Prawdziw pasj dr. Grzegorza M. Wjcika jest akwarystyka. Szczeglnie upodoba sobie pielgnice z jeziora Malawi. W afrykaskim jeziorze yje kilkaset gatunkw tych ryb, a prawdziwy zachwyt wrd hobbystw wzbudza rnorodno ich barw: od czerwieni, poprzez biel, , bkit, a po czer i fiolet.
– Gdyby kto odebra nam wzrok, nasz wiat najbardziej by zuboa – patrzc na zdjcia swoich ulubionych ryb przekonuje dr Wjcik z Zakadu Ukadw Zoonych i Neurodynamiki Instytutu Informatyki UMCS.
A wie, co mwi, bo od wielu lat zajmuje si ukadem wzrokowym naczelnych. Kiedy zaczyna swoj karier, do Lublina trafi akurat najnowszej generacji komputer SUN Enterprise 3500 Ultra. Szecioprocesorowy, jeden z najszybszych po tej stronie Wisy. To nie to, co zwyky pecet. al byo nie skorzysta. Poniewa akurat wtedy prof. Wiesaw A. Kamiski, obecny rektor najwikszej lubelskiej uczelni, podj tematyk sztucznej inteligencji, razem wpadli na pomys, eby symulowa procesy w mzgu, ktre sprawiaj, e czowiek widzi, a tym samym zbada, jakie s wzajemne interakcje, oddziaywania i przepyw informacji w korze wzrokowej ssakw. Byo to spore wyzwanie, jako e ten obszar mzgu odkryty jest naukowo w zaledwie 15 proc. Pozostaa cz to wielkie pole do popisu.
– Do emerytury bdziemy mieli co bada – mieje si dr Wjcik. – Tak naprawd jestemy funkcj naszego mzgu i wszystko to, co widzimy czy dowiadczamy za pomoc innych zmysw, ma swj odpowiednik w postaci informacji zakodowanej w mzgu. Kiedy patrzymy na pikn kobiet, to w rzeczywistoci nie my patrzymy, tylko nasz mzg. To s pewne interakcje, ktre wywouj wraenia. I przebieg tych interakcji jest tematem naszych bada – dodaje.
Homo sapiens, jak adne inne zwierz, jest typowym wzrokowcem. A 80 proc. bodcw odbieramy za pomoc wzroku. To bez wtpienia najbardziej wykorzystywany przez nas zmys i jednoczenie najbardziej podana zdolno. A sam ukad wzrokowy jest najbardziej skomplikowany ze wszystkich w mzgu. Co ciekawe, kora wzrokowa nie odpowiada tylko i wycznie za widzenie, jest rwnie poczona z innymi moduami w mzgu. To dlatego, czytajc sowo „morze”, podwiadomie widzimy bezkresn jego to, syszymy jego szum. Bo tak naprawd postrzeganie wiata nie koczy si na wzroku. Ono si tu dopiero zaczyna.
– Cae nasze widzenie odbywa si z tyu gowy, w patach kory wzrokowej. Oczy s jak kamery, to jedynie narzdzia. Kora, ktra stanowi niejako centrum przetwarzania informacji wzrokowej, stanowi wanie obiekt naszych zainteresowa – precyzuje mj rozmwca.
Na tym obszarze znajduje si kilkaset milionw neuronw. Cay mzg czowieka ma ich przeszo 100 mld. Dr Wjcik wyliczy, e gdyby za kady z nich pacono zotwk, a nastpnie te monety ustawiono jedna na drugiej, to powstaaby kolumna o wysokoci ok. 150 tys. kilometrw, czyli... mniej wicej poowa drogi na Ksiyc. Mimo i od czasu zakupu wspomnianego superkomputera technika posza daleko do przodu, wci nie mona zasymulowa wszystkich neuronw. Rzecz jednak nie w liczbie, a w strukturze i wielkoci pocze midzy nimi. To wanie jest najwikszy sekret mzgu. Odkrycie go bdzie przeomowe.
Na razie, nie mogc symulowa pracy caej struktury, naukowcy koncentruj si na wybranych fragmentach. W Zakadzie Ukadw Zoonych i Neurodynamiki UMCS zajto si ukadem wzrokowym. Lubelscy uczeni, jako jedni z pierwszych w Polsce, postawili sobie za cel symulowanie w komputerze pracy wielu neuronw poczonych ze sob. I cho taka symulacja wiernie pokazuje procesy zachodzce w czci mzgu, trzeba pamita, e komputer to nie czowiek, a dysk twardy czy procesor to nie do koca wraliwe organy. Maszyna nie widzi ani nie syszy dokadnie tak, jak ludzie. Zdaniem dr. Wjcika, niewykluczone jednak, e w cigu kilku najbliszych dekad komputery bd wykazywa zachowania inteligentne, zdecydowanie na wyszym poziomie ni obecnie. Przecie ju teraz potrafi wygra z ludmi w szachy. Ale w tych badaniach chodzi o co wicej.
