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.
Het is onze missie om een gedetailleerd, realistisch computermodel van het brein te bouwen. We hebben in de afgelopen vier jaar een proof of concept gedaan op een klein deel van een rattenbrein, en schalen het project nu op naar het menselijke brein.
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.
Waarom doen we dit? Er zijn drie belangrijke redenen. Ten eerste is het voor ons essentieel om het menselijke brein te begrijpen als we in de samenleving willen vooruitkomen. Ik denk dat het een beslissende stap is in de evolutie. De tweede reden is dat we niet altijd kunnen blijven experimenteren op dieren. We moeten al onze data en kennis verwerken in een werkend model. Het is een soort ark van Noach, een archief. De derde reden is dat er twee miljard mensen op de planeet zijn die te maken hebben met een geestelijke stoornis, terwijl de medicijnen die vandaag de dag gebruikt worden grotendeels empirisch zijn. Ik denk dat we met concrete oplossingen voor de dag kunnen komen om stoornissen te behandelen.
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.
Zelfs in dit stadium kunnen we het breinmodel gebruiken om enkele fundamentele vragen te onderzoeken over hoe het brein werkt. Ik wil hier bij TED voor de eerste keer met jullie delen hoe wij één theorie benaderen -- er zijn vele theorieën – één theorie over hoe de hersenen werken. Deze theorie zegt dat het brein een versie van het universum creëert en deze versie van het universum als een bel rondom ons projecteert.
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.
Dit is al eeuwen het onderwerp van filosofische debatten. Voor het eerst kunnen we dit aanpakken met breinsimulatie. We kunnen systematische en rigoureuze vragen stellen over de mogelijkheid van deze theorie. De reden dat de maan enorm is aan de horizon is dat onze waarnemingsbel zich geen 380.000 km kan uitstrekken. Ze komt ruimte te kort. Wat we dus doen is dit: we vergelijken de gebouwen in onze waarnemingsbel en we nemen een beslissing. We besluiten dat het zo groot is ook al is het niet zo groot.
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)
Wat dit illustreert is dat beslissingen de sleutelcomponenten zijn waarop onze waarnemingsbel is gesteund. Ze houden ze in stand. Zonder beslissingen kun je niet zien, kun je niet denken, kun je niet voelen. En je mag denken dat verdoving werkt door je diep in slaap te brengen of door je receptoren te blokkeren zodat je geen pijn voelt, maar in feite werkt verdoving meestal niet op die manier. Verdoving introduceert een ruis in de hersenen zodat de neuronen elkaar niet meer kunnen verstaan. Ze zijn verward en je kan geen beslissing meer nemen. Terwijl jij je probeert af te vragen wat de dokter, de chirurg aan het doen is terwijl hij aan het snijden is in jouw lichaam, is hij al lang weg. Hij zit thuis aan de thee. (Gelach)
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.
Wanneer je naar een deur loopt en die opent is dit wat je dwangmatig moet doen om te kunnen waarnemen: je moet beslissingen nemen, duizenden beslissingen over de afmeting van de kamer, de muur, de hoogte, de voorwerpen in de kamer. 99 procent van wat je ziet is niet wat door de ogen binnenkomt. Het is wat je besluit over die kamer. Ik kan dus met enige stelligheid zeggen: “Ik denk en daarom ben ik.” Maar ik kan niet zeggen: “Jullie denken en daarom bestaan jullie,” omdat "jullie" zich in mijn waarnemingsbel bevinden.
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.
We kunnen hierover speculeren en filosoferen maar we hoeven dit eigenlijk niet te doen voor de komende honderd jaar. We kunnen een heel concrete vraag stellen. Kan het brein zo’n gewaarwording bouwen? Is het in staat om dit te doen? Bezit het het vermogen om dit te doen? En dat is wat ik vandaag voor jullie ga beschrijven.
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.
Het kostte het universum 11 miljard jaar om het brein te bouwen. Het moest het een beetje verbeteren. Het moest wat aan het frontale deel toevoegen zodat je instincten zou hebben omdat de mens op het land moest kunnen overleven. Maar de echt grote stap was de neocortex. Het is een nieuw brein. Je had het nodig. De zoogdieren hadden het nodig omdat zij het ouderschap moesten aankunnen, en sociale interactie, complexe cognitieve functies.
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.
Dus kun je de neocortex eigenlijk zien als de ultieme oplossing van vandaag, van het universum zoals wij dit kennen. Het is het toppunt, het is het uiteindelijke product dat het universum heeft geproduceerd. Het was zo succesvol in de evolutie dat het van muis tot mens duizendvoudig uitdijde, gerekend in termen van aantallen neuronen, om te leiden tot dit haast angstaanjagende orgaan, tot deze structuur. Het evolutionaire pad van het brein is nog niet ten einde. In feite ontwikkelt de neocortex van het menselijk brein zich met enorme snelheid.
