thumb|300px|Badanie struktury połączeń w mózgu za pomocą MRI. Rozwój tej technologii może w przyszłości umożliwić odczytanie zawartości ludzkiego mózgu i emulowanie jego działania w komputerze. Transfer umysłu, kopiowanie umysłu, emulacja mózgu – hipotetyczny proces skopiowania lub przeniesienia świadomości człowieka do komputera, poprzez precyzyjne zmapowanie wszystkich połączeń neuronalnych w mózgu i wierne odtworzenie ich działania w symulacji komputerowej. Symulacja taka mogłaby być częścią wirtualnej rzeczywistości, dostarczającej umysłowi bodźców i reagującej na jego zachowanie, bądź wchodzić w interakcję z rzeczywistym światem za pomocą zdalnie sterowanego robota lub biologicznego ciała.
Współczesna technologia nie umożliwia transferu umysłów, ale jest on rozważany przez futurologów jako cel, do którego dąży neuroinformatyka. Jest również analizowany jako jeden ze sposobów stworzenia sztucznej inteligencji oraz jako możliwość przedłużenia życia.
Opracowanie technologii transferowania umysłów miałoby drastyczne konsekwencje dla rozwoju ludzkości. W ciągu ostatnich lat wielu transhumanistów starało się przewidzieć konsekwencje społeczne takiego wydarzenia. Transfer umysłu jest również często wykorzystywanym motywem w fantastyce naukowej.
Wstęp Zgodnie ze współczesną wiedzą, umysł jest zjawiskiem emergentnym generowanym przez wymianę informacji pomiędzy miliardami neuronów w ludzkim mózgu. Potwierdzają to zarówno przypadki zmiany świadomości w wyniku uszkodzenia mózgu, wpływ substancji chemicznych na świadomość, jak i badanie aktywności mózgu.
Mózg człowieka zawiera 15–33 miliardów neuronów, z których każdy może mieć do 10 tysięcy połączeń synaptycznych. Pobudzenie każdego neuronu powoduje, że z jego synaps uwalniane są cząsteczki neuroprzekaźników, pochłaniane przez receptory na dendrytach innych neuronów. W pracy mózgu duże znaczenie mają też komórki glejowe, których liczba jest szacowana na 50–65 miliardów.
Informatycy i neurobiolodzy spodziewają się, że w przyszłości moc obliczeniowa komputerów umożliwi symulowanie działania ludzkiego mózgu w pamięci komputera, co powinno spowodować pojawienie się w tej symulacji umysłu analogicznego z ludzkim. Opinię taką wyrazili między innymi Christof Koch, Giulio Tononi, Douglas Hofstadter, Jeff Hawkins, Marvin Minsky, Randal A. Koene i Rodolfo Llinas. Henry Markram, kierujący Blue Brain Project oszacował, że ilość informacji potrzebnych do odtworzenia funkcjonalności ludzkiego mózgu w pamięci komputera wynosi 500 petabajtów, a moc obliczeniowa potrzebna do symulowania go w czasie rzeczywistym wynosi 1 EFLOPS. Największe istniejące superkomputery mają już takie możliwości. Według Raya Kurzweila komputery osobiste umożliwiające emulowanie ludzkiego umysłu zostaną wyprodukowane przed 2050 rokiem. Dla przykładu, wydajność procesora Intel i7-3630QM z września 2012 roku wynosi 147.2 GFLOPS, natomiast wydajność najszybszego superkomputera z roku 1993, Intel Paragon XP/S 140 wynosiła 143.4 GFLOPS. Tak więc wystarczyło 19 lat aby procesor za 378$ przegonił wydajnością najszybszy superkomputer.
Potencjalne zastosowania Nieśmiertelność Jeśli umysł człowieka można by było przenieść z biologicznego ciała do komputera, jego istnienie nie byłoby ograniczone maksymalną długością życia człowieka. Dodatkowo transfer umysłu mógłby zostać wykorzystany do utworzenia kopii zapasowych, zabezpieczając się przed ryzykiem śmierci w wyniku zdarzeń losowych. Taka technologia umożliwiłaby więc praktyczną nieśmiertelność, choć istnieją uzasadnione wątpliwości, czy przeniesiony umysł byłby nadal danym człowiekiem, czy tylko nieśmiertelną jego kopią.
