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.
Vår oppgave er å bygge en detaljert, realistisk, digital modell av den menneskelige hjerne. Vi har i løpet av de siste fire år vist at det er mulig, ved å lage en liten del av en rottehjerne. Når vi nå vet at det er mulig, skal vi skalere opp prosjektet til vi når en menneskehjerne.
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.
Hvorfor gjør vi dette? Det er tre viktige grunner: For det første er det viktig for oss å forstå den menneskelige hjerne hvis vi ønsker å komme videre som samfunn, og jeg tror at det er et viktig steg i evolusjonen. Den andre grunnen er at vi ikke kan gjøre dyreforsøk i all framtid, vi må materialisere alle våre data og all vår kunnskap, til en fungerende modell. Det er som en Noas Ark, som et arkiv. Og den tredje grunnen er at det er to milliarder mennesker på jorda som rammet av sinnslidelse. Og de medikamentene som brukes i dag er i stor grad empiriske. Jeg tror vi kan finne svært konkrete løsninger på hvordan vi kan behandle lidelser.
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.
Nå, – selv på dette stadiet, kan vi bruke hjernemodellen til å utforske noen grunnleggende spørsmål om hvordan hjernen fungerer. Og her på TED, for første gang, vil jeg gjerne dele med dere hvordan vi tar for oss én teori – det er mange teorier – én teori om hvordan hjernen fungerer. Denne teorien går ut på at hjernen skaper – bygger – en versjon av universet, Og projiserer denne versjonen av universet som en boble, hele veien rundt oss.
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.
Dette vil selvsagt bli et tema for filosofisk debatt i århundrer. Men for første gang kan vi faktisk se på dette, ved hjelp av hjernesimulering, og stille veldig systematiske og grundige spørsmål om hvorvidt denne teorien kan være riktig. Grunnen til at månen ser enorm ut i horisonten er rett og slett fordi vår perseptuelle boble ikke strekker seg 380.000 kilometer ut. Det blir for lite plass, så det vi gjør er å sammenligne bygningene innenfor vår perseptuelle boble, og vi tar en beslutning. Vi tar en beslutning om at den er så stor, selv om den ikke er det,
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)
og det illustrerer at beslutninger er den viktigste støtten for vår perseptuelle boble. Det holder den i live. Uten beslutninger kan du ikke se, kan du ikke tenke, kan du ikke føle. Og du tror kanskje at bedøvelse fungerer ved at den sender deg inn i en slags dyp søvn, eller blokkerer reseptorene slik at du ikke føler smerte? Men faktisk virker de fleste bedøvelser ikke slik. Det de gjør er å skape en støy inne i hjernen, slik at nervecellene ikke kan forstå hverandre. De er forvirret, og du kan ikke ta en beslutning. Så før du klarer å gjøre deg opp en mening, om hva legen, kirurgen, gjør mens han skjærer løs på kroppen din, er han for lengst borte. Han sitter ved middagsbordet. (Latter)
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.
Så, når du går bort til døren og åpner den, må du, for å oppfatte hva du gjør, ta beslutninger, tusenvis av beslutninger om størrelsen på rommet, veggen, høyden, objektene i dette rommet. 99 prosent av det du ser kommer ikke inn gjennom øynene, det er du som bestemmer at rommet er slik. Så jeg kan si, med en viss sikkerhet: "jeg tenker, derfor er jeg." Men jeg kan ikke si, "du tenker, derfor er du", fordi du er innenfor min perseptuelle boble.
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.
Nå kan vi spekulere og filosofere over dette, men vi trenger ikke å gjøre det i de neste hundre år. Vi kan stille et meget konkret spørsmål: Kan hjernen bygge en slik oppfatning? Er det i stand til gjøre det? Har den det har stoffet som trengs for å gjøre det? Det er det jeg skal beskrive for dere i dag.
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.
Det tok altså universet 11 milliarder år å bygge hjernen. Det måtte forbedre den litt. Det måtte legge til den frontale delen, slik at vi fikk instinkter, fordi vi måtte overleve på land. Men det virkelig store skrittet var neokorteks. Det er en ny hjerne. Vi trengte den, pattedyrene trengte den, fordi de måtte takle foreldrerollen, sosiale interaksjoner, komplekse kognitive funksjoner.
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.
