Cyriel Pennartz, hoogleraar 'Cognitive and Systems Neuroscience'

Prof. Cyriel Pennartz van het Swammerdam Institute for Life Sciences van de Universiteit van Amsterdam (UvA) vertelt over het Human Brain Project (HBP) van de Europese Unie.

SILS

Cyriel Pennartz (foto: Jan Willem Steenmeijer)

Bewustzijn. Er zijn maar heel weinig mensen die er regelmatig (behalve misschien gedurende enkele incidentele bezinningsmomenten) bij stilstaan dat er ooit een enorme vernieuwing er heeft plaatsgevonden: het ontstaan van zelfbewuste wezens die kunnen denken en waarnemen. Waarneming en bewustzijn zijn in het dierenrijk niet uitsluitend menselijke eigenschappen, maar de cognitieve vermogens van homo sapiens zijn wel ongeëvenaard.

Dit alles hebben we te danken aan ons brein. Het weegt ongeveer 1,3 kilogram, omvat een celmassa van miljarden neuronen, synapsen en axonen en vormt een van de meest bestudeerde objecten in het universum. Gedurende ruim vijftig jaar jaar hebben we dankzij diepgaand onderzoek een beter inzicht gekregen in hoe het brein op cel- en structuurniveau werkt. En toch weten onderzoekers ondanks zichtbare vooruitgang feitelijk nog steeds niet hoe het brein cognitie genereert. Of zoals cognitief wetenschapper Daniel Dennett het zegt, hoe kunnen delen 'met competentie maar zonder begrip' wezens zoals ons voortbrengen 'met competentie en met begrip'.

Om ons inzicht in het brein aanzienlijk te vergroten, heeft de Europese Unie in oktober 2013 het Human Brain Project (HBP) gelanceerd. Dit tienjarige project met een begroting van zo'n 1 miljard euro is een van de meest uitgebreide onderzoeksprojecten in de geschiedenis van het hersenonderzoek. Er zijn meer dan 100 universiteiten en ongeveer 400 onderzoekers uit diverse vakgebieden bij betrokken. Het project bestaat uit een aantal deelprojecten met een gemeenschappelijke focus op het verzamelen van experimentele gegevens voor theoretische modellen en nieuwe vormen van computing, die op hun beurt kunnen worden gebruikt om simulaties van de innerlijke werking van het brein te simuleren. Een van deze deelprojecten gaat over Systems and Cognitive Neuroscience en wordt gecoördineerd door prof. Cyriel Pennartz van het Swammerdam Institute for Life Sciences van de Universiteit van Amsterdam (UvA). Dit instituut participeert in het Amsterdam Brain and Cognition Centre van de UvA. In deze aflevering van In gesprek met ... spreken we met Pennartz over HBP, de toekomst van het hersenonderzoek en wat het betekent zich ergens van bewust te zijn.

Wat is bewustzijn?

Daar zijn de meningen over verdeeld. De meeste neurowetenschappers zijn het er echter over eens dat bewustzijn grotendeels kan worden beschreven als extern of intern opgewekte sensaties, waaronder beeldvorming (bijv. verbeelding en zintuiglijke waarneming). Deze bewuste ervaringen worden gekenmerkt door een ordening in tijd en ruimte en door zeer uiteenlopende zintuiglijke kwaliteiten als kleuren, geur en melodieën. We verliezen bewustzijn wanneer we in slaap vallen en krijgen het terug wanneer we wakker worden. In dit opzicht verschaft bewustzijn ons een weergave of model van wat er in de wereld rondom ons en in de wereld in ons gebeurt. Vanuit dit perspectief bezien, kan de functie van bewustzijn op een betrekkelijk heldere en eenvoudige manier worden samengevat. Het lastige eraan is subjectief, kwalitatief rijk bewustzijn te herleiden naar zijn oorsprong in zenuw- en hersencellen, die op elektrische impulsen werken, maar op individueel niveau niet zoiets als visuele waarneming teweegbrengen. In mijn boek The Brain’s Representational Power betoog ik dat bewustzijn het best kan worden benaderd als een proces dat op verschillende niveaus van complexiteit is geconstrueerd. Het materiele substraat voor bewustzijn begint op microniveau (cellen en elektrische impulsen) en kent verder diverse hogere niveaus (met activiteiten als patroonherkenning en andere berekeningen). Uiteindelijk komen we op het hoogste niveau van multisensorische netwerken, dat echter volledig synchroon met de lagere niveaus loopt.

De hamvraag luidt: hoe ontstaan omstandigheden die tot bewustzijn leiden? Dit is een van de onderliggende doelen van het Human Brain Project. We hopen inzicht in de hersenen te krijgen door middel van computerberekeningen en door de mechanismen op te sporen die kunnen verklaren waarom een bepaalde vorm van berekening in het brein tot een specifieke vorm van sensatie leidt en niet tot een andere vorm. Tot nu toe is het bijzonder moeilijk gebleken deze mechanismen te lokaliseren en te identificeren. Niettemin is er onlangs, ook in het Pennartz-lab, vooruitgang geboekt door de interacties tussen verschillende zintuiglijke systemen te bestuderen, namelijk zicht, gehoor en aanraking. Deze systemen blijken veel sterker onderling verbonden te zijn dan gedacht.

