Майже машина Тюрінга. Розповідаємо, чому людський мозок називають комп’ютером та до чого тут алгоритми
Партнерський Матеріал
  • Кількість переглядів 3112

Мозок має багато спільного з обчислювальними машинами.

Популярна фраза про те, що мозок є комп’ютером, повсякчас спричиняє інтелектуальні дебати та суперечки.

Противники ідеї наголошують на тому, що усю складність та багатство уяви людського розуму ніяк не можна  порівняти з бездушною машиною, що зберігає інформацію у форматі одиниць та нулів.

Прихильники ж навпаки зазначають, що людський мозок є найдовершенішим процесором у світі, і навіть виробили для цієї тези наукове підґрунтя. Хто ж з них має рацію?

Походження вислову

Перш ніж замислюватися над тим, чи можна вважати людський мозок комп’ютером, потрібно усвідомлювати одне. Комп’ютер –  це не зовсім те, що можна побачити зовні. Це не монітор, не планшет і навіть не мобільний телефон.

Це – поєднання електроніки з мікрочипами, оперативною пам’яттю та кешем. Дехто хто з противників твердження про те, що мозок є комп’ютером, цього не розуміє.

Інші ж наголошують, що фраза має прямий стосунок до рівня розвитку технологій. Мовляв, метафора "людський мозок – комп’ютер"  є лише одним із способів сказати, що людина використовує найновіші технології з наявних, і за значенням вона наближається до виразів на кшталт "людський мозок – телеграф".

Не зовсім вірно також говорити про те, що мозок нагадує комп’ютер, а не навпаки, йдеться у матеріалі The Spike. Справа у тому, що автором архітектури, що увійшла в основу будови сучасних комп’ютерів, у 1945 році став Джон фон Нейман.

мозок фармак
DepositPhotos

Під час її створення він взяв за основу деякі з ідей дослідників Маккалоха та Піттса, які є авторами моделі, згідно з якою нейрони схематично можна розглядати як пристрій, що оперує двійковими числами.

Згідно з баченням науковців, коли нейрон надсилає імпульс, це можна вважати за "одиницю". Коли ні – за "нуль". Фон Нейман запозичив у Маккалоха та Піттса ідею і вирішив закодувати під час створення архітектури комп’ютера 0 та 1 у елементах схеми та поєднати ці елементи таким чином, щоб вони функціонували логічно.

З огляду на це, саме будова комп’ютера  частково наслідує будову мозку. Хоча саме модель Маккаллоха та Піттса була далекою від ідеалу, з неї випливало, що нейрони надсилають лише "одиницю" або "нуль". Насправді ж вони виробляють імпульси безперервно.

Чим мозок нагадує комп’ютер

В основі порівняння мозку з комп’ютером лежить визначення комп’ютера як обчислювального пристрою, що функціонує за допомогою алгоритмів - свого роду машини Тюрінга.

Принцип її функціонування досить простий. Потрібні лише вхідні дані у вигляді символів, щось, на чому б ці символи можна було б записати, та ряд інструкцій – алгоритм – щоб перетворити вхідні дані у бажані вихідні.

Алгоритмом вважають низку кроків, кожен з яких означає одну дію. Вони є дискретними (тобто перервними) – спершу виконується дія А, потім B, і лише після цього - C. Кількість дій може бути довільною. Алгоритм також дозволяє повертатися назад та має альтернативні опції. Їх також може бути скільки завгодно. Зазвичай вони формуються за допомогою функції "Якщо" (if).  Проте усі кроки завжди є перервними.

Натомість мозок не виконує дискретних, покрокових дій. Це – система, що перебуває у постійній динаміці. Так, всередині нейронів відбувається постійна дифузія кальцію, калію, натрію і хлору (і безлічі білків, що виникають у рецепторах і структурі). Усе це спричинює постійні мерехтіння напруги на мембрані нейрона. Коли напруга досягає певної межі, нейрон посилає імпульс, що викликає мерехтіння напруги у нейронах, яких він досягає. Усе це відбувається безперервно, недискретно.

Передавати сигнали нейронам допомагають нервові волокна.  Дослідження данських вчених довело, що у людей, які страждають на часті напади мігрені, з’являються пробіли (лакуни) у білій речовині, з якої вони складаються. Головний біль може пошкодити і самі нейрони.

Чи використовує мозок алгоритми

Проте чи може механізм надсилання імпульсу нейронами (та процеси, які йому передують) нагадувати алгоритм? Або ж мозок просто постійно перебуває у динаміці?

Якщо у принципі функціонування мозку є механізм, що нагадує виконання алгоритмів комп’ютером, то його діяльність пояснити за допомогою накопичених знань про алгоритми. Проте, якщо у основі функціонування мозку зовсім інші процеси, робити це було б недоречно. 

Перевірити це можна двома способами. Перший - запропонувати алгоритм, що пояснює поведінку живої істоти та встановити, як активність нейронів співвідноситься з алгоритмом.  Другий  – виміряти активність нейронів тоді, коли виконується певна дія та віднайти алгоритм, що цьому відповідає.

Відомо, як поводить себе тварина, що обирає між двома однаковими варіантами. Щоб дізнатися це, було проведено ряд експериментів, коли піддослідного змушували робити вибір, спираючись на відомі дані.

