TED日本語 - ヘンリー・マークラム: スーパーコンピュータの中に脳を構築


TED Talks(英語 日本語字幕付き動画)

TED日本語 - ヘンリー・マークラム: スーパーコンピュータの中に脳を構築

TED Talks


Supercomputing the brain's secrets


Henry Markram






Our mission is to build a detailed, realistic computer model of the human brain. And we've done, in the past four years, a proof of concept on a small part of the rodent brain, and with this proof of concept we are now scaling the project up to reach the human brain.

Why are we doing this? There are three important reasons. The first is, it's essential for us to understand the human brain if we do want to get along in society, and I think that it is a key step in evolution. The second reason is, we can not keep doing animal experimentation forever, and we have to embody all our data and all our knowledge into a working model. It's like a Noah's Ark. It's like an archive. And the third reason is that there are two billion people on the planet that are affected by mental disorder, and the drugs that are used today are largely empirical. I think that we can come up with very concrete solutions on how to treat disorders.

Now, even at this stage, we can use the brain model to explore some fundamental questions about how the brain works. And here, at TED, for the first time, I'd like to share with you how we're addressing one theory -- there are many theories -- one theory of how the brain works. So, this theory is that the brain creates, builds, a version of the universe, and projects this version of the universe, like a bubble, all around us.

Now, this is of course a topic of philosophical debate for centuries. But, for the first time, we can actually address this, with brain simulation, and ask very systematic and rigorous questions, whether this theory could possibly be true. The reason why the moon is huge on the horizon is simply because our perceptual bubble does not stretch out 380,000 kilometers. It runs out of space. And so what we do is we compare the buildings within our perceptual bubble, and we make a decision. We make a decision it's that big, even though it's not that big.

And what that illustrates is that decisions are the key things that support our perceptual bubble. It keeps it alive. Without decisions you can not see, you can not think, you can not feel. And you may think that anesthetics work by sending you into some deep sleep, or by blocking your receptors so that you don't feel pain, but in fact most anesthetics don't work that way. What they do is they introduce a noise into the brain so that the neurons can not understand each other. They are confused, and you can not make a decision. So, while you're trying to make up your mind what the doctor, the surgeon, is doing while he's hacking away at your body, he's long gone. He's at home having tea. (Laughter)

So, when you walk up to a door and you open it, what you compulsively have to do to perceive is to make decisions, thousands of decisions about the size of the room, the walls, the height, the objects in this room. 99 percent of what you see is not what comes in through the eyes. It is what you infer about that room. So I can say, with some certainty, "I think, therefore I am." But I can not say, "You think, therefore you are," because "you" are within my perceptual bubble.

Now, we can speculate and philosophize this, but we don't actually have to for the next hundred years. We can ask a very concrete question. "Can the brain build such a perception?" Is it capable of doing it? Does it have the substance to do it? And that's what I'm going to describe to you today.

So, it took the universe 11 billion years to build the brain. It had to improve it a little bit. It had to add to the frontal part, so that you would have instincts, because they had to cope on land. But the real big step was the neocortex. It's a new brain. You needed it. The mammals needed it because they had to cope with parenthood, social interactions, complex cognitive functions.

So, you can think of the neocortex actually as the ultimate solution today, of the universe as we know it. It's the pinnacle, it's the final product that the universe has produced. It was so successful in evolution that from mouse to man it expanded about a thousandfold in terms of the numbers of neurons, to produce this almost frightening organ, structure. And it has not stopped its evolutionary path. In fact, the neocortex in the human brain is evolving at an enormous speed.

If you zoom into the surface of the neocortex, you discover that it's made up of little modules, G5 processors, like in a computer. But there are about a million of them. They were so successful in evolution that what we did was to duplicate them over and over and add more and more of them to the brain until we ran out of space in the skull. And the brain started to fold in on itself, and that's why the neocortex is so highly convoluted. We're just packing in columns, so that we'd have more neocortical columns to perform more complex functions.

So you can think of the neocortex actually as a massive grand piano, a million-key grand piano. Each of these neocortical columns would produce a note. You stimulate it; it produces a symphony. But it's not just a symphony of perception. It's a symphony of your universe, your reality. Now, of course it takes years to learn how to master a grand piano with a million keys. That's why you have to send your kids to good schools, hopefully eventually to Oxford. But it's not only education. It's also genetics. You may be born lucky, where you know how to master your neocortical column, and you can play a fantastic symphony.

