Een studie gepubliceerd in het open access-tijdschrift Frontiers in Neuroscience ontdekte dat een computer die is gebaseerd op het simuleren van neurale netwerken in de hersenen, resultaten liet zien die vergelijkbaar zijn met die van supercomputers met de beste hersenemulatiesoftware die wordt gebruikt in neuraal signaalonderzoek. Deze unieke computer, de SpiNNaker, wordt getest op nauwkeurigheid, snelheid en stroomverbruik en kan beter presteren dan conventionele supercomputers op het gebied van snelheid en energie-efficiëntie. Het doel is om kennis uit te breiden over de werking van neuronen in de hersenen, zoals toegepast op leren en stoornissen zoals epilepsie en de ziekte van Alzheimer.
SpiNNaker is in staat om gedetailleerde biologische modellen te leveren van de cortex (de buitenste laag van de hersenen die informatie van de zintuigen ontvangt en verwerkt), met resultaten die sterk lijken op de resultaten die worden verkregen bij het uitvoeren van emulatieprogramma's op een supercomputer, zegt Dr. Sacha van Albada, hoofdauteur Onderzoeks- en teamleider voor theoretische neuroanatomie bij het Julich Research Center in Duitsland. "Het vermogen om grootschalige, gedetailleerde neurale netwerken snel en met een laag energieverbruik uit te voeren, zal bijdragen aan zowel roboticaonderzoek als de studie van hersenaandoeningen."
Het menselijk brein is erg complex en bevat honderd miljard onderling verbonden cellen. We hebben inzicht in hoe individuele neuronen en hun componenten werken en hoe ze met elkaar omgaan, welke delen van de hersenen worden gebruikt voor sensorische waarneming, actie en cognitie. Maar we weten minder over de transformatie van neurale activiteit in gedrag, zoals hoe het denken wordt omgezet in spierbewegingen.
Supercomputersoftware heeft geholpen signalen tussen neuronen na te bootsen, maar zelfs de beste programma's op de snelste computers van vandaag kunnen slechts 1 procent van het menselijk brein emuleren.
“Het is nog niet duidelijk welke computerarchitectuur het meest geschikt is om een hele brein-emulator efficiënt te laten draaien. Het European Human Brain Project en het Julich Research Center hebben uitgebreid onderzoek gedaan om de beste strategie voor deze lastige taak te bepalen. De supercomputers van tegenwoordig hebben minuten nodig om een seconde echte actie na te bootsen, dus onderzoek zoals leerprocessen is vandaag niet beschikbaar, legt professor Markus Disman, co-auteur en hoofd van de afdeling Computational Neuroscience van het Julich Research Center, uit. - Er is een enorme kloof tussen het energieverbruik van de hersenen en de supercomputer. Neuromorfe (hersenachtige) computing stelt ons in staat te begrijpen hoe dicht we bij de energie-efficiëntie van de hersenen kunnen komen met behulp van elektronica."
SpiNNaker, onderdeel van het neuromorfische computerplatform van het European Brain Research Project, is in vijftien jaar tijd ontwikkeld en gebaseerd op de structuur en manieren van het menselijk brein en bestaat uit een half miljoen eenvoudige computerelementen. De onderzoekers vergeleken de nauwkeurigheid, snelheid en energie-efficiëntie van SpiNNaker met NEST, een gespecialiseerde supercomputersoftware die wordt gebruikt om neurale signalen in de hersenen te bestuderen.
"De emulaties die op SpiNNaker en NEST draaien, laten zeer vergelijkbare resultaten zien", zegt co-auteur Steve Furber, hoogleraar computertechnologie aan de Universiteit van Manchester. - Voor het eerst is een dergelijke gedetailleerde emulatie van de hersenschors geproduceerd door middel van SpiNNaker (of een ander neuromorf platform). SpiNNaker bevat 600 borden die meer dan 500.000 kleine processors combineren. De emulatie die in deze studie werd uitgevoerd, gebruikte slechts zes kaarten, wat 1% van het volledige vermogen van de machine is. Onze resultaten zullen helpen bij het verbeteren van de software en het verminderen van het aantal gebruikte kaarten tot één."
Zoals Dr. van Albada zegt: “We kijken ernaar uit om meer real-time emulaties uit te voeren met behulp van deze neuromorfe computersystemen. In het European Brain Research Project werken we al samen met neuro-robotica-specialisten die onze bevindingen hopen toe te passen op het besturen van robots.”
Promotie video:
Vadim Tarabarko
