Het menselijk brein: een niet-herkende biologische computer

De afgelopen eeuw heeft de sterkste sprong voorwaarts in de ontwikkeling van de mensheid betekend. Na de moeilijke weg van het ABC-boek naar internet te zijn gegaan, zijn mensen niet in staat geweest om het belangrijkste raadsel op te lossen dat de geesten van de groten al meer dan honderd jaar kwelde, namelijk hoe het menselijk brein werkt en wat het in staat is van?

Tot nu toe blijft dit orgaan het meest slecht bestudeerde, en hij was het die een persoon maakte tot wat hij nu is - het hoogste stadium van evolutie. Het brein, dat zijn geheimen en geheimen blijft bewaren, blijft de activiteit en het bewustzijn van een persoon bepalen in elke fase van zijn leven. Geen enkele moderne wetenschapper is nog in staat om alle mogelijkheden te ontrafelen waartoe hij in staat is. Dat is de reden waarom een ​​groot aantal mythen en ongefundeerde hypothesen geconcentreerd zijn rond een van de belangrijkste organen van ons lichaam. Dit kan alleen maar aangeven dat het latente potentieel van het menselijk brein nog moet worden bestudeerd, maar voor nu gaan zijn capaciteiten verder dan de reeds gevestigde ideeën over zijn werk.

Hersenstructuur

Dit orgaan bestaat uit een enorm aantal verbindingen die zorgen voor een stabiele interactie van cellen en processen. Wetenschappers suggereren dat als deze verbinding wordt weergegeven als een rechte lijn, de lengte acht keer de afstand tot de maan zal zijn.

De massafractie van dit orgaan in het totale lichaamsgewicht is niet meer dan 2% en het gewicht varieert tussen 1019-1960 gram. Vanaf het moment van geboorte tot de laatste ademtocht van een persoon, voert hij continue activiteit uit. Daarom moet hij 21% van alle zuurstof opnemen die constant het menselijk lichaam binnenkomt. Wetenschappers hebben een benaderend beeld samengesteld van de assimilatie van informatie door de hersenen: het geheugen kan 3 tot 100 terabyte bevatten, terwijl het geheugen van een moderne computer momenteel wordt verbeterd tot een volume van 20 terabyte.

De meest voorkomende mythes over de menselijke biologische computer

Neurale weefsels van de hersenen sterven tijdens het leven van het organisme en er worden geen nieuwe gevormd. Dit is een waanidee waarvan Elizabeth Goode heeft bewezen dat deze absurd is. Zenuwweefsel en neuronen worden voortdurend vernieuwd en er komen nieuwe verbindingen om de doden te vervangen. Studies hebben bevestigd dat het menselijk lichaam in de foci van cellen die door een beroerte zijn vernietigd, in staat is om nieuw materiaal op te bouwen.

Het menselijk brein is slechts 5-10% open, alle andere mogelijkheden worden niet gebruikt. Sommige wetenschappers verklaarden dit door het feit dat de natuur, na zo'n complex en ontwikkeld mechanisme te hebben gecreëerd, er een beschermend systeem voor heeft uitgevonden, dat het orgel beschermt tegen onnodige stress. Dit is niet waar. Het is betrouwbaar bekend dat de hersenen tijdens elke menselijke activiteit voor 100% betrokken zijn, net op het moment dat er acties worden uitgevoerd, reageren de afzonderlijke delen om beurten.

superkrachten. Wat kan de menselijke geest verrassen?

Sommige mensen die uiterlijk geen tekenen van ongelooflijke bekwaamheid vertonen, kunnen werkelijk ongelooflijke capaciteiten hebben. Ze komen niet bij iedereen tot uiting, maar wetenschappers beweren dat regelmatige intensieve training van de hersenen oppervlakkige vermogens kan ontwikkelen. Hoewel het geheim van de "selectie" van mensen die het recht hebben om een ​​genie te worden genoemd, nog niet is onthuld. Iemand weet vakkundig uit moeilijke situaties te komen, iemand op onbewust niveau voorziet het naderende gevaar. Maar vanuit wetenschappelijk oogpunt zijn de volgende superkrachten interessanter:

• Het vermogen om wiskundige bewerkingen van enige complexiteit uit te voeren zonder de hulp van een rekenmachine en berekeningen op papier;
• Het vermogen om briljante creaties te maken;
• Fotografisch geheugen;
• Hoge snelheid lezen;
• Paranormale gaven.

