Tot el cervell dins l'ordinador

Cada any es publiquen uns 60.000 articles científics de gran qualitat sobre el cervell. Ara bé, tots expliquen només una part de la història. I per això, malgrat tots aquests esforços, el cervell continua sent una caixa negra força impenetrable. Seria la culminació d'un somni integrar totes aquestes dades i crear un gran cervell virtual, on es pogués recrear cada neurona, cada impuls elèctric, cada neurotransmissor, cada circuit cerebral. Així es podria entendre tota la maquinària que es posa en marxa quan, per exemple, es generen els pensaments i es prenen decisions. També es podria saber amb tots els detalls què falla en les més de 500 malalties relacionades amb el cervell, moltes de les quals no tenen solució. Afecten un terç de la població europea.

Treballar per aconseguir fer realitat aquest somni és el que ja han començat a fer els més de 80 centres de recerca de tot el món (la majoria, europeus) que participen en el projecte Human Brain (HBP). Lidera aquest ambiciós treball el Swiss Federal Institut of Technology de Lausana (EPLF), i hi participen dos centres de recerca catalans, el Centre de Supercomputació de Barcelona (BSC) i l'Institut de Recerca Biomèdica de Barcelona (IRBB).

Un trencaclosques incomplet

El cervell consumeix poc més que una bombeta i al mateix temps és la màquina amb l'arquitectura més complexa i difícil de desxifrar. Fer encaixar com si fossin peces d'un trencaclosques les moltes investigacions que es fan pot permetre obtenir una imatge clara i nítida. Les dues peces catalanes que treballaran en l'encaix, el BSC i l'IRBB, modelitzaran la complexitat molecular que s'estableix entre dues neurones. "El nostre objectiu és simular interaccions entre neurones a nivell atòmic", explica Jesús Labarta, responsable de la participació del projecte al BSC. "Es podrà modelitzar l'estudi de fàrmacs que canviïn les propietats de transmissió de la sinapsi", afegeix Labarta.

"Una neurona és com un interruptor", explica Modesto Orozco, al capdavant del projecte a l'IRBB, que facilitarà les dades matemàtiques al BSC perquè pugui fer les modelitzacions. Es tracta de transformar en models matemàtics els potencials elèctrics i les moltes molècules que es generen entre neurona i neurona. Entre d'altres, s'estudiaran els canals iònics, una complexa maquinària de proteïnes que s'obren i es tanquen per permetre o obstaculitzar la circulació d'ions entre neurones. "Volem visualitzar i modelitzar com funciona la sinapsi, com se'n pot bloquejar o potenciar l'efecte", puntualitza Orozco. Aquests canals es poden alterar per causes externes, com ara el consum de drogues, els efectes secundaris d'alguns fàrmacs o a causa d'alguna malaltia.

A partir dels models que es puguin crear, s'obtindran dades que explicaran, per exemple, per què hi ha persones amb depressió que responen als fàrmacs i d'altres que no. O per què a alguns els produeixen importants efectes secundaris mentre que a d'altres no tant. També es podran entendre millor altres malalties, com ara l'esquizofrènia o l'Alzheimer. "Podrem reconstruir l'arquitectura de la memòria", diu Orozco. En definitiva, explica: "Podrem conèixer a nivell molecular què ens fa humans. De fet, la nostra recerca té força implicacions ètiques. Si podem modelitzar matemàticament la memòria de cada individu, potser podríem fer un backup del seu cervell per posar-lo a un ordinador. Aleshores, ¿fins a quin punt aquell cervell seria humà? Això és ficció, però potser algun dia podrà ser realitat", afegeix.

Diversitat d'enfocaments

Com si es tractés d'una ceba, el projecte té diferents capes, des de l'escala més microscòpica -els gens, les proteïnes i altres elements minúsculs- fins a la macroscòpica -per exemple, els circuits que estableixen les neurones i que relacionen les diferents regions del cervell-. Els beneficis que s'obtindran també són múltiples. S'espera conèixer i classificar millor les malalties i els trastorns mentals, sovint diagnosticats pels símptomes i no per la base biològica. La demència afecta a Europa 6,3 milions de persones. No totes tenen el mateix tipus de demència. Sovint no es pot precisar. Quan es disposi d'un cervell virtual acurat també es podran provar molècules per desvetllar el seu potencial terapèutic abans d'iniciar assajos clínics. Així mateix, es podran desenvolupar noves tècniques de neuroimatge per al diagnòstic precoç.

Poder informàtic

En el projecte també hi participen experts en robòtica i intel·ligència artificial que esperen aconseguir un cervell per als futurs robots. "Ara per ara, en molts aspectes, el cervell humà no pot competir amb un ordinador; per exemple en el càlcul. Abans confiaria en l'ordinador que en el cap. Ara bé, el cervell humà fa una infinitat de tasques molt més complexes que els ordinadors encara no saben emular", afirma Orozco.

Sovint el cervell pren decisions amb informacions incompletes. "Es basa en l'experiència i en la lògica difusa", explica Orozco. El projecte Human Brain té un antecessor, el Blue Brain , dirigit també des de l'EPLF. En aquest primer projecte es van unificar les dades de 20.000 experiments fets en molts laboratoris de tot el món, i es van reconstruir els tipus cel·lulars, les propietats elèctriques de les neurones, la seva morfologia, la seva comunicació sinàptica... Això va permetre crear un primer prototip. Primer, d'una columna de neurones connectades.

L'any 2008, els investigadors van integrar 10.000 columnes per simular una secció vertical del còrtex. Gràcies a aquests estudis anteriors també s'ha pogut saber que al cervell hi ha àrees especialitzades, per exemple, a processar categories concretes d'informació visual, com ara les cares o les parts del cos. D'altres estan especialitzades a treballar amb informació com el temps o l'espai.

Per obtenir una teoria unificada del cervell, a més d'una diversitat d'enfocaments (hi participen científics de moltes disciplines, des de les neurociències fins a les matemàtiques), cal una potència computacional extraordinària, amb màquines que treballin a un rendiment del nivell d'un exaflop. S'estima que els computadors a exoescala funcionaran a partir del 2020. Així doncs, la supercomputació anirà avançant paral·lelament al desplegament del projecte.