Vores mission er at bygge en detaljeret, realistisk computermodel af menneskehjernen. Og vi er nået frem til, over de sidste fire år, en beviseligt fungerende model af en lille del af en gnaverhjerne, og med dette bevis på konceptets holdbarhed opskalerer vi nu projektet for at nå til menneskehjernen.
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.
Hvorfor gør vi dette? Der er tre vigtige grunde. Den første er, at det er essentielt for os at forstå menneskehjernen hvis vi ønsker at kunne omgås hinanden i samfundet, og det tror jeg er et vigtigt udviklingstrin i evolutionen. Den anden grund er, at vi ikke kan blive ved med at lave dyreforsøg for evigt, og at vi er nødt til at håndgribeliggøre al vores data og al vores viden i en funktionel model. Det er ligesom en Noahs Ark. Det er ligesom et arkiv. Og den tredje grund er, at der er to milliarder mennesker på planeten som er påvirkede af sindslidelser, og de medicintyper der bruges i dag er stort set baserede på empiriske data. Jeg tror at vi kan finde frem til meget konkrete løsninger på hvordan vi behandler lidelser.
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 cannot 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.
Nu, selv på dette stadie, kan vi bruge modellen af hjernen til at udforske nogle grundlæggende spørgsmål om hvordan hjernen virker. Og her, på TED, for første gang, vil jeg gerne give jer indblik i, hvordan vi tager fat på én teori - der er mange teorier - én teori om hvordan hjernen virker. Altså, denne teori går ud på at hjernen skaber, bygger, en version af universet. Og projicerer denne version af universet, som en bobbel, hele vejen rundt om os.
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.
Nu har dette emne selvfølgelig været debatteret af filosoffer i århundreder. Men for første gang kan vi faktisk tage fat på det med hjerne simulering og stille strengt systematiske spørgsmål om hvorvidt den teori faktisk kunne være sand. Grunden til at månen er enorm på horisonten er simpelthen fordi vores perceptions-bobbel ikke strækker sig 380.000 kilometer ud. Den løber tør for plads. Så det vi gør, er at sammenligne bygningerne indeni vores perceptions-bobbel og vi træffer en beslutning. Vi træffer en beslutning om at den er så stor, selv om den ikke er så stor,
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.
og hvad dette illustrerer er at beslutninger er de vigtigste ting der understøtter vores perceptions-bobbel. De holder den i live. Uden beslutninger kan man ikke se, kan man ikke tænke, kan man ikke føle. Og man tror måske at bedøvelsesmidler virker ved at sende dig ind i en dyb søvn, eller ved at blokere dine receptorer, så du ikke føler smerte, men faktisk virker de fleste bedøvelsesmidler ikke på den måde. Det de gør, er at introducere en støj i hjernen, så neuronerne ikke kan forstå hinanden. De bliver forvirrede, og du kan ikke træffe en beslutning. Så imens du prøver at bestemme dig for hvad lægen, kirurgen foretager sig når han hakker løs på din krop, er han forlængst forsvundet. Han sidder derhjemme og drikker te. (Latter)
And what that illustrates is that decisions are the key things that support our perceptual bubble. It keeps it alive. Without decisions you cannot see, you cannot think, you cannot 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 cannot understand each other. They are confused, and you cannot 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)
Så, når du går hen til en dør og du åbner den, er du, for at kunne opfatte, nødt til at træffe beslutninger, tusindvis af beslutninger om størrelsen på rummet, væggen, højden, genstandene i dette rum. 99 procent af hvad du ser er ikke hvad der kommer ind gennem øjnene. Det er hvad du udleder omkring rummet. Så jeg kan sige, med nogen sikkerhed, "Jeg tænker, derfor er jeg." Men jeg kan ikke sige, "Du tænker, derfor er du," fordi "du" er inden i min perceptionsbobbel.
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 cannot say, "You think, therefore you are," because "you" are within my perceptual bubble.
Nu kan vi spekulere og filosofere over dette, men det behøver vi faktisk ikke i de kommende hundrede år. Vi kan stille et meget konkret spørgsmål. "Kan hjernen bygge sådan en opfattelse?" Er den i stand til at gøre det? Har den stoffet til at gøre det? Og det er hvad jeg vil beskrive for jer i dag.
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.
Det tog universet 11 milliarder år at bygge hjernen. Det skulle forbedre den en lille smule. Det skulle føje til den forreste del, så du kunne få instinkter, fordi de skulle klare sig på land. Men det virkeligt store skridt var neokortex. Det er en ny hjerne. Du havde brug for den. Pattedyrene havde brug for den fordi de skulle håndtere forældreskab, sociale interaktioner, komplekse kognitive funktioner.
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.
