Prawdziwą pasją dr. Grzegorza M. Wójcika jest akwarystyka. Szczególnie upodobał sobie pielęgnice z jeziora Malawi. W afrykańskim jeziorze żyje kilkaset gatunków tych ryb, a prawdziwy zachwyt wśród hobbystów wzbudza różnorodność ich barw: od czerwieni, poprzez biel, żółć, błękit, aż po czerń i fiolet.

– Gdyby ktoś odebrał nam wzrok, nasz świat najbardziej by zubożał – patrząc na zdjęcia swoich ulubionych ryb przekonuje dr Wójcik z Zakładu Układów Złożonych i Neurodynamiki Instytutu Informatyki UMCS.

A wie, co mówi, bo od wielu lat zajmuje się układem wzrokowym naczelnych. Kiedy zaczynał swoją karierę, do Lublina trafił akurat najnowszej generacji komputer SUN Enterprise 3500 Ultra. Sześcioprocesorowy, jeden z najszybszych po tej stronie Wisły. To nie to, co zwykły pecet. Żal było nie skorzystać. Ponieważ akurat wtedy prof. Wiesław A. Kamiński, obecny rektor największej lubelskiej uczelni, podjął tematykę sztucznej inteligencji, razem wpadli na pomysł, żeby symulować procesy w mózgu, które sprawiają, że człowiek widzi, a tym samym zbadać, jakie są wzajemne interakcje, oddziaływania i przepływ informacji w korze wzrokowej ssaków. Było to spore wyzwanie, jako że ten obszar mózgu odkryty jest naukowo w zaledwie 15 proc. Pozostała część to wielkie pole do popisu.

– Do emerytury będziemy mieli co badać – śmieje się dr Wójcik. – Tak naprawdę jesteśmy funkcją naszego mózgu i wszystko to, co widzimy czy doświadczamy za pomocą innych zmysłów, ma swój odpowiednik w postaci informacji zakodowanej w mózgu. Kiedy patrzymy na piękną kobietę, to w rzeczywistości nie my patrzymy, tylko nasz mózg. To są pewne interakcje, które wywołują wrażenia. I przebieg tych interakcji jest tematem naszych badań – dodaje.

KOLUMNA AŻ NA KSIĘŻYC

Homo sapiens, jak żadne inne zwierzę, jest typowym wzrokowcem. Aż 80 proc. bodźców odbieramy za pomocą wzroku. To bez wątpienia najbardziej wykorzystywany przez nas zmysł i jednocześnie najbardziej pożądana zdolność. A sam układ wzrokowy jest najbardziej skomplikowany ze wszystkich w mózgu. Co ciekawe, kora wzrokowa nie odpowiada tylko i wyłącznie za widzenie, jest również połączona z innymi modułami w mózgu. To dlatego, czytając słowo „morze”, podświadomie widzimy bezkresną jego toń, słyszymy jego szum. Bo tak naprawdę postrzeganie świata nie kończy się na wzroku. Ono się tu dopiero zaczyna.

– Całe nasze widzenie odbywa się z tyłu głowy, w płatach kory wzrokowej. Oczy są jak kamery, to jedynie narzędzia. Kora, która stanowi niejako centrum przetwarzania informacji wzrokowej, stanowi właśnie obiekt naszych zainteresowań – precyzuje mój rozmówca.

Na tym obszarze znajduje się kilkaset milionów neuronów. Cały mózg człowieka ma ich przeszło 100 mld. Dr Wójcik wyliczył, że gdyby za każdy z nich płacono złotówkę, a następnie te monety ustawiono jedna na drugiej, to powstałaby kolumna o wysokości ok. 150 tys. kilometrów, czyli... mniej więcej połowa drogi na Księżyc. Mimo iż od czasu zakupu wspomnianego superkomputera technika poszła daleko do przodu, wciąż nie można zasymulować wszystkich neuronów. Rzecz jednak nie w liczbie, a w strukturze i wielkości połączeń między nimi. To właśnie jest największy sekret mózgu. Odkrycie go będzie przełomowe.

Na razie, nie mogąc symulować pracy całej struktury, naukowcy koncentrują się na wybranych fragmentach. W Zakładzie Układów Złożonych i Neurodynamiki UMCS zajęto się układem wzrokowym. Lubelscy uczeni, jako jedni z pierwszych w Polsce, postawili sobie za cel symulowanie w komputerze pracy wielu neuronów połączonych ze sobą. I choć taka symulacja wiernie pokazuje procesy zachodzące w części mózgu, trzeba pamiętać, że komputer to nie człowiek, a dysk twardy czy procesor to nie do końca wrażliwe organy. Maszyna nie widzi ani nie słyszy dokładnie tak, jak ludzie. Zdaniem dr. Wójcika, niewykluczone jednak, że w ciągu kilku najbliższych dekad komputery będą wykazywać zachowania inteligentne, zdecydowanie na wyższym poziomie niż obecnie. Przecież już teraz potrafią wygrać z ludźmi w szachy. Ale w tych badaniach chodzi o coś więcej.

