp cận của anh là một số mô-đun nơ-ron nhất định được lặp đi lặp lại nhiều lần một khi Mẹ Thiên Nhiên tìm thấy một khuôn mẫu tốt. Nếu bạn nhìn vào những lát cắt siêu nhỏ của não, ban đầu bạn không thấy gì ngoài một mớ tế bào thần kinh ngẫu nhiên. Nhưng khi kiểm tra kỹ hơn, các mẫu mô-đun vốn được lặp đi lặp lại sẽ xuất hiện.
(Các mô-đun, trên thực tế, là một lý do tại sao có thể lắp ráp các tòa nhà chọc trời lớn rất nhanh. Khi một mô-đun duy nhất được thiết kế, có thể lặp lại nó vô tận trên dây chuyền lắp ráp. Sau đó, bạn có thể nhanh chóng xếp chúng lên nhau để tạo ra tòa nhà chọc trời. Một trong những công việc về giấy tờ được thiết kế, một tòa nhà chung cư có thể được lắp ráp bằng cách sử dụng các mô-đun trong một vài tháng.)
Chìa khóa cho dự án Blue Brain của Tiến sĩ Markram là "cột thần kinh vỏ não – neocortical comlumn", một mô-đun được lặp đi lặp lại nhiều lần trong não. Ở người, mỗi cột cao khoảng hai milimét, với đường kính nửa milimet và chứa sáu mươi nghìn tế bào thần kinh. (Để so sánh, các mô-đun nơ-ron chuột cống chỉ chứa mười nghìn nơ-ron.) Phải mất mười năm, từ 1995 đến 2005, Tiến sĩ Markram mới lập được bản đồ các tế bào thần kinh trong một cột như vậy và tìm ra cách thức hoạt động của nó. Sau khi được giải mã, anh ta đã đến IBM để tạo ra các bước lặp lớn trong hoạt động (iterations) của các cột này.
Anh dường như mãi mãi là người lạc quan. Năm 20019, tại một hội nghị TED, anh tuyên bố mình có thể hoàn thành dự án sau mười năm nữa. (Nhiều khả năng, đây sẽ là phiên bản rút gọn của bộ não con người mà không có bất kỳ sự gắn bó nào với các thùy khác hoặc với các giác quan.) Nhưng anh đã tuyên bố: "Nếu chúng ta xây dựng nó một cách chính xác, nó có thể sẽ nói chuyện, có trí thông minh và cư xử rất giống con người".
Tiến sĩ Markram là một “trạng sư” lành nghề trong công việc của mình. Anh ấy có một câu trả lời cho tất cả mọi thứ. Khi các nhà phê bình nói rằng anh ta đang giẫm lên lãnh thổ bị cấm, anh ta phản ánh lại rằng, trong vai trò là các nhà khoa học, chúng ta cần không sợ hãi sự thật. Chúng ta cần hiểu bộ não của chúng ta. Thật tự nhiên khi mọi người nghĩ rằng bộ não là thiêng liêng, rằng chúng ta không nên can thiệp vào nó bởi vì đó có thể là nơi bí mật của linh hồn. Nhưng tôi nghĩ, một cách khá trung thực, rằng nếu thế giới hay hành tinh này hiểu cách bộ não hoạt động, chúng ta sẽ giải quyết xung đột ở mọi nơi. Bởi vì mọi người sẽ hiểu làm thế nào để cái tầm thường, làm thế nào để xác quyết, và làm thế nào để kiểm soát xung đột cũng như những phản ứng và sự hiểu lầm… là thế nào.
Khi đối mặt với những lời chỉ trích cuối cùng rằng anh ta đóng vai " Chúa Trời", anh ta nói, "Tôi nghĩ chúng ta còn xa lắm với Thượng Đế. Ngài ấy đã tạo ra toàn bộ vũ trụ. Chúng ta chỉ đang cố gắng xây dựng một mô hình nhỏ."
TƯƠNG LAI CỦA TÂM TRÍ - MICHIO KAKU
BẢN DỊCH CỦA ĐỖ BÁ HUY