Dermed kan du faktisk se på neokorteks som den ultimate løsningen i dag, av universet slik vi kjenner det. Det er høydepunktet, det er det endelige produktet som universet har laget Den var så vellykket i evolusjonen at fra mus til menneske økte den tusen ganger, i antall nerveceller, og laget dette nesten skremmende organet, denne strukturen. Og evolusjonen har ikke stoppet ennå. Faktisk utvikler neokorteks i den menneskelige hjerne seg i en enorm hastighet.
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.
Hvis du zoomer inn på overflaten av neokorteks, vil du se at den er bygget opp av små moduler, G5-prosessorer, som i en datamaskin. Men det er omtrent en million av dem. De var så vellykket i evolusjonen at de ble kopiert igjen og igjen, og fylte opp hjernen med fler og fler til det ikke var mer plass i skallen. Da begynte hjernen å folde seg, og det er derfor neokorteks er så sammenrullet. Vi bare stapper inn kolonner, slik at neokorteks får fler kolonner til å utføre mer komplekse funksjoner.
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.
Så du kan faktisk tenke deg neokorteks som et massivt flygel, et flygel med en million tangenter. Hver av disse neokortikale kolonnene lager en tone. Hvis du stimulerer den, lager den en symfoni. Men det er ikke bare en symfoni av persepsjon. Det er en symfoni av universet ditt, din virkelighet. Det tar selvfølgelig årevis lære hvordan man mestrer et flygel med en million tangenter. Derfor må du sende barna dine til gode skoler, forhåpentligvis etter hvert til Oxford. Men det er ikke bare utdanning. Det er også genetikk. Du kan være født heldig, eller så vet du hvordan du kan mestre din neokortikale kolonne og du kan spille en fantastisk symfoni.
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.
Faktisk er det en ny teori om autisme kalt "den intense verden"-teorien, som antyder at de neokortikale kolonnene er superkolonner. De er svært reaktive, og de er superplastiske, så autistene er sannsynligvis i stand til å bygge og lære en symfoni som er utenkelig for oss. Men du skjønner også at hvis du har en sykdom innenfor en av disse kolonnene, vil tonen være slått av. Oppfatningen, symfonien som du skaper vil være ødelagt, og du får symptomer på sykdom.
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?
Så den hellige gral for nevrovitenskap er å virkelig forstå utformingen av den neokortikale kolonnen – og det er ikke bare for nevrovitenskapen; kanskje også for å forstå persepsjon, å forstå virkeligheten, kanskje til og med forstå den fysiske virkeligheten? Så det vi gjorde gjennom de siste 15 årene var å dissekere neokorteks, systematisk. Det er litt som å katalogisere en del av regnskogen. Hvor mange trær er det? Hvilken form har de? Hvor mange av hver art, og hvor er de plassert?
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.
Men det er mer enn katalogisering, fordi du faktisk må beskrive og oppdage alle kommunikasjonsregler, og hvordan de er koblet sammen, for nervecellene kobler seg ikke sammen på måfå. De velger nøye hvem de knytter seg til. Det er også mer enn katalogisering, fordi du faktisk må bygge tredimensjonale digitale modeller av dem. Og det gjorde vi for titusener av nerveceller, bygget digitale modeller for de ulike typene nevroner vi kom over. Og når du har gjort det, kan du faktisk begynne å bygge den neokortikale kolonnen.
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.
Og her kveiler vi dem opp. Men mens du gjør dette, ser du at greinene krysser hverandre på millioner av steder. og i hvert slikt kryss kan de kan danne en synapse. Og en synapse er et kjemisk sted der de kommuniserer med hverandre. Og disse synapser utgjør til sammen nettverket, eller strømkretsen i hjernen. Nå er det slik at du også kan se på strømkretsen som selve sammensetningen, stoffet i hjernen. Og når du tenker på stoffet i hjernen, strukturen, hvordan er den bygd? Hvordan er mønsteret til teppet? Da innser du at dette utgjør en grunnleggende utfordring for enhver teori om hjernen, og spesielt for en teori som sier at det kommer en virkelighet ut av dette teppet, av dette spesielle teppet med et bestemt mønster.
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.
Årsaken er at den viktigste designhemmeligheten i hjernen er mangfold. Hvert nevron er forskjellig Det er akkurat som i skogen. Alle furutrær er forskjellige. Du kan ha mange forskjellige treslag, men alle furutrær er ulike. Og slik er det i hjernen også. Så det er ingen nevroner i hjernen min som er like, og ingen nevroner i min hjerne som er lik noen i din. Og alle nevronene er ikke orientert og plassert på nøyaktig samme måte. Og du kan ha flere eller færre nerveceller. Derfor er det svært usannsynlig at du har samme stoff, samme strømkrets.