Verbazingwekkende gevallen van het blootleggen van de unieke vermogens van het menselijk brein

Doorheen de geschiedenis van het menselijk bestaan ​​is een groot aantal verhalen verschenen die bevestigen dat het menselijk brein latente vermogens kan hebben, zich kan aanpassen aan een veranderende situatie en bepaalde functies kan verschuiven van de getroffen afdeling naar het gezonde deel.

Sonarvisie... Dit vermogen wordt meestal ontwikkeld na verlies van gezichtsvermogen. Daniel Kish slaagde erin de echolocatietechniek die inherent is aan vleermuizen onder de knie te krijgen. De geluiden die hij maakt, zoals het klikken met zijn tong of vingers, helpen hem om zonder stok te lopen.

ezelsbruggetjes- een unieke techniek waarmee u elke hoeveelheid informatie kunt waarnemen en onthouden, ongeacht de aard ervan. Veel mensen beheersen het op volwassen leeftijd, en de Amerikaanse Kim Peak heeft deze aangeboren gave.

vooruitziende blik... Sommige mensen beweren de toekomst te kunnen zien. Op dit moment is dit feit niet volledig bewezen, maar de geschiedenis kent veel mensen die dit vermogen over de hele wereld heeft verheerlijkt.

Fenomenen waartoe het menselijk brein in staat is

Carlos Rodriguez verloor op 14-jarige leeftijd na het ongeval meer dan 59% van zijn hersenen, maar leeft nog steeds een volkomen normaal leven.

Yakov Tsiperovich stopte na klinische dood en een week in coma met slapen, eet weinig en wordt niet ouder. Drie decennia zijn verstreken sinds dat moment, en hij is nog steeds jong.

Fenias Gage raakte in het midden van de 19e eeuw vreselijk gewond. Een dikke koevoet ging door zijn hoofd en ontnam hem een ​​groot deel van zijn hersenen. De geneeskunde van die jaren was niet voldoende gevorderd en artsen voorspelden een snelle dood voor hem. De man stierf echter niet alleen niet, maar behield ook zijn geheugen en helderheid van bewustzijn.

Het menselijk brein moet, net als zijn lichaam, voortdurend worden getraind. Het kunnen zowel complexe, speciaal ontworpen programma's zijn, als boeken lezen, puzzels oplossen en logische problemen oplossen. Tegelijkertijd mag men de verzadiging van dit orgaan met voedingsstoffen niet vergeten. De hersenactiviteit-booster HeadBooster http://hudeemz.com/headbooster heeft er bijvoorbeeld veel van. Maar toch, alleen constante training zorgt ervoor dat de hersenen zich voortdurend kunnen ontwikkelen en hun capaciteiten kunnen vergroten.

• Vertaling

We herinneren ons allemaal de pijnlijke rekenoefeningen van school. Het duurt minstens een minuut om getallen als 3.752 en 6.901 te vermenigvuldigen met potlood en papier. Met onze telefoons bij de hand kunnen we vandaag de dag natuurlijk snel controleren of het resultaat van onze oefening 25.892.552 zou moeten zijn. Moderne telefoonprocessors kunnen meer dan 100 miljard van dergelijke bewerkingen per seconde uitvoeren. Bovendien verbruiken deze chips slechts een paar watt, waardoor ze veel efficiënter zijn dan onze trage hersenen die 20 watt verbruiken en veel meer tijd nodig hebben om hetzelfde resultaat te bereiken.

Natuurlijk zijn de hersenen niet geëvolueerd om te rekenen. Daarom doet hij het slecht. Maar het kan uitstekend omgaan met de constante stroom van informatie die uit onze omgeving komt. En hij reageert erop - soms sneller dan we ons kunnen realiseren. En hoeveel energie een gewone computer ook verbruikt, hij zal moeilijk kunnen omgaan met wat gemakkelijk is voor de hersenen - bijvoorbeeld een taal begrijpen of traplopen.