In fact, there is a new theory of autism called the "intense world" theory, which suggests that the neocortical columns are super-columns. They are highly reactive, and they are super-plastic, and so the autists are probably capable of building and learning a symphony which is unthinkable for us. But you can also understand that if you have a disease within one of these columns, the note is going to be off. The perception, the symphony that you create is going to be corrupted, and you will have symptoms of disease.

So, the Holy Grail for neuroscience is really to understand the design of the neocoritical column -- and it's not just for neuroscience; it's perhaps to understand perception, to understand reality, and perhaps to even also understand physical reality. So, what we did was, for the past 15 years, was to dissect out the neocortex, systematically. It's a bit like going and cataloging a piece of the rainforest. How many trees does it have? What shapes are the trees? How many of each type of tree do you have? Where are they positioned?

But it's a bit more than cataloging because you actually have to describe and discover all the rules of communication, the rules of connectivity, because the neurons don't just like to connect with any neuron. They choose very carefully who they connect with. It's also more than cataloging because you actually have to build three-dimensional digital models of them. And we did that for tens of thousands of neurons, built digital models of all the different types of neurons we came across. And once you have that, you can actually begin to build the neocortical column.

And here we're coiling them up. But as you do this, what you see is that the branches intersect actually in millions of locations, and at each of these intersections they can form a synapse. And a synapse is a chemical location where they communicate with each other. And these synapses together form the network or the circuit of the brain. Now, the circuit, you could also think of as the fabric of the brain. And when you think of the fabric of the brain, the structure, how is it built? What is the pattern of the carpet? You realize that this poses a fundamental challenge to any theory of the brain, and especially to a theory that says that there is some reality that emerges out of this carpet, out of this particular carpet with a particular pattern.

The reason is because the most important design secret of the brain is diversity. Every neuron is different. It's the same in the forest. Every pine tree is different. You may have many different types of trees, but every pine tree is different. And in the brain it's the same. So there is no neuron in my brain that is the same as another, and there is no neuron in my brain that is the same as in yours. And your neurons are not going to be oriented and positioned in exactly the same way. And you may have more or less neurons. So it's very unlikely that you got the same fabric, the same circuitry.

So, how could we possibly create a reality that we can even understand each other? Well, we don't have to speculate. We can look at all 10 million synapses now. We can look at the fabric. And we can change neurons. We can use different neurons with different variations. We can position them in different places, orient them in different places. We can use less or more of them. And when we do that what we discovered is that the circuitry does change. But the pattern of how the circuitry is designed does not. So, the fabric of the brain, even though your brain may be smaller, bigger, it may have different types of neurons, different morphologies of neurons, we actually do share the same fabric. And we think this is species-specific, which means that that could explain why we can't communicate across species.

So, let's switch it on. But to do it, what you have to do is you have to make this come alive. We make it come alive with equations, a lot of mathematics. And, in fact, the equations that make neurons into electrical generators were discovered by two Cambridge Nobel Laureates. So, we have the mathematics to make neurons come alive. We also have the mathematics to describe how neurons collect information, and how they create a little lightning bolt to communicate with each other. And when they get to the synapse, what they do is they effectively, literally, shock the synapse. It's like electrical shock that releases the chemicals from these synapses.

And we've got the mathematics to describe this process. So we can describe the communication between the neurons. There literally are only a handful of equations that you need to simulate the activity of the neocortex. But what you do need is a very big computer. And in fact you need one laptop to do all the calculations just for one neuron. So you need 10,000 laptops. So where do you go? You go to IBM, and you get a supercomputer, because they know how to take 10,000 laptops and put it into the size of a refrigerator. So now we have this Blue Gene supercomputer. We can load up all the neurons, each one on to its processor, and fire it up, and see what happens. Take the magic carpet for a ride.

Here we activate it. And this gives the first glimpse of what is happening in your brain when there is a stimulation. It's the first view. Now, when you look at that the first time, you think, "My god. How is reality coming out of that?" But, in fact, you can start, even though we haven't trained this neocortical column to create a specific reality. But we can ask, "Where is the rose?" We can ask, "Where is it inside, if we stimulate it with a picture?" Where is it inside the neocortex? Ultimately it's got to be there if we stimulated it with it.

So, the way that we can look at that is to ignore the neurons, ignore the synapses, and look just at the raw electrical activity. Because that is what it's creating. It's creating electrical patterns. So when we did this, we indeed, for the first time, saw these ghost-like structures: electrical objects appearing within the neocortical column. And it's these electrical objects that are holding all the information about whatever stimulated it. And then when we zoomed into this, it's like a veritable universe.

