Ο ανθρώπινος εγκέφαλος είναι ανώτερος από κάθε κατασκεύασμά του. Μπορούμε στιγμιαία να ανακτήσουμε πληροφορίες από τον πλούτο εμπειριών που συσσωρεύουμε στη διάρκεια της ζωής μας. Το ίδιο στιγμιαία μπορούμε να αναγνωρίσουμε το πρόσωπο συζύγου, παιδιού, γονιού ή φίλου, στο φως της ημέρας και στο μισοσκόταδο, κοιτάζοντας από πάνω ή από τα πλάγια, ένα έργο για το οποίο τα συστήματα οπτικής αναγνώρισης που λειτουργούν στους ισχυρότερους υπολογιστές χρειάζονται πολλαπλάσιο χρόνο και έχουν μικρότερο ποσοστό επιτυχίας. Μπορούμε να κάνουμε παράλληλα πολλά πράγματα, χωρίς κόπο και αξιόλογη κατανάλωση ενέργειας, όπως όταν βγάζουμε ένα μαντήλι από την τσέπη για να σκουπίσουμε το μέτωπό μας την ώρα που συζητάμε με κάποιον γνωστό. Ο σχεδιασμός ηλεκτρονικού «εγκεφάλου», που θα επέτρεπε σε κάποιο ρομπότ να συνδυάσει τέτοιες απλές συμπεριφορές παραμένει ακόμα υπόθεση του μακρινού μέλλοντος.
Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα
Πώς τα πετυχαίνουν όλα αυτά τα πολύπλοκα δίκτυα που σχηματίζονται από τα τρισεκατομμύρια διασυνδέσεων μεταξύ των 100 δισεκατομμυρίων νευρώνων του εγκεφάλου μας; Η ενεργειακή απόδοση είναι οπωσδήποτε μία σημαντική πλευρά της απάντησης. Οταν ένα νευρικό κύτταρο επικοινωνεί με ένα άλλο, ο εγκέφαλος χρησιμοποιεί μόλις ένα εκατομμυριοστό της ενέργειας που χρησιμοποιεί ένας ηλεκτρονικός υπολογιστής για να πραγματοποιήσει την ίδια λειτουργία. Η βιολογική εξέλιξη ώθησε αυτό το εξαιρετικό όργανο βάρους μόλις ενάμισι κιλού προς όλο και μεγαλύτερη οικονομία ενέργειας.
Ομως, ο εγκέφαλος έχει και πολλούς εγγενείς περιορισμούς. Ενας νευρώνας στο φλοιό του εγκεφάλου μπορεί να ανταποκριθεί στο ερέθισμα από άλλο νευρώνα, πυροδοτώντας έναν ηλεκτρικό παλμό μέσα σε χιλιοστά του δευτερολέπτου. Αυτός ο χρόνος είναι σαν την ταχύτητα του σαλιγκαριού, συγκρινόμενος με εκείνον των τρανζίστορ, που λειτουργούν ως διακόπτες στους επεξεργαστές των υπολογιστών, απαιτώντας για τη λειτουργία αυτή μόλις μερικά δισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου. Επιπλέον, η αξιοπιστία του νευρωνικού δικτύου είναι χαμηλή. Ενα σήμα που ταξιδεύει από ένα κύτταρο του εγκεφαλικού φλοιού προς ένα άλλο έχει συνήθως μόλις 20% πιθανότητα να φτάσει στον τελικό προορισμό του και ακόμα μικρότερη πιθανότητα να φτάσει ένα μακρινό νευρώνα, προς τον οποίο δεν συνδέεται άμεσα το αρχικό κύτταρο.
Νευρομορφικοί υπολογιστές!
Οι επιστήμονες δεν κατανοούν ακόμα πλήρως πώς ο εγκέφαλος καταφέρνει να βγάζει νόημα από όλη αυτή την ανταλλαγή σημάτων που συμβαίνει μέσα του. Ωστόσο, τα τελευταία χρόνια σημειώνεται σημαντική πρόοδος στην κατανόηση του τρόπου που ο εγκέφαλος χρησιμοποιεί το χρονισμό των σημάτων για να κωδικοποιήσει πληροφορίες και να επιλύσει ταχύτατα πολύ δύσκολα υπολογιστικά προβλήματα. Αυτό συμβαίνει επειδή μια ομάδα ηλεκτρικών παλμών που πυροδοτούνται περίπου την ίδια χρονική στιγμή μπορεί να μεταφέρει πολύ περισσότερη πληροφορία από μια ανάλογου μεγέθους ομάδα σημάτων, που τα μέλη της πυροδοτούνται ασυντόνιστα.