Så man kan tænke på neokortex faktisk som nutidens ypperste løsning på universet som vi kender det. Den er højdepunktet, den er det endelige produkt som universet har frembragt. Den var så succesfuldt i evolutionen at fra mus til mand udvidede den sig omtrent tusinde gange hvad angår antallet af neuroner, for at frembringe dette næsten skræmmende organ, denne struktur. Og det er ikke stoppet på sin evolutionære rejse. Faktisk så er neokortex i den menneskelige hjerne ved at udvikle sig med en enorm hastighed.
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.
Hvis man zoomer ind på overfladen af neokortex, opdager man at den består af små moduler, G5 processorer, som i en computer. Men der er omkring en million af dem. De var så succesfulde i evolutionen, at det vi gjorde, var at kopiere dem igen og igen, og føje flere og flere af dem til hjernen, indtil vi løb tør for plads inde i kraniet. Og hjernen begyndte at folde sig omkring sig selv, og det er grunden til at neokortex er så sammenfoldet. Vi propper simpelthen nye kolonner ind, sådan at vi kan få plads til flere neokortikale kolonner til at udføre mere komplekse funktioner.
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.
Så man kan faktisk forestille sig neokortex som et kæmpestort flygel, et flygel med en million tangenter. Hver af disse neokortikale kolonner ville frembringe en tone. Du stimulerer den; den frembringer en symfoni. Men det er ikke kun en symfoni af perceptioner. Det er symfonien af dit univers, af din virkelighed. Nu tager det selvfølgelig årevis at lære hvordan man bemestrer et flygel med en million tangenter. Det er derfor du må sende dine børn til de gode skoler forhåbentlig en gang til Oxford. Men det er ikke kun uddannelse. Det er også genetik. Du kan være født heldig, eller du ved hvordan du bemestrer dine neokortikale kolonner. og du kan spille en fantastisk symfoni.
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.
Faktisk er der en ny teori om autisme kaldet "teorien om den intense verden", som forslår at de neokortikale kolonner er superkolonner. De er højt reaktive og de er superplastiske, så derfor er autisterne formodentligt i stand til at bygge og lære sig en symfoni der er utænkelig for os andre. Men man må også forstå at hvis man har en sygdom i en af disse kolonner, vil tonen klinge falsk. Perceptionen, den symfoni du skaber, vil være beskadiget, og du vil have sygdomssymptomer.
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.
Så den Hellige Gral for neurovidenskaben er virkeligt at forstå indretningen af den neokortikale kolonne - og det er ikke kun for neurovidenskabens skyld; det er måske at forstå perceptionen, at forstå virkeligheden, og måske endda også at forstå den fysiske virkelighed. Så hvad vi gjorde var, gennem de sidste 15 år, var at dissekere neokortex systematisk. Det er lidt som at tage ud for at katalogisere et stykke af regnskoven. Hvor mange træer er der? Hvilke former har træerne? Hvor mange af hver slags træ er der? Hvor er de placeret?
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?
Men det er lidt mere end at katalogisere, for du er faktisk nødt til at beskrive og opdage alle reglerne for kommunikation, reglerne for tilslutningsmuligheder, for neuronerne kan ikke lide bare at tilslutte sig enhver anden neuron. De vælger meget omhyggeligt hvem de forbinder sig med. Det er også mere end at katalogisere fordi du faktisk er nødt til at bygge en tredimensionel digital model af dem. Og det har vi gjort for titusindevis af neuroner, bygget digitale modeller af alle de forskellige typer af neuroner som vi stødte på. Og når man først har det, kan man faktisk begynde at bygge den neokortikale kolonne.
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.
Og her viser vi dem samtidigt, sammenviklede. Men mens man gør dette, ser man at grenene krydser hinanden faktisk millioner af steder, og ved hver af disse krydsninger kan de danne en synapse. Og en synaps er en kemisk lokation hvor de kommunikerer med hinanden. Og sammen danner disse synapser netværket eller hjernens kredsløb. Nu kan man også tænke på kredsløbet som hjernens stof. Og når du tænker på hjernens stof, strukturen, hvordan er det så bygget? Hvordan er mønstret i tæppet? Du indser at dette udgør en grundlæggende udfordring for enhver teori om hjernen, og specielt for en teori der siger at en eller anden virkelighed træder frem ud af dette tæppe, ud af dette specifikke tæppe med et bestemt mønster.
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.
Grunden er at hjernens vigtigste konstruktionshemmelighed er forskelligartethed. Hver neuron er forskellig. Det er det samme i skoven. Hvert fyrretræ er forskelligt. Du kan godt have mange forskellige typer af træer, men hvert fyrretræ er stadig forskelligt. Og i hjernen er det det samme. Så der er ingen neuron i min hjerne der er identisk med en anden, og der er ingen neuron i min hjerne der er identisk med en i jeres. Og jeres neuroner vil ikke være drejet og placeret på helt samme måde. Og I kan have flere eller færre neuroner. Så det er meget usandsynligt at I har det samme stof, de samme kredsløb.