– Nie myl tu tylko o tym, e mona byoby na przykad z komputerem porozmawia, cho to te. Ale bardziej praktyczna moliwo to projektowanie ukadw, ktre bd wszczepiane ludziom niewidomym, by moe nawet od urodzenia, i sprawi, e przejrz oni na oczy. To jest moje marzenie, eby w niedalekiej przyszoci wszczepi niewidomemu czip, ktry bdzie sprawowa funkcj kory wzrokowej.
To, jak na razie, melodia przyszoci. – Ale jestemy ju w poowie drogi – dodaje od razu mj rozmwca. Jego badania opieraj si na tzw. idei oblicze pynowych. Dr Wjcik tumaczy na przykadzie stojcej akurat na stole filianki kawy.
– Wrzucam do niej kostk cukru, mieszam trzy razy yeczk i dolewam mietanki. Jeli kto zrobi zdjcie powierzchni kawy, to dobry ekspert po spojrzeniu na nie powie, e jest to kawa tej i tej firmy, z dodatkiem jednej kostki cukru, zamieszana trzy razy yeczk w prawo i wzbogacona jeszcze o pi mililitrw mietanki. A co si stao z kaw po zrobieniu zdjcia? Przestaa zapewne wirowa, jednolicie rozesza si po niej mietanka i powierzchnia napoju ustalia si – obrazowo wyjania dr Wjcik i kontynuuje: – Tak, jak fizycy opisuj ciecz, mona te opisa dowolny fragment mzgu. Kora wzrokowa skada si z tak zwanych mikroobwodw, czyli ukadw od kilkudziesiciu do kilkuset neuronw, ktre s poczone w kolumienki. Ich funkcja obliczeniowa moe by inna w zalenoci od miejsca, w ktrym si znajduj. Jeli za porednictwem wzroku czy jakiegokolwiek innego zmysu „podajemy” kolumienkom rne zaburzenia, tak jak kawie kostki cukru, mietank czy wirowanie yeczki, to kolumienki wpadaj w pewien dynamiczny stan. Gdyby zrobi im wwczas zdjcie, to mona by powiedzie, jakie zaburzenie wywoao ten stan i odczyta zakodowan w tym niestabilnym stanie informacj.
Wwczas pozostaje tylko poszuka eksperta, ktry powie, e zobaczylimy wanie czerwony samochd albo biszkoptowego labradora. Takim „ekspertem”, ktry patrzy na stan zaburze w naszych obwodach, moe by wiadomo. Na podstawie dynamiki ukadu pracy wspomnianych kolumienek, dziki specjalnie napisanemu programowi, w sposb jednoznaczny mona odczyta rodzaj zaburzenia. Lubelscy badacze poszli dalej i postanowili zobaczy, w jaki sposb, z jak szybkoci nastpuje przepyw informacji. Widzc np. czerwone jabko, nasz ukad wzrokowy przele zupenie inne sygnay ni gdy zobaczymy lnicy sportowy samochd. I inna bdzie tym samym dynamika pracy kolumienek. Ich dokadna symulacja pozwoli z kolei oceni z perspektywy czasu, na co w danej chwili patrzylimy. Oczywicie, nawet w obrbie jednego gatunku mog wystpowa rnice w odbiorze bodcw wzrokowych. Wiadomo, e kobiety maj lepsz zdolno rozrniania kolorw, z kolei mczyni – ostrzejszy wzrok. Model opracowany w lubelskiej uczelni nie jest a tak zaawansowany, aby uwzgldnia pe. Ale w niczym to nie przeszkadza. Co wicej, znajduje empiryczne potwierdzenie w badaniach innych orodkw. Dr Wjcik przekona si o tym rok temu na szkoleniu w Izraelu. Pozna tam Jos Alberto Garcia Lazaro, Meksykanina pracujcego na co dzie w Oxfordzie. Od sowa do sowa okazao si, e wyniki jego dowiadcze laboratoryjnych pokrywaj si z efektami uzyskanymi na komputerowym modelu w Lublinie.
– W naszym modelu pojawia si samoorganizujca si krytyczno w podobny sposb, jak jemu z badania ywego szczura. Z tym, e on bada zwierz za pomoc elektrod umieszczonych w gowie. Kiedy taka zgodno teorii z dowiadczeniem w nauce si zdarza, to jest powd do dumy – cieszy si dr Grzegorz M. Wjcik.