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.
Als je inzoomt op het oppervlak van de neocortex ontdek je dat het is opgebouwd uit kleine modules, G5-processors, zoals in een computer. Er zijn er ongeveer een miljoen van. Ze waren zo succesvol in de evolutie dat we ze steeds weer gingen dupliceren en er meer en meer aan het brein toevoegden tot de ruimte in de schedel op was. De hersenen begonnen zichzelf op te vouwen. Dat is de reden waarom de neocortex zo sterk opgerold is. Wij zijn gewoon kolommen aan het inpakken zo dat we meer neocorticale kolommen hebben om meer complexe functies uit te voeren.
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.
Je kan je de neocortex zien als een massieve grote piano, een grote piano met een miljoen toetsen. Elk van deze neocorticale kolommen zou een noot doen klinken. Als je het stimuleert klinkt er een symfonie. Maar het is niet enkel een symfonie van gewaarwording. Het is een symfonie van jouw universum, jouw werkelijkheid. Het duurt natuurlijk jaren om een concertvleugel met een miljoen toetsen onder de knie te krijgen. Dat is waarom jullie je kinderen naar goede scholen moeten sturen, hopelijk uiteindelijk naar Oxford. Maar het gaat niet alleen om onderwijs, het gaat ook om genetica. Je kan gelukkig zijn geboren, of je weet hoe je jouw neocorticale kolom kan beheersen en kan je een fantastische symfonie spelen.
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.
Er is zelfs een nieuwe theorie over autisme, die de “intense wereld” theorie wordt genoemd, die veronderstelt dat de neocorticale kolommen superkolommen zijn. Zij zijn zeer reactief, en zij zijn super elastisch, en zo is de autist waarschijnlijk in staat een symfonie te bouwen en te leren die voor ons ondenkbaar is. Maar je kunt ook begrijpen dat als je een ziekte hebt in een van deze kolommen de noot dan vals is. De gewaarwording, de symfonie die je schept raakt verstoord en je krijgt ziektesymptomen.
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?
De heilige graal voor de neurowetenschap is om het ontwerp te begrijpen van de neocorticale kolom. Het is niet alleen omwille van de neurowetenschap. Het is om gewaarwording te begrijpen, om de werkelijkheid te begrijpen, en misschien zelfs ook om de fysieke werkelijkheid te begrijpen. Dus wat we de afgelopen vijftien jaar deden was het systematisch uitpluizen van de neocortex. Het is een beetje als het catalogiseren van een stukje van het regenwoud. Hoeveel bomen zijn er? Welke vormen hebben de bomen? Hoeveel van elk soort boom heb je? Waar zijn ze gelokaliseerd?
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.
Maar het is iets meer dan catalogiseren omdat je eigenlijk alle regels van communicatie moet beschrijven en ontdekken, de regels voor verbinding, omdat de neuronen zich niet met eender welk neuron willen verbinden. Ze kiezen zeer zorgvuldig met wie ze zich verbinden. Het is ook meer dan catalogiseren omdat je driedimensionele digitale modellen van hen moet bouwen. En wij deden dat voor tienduizenden neuronen. We bouwden digitale modellen van de verschillende types neuronen die we tegenkwamen. En wanneer je dat eenmaal hebt kun je beginnen met het bouwen van de neocorticale kolom.
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.
En hier rollen we ze op. Maar wanneer je dit doet zie je dat de vertakkingen elkaar snijden op miljoenen plaatsen, en op elk van die snijpunten kunnen ze synapsen vormen. Een synaps is een chemische plek waar zij met elkaar communiceren. Deze synapsen vormen samen het netwerk of de stroomkring van de hersenen. De stroomkring kun je ook zien als het weefsel van het brein. Als je denkt aan het weefsel van het brein - hoe het gebouwd is, wat het patroon van het tapijt is, dan ontdek je dat dit een fundamentele uitdaging stelt aan elke theorie van het brein en speciaal aan die theorie die zegt dat er een werkelijkheid voortkomt uit dit tapijt, uit dit specifieke tapijt met een specifiek patroon.
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.
Dit komt omdat belangrijkste geheim van het ontwerp van het brein verscheidenheid is. Iedere neuron is anders. Het is zoals in het bos. Iedere den is anders. Je kan verschillende soorten bomen hebben maar elke den is verschillend. En in het brein is het hetzelfde. Er is geen neuron in mijn brein dat hetzelfde is als een ander, en er is geen neuron in mijn brein hetzelfde als in dat van jullie. Jullie neuronen oriënteren en positioneren zich niet op precies dezelfde manier. Je kunt meer of minder neuronen hebben. Het is zeer onwaarschijnlijk dat je hetzelfde materiaal hebt, dezelfde stroomkring.