U hebt een coördinerende rol in HBP via 'Episense', een deelproject over Systems and Cognitive Neuroscience. Kunt u ons daarover iets meer vertellen?

Episense analyseert het autobiografische geheugen van het dagelijks leven en onderzoekt hoe het met informatie van meerdere zintuigen wordt gevoed. We beginnen behoorlijk te begrijpen hoe het geheugen in het brein werkt – het meest waarschijnlijke is dat het opereert via netwerken waarin cellen geheugeninformatie opslaan in de verbindingen tussen hersencellen. We weten echter nog niet hoe de verschillende zintuigen informatie aan het bewustzijn en het geheugen verstrekken en hoe deze vervolgens tot één enkele representatie worden gecombineerd. Neem bijvoorbeeld een appel. Wanneer we denken aan een appel die we in de hand houden, herinneren we ons meer dan alleen maar een visueel beeld: we kunnen ons ook talloze zintuiglijke sensaties levendig voor de geest halen, zoals de gladheid van de schil, de stevigheid van de appel, de lichtzoete smaak en de omgeving waarin hij werd opgegeten.

Hoe doet het brein dat? Dat is de vraag die Episense probeert te  beantwoorden. Samen met collega-onderzoekers gaan we een reeks experimenten uitvoeren om de precieze neurale mechanismen achter het geheugen bloot te leggen en deze te valideren aan de hand van rekenmodellen en computersimulaties en door robots te bouwen met een eigen autobiografisch geheugen. Dat doen we in samenwerking met onderzoekers uit verschillende disciplines binnen HBP, zoals neurofysiologen maar ook roboticawetenschappers. We hopen binnen twee jaar met de eerste resultaten te komen.

Systems-and-cognitieve-neuroscience-human-brain-project.png

Afbeelding: Human Brain Project (European Union)

Waarin verschilt het Human Brain Project van andere soortgelijke projecten als het BRAIN Initiative, behalve dat ze allemaal met veel geld worden gefinancierd?

HBP is uniek in die zin dat het hersenonderzoek integreert met de ontwikkeling van op het brein geïnspireerde computing, modellering, data analyse en robotica. Het project heeft een groot bereik en brengt onderzoekers uit een breed spectrum van disciplines bijeen. De doelen van het project hebben een aanvullend karakter. Uiteindelijk dient er niet alleen een grondiger inzicht in de hersenen te komen maar moet deze kennis ook worden overgedragen met het oog op de ontwikkeling van nieuwe toepassingen. Een belangrijk voorbeeld hiervan is het Neuromorphic Computing Platform van HBP, dat bestaat uit 2 systemen waarmee we neurale microcircuits nabootsen en op het brein gebaseerde principes kunnen toepassen op kunstmatige intelligentie, bijvoorbeeld computervisie en beeldherkenning. Deze systemen werken op neuromorfe chips, die ongelooflijk snel zijn; ze kunnen honderdduizenden malen sneller rekenen dan vergelijkbare aantallen biologische neuronen.

Henry Markham, een van de initiatiefnemers van HBP, wil binnen 10 jaar een hologram met volledig bewustzijn creëren door een compleet model van het menselijke brein te bouwen en dit op een supercomputer te simuleren. Hoe realistisch is dat?

In theorie is het mogelijk zo'n model te construeren. De vraag is echter of het in biologische zin werkt en de beoogde cognitieve resultaten oplevert. Zullen we met zo'n brein kunnen praten? Of is daarmee interactie mogelijk? Zal het begrijpen in wat voor situatie het wordt gebracht, iets voelen en verstandig gedrag vertonen? Persoonlijk denk ik dat tien jaar te ambitieus is. Ik ben optimistischer over het creëren van een model van het brein van een ander zoogdier, de rat, dat ondanks zijn beduidend kleinere omvang veel overeenkomsten vertoont met zijn menselijke tegenhanger. De rat heeft net als de mens een echt zoogdierbrein en kan zo als voorloper fungeren. In principe moeten we in de komende tien jaar in staat zijn om het rattenbrein in kaart te brengen, vanaf de neuronen tot aan de complete hersenhelften, en het volledig te modelleren. En het model vervolgens in een robot te stoppen die het gedrag van het knaagdier zal simuleren. Hiertoe hebben we een veel grotere rekencapaciteit nodig, maar ook meer kennis over hoe het brein informatie integreert op de verschillende niveaus die ik zojuist noemde. Daar ontbreekt het momenteel nog aan.

Er zijn overigens mensen als Raymond Kurzweil die geloven dat we al tegen 2045 het ontstaan van kunstmatig bewustzijn, slimmer dan de menselijke intelligentie, zullen beleven. Ik zie dat nog niet gebeuren. We hebben het fundamentele vraagstuk van menselijk bewustzijn, menselijke intelligentie en menselijke creativiteit nog onvoldoende opgelost om het te simuleren of om te voorspellen wanneer dit gaat plaatsvinden. Het is leuk om spectaculaire voorspellingen te doen, maar we kunnen beter realistisch zijn over de mogelijkheden die we op dit moment hebben.

Gepubliceerd door  Universiteit van Amsterdam

9 december 2016