Als we machines zouden kunnen maken waarvan de rekencapaciteiten en energie-efficiëntie vergelijkbaar zouden zijn met die van de hersenen, dan zou alles drastisch veranderen. Robots zouden behendig bewegen in de fysieke wereld en met ons communiceren in natuurlijke taal. Grootschalige systemen zouden enorme hoeveelheden informatie over het bedrijfsleven, de wetenschap, de geneeskunde of de overheid verzamelen, nieuwe patronen ontdekken, causale verbanden vinden en voorspellingen doen. Slimme mobiele apps zoals Siri en Cortana zouden minder op de clouds kunnen vertrouwen. Dergelijke technologie zou ons in staat kunnen stellen om apparaten met een laag vermogen te maken die onze zintuigen aanvullen, ons van medicijnen voorzien en zenuwsignalen nabootsen om orgaanschade of verlamming te compenseren.

Maar is het niet te vroeg om zulke gewaagde doelen voor jezelf te stellen? Is ons begrip van het brein te beperkt om ons in staat te stellen technologieën te creëren die werken volgens zijn principes? Ik geloof dat het emuleren van zelfs de eenvoudigste functies van neurale circuits de prestaties van veel commerciële toepassingen drastisch kan verbeteren. Hoe nauwkeurig computers de biologische details van de hersenen moeten kopiëren om dicht bij het prestatieniveau te komen, is een open vraag. Maar de door de hersenen geïnspireerde systemen van vandaag, of neuromorfe, zullen belangrijke hulpmiddelen worden om er een antwoord op te vinden.

Een belangrijk kenmerk van conventionele computers is de fysieke scheiding van het geheugen waarin gegevens en instructies worden opgeslagen en de logica die deze informatie verwerkt. Zo'n scheiding is er niet in de hersenen. Het berekenen en opslaan van gegevens gebeurt gelijktijdig en lokaal, in een enorm netwerk van ongeveer 100 miljard zenuwcellen (neuronen) en meer dan 100 biljoen verbindingen (synapsen). De hersenen worden voor het grootste deel bepaald door deze verbindingen en door hoe elk neuron reageert op input van andere neuronen.

Sprekend over de uitzonderlijke mogelijkheden van het menselijk brein, bedoelen we meestal de recente verwerving van een lang evolutionair proces - de neocortex (nieuwe cortex). Deze dunne en extreem gevouwen laag vormt de buitenste laag van de hersenen en voert zeer verschillende taken uit, waaronder het verwerken van input van de zintuigen, het aansturen van motorische vaardigheden, werken met geheugen en leren. Zo'n breed scala aan mogelijkheden is beschikbaar voor een redelijk homogene structuur: zes horizontale lagen en een miljoen verticale kolommen van 500 micron breed, bestaande uit neuronen die informatie die is gecodeerd in elektrische impulsen integreren en verspreiden langs antennes die daaruit groeien - dendrieten en axonen.

Zoals alle cellen in het menselijk lichaam heeft een neuron een elektrisch potentiaal van ongeveer 70 mV tussen het buitenoppervlak en de ingewanden. Deze membraanspanning verandert wanneer het neuron een signaal ontvangt van andere geassocieerde neuronen. Als de membraanspanning tot een kritische waarde stijgt, vormt deze een puls, of een spanningsstoot van enkele milliseconden, in de orde van 40 mV. Deze impuls reist langs het axon van een neuron totdat het de synaps bereikt - een complexe biochemische structuur die het axon van het ene neuron verbindt met het dendriet van een ander. Als de impuls aan bepaalde beperkingen voldoet, zet de synaps deze om in een andere impuls die door de vertakkende dendrieten van het neuron gaat dat het signaal ontvangt, en verandert de membraanspanning in de positieve of negatieve richting.

Connectiviteit is een cruciaal kenmerk van de hersenen. Het piramidale neuron - een bijzonder belangrijk celtype in de menselijke neocortex - bevat ongeveer 30.000 synapsen, dat wil zeggen 30.000 ingangskanalen van andere neuronen. En het brein past zich voortdurend aan. Het neuron en de eigenschappen van de synaps - en zelfs de structuur van het netwerk zelf - veranderen voortdurend, voornamelijk onder invloed van input van de zintuigen en feedback van de omgeving.