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, hvordan er det mulig at vi kan lage en virkelighet slik at vi i det hele tatt kan forstå hverandre? Vel, vi behøver ikke å spekulere. Vi kan studere alle 10 millioner synapser. Vi kan se på stoffet, og vi kan endre nerveceller. Vi kan bruke ulike nerveceller i ulike varianter. Vi kan plassere dem på forskjellige steder, orientere dem på forskjellige måter. Vi kan aktivere flere eller færre av dem. Og når vi gjør det, oppdager vi at kretsene endres. Men mønsteret for kretsenes utforming endres ikke. Så stoffet i hjernen – uansett om hjernen din er mindre, større, har forskjellige typer nerveceller, har nevroner med forskjellig morfologi – uansett alt dette har vi samme hjernestoff. Og vi tror at dette er artsspesifikt, noe som kan forklare hvorfor vi ikke kan kommunisere på tvers av arter.
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.
Så la oss slå den på. Men for å gjøre det, må du få den til å bli levende. Vi gjør den levende med likninger, mye matematikk. Og faktisk, likningene som gjør nervecellene til elektriske dynamoer ble oppdaget av to Cambridge nobelprisvinnere. Så det er matematikk som gir nervecellene liv. Vi bruker også matematikk for å beskrive hvordan nervecellene samler informasjon, og hvordan de lager et lite lynglimt for å kommunisere med hverandre. Og når de kommer til synapsen vil de faktisk, bokstavelig talt gi den et sjokk. Det er som elektrisk støt som frigjør kjemikalier fra disse synapsene.
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.
Og vi har matematikken til å beskrive denne prosessen. Så vi kan beskrive kommunikasjonen mellom nervecellene. Det er bokstavelig talt bare en håndfull likninger du trenger for å simulere aktiviteten til neokorteks. Men det du vil trenge er en veldig stor datamaskin. Du behøver faktisk en bærbar PC for å gjøre beregningene for et enkelt nevron. Du må altså ha 10.000 bærbare datamaskiner. Så hva gjør du? Du går til IBM, og får en superdatamaskin, fordi de mtte ta 10.000 laptoper og pakke dem sammen til en størrelse som et kjøleskap. Så nå har vi superdatamaskinen Blue Gene. Vi kan laste opp alle nervecellene, hver på sin prosessor, starte opp, og se hva som skjer. - Ta en tur på det magiske teppet.
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.
Her har vi aktivert den. Og vi får et første glimt av hva som skjer i hjernen din når den får en stimulering. Det er den første visningen, og når du ser på den for første gang, tenker du: "Herre Gud! Kan det skapes virkelighet ut av det der?" Men det er faktisk mulig – – selv om vi ikke har trent denne neokortikale kolonnen – – å skape en bestemt virkelighet. Men vi kan spørre: "Hvor er rosen?" Vi kan spørre: "Hvor er den inni der", hvis vi stimulerer den med et bilde? Hvor er den inne i neokorteks? Til syvende og sist må den være der hvis vi stimulerer den med det.
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.
Vi kan se slik på det: glem nervecellene, glem synapsene, se bare på den elektriske aktiviteten. Fordi det er den som blir lagd. Den skaper elektriske mønstre. Så når vi gjorde dette, så vi faktisk for første gang, disse spøkelseslignende strukturene: elektriske objekter som viste seg innenfor den neokortikale kolonnen. Og det er disse elektriske gjenstandene som inneholder all informasjon om hva det var som stimulerte den. Og når vi zoomet oss innover, var det som et veritabelt univers.
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)
Så neste steg er bare å ta disse hjernekoordinatene og projisere dem i det perseptuelle rom. Og hvis du gjør det, kan du gå inn i den virkeligheten som er skapt av denne maskinen, av denne hjernebiten. Så oppsummert: Jeg tror at universet kan – – det er mulig – – ha utviklet en hjerne som kan se seg selv, som kan være et første skritt mot å bli klar over selv. Det er mye mer å gjøre for å teste disse teoriene, og å teste alle andre teorier. Men jeg håper at dere i det minste er delvis overbevist om at det ikke er umulig å bygge en hjerne. Vi kan gjøre det innen 10 år, og hvis vi lykkes, skal vi om 10 år sende et hologram som kan snakke til dere her på TED. Takk. (Applaus)