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.
Hoe is het dan mogelijk dat we een realiteit scheppen, dat we elkaar zelfs kunnen begrijpen? We hoeven niet te speculeren. We kunnen naar alle tien miljoen synapsen kijken. We kunnen naar het weefsel kijken. We kunnen neuronen veranderen. We kunnen andere neuronen gebruiken met andere varianten. We kunnen ze op verschillende posities plaatsen, ze naar verschillende plaatsen richten. We kunnen er meer van gebruiken of minder. Als we dat doen ontdekken we dat de stroomkring wel verandert. Maar het patroon waarop de stroomkring is ontworpen verandert niet. Voor het weefsel van de hersenen geldt: zelfs als je hersenen kleiner zijn, groter, met verschillende types neuronen, verschillend gevormde neuronen, wij delen hetzelfde weefsel. Wij denken dat dit soortafhankelijk is wat betekent dat dit kan verklaren waarom we niet tussen soorten kunnen communiceren.
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.
Laten we het aanzetten. Om dat te doen, moet je het tot leven roepen. We brengen het tot leven met vergelijkingen, een heleboel wiskunde. De vergelijkingen die van neuronen elektrische generators maken werden ontdekt door twee Nobelprijswinnaars uit Cambridge. We hebben dus de vergelijkingen om de neuronen tot leven te doen komen. We hebben ook de wiskunde om te beschrijven hoe neuronen informatie verzamelen, en hoe ze een kleine bliksemschicht opwekken om met elkaar te communiceren. Als ze de synaps raken is het effect letterlijk een schok voor de synaps. Het is als een elektrische schok die de chemische stoffen van deze synapsen doet vrijkomen.
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.
We hebben de wiskunde om dit proces te beschrijven. Dus we kunnen de communicatie tussen neuronen beschrijven. Er zijn letterlijk maar een handvol vergelijkingen nodig om de activiteit van de neocortex te simuleren. Maar je hebt wel een erg grote computer nodig. Je hebt één laptop nodig om alle berekeningen te doen voor één enkele neuron. Dus je hebt 10.000 laptops nodig. Dus waar ga je heen? Je gaat naar IBM, en je krijgt een supercomputer, omdat zij in staat zijn om 10.000 laptops in een ruimte zo groot als een koelkast te plaatsen. Nu hebben we dus deze Blue Gene Supercomputer. We kunnen alle neuronen opladen, elk op zijn eigen processor, ze aanzetten, en bekijken wat er gebeurt. Welkom voor een ritje op het tovertapijt.
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.
Hier activeren we het. Dit geeft de eerste glimp van wat er in je brein gebeurt als het wordt gestimuleerd. Het is het eerste gezicht. Als je hier voor het eerst naar kijkt, denk je, “Mijn God. Hoe komt de werkelijkheid daaruit?” In werkelijkheid kan je, ook al hebben we deze neocorticale kolom niet getraind, een speciale realiteit beginnen te scheppen. We kunnen vragen: “Waar is de roos?” We kunnen vragen: “Waar zit het van binnen, als we het stimuleren met een plaatje?” Waar zit het in de neocortex? Uiteindelijk moet het daar zitten als we het ermee stimuleren.
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.
De manier waarop we dat kunnen bekijken is door de neuronen te negeren, de synapsen te negeren en gewoon op de ruwe, elektrische activiteit te letten. Omdat het dat is wat het tot stand brengt. Het schept elektrische patronen. Toen we dat deden zagen we voor het eerst deze spookachtige structuren: elektrische voorwerpen die verschijnen binnen de neocorticale kolom. Het zijn deze elektrische objecten die alle informatie bevatten over wat het ook stimuleerde. Toen we hierop inzoomden was het als een echt universum.
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)
Dus de volgende stap is om deze breincoördinaten in waarneembare ruimte te projecteren. Als je dat doet, ben je in staat binnen een werkelijkheid te stappen die geschapen is door deze machine, door dit stukje van het brein. Samengevat denk ik dat het universum zichzelf misschien – het is mogelijk – heeft ontwikkeld tot een brein om zichzelf te zien, wat een eerste stap kan zijn naar zelfbewustzijn. Er moet nog veel meer gebeuren om deze theorieën te testen, en om elke andere theorie te testen. Maar ik hoop dat jullie in ieder geval gedeeltelijk zijn overtuigd dat het niet onmogelijk is om een brein te bouwen. We kunnen het doen binnen 10 jaar, en als we slagen zullen we TED over 10 jaar een hologram sturen om tot jullie te spreken. Dank jullie. (Applaus)