De huidige computers voor algemeen gebruik zijn digitaal, niet analoog; de hersenen zijn niet gemakkelijk te classificeren. Neuronen slaan een elektrische lading op zoals condensatoren in elektronische circuits. Dit is duidelijk een analoog proces. Maar de hersenen gebruiken bursts als informatie-eenheden, en dit is in feite een binair schema: op elk moment en overal is een burst er of niet. In elektronische termen zijn de hersenen een gemengd signaalsysteem met lokale analoge computing en informatieoverdracht met behulp van binaire bursts. Omdat de burst alleen waarden van 0 of 1 heeft, kan deze een lange afstand afleggen zonder deze basisinformatie te verliezen. Het repliceert ook om het volgende neuron in het netwerk te bereiken.

Een ander belangrijk verschil tussen de hersenen en de computer is dat de hersenen omgaan met informatieverwerking zonder een centrale klokgenerator om hun werk te synchroniseren. Hoewel we synchroniserende gebeurtenissen waarnemen - hersengolven - organiseren ze zichzelf, ontstaan ​​als gevolg van het werk van neurale netwerken. Interessant is dat moderne computersystemen de asynchronie die inherent is aan de hersenen beginnen over te nemen om berekeningen te versnellen door ze parallel uit te voeren. Maar de mate en het doel van parallellisatie van deze twee systemen zijn zeer verschillend.

Het idee om de hersenen te gebruiken als rekenmodel heeft diepe wortels. De eerste pogingen waren gebaseerd op een eenvoudig drempelneuron, dat één waarde afgeeft als de som van de gewogen invoergegevens de drempel overschrijdt, en een andere als dat niet het geval is. Het biologische realisme van deze benadering, bedacht door Warren McCulloch en Walter Pitts in de jaren veertig, is vrij beperkt. Dit was echter de eerste stap in de richting van het toepassen van het concept van een afvurend neuron als onderdeel van de berekening.

In 1957 stelde Frank Rosenblatt een andere versie van het drempelneuron voor, de perceptron. Een netwerk van onderling verbonden knooppunten (kunstmatige neuronen) is opgebouwd uit lagen. De zichtbare lagen aan de oppervlakte van het netwerk interageren met de buitenwereld als input en output, terwijl de verborgen lagen aan de binnenkant alle berekeningen doen.

Rosenblatt stelde ook voor om een ​​kernkenmerk van de hersenen te gebruiken: insluiting. In plaats van alle inputs bij elkaar op te tellen, kunnen de neuronen in het perceptron ook een negatieve bijdrage leveren. Met deze functie kunnen neurale netwerken een enkele verborgen laag gebruiken om XOR-problemen in logica op te lossen waarbij de uitvoer waar is als slechts één van de twee binaire invoer waar is. Dit eenvoudige voorbeeld laat zien dat het toevoegen van biologisch realisme nieuwe rekenkracht kan toevoegen. Maar welke functies van de hersenen zijn nodig voor zijn werk, en wat zijn nutteloze sporen van evolutie? Niemand weet het.

We weten dat indrukwekkende rekenresultaten kunnen worden bereikt zonder te proberen biologisch realisme te creëren. Deep learning-onderzoekers hebben grote vooruitgang geboekt bij het gebruik van computers om grote hoeveelheden gegevens te analyseren en specifieke kenmerken uit complexe afbeeldingen te extraheren. Hoewel de neurale netwerken die ze creëerden meer input en verborgen lagen hebben dan ooit tevoren, zijn ze nog steeds gebaseerd op uiterst eenvoudige modellen van neuronen. Hun brede capaciteiten weerspiegelen niet het biologisch realisme, maar de schaal van de netwerken die ze bevatten en de kracht van de computers die worden gebruikt om ze te trainen. Maar deep learning-netwerken zijn nog ver verwijderd van de rekensnelheid, energie-efficiëntie en leermogelijkheden van een biologisch brein.