Zjawisko samoorganizujcej si krytycznoci to jeden z gwnych kierunkw w badaniach lubelskiego orodka. Zwizane jest z prawem potgowym, ktre rzdzi wieloma zjawiskami w przyrodzie, np. trzsieniami ziemi. Bardzo czsto wystpuj mae, bez ofiar, s wiksze, gdy komu zawali si dom, a raz na kilkanacie lat wystpuje trzsienie, w ktrym ginie kilkadziesit tysicy ludzi. Okazuje si, e wedug tego prawa zdarzenia o maej skali pojawiaj si bardzo czsto, o wielkiej skali – bardzo rzadko, a wszystkie porednie ukadaj si w krzyw wykadnicz, czc oba skrajne punkty. Podobnie jest z lawinami w grach, gstoci zaludnienia w prawie dowolnym kraju, a take zakadaniem lokat w bankach. Mnstwo osb ma konta, na ktrych trzyma 1000 z, nieco mniej ludzi ma 100 tys. z, a ju stosunkowo niewielu jest milionerw. I na tym wanie polega samoorganizujca si krytyczno.
– Znalelimy j w lawinach potencjau czynnociowego w korach mzgowych ssakw. Jako lawin potraktowalimy kilka neuronw obok siebie, ktre wykazuj aktywno w krtkim odstpie czasu. Wyobramy sobie map, na ktrej zaznaczono neurony. Wszystkie pi i s zaznaczone na przykad na niebiesko, ale jeli pobudzamy neuron w rodku, powodujc jakie zaburzenie, to na czerwono zapalaj si pojedyncze ssiadujce neurony. A raz na ile pobudze moe zapali si tysic neuronw obok siebie. I tym rzdzi te zjawisko samoorganizujcej si krytycznoci.
Lubelscy naukowcy postawili w zwizku z tym do mia tez, e te lawiny maj zwizek z powstawaniem w mzgu cech wiadomoci. Zdajemy sobie z czego nagle spraw i ukad wyzwala tak lawin. Moe to dotyczy sytuacji, gdy kogo lub co zobaczymy, ale nie tylko.
Bodce mog te pyn z orodkw suchu, wchu.
– Z naszego punktu widzenia wzrok jest jednak najciekawszym zmysem i do naszego modelu wykorzystujemy komrki znajdujce si w ukadzie wzrokowym.
Tworzenie takiego modelu odbywa si na podstawie danych dowiadczalnych, zgromadzonych przez inne orodki. Na podstawie tego, co inni zbadali, zmierzyli jakociowo, ilociowo i nastpnie opublikowali, opracowuje si komputerowy model fragmentu mzgu szczura, mapy czy czowieka. Niby komputerowy, ale zachowuje si tak, jak w rzeczywistoci. Dlatego pobudzajc konkretne miejsce, mona zaobserwowa, jakie reakcje zachodz w danej czci mzgu, jak zachowuj si poszczeglne komrki, co w ogle si dzieje. Nie do wiary?
– By moe trudno sobie to wyobrazi, ale przecie stykamy si czsto z takimi modelami, choby w grach komputerowych. Tam symuluje si, na przykad, upadek zabitego potwora, zachowujc przy tym wszelkie prawa fizyki, midzy innymi grawitacj. Dziki temu sytuacje s urealnione, nieomal odwzorowuj rzeczywisto. I nam te o to chodzi – przyznaje dr Wjcik.
Wykorzystanie w przyszoci wynikw bada prowadzonych m.in. w UMCS moe pomc nie tylko niewidzcym. Symulacje mzgu bd mie zastosowanie w leczeniu wszelkich chorb psychicznych i neurodegeneracyjnych. Przyda si mog rwnie w konstruowaniu ukadw wzrokowych inteligentnych robotw, ktre bez trudu przemieszcz si w strefy zagroenia, zastpujc ludzi i niwelujc tym samym niebezpieczestwo utraty przez nich zdrowia czy ycia. Stworzenie takiego mobilnego robota to cel jednego z projektw realizowanych wanie w Lublinie. Wreszcie aspekt poznawczy – dowiemy si, dlaczego jestemy tym, kim jestemy, e widzimy i mamy wiadomo wzrokow. Optymizm jest tu jak najbardziej na miejscu. Kiedy w Lublinie zaczynano badania, 2500 neuronw poczonych w odpowiedni sposb symulowao si nieco ponad dwa tygodnie. A chodzio o symulacj zaledwie 20 sekund pracy takiego ukadu. Teraz symulacja 16 000 zajmuje... 3 minuty. A to jest i tak tylko niewielki kawaek kory wzrokowej.
– Coraz szybsze modele, coraz doskonalsze i stabilniejsze oprogramowanie sprawiaj, e czas symulacji si skraca, a to daje due nadzieje – prognozuje dr Grzegorz Wjcik.
Jego wielkim marzeniem, jak sam przyznaje, jest wyprawa do Afryki. W jedno konkretne miejsce – nad jezioro Malawi. Chciaby kiedy nacieszy wzrok pywajcymi tam wielobarwnymi pielgnicami.