Πέρα από την αποκάλυψη της λειτουργίας του πιο σύνθετου υπολογιστικού συστήματος που γνωρίζουμε, η πρόοδος σε αυτόν τον τομέα έρευνας θα μπορούσε να οδηγήσει σε εντελώς νέα είδη υπολογιστών. Ηδη οι επιστήμονες έχουν κατασκευάσει «νευρομορφικά» ηλεκτρονικά κυκλώματα που μιμούνται πλευρές της σηματοδοσίας των εγκεφαλικών δικτύων. Σήμερα μπορούν να κατασκευαστούν συσκευές με ένα εκατομμύριο ηλεκτρονικούς νευρώνες, ενώ πολύ μεγαλύτερα συστήματα βρίσκονται υπό σχεδιασμό. Προοπτικά, οι ερευνητές ίσως μπορέσουν να κατασκευάσουν νευρομορφικούς υπολογιστές που λειτουργούν πολύ πιο γρήγορα από τους σημερινούς ηλεκτρονικούς υπολογιστές και απαιτούν μόλις ένα κλάσμα της ηλεκτρικής ενέργειας που καταναλώνουν.
Κύματα σημάτων
Πληροφορίες για το χρονισμό των εγκεφαλικών σημάτων υπήρχαν εδώ και δεκαετίες, αλλά είχαν μείνει αχρησιμοποίητες, καθώς ο χρονισμός είναι σημαντικός όταν συγκρίνονται διαφορετικά τμήματα του εγκεφάλου και παλιότερα ήταν δύσκολο να μετρηθεί ταυτόχρονα η δραστηριότητα πολλών νευρώνων. Η ανάπτυξη υπολογιστικών μοντέλων του νευρικού συστήματος, μαζί με πειραματικά και θεωρητικά δεδομένα από τη νευροφυσιολογία, έδωσαν νέες δυνατότητες και κίνησαν το επιστημονικό ενδιαφέρον για την παραπέρα μελέτη του ζητήματος.
Ενας νευρώνας πυροδοτεί έναν ηλεκτρικό παλμό όταν ο αριθμός των εισόδων που προκαλούν την ενεργοποίησή του είναι μεγαλύτερος από τον αριθμό εκείνων που προκαλούν την απενεργοποίησή του. Το σήμα μεταδίδεται σε άλλα κύτταρα μέσω του άξονα του νευρώνα και με τη βοήθεια των νευροδιαβιβαστών, ώστε να υπερπηδηθεί το κενό στις συνάψεις.
Στον αμφιβληστροειδή κάθε ματιού, 100 εκατομμύρια φωτοϋποδοχείς αντιδρούν σε αλλαγές φωτεινότητας. Οταν το εισερχόμενο φως υποστεί επεξεργασία από αρκετά στρώματα νευρώνων, ένα εκατομμύριο γαγγλιακά κύτταρα στο πίσω μέρος του αμφιβληστροειδούς μετατρέπουν αυτά τα σήματα σε μια ακολουθία ηλεκτρικών ερεθισμάτων, που μεταφέρονται από τους άξονες σε άλλα μέρη του εγκεφάλου, που με τη σειρά τους στέλνουν σήματα σε άλλες περιοχές και τελικά δημιουργείται η συνειδητή αίσθηση της όρασης. Κάθε άξονας μπορεί να μεταφέρει αρκετές εκατοντάδες παλμούς ανά δευτερόλεπτο, παρότι τις περισσότερες φορές λίγες απ' αυτές κάνουν τελικά το ταξίδι μέσω της νευρικής «καλωδίωσης». Ολα αυτά που αντιλαμβανόμαστε ως ορατό κόσμο - τα σχήματα, τα χρώματα, οι κινήσεις των πραγμάτων γύρω μας - κωδικοποιούνται σε ποτάμια σημάτων, που χωρίζονται από ποικίλης διάρκειας χρονικές αποστάσεις.
Ζήτημα ρυθμού
Οι επιστήμονες διαπίστωσαν ότι όσο πιο γρήγορος είναι ο ρυθμός των σημάτων, τόσο πιο έντονο είναι το σήμα. Η πληροφορία που μεταφέρει ο μεταβλητός ρυθμός πυροδότησης, ο κωδικός ρυθμού, σχετίζεται με τη θέση του αντικειμένου στο χώρο, τις διαφορές στο κοντράστ, την κίνηση του αντικειμένου, με καθένα από αυτά τα χαρακτηριστικά να αντιπροσωπεύεται από μια διαφορετική ομάδα νευρώνων. Πληροφορία μεταδίδεται και με το σχετικό χρονισμό, δηλαδή πότε ένας νευρώνας πυροδοτεί σε σχέση με τους παλμούς από άλλα κύτταρα. Οταν πολλά οπτικά γαγγλιακά κύτταρα πυροδοτούν σχεδόν την ίδια χρονική στιγμή, ο εγκέφαλος το αντιλαμβάνεται ως αντίδραση σε κάποιο χαρακτηριστικό του ίδιου φυσικού αντικειμένου.