De enorme kloof tussen de hersenen en moderne computers wordt het best benadrukt door grootschalige hersensimulaties. De afgelopen jaren zijn er verschillende van dergelijke pogingen ondernomen, maar ze werden allemaal ernstig beperkt door twee factoren: de energie en de tijd van de simulatie. Neem bijvoorbeeld een simulatie die Marcus Dysman en zijn collega's enkele jaren geleden hebben uitgevoerd met 83.000 processors op de K-supercomputer in Japan. Het simuleren van 1,73 miljard neuronen verbruikte 10 miljard keer meer energie dan het equivalente hersengebied, hoewel ze extreem vereenvoudigde modellen gebruikten en geen training uitvoerden. En dergelijke simulaties liepen doorgaans meer dan 1000 keer langzamer dan de echte tijd van een biologisch brein.

Waarom zijn ze zo traag? Het simuleren van de hersenen op conventionele computers vereist de berekening van miljarden onderling verbonden differentiaalvergelijkingen die de dynamiek van cellen en netwerken beschrijven: analoge processen zoals de beweging van lading door het celmembraan. Computers die gebruikmaken van booleaanse logica - die energie inruilt voor precisie - en die geheugen en berekening scheiden, zijn buitengewoon inefficiënt bij het modelleren van de hersenen.

Deze simulaties kunnen een hulpmiddel worden voor de cognitie van de hersenen, waarbij de in het laboratorium verkregen gegevens worden omgezet in simulaties waarmee we kunnen experimenteren en de resultaten vervolgens kunnen vergelijken met waarnemingen. Maar als we een andere richting willen inslaan en de lessen van de neurowetenschap willen gebruiken om nieuwe computersystemen te creëren, moeten we de manier waarop we computers ontwerpen en bouwen heroverwegen.

Neuronen in silicium.

Het elektronisch dupliceren van hersenwerk is misschien beter te doen dan op het eerste gezicht lijkt. Het blijkt dat ongeveer 10 fJ (10 -15 joule) wordt besteed aan het creëren van een elektrische potentiaal bij een synaps. De poort van een metaaloxide-halfgeleidertransistor (MOS), die veel groter is en meer stroom verbruikt dan die in de CPU, heeft slechts 0,5 fJ nodig om op te laden. Het blijkt dat synaptische transmissie gelijk staat aan het opladen van 20 transistors. Bovendien verschillen biologische en elektronische circuits op apparaatniveau niet zoveel van elkaar. In principe is het mogelijk om structuren zoals synapsen en neuronen te creëren uit transistoren, en ze te verbinden om een ​​kunstmatig brein te creëren dat zulke grote hoeveelheden energie niet absorbeert.

Het idee om computers te bouwen met transistors die zich als neuronen gedragen, ontstond in de jaren tachtig met professor Carver Mead van Caltech. Een van Meads belangrijkste argumenten ten gunste van 'neuromorfe' computers was dat halfgeleiderapparaten, wanneer ze in een bepaalde modus worden gebruikt, dezelfde fysieke wetten kunnen volgen als neuronen, en dat analoog gedrag kan worden gebruikt voor berekeningen met een hoge energie-efficiëntie.

Mead's groep vond ook een platform voor neurocommunicatie uit, waarin bursts alleen worden gecodeerd door hun adressen op het netwerk en het tijdstip van optreden. Dit werk werd baanbrekend omdat het de eerste was die tijd tot een noodzakelijk onderdeel van kunstmatige neurale netwerken maakte. Tijd is een sleutelfactor voor de hersenen. Signalen hebben tijd nodig om zich voort te planten, membranen hebben tijd nodig om te reageren en het is tijd die de vorm van postsynaptische potentialen bepaalt.

Verschillende actieve onderzoeksgroepen vandaag, zoals de Giacomo Indiveri-groep van de Zwitserse Hogere Technische School en Kwabena Boachen van Stanford, zijn in de voetsporen van Mead getreden en hebben met succes elementen van biologische corticale netwerken geïmplementeerd. De truc is om transistors te laten werken met laagspanningsstromen onder hun drempel, waardoor analoge circuits worden gecreëerd die het gedrag van het zenuwstelsel nabootsen en weinig stroom verbruiken.