– Nie myślę tu tylko o tym, że można byłoby na przykład z komputerem porozmawiać, choć to też. Ale bardziej praktyczna możliwość to projektowanie układów, które będą wszczepiane ludziom niewidomym, być może nawet od urodzenia, i sprawią, że przejrzą oni na oczy. To jest moje marzenie, żeby w niedalekiej przyszłości wszczepić niewidomemu czip, który będzie sprawował funkcję kory wzrokowej.

To, jak na razie, melodia przyszłości. – Ale jesteśmy już w połowie drogi – dodaje od razu mój rozmówca. Jego badania opierają się na tzw. idei obliczeń płynowych. Dr Wójcik tłumaczy na przykładzie stojącej akurat na stole filiżanki kawy.

– Wrzucam do niej kostkę cukru, mieszam trzy razy łyżeczką i dolewam śmietanki. Jeśli ktoś zrobi zdjęcie powierzchni kawy, to dobry ekspert po spojrzeniu na nie powie, że jest to kawa tej i tej firmy, z dodatkiem jednej kostki cukru, zamieszana trzy razy łyżeczką w prawo i wzbogacona jeszcze o pięć mililitrów śmietanki. A co się stało z kawą po zrobieniu zdjęcia? Przestała zapewne wirować, jednolicie rozeszła się po niej śmietanka i powierzchnia napoju ustaliła się – obrazowo wyjaśnia dr Wójcik i kontynuuje: – Tak, jak fizycy opisują ciecz, można też opisać dowolny fragment mózgu. Kora wzrokowa składa się z tak zwanych mikroobwodów, czyli układów od kilkudziesięciu do kilkuset neuronów, które są połączone w kolumienki. Ich funkcja obliczeniowa może być inna w zależności od miejsca, w którym się znajdują. Jeśli za pośrednictwem wzroku czy jakiegokolwiek innego zmysłu „podajemy” kolumienkom różne zaburzenia, tak jak kawie kostki cukru, śmietankę czy wirowanie łyżeczki, to kolumienki wpadają w pewien dynamiczny stan. Gdyby zrobić im wówczas zdjęcie, to można by powiedzieć, jakie zaburzenie wywołało ten stan i odczytać zakodowaną w tym niestabilnym stanie informację.

OXFORD JAK LUBLIN

Wówczas pozostaje tylko poszukać eksperta, który powie, że zobaczyliśmy właśnie czerwony samochód albo biszkoptowego labradora. Takim „ekspertem”, który patrzy na stan zaburzeń w naszych obwodach, może być świadomość. Na podstawie dynamiki układu pracy wspomnianych kolumienek, dzięki specjalnie napisanemu programowi, w sposób jednoznaczny można odczytać rodzaj zaburzenia. Lubelscy badacze poszli dalej i postanowili zobaczyć, w jaki sposób, z jaką szybkością następuje przepływ informacji. Widząc np. czerwone jabłko, nasz układ wzrokowy prześle zupełnie inne sygnały niż gdy zobaczymy lśniący sportowy samochód. I inna będzie tym samym dynamika pracy kolumienek. Ich dokładna symulacja pozwoli z kolei ocenić z perspektywy czasu, na co w danej chwili patrzyliśmy. Oczywiście, nawet w obrębie jednego gatunku mogą występować różnice w odbiorze bodźców wzrokowych. Wiadomo, że kobiety mają lepszą zdolność rozróżniania kolorów, z kolei mężczyźni – ostrzejszy wzrok. Model opracowany w lubelskiej uczelni nie jest aż tak zaawansowany, aby uwzględniał płeć. Ale w niczym to nie przeszkadza. Co więcej, znajduje empiryczne potwierdzenie w badaniach innych ośrodków. Dr Wójcik przekonał się o tym rok temu na szkoleniu w Izraelu. Poznał tam José Alberto Garcia Lazaro, Meksykanina pracującego na co dzień w Oxfordzie. Od słowa do słowa okazało się, że wyniki jego doświadczeń laboratoryjnych pokrywają się z efektami uzyskanymi na komputerowym modelu w Lublinie.

– W naszym modelu pojawia się samoorganizująca się krytyczność w podobny sposób, jak jemu z badania żywego szczura. Z tym, że on bada zwierzę za pomocą elektrod umieszczonych w głowie. Kiedy taka zgodność teorii z doświadczeniem w nauce się zdarza, to jest powód do dumy – cieszy się dr Grzegorz M. Wójcik.

Zjawisko samoorganizującej się krytyczności to jeden z głównych kierunków w badaniach lubelskiego ośrodka. Związane jest z prawem potęgowym, które rządzi wieloma zjawiskami w przyrodzie, np. trzęsieniami ziemi. Bardzo często występują małe, bez ofiar, są większe, gdy komuś zawali się dom, a raz na kilkanaście lat występuje trzęsienie, w którym ginie kilkadziesiąt tysięcy ludzi. Okazuje się, że według tego prawa zdarzenia o małej skali pojawiają się bardzo często, o wielkiej skali – bardzo rzadko, a wszystkie pośrednie układają się w krzywą wykładniczą, łączącą oba skrajne punkty. Podobnie jest z lawinami w górach, gęstością zaludnienia w prawie dowolnym kraju, a także zakładaniem lokat w bankach. Mnóstwo osób ma konta, na których trzyma 1000 zł, nieco mniej ludzi ma 100 tys. zł, a już stosunkowo niewielu jest milionerów. I na tym właśnie polega samoorganizująca się krytyczność.

– Znaleźliśmy ją w lawinach potencjału czynnościowego w korach mózgowych ssaków. Jako lawinę potraktowaliśmy kilka neuronów obok siebie, które wykazują aktywność w krótkim odstępie czasu. Wyobraźmy sobie mapę, na której zaznaczono neurony. Wszystkie śpią i są zaznaczone na przykład na niebiesko, ale jeśli pobudzamy neuron w środku, powodując jakieś zaburzenie, to na czerwono zapalają się pojedyncze sąsiadujące neurony. A raz na ileś pobudzeń może zapalić się tysiąc neuronów obok siebie. I tym rządzi też zjawisko samoorganizującej się krytyczności.

Lubelscy naukowcy postawili w związku z tym dość śmiałą tezę, że te lawiny mają związek z powstawaniem w mózgu cech świadomości. Zdajemy sobie z czegoś nagle sprawę i układ wyzwala taką lawinę. Może to dotyczyć sytuacji, gdy kogoś lub coś zobaczymy, ale nie tylko.

Bodźce mogą też płynąć z ośrodków słuchu, węchu.

– Z naszego punktu widzenia wzrok jest jednak najciekawszym zmysłem i do naszego modelu wykorzystujemy komórki znajdujące się w układzie wzrokowym.

BADAWCZE PLAY STATION

Tworzenie takiego modelu odbywa się na podstawie danych doświadczalnych, zgromadzonych przez inne ośrodki. Na podstawie tego, co inni zbadali, zmierzyli jakościowo, ilościowo i następnie opublikowali, opracowuje się komputerowy model fragmentu mózgu szczura, małpy czy człowieka. Niby komputerowy, ale zachowuje się tak, jak w rzeczywistości. Dlatego pobudzając konkretne miejsce, można zaobserwować, jakie reakcje zachodzą w danej części mózgu, jak zachowują się poszczególne komórki, co w ogóle się dzieje. Nie do wiary?

– Być może trudno sobie to wyobrazić, ale przecież stykamy się często z takimi modelami, choćby w grach komputerowych. Tam symuluje się, na przykład, upadek zabitego potwora, zachowując przy tym wszelkie prawa fizyki, między innymi grawitację. Dzięki temu sytuacje są urealnione, nieomal odwzorowują rzeczywistość. I nam też o to chodzi – przyznaje dr Wójcik.

Wykorzystanie w przyszłości wyników badań prowadzonych m.in. w UMCS może pomóc nie tylko niewidzącym. Symulacje mózgu będą mieć zastosowanie w leczeniu wszelkich chorób psychicznych i neurodegeneracyjnych. Przydać się mogą również w konstruowaniu układów wzrokowych inteligentnych robotów, które bez trudu przemieszczą się w strefy zagrożenia, zastępując ludzi i niwelując tym samym niebezpieczeństwo utraty przez nich zdrowia czy życia. Stworzenie takiego mobilnego robota to cel jednego z projektów realizowanych właśnie w Lublinie. Wreszcie aspekt poznawczy – dowiemy się, dlaczego jesteśmy tym, kim jesteśmy, że widzimy i mamy świadomość wzrokową. Optymizm jest tu jak najbardziej na miejscu. Kiedy w Lublinie zaczynano badania, 2500 neuronów połączonych w odpowiedni sposób symulowało się nieco ponad dwa tygodnie. A chodziło o symulację zaledwie 20 sekund pracy takiego układu. Teraz symulacja 16 000 zajmuje... 3 minuty. A to jest i tak tylko niewielki kawałek kory wzrokowej.

– Coraz szybsze modele, coraz doskonalsze i stabilniejsze oprogramowanie sprawiają, że czas symulacji się skraca, a to daje duże nadzieje – prognozuje dr Grzegorz Wójcik.

Jego wielkim marzeniem, jak sam przyznaje, jest wyprawa do Afryki. W jedno konkretne miejsce – nad jezioro Malawi. Chciałby kiedyś nacieszyć wzrok pływającymi tam wielobarwnymi pielęgnicami.