Ηλεκτρολόγοι μηχανικοί προσπαθούν να αξιοποιήσουν αυτή τη γνώση για να κατασκευάσουν πιο αποδοτικά ηλεκτρονικά στοιχεία, που να ενσωματώνουν τις αρχές του χρονισμού των πυροδοτήσεων κατά την καταγραφή οπτικών σκηνών. Δημιουργούνται μεγάλες βάσεις δεδομένων με πληροφορίες για το χρονισμό ενεργοποίησης διάφορων ομάδων νευρικών κυττάρων. Σε συνδυασμό με την οπτογενετική (τεχνική ενεργοποίησης νευρώνων μέσω οπτικών ερεθισμάτων) που επιτρέπει τον μη επεμβατικό πειραματισμό με τη δραστηριότητα των νευρώνων, οι επιστήμονες θα μπορέσουν να μάθουν περισσότερα για την εσωτερική γλώσσα των συστατικών στοιχείων του εγκεφάλου και να την αξιοποιήσουν για εφαρμογές στην παραγωγή και στην καθημερινή ζωή.
Επιμέλεια:
Σταύρος ΞΕΝΙΚΟΥΔΑΚΗΣ
Πηγή: «Scientific American»
αναδημοσίευση από το Ριζοσπάστη
Ενας νευρώνας πυροδοτεί έναν ηλεκτρικό παλμό όταν ο αριθμός των εισόδων που προκαλούν την ενεργοποίησή του είναι μεγαλύτερος από τον αριθμό εκείνων που προκαλούν την απενεργοποίησή του. Το σήμα μεταδίδεται σε άλλα κύτταρα μέσω του άξονα του νευρώνα και με τη βοήθεια των νευροδιαβιβαστών, ώστε να υπερπηδηθεί το κενό στις συνάψεις.
Στον αμφιβληστροειδή κάθε ματιού, 100 εκατομμύρια φωτοϋποδοχείς αντιδρούν σε αλλαγές φωτεινότητας. Οταν το εισερχόμενο φως υποστεί επεξεργασία από αρκετά στρώματα νευρώνων, ένα εκατομμύριο γαγγλιακά κύτταρα στο πίσω μέρος του αμφιβληστροειδούς μετατρέπουν αυτά τα σήματα σε μια ακολουθία ηλεκτρικών ερεθισμάτων, που μεταφέρονται από τους άξονες σε άλλα μέρη του εγκεφάλου, που με τη σειρά τους στέλνουν σήματα σε άλλες περιοχές και τελικά δημιουργείται η συνειδητή αίσθηση της όρασης. Κάθε άξονας μπορεί να μεταφέρει αρκετές εκατοντάδες παλμούς ανά δευτερόλεπτο, παρότι τις περισσότερες φορές λίγες απ' αυτές κάνουν τελικά το ταξίδι μέσω της νευρικής «καλωδίωσης». Ολα αυτά που αντιλαμβανόμαστε ως ορατό κόσμο - τα σχήματα, τα χρώματα, οι κινήσεις των πραγμάτων γύρω μας - κωδικοποιούνται σε ποτάμια σημάτων, που χωρίζονται από ποικίλης διάρκειας χρονικές αποστάσεις.
Ζήτημα ρυθμού
Οι επιστήμονες διαπίστωσαν ότι όσο πιο γρήγορος είναι ο ρυθμός των σημάτων, τόσο πιο έντονο είναι το σήμα. Η πληροφορία που μεταφέρει ο μεταβλητός ρυθμός πυροδότησης, ο κωδικός ρυθμού, σχετίζεται με τη θέση του αντικειμένου στο χώρο, τις διαφορές στο κοντράστ, την κίνηση του αντικειμένου, με καθένα από αυτά τα χαρακτηριστικά να αντιπροσωπεύεται από μια διαφορετική ομάδα νευρώνων. Πληροφορία μεταδίδεται και με το σχετικό χρονισμό, δηλαδή πότε ένας νευρώνας πυροδοτεί σε σχέση με τους παλμούς από άλλα κύτταρα. Οταν πολλά οπτικά γαγγλιακά κύτταρα πυροδοτούν σχεδόν την ίδια χρονική στιγμή, ο εγκέφαλος το αντιλαμβάνεται ως αντίδραση σε κάποιο χαρακτηριστικό του ίδιου φυσικού αντικειμένου.
Ηλεκτρολόγοι μηχανικοί προσπαθούν να αξιοποιήσουν αυτή τη γνώση για να κατασκευάσουν πιο αποδοτικά ηλεκτρονικά στοιχεία, που να ενσωματώνουν τις αρχές του χρονισμού των πυροδοτήσεων κατά την καταγραφή οπτικών σκηνών. Δημιουργούνται μεγάλες βάσεις δεδομένων με πληροφορίες για το χρονισμό ενεργοποίησης διάφορων ομάδων νευρικών κυττάρων. Σε συνδυασμό με την οπτογενετική (τεχνική ενεργοποίησης νευρώνων μέσω οπτικών ερεθισμάτων) που επιτρέπει τον μη επεμβατικό πειραματισμό με τη δραστηριότητα των νευρώνων, οι επιστήμονες θα μπορέσουν να μάθουν περισσότερα για την εσωτερική γλώσσα των συστατικών στοιχείων του εγκεφάλου και να την αξιοποιήσουν για εφαρμογές στην παραγωγή και στην καθημερινή ζωή.
Επιμέλεια:
Σταύρος ΞΕΝΙΚΟΥΔΑΚΗΣ
Πηγή: «Scientific American»
αναδημοσίευση από το Ριζοσπάστη
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου