Construyendo un cerebro en un chip de silicio

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Un equipo internacional de científicos europeos ha creado un chip de silicio diseñado para funcionar como un cerebro humano. Con 200.000 neuronas conectadas por 50 millones de conexiones sinápticas, el chip es capaz de imitar la capacidad del cerebro para aprender mejor que cualquier otra máquina.

Aunque el chip tiene una fracción del número de neuronas o conexiones que se encuentran en un cerebro, su diseño permite que se amplíe, según Karlheinz Meier, físico de la Universidad de Heidelberg (Alemania) que ha coordinado el proyecto de Informatización Analógica Rápida con Estados Transitorios Emergentes o FACETS.

La esperanza es que recrear la estructura del cerebro en el ordenador pueda ayudar a ampliar nuestra comprensión de cómo desarrollar masivamente y de forma paralela nuevos y potentes ordenadores, tal y como explica Meier.

Esta no es la primera vez que alguien ha tratado de recrear el funcionamiento del cerebro. Un proyecto denominado Blue Brain, dirigido por Henry Markram en el Ecole Polytechnique Fédérale de Lausana (Suiza), ha estado utilizando vastas bases de datos de datos biológicos registrados por los neurólogos para crear una simulación inmensamente compleja y realista del cerebro en un superordenador de IBM.

FACETS ha recurrido a la misma base de datos. “Pero en lugar de imitar a las neuronas -explica Karlheinz- las estamos construyendo”. Utilizando una oblea de silicio estándar de 20 centímetros, los investigadores recrean las neuronas y sinapsis en los circuitos de transistores y condensadores, diseñados para producir el mismo tipo de actividad eléctrica que sus homólogos biológicos.

Un circuito de neurona consiste en una serie de alrededor de 100 componentes, mientras que una sinapsis sólo requiere de unos 20. Sin embargo, como hay muchos más de ellos, las sinapsis ocupa la mayor parte del espacio en la oblea, afirma Karlheinz.

La ventaja de este método cableado frente a una simulación -añade Karlheinz- es que permite a los investigadores recrear una estructura semejante al cerebro de una manera que es verdaderamente paralela. Conseguir que las simulaciones se ejecuten en tiempo real requiere enormes cantidades de potencia de cálculo. Además, los modelos físicos son capaces de ejecutarse  mucho más rápido y son más ampliables. De hecho, el prototipo actual puede funcionar alrededor de 100.000 veces más rápido que un cerebro humano.  “Podemos simular un día en un segundo”, sentencia Karlheinz.

Si bien puede parecer poco plausible, las neuronas en realidad son muy lentas, o al menos en comparación con los ordenadores, según señala Thomas Serre, investigador de neurociencia informática del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) en Estados Unidos. “La razón por la que los ordenadores parecen mucho más lentos es que son máquinas en serie, mientras que nuestros cerebros funcionan en paralelo”, afirma  Serre.

FACETS no es el único grupo que aplica este método. Los investigadores de la Universidad de Stanford también han estado creando circuitos neuronales y la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa comenzó a financiar recientemente un proyecto similar.

“FACETS aventaja a todos porque usan estas sinapsis complejas”, comenta Markram.  Mientras que las neuronas son muy simples -añade- las sinapsis están diseñadas para usar un algoritmo distribuido muy potente, desarrollado por Markram, llamado maleabilidad dependiente de picos de tiempo, que permite que el dispositivo aprenda y se adapte a situaciones nuevas.

La construcción de circuitos tan complejos ha requerido una estrecha colaboración con neurobiólogos, según asegura Markram. De hecho, el proyecto, cuyo presupuesto actual es de 10,5 millones de dólares (14,1 millones de dólares americanos), se basa en las contribuciones de 15 grupos científicos de siete países diferentes. Entre los desafíos a los que se está el de recrear la estructura tridimensional del cerebro en una pieza de silicio de 2D, añade Markram.

A pesar de los esfuerzos para hacer que las fichas sean lo más plausibles biológicamente, Markram admite que todavía son rudimentarias en comparación con lo que se puede lograr en la simulación. “No es un cerebro. Es más un procesador de ordenador que tiene algo de la computación paralela acelerada que tiene el cerebro”, explica Markram.

Debido a esto, el investigador duda de que el método del hardware ofrezca mucha información sobre cómo funciona el cerebro. Por ejemplo, a diferencia de Blue Brain, los investigadores no podrán realizar pruebas in silico, simulando los efectos de medicamentos en el cerebro. “Es más una plataforma para inteligencia artificial que para entender la biología”, opina.

El grupo de FACETS planea ahora ampliar aún más sus chips, conectando una cantidad de obleas para crear un superchip con un total de mil millones de neuronas y 1013 sinapsis.

Fuente FACETS

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