Cтaтиятa e нa ĸoмпютъpния eĸcпepт Mapĸ Xъмфpиc (Маrk Нumрhrіеѕ), извecтeн cъc cвoитe изcлeдвaния в oблacттa нa нeвpoннитe мpeжи и paбoтaтa нa чoвeшĸия мoзъĸ

В мозъка постъпва информация от външния свят – неговите неврони получават данни на входа, обработват ги и дават някакъв резултат. Това може да е мисъл (искам къри за вечеря), действие (да си сготвя къри) или промяна на настроението (уха къри!). Каквото и да се получи на изхода, това „нещо“ се е получило чрез преобразуване на входните данни (менюто) в някакъв резултат на изхода (Пиле Дансак, моля). И ако си представим мозъка като преобразовател с вход и изход, то аналогията с компютъра е неизбежна.

За някой хора това е риторична хватка, но за други е сериозна идея. Но мозъкът не е компютър. Всъщност, компютър е всеки негов неврон. А в кората на главния мозък има 17 милиарда компютри.

Вижте това:

Това е изображението на пирамидалния неврон. От тези клетки е съставена по-голямата част от кората на главния мозък. Петното в центъра е тялото на неврона, а на всички страни се вият и протягат дендритите, които приличат на извити проводници, получаващи данни от съседните близки и далечни неврони. Входните данни могат да постъпват по цялата дължина на всеки дендрит – някои близо до тялото неврона, а другите в самия край на дендрита. Има значение, къде точно е постъпил сигналът.

Мнозина не разбират, колко важно е местоположението на входните данни. Обикновено работата на неврона се отъждествява с работата на обикновения суматор. В тази идея дендритите са просто устройства за сумиране на входните данни. Активирането на всеки вход леко променя величината на напрежението в тази хипотетична електрическа верига. Ако сумираме сигналите, подадени на всички дендрити, то ще се генерира дендритен потенциал на действието, който се подава на аксона и става вход за другите неврони.

Това е удобен ментален модел, който е в основата на всички компютърни невронни мрежи. Само че този модел е неправилен.

Дендритите не са просто късчета проводници. Те разполагат със собствено устройство за генериране на потенциал на действие. Ако на малък участък от дендрита са активирани достатъчен брой входове, то те ще бъдат усилени:

Съотношението между броя активни входове и времето на реакция от страна на малка част на дендрита изглежда по следния начин:

Виждаме, че се е образувал локален пик: внезапен скок от почти нулева реакция от няколко входа до силна реакция при добавянето на само още един вход. Този участък от дендрита работи „надлинейно“, тук 2+2=6.

От много години се знае за тези локални пикове в отделни участъци на дендритите. Виждали сме появата на потенциал на действието в невроните от мозъчните срезове. Виждали сми ги при животните под наркоза, които махат с лапи (да, мозъкът и без наличието на съзнание нещо чувства; само че не си прави труда да отговаря). А съвсем наскоро бяха регистрирани потенциали на действието в невроните на движещи се животни (да, Мур и неговите колеги регистрираха съответното електромагнитно поле от няколко микрона от мозъка на тичаща мишка; побъркан е нали?). Нo можем да кажем, че дендритите на пирамидалния неврон наистина генерират потенциали на действието.

Но защо този локален пик променя нашата представа за мозъка като компютър? Защото дендритите на пирамидалния неврон имат много голям брой отделни разклонения. Всяко от тях може да изчисли резултата и да даде въпросния пик. Това означава, че всяко разклонение на дендрита работи като едно малко нелинейно устройство, което сумира входни данни и генерира потенциал на действието, когато има достатъчен брой входни сигнали:

Но чакайте малко, Това нашият модел на неврона ли е? Ако заменим всяко малко разклонение на дендрита с един миниатюрен елемент на съвременните невронни мрежи, то в този случай пирамидалният смартфон ще изглежда по следния начин:

Да, всеки пирамидален неврон е двуслойна невронна мрежа. Всеки един.

Прекрасната научна работа на Поирази и Мел още през 2003 година показа това. Те създадоха сложен компютърен модел на един неврон, в който се имитират всеки малък къс на дендрита, локалните пикове в дендритите и начинът им на преминаване към тялото на неврона. След това бе направено подробно сравнение на изхода на неврона с изхода на двуслойна невронна мрежа. Резултатите се оказаха еднакви.

Необичайната величина на тези локални пикове доказва, че всеки неврон е компютър. Дори и един неврон може да изчисли огромен брой нелинейни функции, в резултат от което също се генерира потенциал на действието. Така например, пирамидалният неврон с четири входа (синьо, море, жълто и слънце) и две разклонения, действащи като малки нелинейни устройства, може да изчисли функцията за „Свързване на признаците“: да реагира на съчетанието синьо и море и жълто и слънце, но да реагира по съвсем друг начин на синьо и слънце и жълто и море. Разбира се, невроните имат много повече от четири входа и много повече от две разклонения: по този начин той може да изчисли буквално астрономичен диапазон от логически функции.