Так, наприклад, мавпам (включно з людьми) часто показують відео, на яких можна побачити точки, що рухаються у різні напрямки. Більша група точок – в один бік, менша – у інший. Піддослідний має визначити напрямок, у якому рухається менша група.Ці випробування показують певну залежність між реакціями мозку та помилками.

Збільшення кількості помилок прямо пропорційне кількості точок, що рухаються у одному напрямку – чим меше їх, тим більша ймовірність помилки. Ці закономірності пояснюються математичною моделлю, у якій докази на підтримку одного напрямку одночасно є також доказами проти іншого. Ці два конкурентні чинники дефакто нагадують алгоритм теорії рішень (послідовний тест коефіцієнта ймовірності).

Якщо поглянути на те, що відбувається усередині мозку мавпи протягом тесту, можна побачити, що активність нейронів час від час стає сильнішою або слабшою. На це впливає те, обрано правильну відповідь чи помилкову. Коли обрано вірну опцію, активність нейронів зазвичай збільшується, коли неправильну – зменшується.

фармак мозок 2
DepositPhotos

Лабораторія Майка Шадлена також довела, що кожен стрибок активності відображає кількість наявних доказів, точно так само, як і послідовному тесті коефіцієнта ймовірності. Тобто, у цьому випадку нейрони функціонують відповідно до механізму, що нагадує за принципом дії алгоритм.

Вдавалося також і знайти алгоритм, що б пояснював активність нейронів. Зокрема, йдеться про допамінову теорію прогнозування помилок при отриманні винагороди (the reward prediction error theory of dopamine).

Так, вчений Вольфрам Шультц у дослідженні описав механізм функціонування нейронів, що виробляють допамін, за умови отримання піддослідним винагороди.

З’ясувалося, що за умови несподіваного отримання винагороди нейрони виробляють велику кількість речовини. Проте вони також здатні «вчитися». Дослідження довело, що після ряду експериментів нейрони виробляли допамін, коли нагорода не отримана, проте ймовірність цього є великою, та не виробляти протягом самого отримання винагороди.

Взявши за основу це дослідження, дві команди дослідників (Рід Монтегю та Пітер Даян, а також Джим Хок і Енді Барто) незалежно одна від одної висловили гіпотезу, що нейрони, які виробляють допамін, діють за принципом, подібним до алгоритмів навчання керуванню, що використовуються для навчання машин.

Ці алгоритми містять у собі варіанти можливих дій, для яких потрібно обрати можливі наслідки. Після вибору кожного з варіантів обчислюється залежність між реальним та передбаченим результатом. Згодом це використовується для оновлення прогнозу для майбутніх передбачень. Якщо результат збігся з передбаченим, нічого не змінюється. Якщо є результат є кращим, ніж очікувалося – ймовірність вибору наступного разу відповідної опції зростає,  якщо гіршим – зменшується. 

За словами Шульца, нейрони виражають усі три ознаки: відсутність реакції, коли нагорода є очікуваною, позитивну – коли нагорода є очікуваною, та негативну – коли нагорода відсутня.

Чи всі дії керуються алгоритмами

Проте далеко не усі дії, що виконуються мозком, базуються на алгоритмах. Так, наприклад, спілкування, ходьба, повзання дитини (або навіть равлика) є ритмічними рухами, що виконуються за допомогою повторюваного напруження та розслаблення відповідних груп м’язів.

Коли це відбувається, групи нейронів, що відповідають за реалізацію цих дій, повторювано переходять від стану спокою до посилання імпульсів. Це відбувається автоматично, без використання будь-яких алгоритмів, і характерно для широкого переліку повторюваних дій – від пережовування їжі до дихання та плавання.

мозок
pixabay.com

Подібна ситуація і з рухами, що виконуються лише один раз – наприклад, коли людина простягає руку, щоб взяти склянку.  За виконання цієї функції відповідає невелика зміна у активності нейронів руки, що посилають імпульси до нейронів хребта, які стискають м’язи. І ніяких алгоритмів.

Звичайна динаміка нейронів закладена в основі й інших важливих функцій - наприклад, збереження та пригадування спогадів. Схожа ситуація і з діями, результат яких невизначений - мозок часто використовує гіпотетичну можливість того, що щось може трапитися, без будь-якої упевненості у цьому. У таких випадках нейрони просто безперервно надсилають імпульси один до одного.

Чи є мозок комп’ютером?

З огляду на ці контраверсійні дані, важко сказати напевне, чи є людський мозок комп’ютером. Багато дослідників дотримуються думки, що не є. Так, відомий фізик Роджер Пенроуз написав на цю тему дві книги.

Проте низка досліджень доводять протилежне. У будь-якому випадку, схожість процесів, що відбуваються у мозку, до алгоритмів комп’ютера  є не метафорою, а гіпотезою, обґрунтованою достатньо добре для того, щоб її перевірити.

Адже чому допамінові нейрони припиняють реагувати саме тоді, коли отримання нагороди є малоймовірним та починають проявляти активність тоді, коли очікувана нагорода має бути отримана?

Щоб робити усе це, вони мали б отримати інгібувальний сигнал, який припиняє їхню активність саме в той час, коли очікувалася винагорода. А отже, в чомусь мозок і справді може бути комп’ютером. Проте наразі не існує жодних стовідсоткових доказів цього.

ВідеоСША провели випробування закритих імплантів у людський мозок для контролю емоцій

 

Залиште свій коментар