Przyspieszenie Symulacja komputerowa mózgu człowieka potencjalnie mogłaby działać wielokrotnie szybciej niż ludzki mózg. Neurony w ludzkim mózgu przesyłają informacje maksymalnie z prędkością około 150 metrów na sekundę, podczas gdy światłowody mogą je przesyłać z prędkością światła, około 2 miliony razy szybciej. Podobnie neurony mogą być pobudzane maksymalnie 200 do 1000 razy na sekundę, podczas gdy współczesne procesory wykonują kilka miliardów cykli na sekundę. Eliezer Yudkowsky z Singularity Institute for Artificial Intelligence oszacował, że jeśli możliwe byłoby przeprowadzenie symulacji ludzkiego mózgu w maszynie o podobnej wielkości i działającej w podobnej temperaturze jak ciało człowieka, ta symulacja mogłaby działać milion razy szybciej niż biologiczny mózg, doświadczając około roku subiektywnego czasu w ciągu 31 sekund.
Maszyna taka musiałaby jednak emulować każdy z kilkudziesięciu miliardów neuronów w osobnej jednostce obliczeniowej, połączonej bezpośrednio z kilkoma tysiącami innych jednostek obliczeniowych. Dla porównania, jeden z największych istniejących superkomputerów w 2013 roku, Sequoia, posiada około 1,5 miliona jednostek obliczeniowych (rdzeni procesora). Przy takiej architekturze emulacja sieci neuronowej też jest możliwa, ale ze względu na konieczność symulowania wielu neuronów na jednym rdzeniu prędkość tej symulacji jest o wiele mniejsza. Ponadto dużym ograniczeniem jest wydajność przesyłania informacji pomiędzy rdzeniami. Współczesna technologia umożliwia jednak symulowanie mózgów małych ssaków.
Loty kosmiczne Transfer umysłu może potencjalnie ułatwić podróże kosmiczne na kilka sposobów. Po pierwsze, przechowanie umysłów w niestarzejących się maszynach może umożliwić dowolnie długie loty kosmiczne, w czasie których załoga nie doświadcza upływu czasu i nie starzeje się. Po drugie, przechowywane w ten sposób umysły nie będą wymagały pożywienia i tlenu na długą podróż, jak również mogą zajmować o wiele mniej miejsca niż biologiczni ludzie. Dzięki temu pojazd kosmiczny mógłby być mniejszy i zabierać więcej pasażerów. Po trzecie, pojazd taki mógłby wytrzymywać o wiele większe przeciążenia niż wytrzymuje ludzkie ciało, co umożliwiłoby efektywniejsze przyspieszanie i hamowanie. Po czwarte, transfer umysłu mógłby zostać wykorzystany do przesyłania całych umysłów w postaci informacji cyfrowej z prędkością światła, za pomocą fal radiowych bądź lasera, między nadajnikiem i odbiornikiem umieszczonymi nawet w międzygwiezdnych odległościach. Z punktu widzenia podróżującego taka podróż byłaby natychmiastowa.
Zwielokrotnienie umysłu Transfer umysłu potencjalnie mógłby umożliwić utworzenie kilku kopii umysłu, działających jednocześnie. Każda z tych kopii istniałaby jako osobny umysł, istniejący niezależnie od pozostałych i posiadający wspólne wspomnienia z pozostałymi. W literaturze fantastycznonaukowej pojawia się również koncepcja potencjalnego scalenia takich kopii powtórnie w jeden umysł, posiadający wspomnienia wszystkich kopii.
Wymagane technologie Stworzenie modelu thumb|Prosty model neuronu: sumowanie sygnałów oraz nieliniowa funkcja. thumb|Metaboliczny model neuronu: ruch jonów przez kanały jonowe zmienia potencjał czynnościowy w aksonie. Sztuczna inteligencja to dziedzina obejmująca badanie wysokopoziomowych funkcji umysłu i próby odtworzenia ich za pomocą komputerów. Transfer umysłu postuluje odwrotne podejście: zamiast tworzyć formalny model całego umysłu, stworzyć niskopoziomową emulację działania mózgu, aby odtworzyć wszystkie jego funkcje bez potrzeby ich rozumienia. W analogii informatycznej odpowiada to przetłumaczeniu kodu źródłowego na inny język, zamiast odtwarzania działania programu przy użyciu inżynierii wstecznej.
Działanie ludzkiego mózgu opiera się na wymianie sygnałów pomiędzy neuronami. Współczesna wiedza nie pozwala jednak rozstrzygnąć, jak dokładnie trzeba odwzorować to działanie, żeby uzyskać funkcjonalność identyczną z mózgiem. Najprostsze modele zakładają modelowanie neuronów jako prostych procesorów sygnałowych, sumujących sygnały na wejściu i aplikujących do uzyskanego wyniku jakąś nieliniową funkcję. Bardziej zaawansowane modele uwzględniają zależności czasowe między sygnałami i czas przemieszczania się tych sygnałów przez sieć (SNN). Jeszcze bardziej zaawansowane modele uwzględniają również metabolizm neuronów, w tym wpływ hormonów i innych substancji chemicznych na ich działanie, współpracę z komórkami glejowymi, oraz powstawanie i znikanie połączeń pomiędzy neuronami umożliwiające istnienie pamięci długotrwałej.
