वर्तमान बड़े पैमाने पर मस्तिष्क गतिविधि मॉडलिंग परियोजनाओं का अवलोकन

हाल के वर्षों में, मस्तिष्क गतिविधि के बड़े पैमाने पर मॉडलिंग का क्षेत्र सक्रिय रूप से विकसित होना शुरू हो गया है और गणितज्ञों और न्यूरोबायोलॉजिस्ट की बढ़ती संख्या इसमें शामिल है। इस समीक्षा में मैं इस क्षेत्र की सबसे प्रसिद्ध और सफल परियोजनाओं का संक्षिप्त विवरण दूंगा। इसके अलावा, निष्कर्ष में, मैं इस तरह की परियोजनाओं के आगे के विकास की संभावनाओं और उपयोगिता पर अपने विचारों का वर्णन करूंगा।

मस्तिष्क गतिविधि के बड़े पैमाने पर मॉडल

व्यापक रूप से प्रचारित और वित्त पोषित इस क्षेत्र की पहली परियोजनाओं में से एक है ब्लू ब्रेन प्रोजेक्ट [1], जिसे 2005 में गर्मियों में IBM द्वारा लॉज़ेन में स्विस फेडरल इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के साथ मिलकर लॉन्च किया गया था।



ब्लू ब्रेन प्रोजेक्ट का उद्देश्य व्यक्तिगत न्यूरॉन्स और मस्तिष्क के विशिष्ट नियोकोर्टेक्स स्तंभों का एक विस्तृत सिमुलेशन है - नियोकोर्टिकल कॉलम - जो वे बनाते हैं। कोर्टेक्स में, न्यूरॉन्स को प्राथमिक इकाइयों में आयोजित किया जाता है - नियोकोर्टिकल कॉलम, 0.5 मिमी के व्यास और ऊंचाई में 2 मिमी के क्रम में। इस तरह के प्रत्येक कॉलम में एक जटिल के साथ लगभग 10 हजार न्यूरॉन्स होते हैं, लेकिन स्तंभ के संबंध में, न्यूरॉन्सग्रुप्स के संबंध में स्वयं और बाहरी के बीच संचार की संरचना का आदेश दिया। सिमुलेशन के लिए तथ्यात्मक आधार तंत्रिका कोशिकाओं पर अनुसंधान के पिछले दशकों में प्राप्त न्यूरॉन के शरीर क्रिया विज्ञान पर चूहा न्यूरॉन्स की गतिविधि की आकृति विज्ञान और गतिशीलता पर डेटा था।



इस परियोजना के ढांचे में, न्यूरॉन मॉडल न्यूरॉन्स के प्रकार, न्यूरॉन्स के स्थानिक ज्यामिति, कोशिका झिल्ली की सतह के साथ आयन चैनलों के वितरण और प्रोटोटाइप न्यूरॉन्स के अन्य मापदंडों के बीच अंतर को ध्यान में रखता है। मॉडल के डेवलपर्स ध्यान दें कि इस समूह के संज्ञानात्मक कार्यों की प्राप्ति के लिए एक न्यूरोग्रुप में संयुक्त न्यूरॉन्स के प्रकार की विविधता कॉलम की कुछ परतों में मौजूद प्रत्येक प्रकार के न्यूरॉन और स्थानिक व्यवस्था, घनत्व और विभिन्न प्रकार के न्यूरॉन्स के वितरण की मात्रा नेटवर्क के गतिविधि के आदेशित वितरण के लिए आधार के रूप में कार्य करती है। सामान्य तौर पर। मॉडल यह भी ध्यान में रखता है कि एक न्यूरॉन की सटीक आकृति और संरचना उसके विद्युत गुणों और अन्य न्यूरॉन्स के साथ जुड़ने की क्षमता को प्रभावित करती है, और एक न्यूरॉन के विद्युत गुण आयन चैनलों की विविधता से निर्धारित होते हैं।



न्यूरोग्रुप्स के तीन-आयामी मॉडलिंग के लिए, ब्लू ब्रेन प्रोजेक्ट आईबीएम ब्लू जीन / एल कंप्यूटर (छवि 1) का उपयोग करता है, जो आपको वास्तविक समय में एक नियोकोर्टिकल कॉलम के अंदर विद्युत गतिविधि के वितरण का अनुकरण करने की अनुमति देता है।





अंजीर। 1. ब्लू जीन / एल सुपर कंप्यूटर की योजनाबद्ध वास्तुकला



2006 के अंत में, उनके बीच लगभग 3x107 synapses के साथ न्यूरॉन्स के 10,000 जैविक रूप से प्रशंसनीय मॉडल से मिलकर, एक युवा चूहे के एक neocortex के एक स्तंभ का अनुकरण करना संभव था।