Съвсем наскоро Ромен Кейз със своите приятели (у аз съм му приятел) показаха, че един единствен неврон изчислява удивително голям брой функции, дори и без да генерира локален дендритен пик. А именно наличието на много дендритни връзки с възможност да извършват нелинейно сумиране дават възможност на неврона да действа като двуслойна невронна мрежа. Това е двуслойна невронна мрежа, изградена от неврони и дендрити, която изчислява различни набори от нелинейни функции. И тай като почти всеки неврон има дендрити, почти всички неврони могат да бъдат двуслойна невронна мрежа.

Да се спрем и на нещо по-различно. Друго удивително следствие от възникването на локални пикове е, че невроните знаят за света много повече, отколкото ни казват. По-точно, колкото казват на другите неврони.

Неотдавна зададох въпроса: по какъв начин мозъкът разпределя информацията? Когато наблюдаваме връзките между невроните в мозъка, ние можем да проследим пътя на данните от един неврон към друг. Но защо информацията, очевидно достъпна в едната част от мозъка (да кажем миризмата на къри) не се появява в другите части на мозъка – например, в зрителната кора?

На този въпрос бяха дадени два противоположни отговора. Първият е, че в някои случаи мозъкът не е разделен – така например, звуците попадат в областта на мозъка, която отговаря за ориентирането в различни местности. Другият отговор е, че дендритите разделят мозъка.

Както вече разбрахме, локалният потенциал на действието е нелинейно събитие, което дава по-голям импулс в сравнение с подадените импулси на входовете. И тялото на неврона не може да открие нищо друго, освен тези локални пикове. А това означава, че той игнорира по-голямата част от входните данни: мозъчният дял, генериращ импулс за останалата част на мозъка, е изолиран от голяма част на информацията, която получава всеки един неврон. Невронът реагира само тогава, когато голям брой входове са активни във времето и пространството – тоест, разположени са на една и съща област върху дендрита.

Получава се, че дендритите реагират на много повече неща в сравнение с неврона. Точно така и става. При нашите многократни лабораторни опити наблюдавахме как в зрителната кора на мозъка голям брой неврони реагират само на обекти, движещи се под определен ъгъл. В някои случаи невроните генерират потенциал на действие при движение на обекта под ъгъл 60°, а други реагират на 90° или 120°. Но дендритите реагират на всички ъгли без изключение. Дендритите знаят много повече за околния свят от невроните.

Също така, те виждат много повече. Невроните на зрителната кора реагират на разположението на обектите: един неврон може да реагира на обектите, които се намират горе вляво, а друг – на обектите долу вдясно. Наскоро Соня Хофър със своите колеги доказа, че пиковете на невроните се появяват само като отговор на обектите с точно определено местоположение, но дендритите реагират на всичко, като често пъти тяхната реакция е твърде далече от специализацията на конкретния неврон. Ясно е, че невроните реагират само на малка част от получената информация, а останалите данни остават скрити в дендритите.

Защо е важно това? Всичко това означава, че всеки неврон в кората на главния мозък може радикално да промени своята функционалност, като само смени няколко входа. Някои входове са станали по слаби? И внезапно цялата верига на дендрита замлъква.

Невронът, който досега е харесвал котките например, понеже тази верига е реагирала положително на котките, спира да реагира така активно, когато вашата котка скочи на клавиатурата на работещия компютър. По този начин могат да се разградят някои връзки в мозъка и реакцията към котките да стане по-различна. Няколко входа се усилват и внезапно цяла верига неврони започва да реагира: невронът, който никога не е реагирал на вкуса на маслините, радостно генерира нови пикове, когато усети данните за пълна уста с добре приготвени зелени маслини. Според мен, тези невронни връзки започват да се осъществяват след като човек навърши 20 години, но да не се отвличаме. Ако входовете просто се сумираха, то новите входове биха се сражавали за старите за обсебване функциите на неврона. Но нищо подобно не се случва – всеки участък на дендрита действа независимо и с лекота се прехвърля към нов тип изчисления.

Това означава, че мозъкът прави много изчисления. Не може невронът да се сита за суматор на входните данни и генератор на потенциали на действието. Само че абсолютно по същия начин са направени елементите в изкуствените невронни мрежи. И това ни подсказва, че дълбокото машинно обучение и другите системи с изкуствен интелект изобщо не са се и приближили до изчислителната мощност на реалния мозък.

В кората на главния мозък се намират около 17 милиарда неврона. За да разберем какво точно правят тези неврони, ние често правим аналогия с компютрите. Някои учени използват подобни аналогии като крайъгълни камъни за своите аргументи. Разбира се, има и други мнения. Но най-често като пример се посочват компютърните невронни мрежи – те извършват изчисления и се състоят от малки елементи. Но тогава трябва да приемем, че мозъкът също изчислява. А ако считаме, че мозъкът е компютър, понеже твърде много прилича на невронна мрежа, то трябва да признаем, че отделните неврони също са компютри. Всичките 17 милиарда в кортекса. А може би и всичките 86 милиарда в мозъка?

Натрапва се изводът, че кортексът – кората на главния мозък не е просто невронна мрежа. Това е невронна мрежа, съставена от невронни мрежи.