So the next step is just to take these brain coordinates and to project them into perceptual space. And if you do that, you will be able to step inside the reality that is created by this machine, by this piece of the brain. So, in summary, I think that the universe may have -- it's possible -- evolved a brain to see itself, which may be a first step in becoming aware of itself. There is a lot more to do to test these theories, and to test any other theories. But I hope that you are at least partly convinced that it is not impossible to build a brain. We can do it within 10 years, and if we do succeed, we will send to TED, in 10 years, a hologram to talk to you. Thank you. (Applause)

我々のミッションは、人間の脳の 詳細かつ現実的な コンピュータモデルを構築することです。 我々は、過去4年の間に コンセプトの実証を、 げっ歯類の脳の小片で行いました。 この実証によって、目下このプロジェクトを ヒトの脳にまでスケールアップしようとしています。

なぜこんなことをするのでしょうか? 重要な理由が三つあります。 第一に、人間の脳を理解することは、 社会でうまくやっていくのに不可欠です。 また、進化の重要なステップだと思います。 第二の理由としては、 動物実験をいつまでも続けるわけにはいきません。 全てのデータや知識を作業モデルに 統合する必要があります。 ノアの方舟であり、アーカイブのようなものです。 第三の理由は、地球上には二十億もの人々が 精神疾患を患っています。 今日使われている薬の大部分は、 経験的なものですが、 疾病の手当についてとても具体的な答えを 見つけ出せると思います。

今、この段階でも、 脳のモデルを使用して、 脳の働きについての基本的な問題を 探究することができます。 ここTEDで、はじめて 我々の取り組みを共有したいと思います、 一つの理論--多くの理論がありますが-- 脳の働きについての一つの理論について。 その理論によれば、脳が 宇宙の1つのバージョンを創造し、構築するのです。 そして、この宇宙のバージョンを、 泡のように、周囲すべてに映し出すのです。

これはもちろん何世紀にもわたる哲学的な議論の的です。 しかし、はじめて、実際にこの問題に、 脳のシミュレーションにより取り組み、 非常に体系的で厳密な問いを投げかけることができます、 この理論がほんとうに真実であり得るのかを。 月が地平線上では巨大になる理由は、 単に私たちの知覚の泡が 38 万キロメートルも広がらないからです。 空間の限界からはみ出るのです。 そこで、私たちは建物と比較するのです、 知覚の泡の範囲内で、 そして、判断します。 私たちはその大きさであると判断します、 その大きさではないにもかかわらず。

これが示すことは、 判断が重要なものであるということです。 判断が私たちの知覚の泡を支え、生かし続けています。 判断なしには、見ることも、考えることも、 感じることもできません。 麻酔薬の働きは、痛みを感じないように、 深い睡眠にいざなったり 受容器官をブロックしたりすると考えているかもしれません。 しかし実はほとんどの麻酔薬はこのようには働きません。 その働きはノイズを脳に導入し、 ニューロンが互いを理解できないようにするのです。 ニューロンは混乱します。 すると、判断できなくなります。 そのため、あなたが決めかねているうちに 外科医の先生は、体を切り裂き、 とっくにいなくなっています。 家でお茶をしています。 (笑)

さて、ドアに歩いていって開けると、 知覚するためには、たちどころに 判断しなければなりません。 数千もの判断を、部屋の大きさや、 壁、高さ、室内にある物体についてすることなのです。 見るものの99パーセントは、 目から入ってきたものではないのです。 その部屋についてあなた方が推論したことなのです。 そこで、ある程度の確信をもって、こう言えます、 「われ思う、故にわれ在り」と。 しかし、「あなたが思う、故にあなたが在る」とは言えません。 なぜなら、「あなた」は私の知覚の泡の中にいるからです。

ここで、思いを巡らし、哲学することもできますが、 これからの百年は、実際にその必要はありません。 私たちは、非常に具体的に問いかけることができます。 「脳はそのような知覚を構築できるのか?」 そんな能力があるのでしょうか? そのための実体があるのでしょうか? これが今日みなさんにお話しすることです。

この宇宙が脳を構築するのに110億年かかりました。 少しずつ改善するしかありませんでした。 本能を得られるように、前頭部に加えなければなりませんでした。 というのは、陸上で対応するためです。 しかし本当の大きなステップは新皮質でした。 新しい脳です。これが必要でした。 哺乳類に必要でした。 その理由は、親の役割をこなしたり、 社会的なやりとりや、 複雑な認知機能のためです。

そこで、新皮質は、実際のところ 私たちの知るこの宇宙の今日の究極的な答えと 考えることができます。 この宇宙が生成した 頂点であり、最終生成物です。 進化に成功したので、 マウスからヒトまで ニューロンの数をおよそ千倍に増やし、 このほとんど驚くべき組織、構造を 生成したのです。 その進化の行程はまだ止まっていません。 実際、人間の脳の新皮質は、 ものすごいスピードで進化しています。

新皮質の表面にズームインすると、 小さなモジュールで構成されていることを発見します。 コンピュータの中のG5プロセッサのようですが、 それが約百万もあります。 進化に成功したので、 それをいくつもいくつも複製して どんどん脳に付け加えて行ったので、 頭蓋の中は一杯になりました。 そして、脳は自ら折りたたみ始めました。 これが、新皮質が高度に畳み込まれている理由です。 柱構造に詰め込んでいき、 新皮質カラムの数を増やすことで、 より複雑に機能できるようになります。

そこで、新皮質のたとえとして、 巨大なグランドピアノ、 鍵盤が百万もあるグランドピアノと考えてください。 これら新皮質カラムの各々は、 ある音を生み出すでしょう。 あなたがそれを刺激し、シンフォニーを生み出します。 しかし、ただの知覚のシンフォニーではありません。 あなたの宇宙、あなたの現実のシンフォニーです。 もちろん、何年もかかります 百万もの鍵盤のあるグランドピアノをマスターするには。 そのため、子供を良い学校に行かせなければなりません。 願わくば、最終的にはオックスフォードに。 でも、教育だけではありません。 遺伝もあります。 幸運な星の下に生まれ、 つまり、新皮質カラムの扱いに熟達しており、 素晴らしいシンフォニーを演奏できるのかもしれません。

実際、自閉症についての新たな学説があります。 「強烈な世界」の理論と呼ばれ、 新皮質カラムが特別なものであることを示唆しています。 これらは非常に反応性があり、超可塑性があり、 そのため、自閉症者は思いもよらないような シンフォニーを構築したり、習得したり できるのでしょう。 しかし、理解できるでしょう、 もしこれらのカラムのどれかに 疾患があれば、 音が外れることを。 創造されるシンフォニー、知覚は 乱されることになり、 疾患の症状がでることでしょう。

そのため、神経科学の聖杯は、 本当に新皮質カラムのデザインを理解することなのです-- 神経科学に限ったことではありません。 たぶん知覚を理解すること、リアリティを理解すること、 ことによると物理的リアリティさえも理解することなのです。 そこで過去15年間にわたり我々は 体系的に、新皮質をばらばらにすることでした。 これは、熱帯雨林に行き、その一部をカタログ化することに少し似ています。 どれだけの樹木があるのか? 樹木の形は? 各種類の樹木がどれだけあるのか? どこに位置しているのか?

単にカタログ化するだけではなく、実際には、 情報伝達のルールすべてを記述し、発見しなければなりません。 接続性のルールです。 ニューロンはどのニューロンとも接続したがるわけではないのです。 ニューロンは接続する相手を大変慎重に選んでいます。 また、カタログ化するだけではありません。 というのは、実際には、これらの三次元のデジタルモデルを 構築しなければならないからです。 我々は、これを数万ものニューロンについて行いました。 出くわしたニューロンのあらゆるタイプの デジタルモデルを構築しました。 一旦それが得られると、実際に 新皮質カラムを構築し始めることができます。

ここで、これらを巻き上げています。 しかしその際に、分かることは、 枝が、実際には、 数百万もの箇所で交差し、 これら交点の各々で、 シナプスを形成し得るということです。 シナプスという場所では化学的に、 ニューロンが互いに情報伝達しています。 これらのシナプスが集まって ネットワークを形成し、 すなわち、脳の回路を形成します。 この回路は、脳の織物とも 考えることができるでしょう。 脳の織物について考えるとき、 その構造はどのように構築され、カーペットのパターンはどんなものでしょう? これは、脳のどんな理論に対しても 根本的な挑戦を突き付けることになるとお気づきでしょう。 特に、次のような理論に対して、 すなわち、何らかのリアリティが このカーペット、特定のパターンを有するこの特定のカーペットから、 出現するという理論に対して。

その理由は、脳の最も重要なデザイン上の秘密が 多様性にあるからです。 ニューロンは全部異なっています。 森と同じです。松の木は全部異なっています。 種類の異なる木もたくさんあるかもしれもしれませんが、 松の木も全部異なっています。脳でも同じです。 私の脳には、他のニューロンと同じニューロンはありません。 また、私の脳には、あなたのと同じニューロンはありません。 あなたのニューロンは、方向や位置が まったく同じものはありません。 ニューロンも多かったり、少なかったりします。 そのため、ほとんどありえないのです、 同じ織物、同じ回路を持っている人など。