2007 के अंत में, ब्लू ब्रेन परियोजना के चरण I के पूरा होने की घोषणा की गई थी। इस चरण के परिणाम हैं:

• ग्रिड संरचना का एक नया मॉडल, जो स्वचालित रूप से अनुरोध पर, प्रदान किए गए जैविक डेटा के अनुसार एक तंत्रिका नेटवर्क उत्पन्न करता है;

• सिमुलेशन और स्व-नियमन की एक नई प्रक्रिया, जो प्रत्येक रिलीज़ से पहले, स्वचालित रूप से मॉडल की व्यवस्थित जांच और अंशांकन को बाहर ले जाती है, जैविक प्रकृति से अधिक निकटता से मेल खाती है;

• जैविक स्तर पर विशेष रूप से निर्मित सेल-लेवल नियोकोर्टेक्स कॉलम का पहला मॉडल।



परियोजना के लेखकों के अनुसार, न्यूरॉन्स और स्तंभ मॉडल के एक पूरे के रूप में प्राप्त सेलुलर मॉडल सीधे प्रोटोटाइप के जैविक स्तंभ में इसी तरह की प्रक्रियाओं के साथ गतिविधि प्रसार की सिम्युलेटेड प्रक्रियाओं को सीधे संबद्ध करना संभव बनाते हैं।



ब्लू ब्रेन प्रोजेक्ट की निरंतरता एक नई आईबीएम परियोजना है "सिनेप्ट्रोनिक्स और सुपरकंप्यूटिंग के माध्यम से संज्ञानात्मक कम्प्यूटिंग" (सी 2 एस 2), जिसे 20 नवंबर, 2008 [2] को घोषित किया गया था। कंपनी ने एक कंप्यूटिंग प्रणाली के एक मौलिक रूप से नए आर्किटेक्चर को विकसित करने के लिए एक परियोजना की शुरुआत की घोषणा की जो आंतरिक मस्तिष्क कनेक्शन (सिनेप्स) और स्तनधारी मस्तिष्क के तंत्रिका नेटवर्क के संगठन को पुन: पेश करती है। यह प्रणाली यूनाइटेड स्टेट्स डिफेंस एडवांस्ड रिसर्च प्रोजेक्ट्स एजेंसी (DARPA) द्वारा सिस्टम ऑफ न्यूरोमॉर्फिक अडैप्टिव प्लास्टिक स्केलेबल इलेक्ट्रॉनिक्स (SyNAPSE) परियोजना के हिस्से के रूप में प्रायोजित है। यह ऐसी परिस्थिति है जो समय-समय पर वैज्ञानिक पत्रिकाओं में इस परियोजना की प्रगति के बारे में विवरणों की वास्तविक कमी बताती है।



C2S2 परियोजना पर सभी अनुसंधानों के केंद्र में सिनाप्स है, जो इसकी प्लास्टिसिटी के लिए धन्यवाद, व्यक्तिगत अनुभव का गठन प्रदान करता है। यह जीवित जीवों में संबंधित मापदंडों के साथ तुलनीय और वितरण के घनत्व के साथ तंत्रिका नेटवर्क के मॉडल विकसित करने की योजना है। यह ध्यान दिया जाता है कि मस्तिष्क, बल्कि, एक तंत्रिका नहीं है, बल्कि एक synaptic नेटवर्क है, और सोच मस्तिष्क के जैव रासायनिक संगठन का एक परिणाम है।



यदि परियोजना सफल होती है, तो इसके प्रतिभागियों के अनुसार, कृत्रिम संज्ञानात्मक प्रणालियों का एक मूल रूप से नया वर्ग पैदा होगा, मानव गतिविधि के सभी क्षेत्रों में कई व्यावहारिक अनुप्रयोगों के साथ कम्प्यूटेशनल वास्तुकला का एक नया प्रतिमान।



बड़े पैमाने पर मस्तिष्क मॉडलिंग के लिए सबसे हड़ताली परियोजनाओं में से एक युगीन इझीकेविच और गेराल्ड एडेलमैन द्वारा न्यूरोसाइंस संस्थान में किया गया था।



2007 में, उन्होंने मानव मस्तिष्क [3] के आंकड़ों के आधार पर स्तनधारी थैलामोकोर्टिकल प्रणाली का मॉडल तैयार किया। यह मॉडल एक लाख स्पाइक न्यूरॉन्स के काम का अनुकरण करता है, जो चूहे के मस्तिष्क में इन विट्रो में देखे गए ज्ञात प्रकार के न्यूरॉन्स के व्यवहार को दोहराने के लिए कैलिब्रेट किए जाते हैं।





अंजीर। 2. लामिना प्रांतस्था (ऊपर) और थैलेमस नाभिक (नीचे) के माइक्रोकिरिच संरचना का एक सरल आरेख