Każdy kolejny element modelu zwiększa wymagania na moc obliczeniową dla emulacji. Teoretycznie, dla działania mózgu istotne może być nawet położenie wszystkich cząsteczek chemicznych w neuronach i kwantowe oddziaływania pomiędzy nimi. Konieczność symulowania tego poziomu złożoności uznawana jest jednak za mało prawdopodobną.
Możliwości komputerów thumb|300px|Moc obliczeniowa komputerów rośnie w sposób wykładniczy, podwajając się co około 14 miesięcy.
Większość proponowanych modeli ludzkiego mózgu ma zbyt dużą złożoność, aby można ją było emulować przy wykorzystaniu współczesnej technologii. Futurolodzy wskazują jednak na prawo Moore’a, zgodnie z którym możliwości komputerów podwajają się co około 24 miesięcy. Taki trend dla mocy obliczeniowej superkomputerów utrzymuje się przynajmniej od 1993 roku. Jeśli utrzyma się przez kolejne lata, emulowanie przy użyciu kolejnych modeli stanie się możliwe w kolejnych dziesięcioleciach.
Poniższa tabela przedstawia szacowania mocy obliczeniowej i roku w którym będzie ona dostępna dla wybranych modeli: Szczegółowość modelu Moc obliczeniowa(FLOPS) Pamięć(TB) Rok w którym będzie dostępna(na superkomputerze za million $) Sieć analogowa 1015 102 2008 Sieć wyładowań (SNN) 1018 104 2019 Elektrofizjologia neuronów 1022 104 2033 Metabolomika 1025 106 2044 Proteomika 1026 107 2048 Stany kompleksów białkowych 1027 108 2052 Położenie kompleksów białkowych 1030 109 2063 Pojedyncze cząsteczki 1043 1014 2111
Skanowanie mózgu
Aby skopiować konkretny umysł, konieczne jest zmapowanie wszystkich neuronów z odpowiednią dla danego modelu dokładnością. Współczesna technologia umożliwia destrukcyjne mapowanie połączeń synaptycznych poprzez pocięcie tkanki na cienkie plastry za pomocą ultra-mikrotomu, zeskanowanie ich za pomocą mikroskopu i połączenie skanów w trójwymiarowy obraz. Najdokładniejszy dotychczas wykonany tą techniką skan ludzkiego mózgu ma rozdzielczość 20 μm i zajmuje około 1 TB. Aby uzyskać informacje o grubości połączeń między neuronami potrzebna byłaby rozdzielczość poniżej 1 μm. Taki obraz dla ludzkiego mózgu zajmowałby około 20000 TB i byłby wystarczający dla modeli mózgu nie uwzględniających wewnętrznego metabolizmu neuronów. Dodatkowo nie zawierałby aktualnego stanu wyładowań w neuronach, w którym między innymi zawarta jest pamięć krótkotrwała. Emulacja tak zeskanowanego mózgu prawdopodobnie nie posiadałaby więc pamięci wydarzeń bezpośrednio poprzedzających skanowanie.
Niedestrukcyjne mapowanie połączeń w mózgu jest możliwe za pomocą technik neuroobrazowania, w szczególności łączenia fMRI i MEG. Rozdzielczość tych technik nie jest obecnie wystarczająca do odtworzenia połączeń między poszczególnymi neuronami, ale szybki postęp w tych dziedzinach pozwala przypuszczać, że w przyszłych dziesięcioleciach może stać się to możliwe.
Techniką, która może umożliwić niedestrukcyjne mapowanie z dokładnością do pojedynczych neuronów jest optogenetyka. Zmodyfikowane genetycznie komórki nerwowe, zawierające fluorescencyjne barwniki aktywujące się w odpowiedzi na zmianę koncentracji jonów, umożliwiają obserwowanie ich pracy za pomocą mikroskopów w czasie rzeczywistym. W 2013 roku zobrazowano w ten sposób pracę 80% ze 100 000 neuronów rozwijającej się larwy danio pręgowanego z rozdzielczością 1,3 sekundy.
Dotychczasowe badania Dotychczas nie stworzono funkcjonalnego modelu ludzkiego mózgu, ale powstało kilka funkcjonalnych modeli mózgów mniejszych zwierząt. Stworzono również wiele modeli sieci neuronowych nie wzorowanych na prawdziwych układach nerwowych, ale odpowiadających im skalą i złożonością.
Symulacja nicienia C. elegans thumb|Struktura układu nerwowego nicienia C. elegans, składającego się z 302 neuronów i 5000 synaps.