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.
Så hvordan kan vi have skabt en virkelighed hvor vi overhovedet kan forstå hinanden? Tja, vi behøver ikke spekulere over det. Vi kan nu se på alle 10 millioner synapser. Vi kan se på stoffet. Og vi kan ændre neuroner. Vi kan bruge forskellige neuroner med forskellige variationer. Vi kan placere dem forskellige steder, dreje dem i forskellige retninger. Vi kan bruge færre eller flere af dem. Og når vi gør det opdager vi at kredsløbene ændres. Men at mønstret for hvordan kredsløbene sammensættes ikke ændres. Så hjernens stof uanset at din hjerne kan være mindre, eller større, og at den kan have andre typer af neuroner, andre morfologier af neuroner, så deler vi faktisk det samme stof. Og vi tror dette er arts-specifikt, hvilket betyder at det kunne forklare hvorfor vi ikke kan kommunikere på tværs af arter.
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.
Så lad os tænde for den. Men for at gøre det må vi bringe den til live. Vi bringer den til live med ligninger, en masse matematik. Og faktisk blev de ligninger, der gør neuroner til elektriske genratorer, opdaget af to nobelprismodtagere fra Cambridge. Så vi har matematikken til at bringe neuronerne til live. Vi har også matematikken til at beskrive hvordan neuroner opsamler information, og hvordan de skaber et lillebitte lynglimt for at kommunikere med hinanden. Og når disse når til synapserne, er det de gør at de praktisk talt, bogstaveligt talt lammer synapsen. Det er ligesom et elektrisk stød der udløser kemikalierne fra disse synapser.
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.
Og vi har matematikken til at beskrive processen. Så vi kan beskrive kommunikationen mellem neuronerne. Der er bogstaveligt talt kun en håndfuld af ligninger som kræves for at simulere aktiviteten i neokortex. Men der er stadig brug for en meget stor computer. Og faktisk er der brug for en bærbar til alle udregningerne for bare en enkelt neuron. Så der er brug for 10.000 bærbare. Så hvor går man hen? Man går til IBM, og man får en supercomputer, for de ved hvordan man tager 10.000 bærbare og bygger dem sammen til noget på størrelse med et køleskab. Så nu har vi denne Blue Gene supercomputer. Vi kan uploade alle neuronerne, hver til sin egen processer, og tænde for det og se hvad der sker. Tage en tur på det flyvende tæppe.
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.
Her aktiverer vi det. Og det giver de første glimt af hvad der foregår i din hjerne når den stimuleres. Det er det første indblik. Når man ser det første gang, tænker man nok, "Min gud. Hvordan udspringer virkeligheden af dét der?" Men vi kan faktisk godt begynde, selv om vi ikke har optrænet denne neokortikale kolonne til at skabe en specifik virkelighed. Men vi kan spørge, "Hvor er rosen?" Vi kan spørge, "Hvor er den inden i..." "... hvis vi kan stimulere den med et billede?" Hvor er den inde i neokortex? I sidste ende bliver den nødt til at være der, hvis vi stimulerede det med den.
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.
Så den måde, vi kan undersøge det på, er ved at ignorere neuronerne, ignorere synapserne, og kun se på den rå, elektriske aktivitet. For det er det, den skaber. Den skaber elektriske mønstre. Så da vi gjorde dette, så vi faktisk for allerførste gang disse spøgelsesagtige strukturer: elektriske objekter der kommer til syne indeni i den neokortikale kolonne. Og det er disse elektriske objekter der indeholder al informationen om hvad der end stimulerede dem. Og da vi så zoomede ind på dette, viser det sig som et veritabelt univers.
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.
Så næste skridt er bare at tage disse hjerne-koordinater og projicere dem ind i et perceptuelt rum. Og hvis man gør det, vil man kunne træde ind i den virkelighed, der er blevet skabt af denne maskine, af dette stykke af hjernen. Så, for at opsummere, tror jeg at universet kan have - det er en mulighed - udviklet en hjerne til at se sig selv, hvilket kan være et første skridt i dets bevidstgørelse om sig selv. Der er meget mere at gøre for at teste disse teorier, og for at teste alle andre teorier. Men jeg håber, at I er ihvertfald delvist overbeviste om at det ikke er umuligt at bygge en hjerne. Vi kan gøre det indenfor 10 år, og hvis det nu lykkes, så sender vi, til TED om 10 år, et hologram der kan tale for jer. Tak. (Applaus)
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)