それでは、私たちが互いに理解し合える リアリティをどのようにして創造し得るのでしょうか? あれこれ考える必要はありません。 私たちはいま千万ものシナプスすべてを調べることができます。 織物を調べることも、ニューロンを変えることもできます。 異なるバリエーションのニューロンを使うことができます。 ニューロンを異なる場所に配置したり、 異なる場所で向きを変えたりできます。 少なくしたり、多くしたりできます。 そのようにした場合、我々は、 回路が変化することを発見しました。 しかし、回路をどうデザインするか、というパターンは変化しません。 そのため、脳の織物は、 脳が小さかろうが、大きかろうが、 種類の異なるニューロンや、 形態の異なるニューロンがあっても、 私たちは実際には同じ 織物を共有しているのです。 我々はこれが種に固有であると考えています。 これは、種を超えてコミュニケートできない理由を 説明できるのではないかということを意味します。

では、スイッチを入れましょう。しかし、そのためには、 活性化しなければなりません。 活性化するには、 数式を使います。たくさんの計算です。 実際のところ、ニューロンを電気ジェネレータにする数式は、 ケンブリッジの二人のノーベル賞受賞者によって発見されました。 それで、ニューロンを活性化する数学が手に入りました。 我々は、さらに数学を手に入れました。 ニューロンがどのように情報を集め、 ニューロンがどのように小さな稲妻を生み出して 互いに情報伝達するかを記述する数学です。 そして、シナプスに達すると、 事実上、行われるのは、 文字通り、シナプスにショックを与えるのです。 感電のようなものであり、 これらのシナプスから化学物質が放出されます。

このプロセスも、数学的に記述できています。 そのため、ニューロン間の情報伝達を記述することができます。 文字通りほんの一握りの数式だけです、 新皮質の活動を シミュレートするのに必要なのは。 しかし、とても大きなコンピュータが必要になります。 実際、一つのラップトップが たった一つのニューロンの計算すべてのために必要になります。 そのため、1万台のラップトップが必要です。 どこに行きますか? IBMに行きますね。 スーパーコンピュータのために。IBMは、知っています、 1万台のラップトップを冷蔵庫の大きさに押し込む方法を。 それで、このブルー・ジーン・スーパーコンピュータを手に入れました。 すべてのニューロンをロードし、 各々をそのプロセッサに割り当て、 発火させて、何が起こるかを見ます。 魔法の絨毯に乗りましょう。

アクティブ化すると、はじめてご覧のように、 刺激があるときに、脳の中では こんなことが起きています。 はじめての光景です。 はじめてこれを見ると、思うかもしれません 「すごい、どうしてこの中からリアリティが出てくるの?」と。 しかし、実際のところ、 この新皮質カラムをトレーニングしていなくても、 固有のリアリティを創造しはじめることができます。 「バラはどこにあるの?」とか、 「写真で刺激すると、この中のどこにあるの?」 と尋ねることができます。 新皮質内部のどこだというのでしょう? 究極的には、そこを刺激すると、そこにあることになります。

そのため、我々が調べる方法は、 ニューロンを無視し、シナプスを無視し、 ただそのままの電気的活動を調べるのです。 なぜなら、それが創造されているものだからです。 電気的パターンを創造しているのです。 そこで、そのようにすると、 実に、はじめて、 ゴーストのような構造が見えました。 電気的オブジェクトが、 新皮質カラムの内部に現れたのです。 これらの電気的オブジェクトは、 すべての情報を保持しています、 刺激したものがなんであれ。 そして、ズームインすると、 紛れもなく宇宙のようです。

そこで、次のステップは、 これらの脳の座標を取って、 知覚空間に投影することです。 これを行うと、 踏み込むことができます 創造されたリアリティの内部に このマシンによって この1つの脳によって創造された内部に。 まとめましょう。 思うに、この宇宙は、もしかしたら、 あり得ることですが- 脳を進化させて、宇宙自体を見ようとしたのではないでしょうか。 これは自己に気付く、最初のステップかもしれません。 すべきことがまだたくさんあります、 これらの理論をテストするにも、他のどんな理論をテストするにも。 しかし、多少は納得されたのではないでしょうか、 脳を構築することが不可能ではないことを。 10年以内にはできるでしょう。 そして、もし成功すれば、 10年以内に、TEDに ホログラムを送ってお話しすることでしょう。 (拍手)

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