एक न्यूरॉन के एक मॉडल के रूप में, Izhikevich [4] द्वारा प्रस्तावित नारीवादी मॉडल का उपयोग किया जाता है। मॉडलिंग की प्रक्रिया में, 22 प्रकार के तंत्रिका कोशिकाओं का उपयोग किया गया (छवि 2), जो Izhikevich मॉडल के मापदंडों को बदलकर प्राप्त किया जाता है। इसी रिसेप्टर्स के साथ लगभग आधा अरब synapses, अल्पकालिक synaptic प्लास्टिसिटी, और न्यूरॉन्स को जोड़ने के लिए दीर्घकालिक STDP प्लास्टिसिटी का उपयोग किया गया था। अंजीर में। 3 सिमुलेशन परिणामों का एक गतिशील दृश्य प्रस्तुत करता है।





अंजीर। 3. Izhikevich मॉडल में तरंगों का प्रसार।

(रेड डॉट्स रोमांचक न्यूरॉन्स के स्पाइक्स का संकेत देते हैं, ब्लैक डॉट्स निरोधात्मक न्यूरॉन्स का संकेत देते हैं)

निष्कर्ष

इस समीक्षा के अंत में, जैसा कि मैंने पहले उल्लेख किया है, मैं इतने बड़े पैमाने पर मॉडलिंग की व्यवहार्यता के बारे में कुछ शब्द कहना चाहूंगा।



ऊपर प्रस्तुत परियोजनाओं में, मस्तिष्क को कुछ स्वायत्त संरचना के रूप में माना जाता है जो जीव के बाकी हिस्सों से अलग हो सकते हैं और, इसके अलावा, पर्यावरण। इस प्रकार, सिमुलेशन परिणामों की गुणवत्ता का आकलन करने का प्रश्न अस्पष्ट हो जाता है - किस मामले में हम समझेंगे कि यह सफल है? इससे पहले कि नकली मस्तिष्क किसी भी कार्य को न करें, किसी भी वातावरण में न डालें। वास्तव में, इस तरह की परियोजनाओं में उद्देश्यपूर्ण व्यवहार और एक अनुकूल परिणाम की उपलब्धि की आवश्यकता पर विचार नहीं किया जाता है। वे केवल वास्तविक जानवरों के मस्तिष्क में मनाए गए भौतिक संरचना के विस्तृत प्रजनन के उद्देश्य से हैं। सबसे अधिक संभावना है, ऐसी परियोजनाओं में उद्देश्यपूर्ण व्यवहार के कार्य का विचार असंभव है, क्योंकि मस्तिष्क की शारीरिक संरचना की सटीक पुनरावृत्ति के साथ, हम अभी भी यह निर्धारित नहीं कर सकते हैं कि इसका क्या अनुभव है और यह किन कार्यों को हल कर सकता है।



ब्लू ब्रेन परियोजना के प्रतिभागियों का विशेष रूप से तर्क है कि उनके शोध के विकास से एआई के निर्माण में काफी कम समय (अगले 20-25 साल) में मदद मिलेगी। यह कथन कम से कम लगता है

पर्याप्त जोर से, लेकिन एक तथ्य है जो हमें उस पर विश्वास करने की अनुमति नहीं देता है। मूल रूप से, इन अध्ययनों का उद्देश्य मस्तिष्क और लय मॉडलिंग में गतिविधि के वितरण का अध्ययन करना है। हालांकि, इन परियोजनाओं के ढांचे में, प्रशिक्षण पर लगभग कोई ध्यान नहीं दिया जाता है, जो कि इस क्षेत्र में एआई बनाने के लिए आधार के रूप में सबसे अधिक संभावना है।

साहित्य

[१] । मार्कराम एच। "ब्लू ब्रेन प्रोजेक्ट।" // नेट रेव न्यूरोसि। वॉल्यूम। 7, पीपी। 153-160 (2006)।

[२] । आईबीएम प्रेसरूम [इलेक्ट्रॉनिक संसाधन] / "आईबीएम ने मस्तिष्क से अंतर्दृष्टि के आधार पर भविष्य का कंप्यूटर बनाने का प्रयास किया" - www-03.ibm.com/press/us/en/pressrelease/26123.wss#release

[३] । इज़िकेविच ई।, एडेलमैन जी। "स्तनधारी थैलामोकोर्टिकल प्रणालियों के बड़े पैमाने पर मॉडल।" // पीएनएएस। वॉल्यूम। 105, no.9, पीपी। 3593-3598 (2008)।

[४] । Izhikevich ई। "स्पाइकिंग न्यूरॉन्स का सरल मॉडल"। // आईईईई लेनदेन न्यूरल नेटवर्क पर। वॉल्यूम। 14, नहीं। 6 (2003)।