Verder onderzoek in deze richting kan toepassing vinden in systemen zoals de brain-computer interface. Maar er is een enorme kloof tussen deze systemen en de werkelijke grootte van het netwerk, de connectiviteit en het leervermogen van het dierlijke brein.

Dus rond 2005 begonnen drie groepen onderzoekers onafhankelijk van elkaar neuromorfe systemen te ontwikkelen die significant verschilden van de oorspronkelijke benadering van Mead. Ze wilden grootschalige systemen maken met miljoenen neuronen.

Het SpiNNaker-project, geleid door Steve Furber van de Universiteit van Manchester, komt het dichtst in de buurt van conventionele computers. De groep ontwikkelde hun eigen digitale chip, bestaande uit 18 ARM-processors die werken op 200 MHz - ongeveer een tiende van de snelheid van moderne CPU's. Hoewel ARM-kernen afkomstig zijn uit de wereld van klassieke computers, simuleren ze bursts die worden verzonden door speciale routers die zijn ontworpen om informatie asynchroon te verzenden - net als de hersenen. De huidige implementatie, die deel uitmaakt van het Human Brain Project van de Europese Unie en is voltooid in 2016, bevat 500.000 ARM-kernen. Afhankelijk van de complexiteit van het neuronmodel kan elke kern tot 1000 neuronen simuleren.

De TrueNorth-chip, ontwikkeld door Darmendra Mod en zijn collega's van het IBM Research Laboratory in Almadena, maakt het gebruik van microprocessors als rekeneenheden overbodig en is eigenlijk een neuromorf systeem waarin berekening en geheugen met elkaar verweven zijn. TrueNorth is nog steeds een digitaal systeem, maar het is gebaseerd op speciaal ontworpen neurocircuits die een specifiek model van een neuron implementeren. De chip bevat 5,4 miljard transistors en is gebouwd op Samsungs 28nm CMOS-technologie (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Transistors emuleren 1 miljoen neurocircuits en 256 miljoen eenvoudige (eenbits) synapsen op een enkele chip.

Ik zou zeggen dat het volgende project, BrainScaleS, behoorlijk ver verwijderd is van conventionele computers en dichter bij het biologische brein. Ik heb aan dit project gewerkt met mijn collega's van de Universiteit van Heidelberg voor het European Human Brain Initiative. BrainScaleS implementeert gemengde signaalverwerking. Het combineert neuronen en synapsen, die siliciumtransistoren zijn, die fungeren als analoge apparaten met digitale informatie-uitwisseling. Het volledige systeem bestaat uit 8-inch siliciumwafels en emuleert 4 miljoen neuronen en 1 miljard synapsen.

Het systeem kan negen verschillende ontstekingsmodi van biologische neuronen reproduceren en is ontwikkeld in nauwe samenwerking met neurowetenschappers. In tegenstelling tot de analoge benadering van Mead, werkt BrainScaleS in een versnelde modus en emuleert het 10.000 keer sneller dan realtime. Dit is vooral handig om te leren over leren en ontwikkelen.

Leren wordt waarschijnlijk een cruciaal onderdeel van neuromorfe systemen. Nu worden chips die zijn gemaakt naar het beeld van de hersenen, evenals neurale netwerken die op gewone computers draaien, aan de zijkant getraind met behulp van krachtigere computers. Maar als we neuromorfe systemen in echte toepassingen willen gebruiken - bijvoorbeeld in robots die naast ons moeten werken, zullen ze in staat moeten zijn om te leren en zich 'on the fly' aan te passen.

In de tweede generatie van ons BrainScaleS-systeem hebben we het leervermogen geïmplementeerd door "Flexibility Handlers" op een chip te creëren. Ze worden gebruikt om een ​​breed scala aan neuronale en synapsparameters te wijzigen. Deze mogelijkheid stelt ons in staat om parameters te verfijnen om verschillen in grootte en elektrische eigenschappen te compenseren wanneer we van het ene apparaat naar het andere gaan, net zoals de hersenen zelf zich aanpassen aan veranderingen.

De drie grootschalige systemen die ik heb beschreven, vullen elkaar aan. SpiNNaker kan flexibel worden geconfigureerd en gebruikt om verschillende neuromodellen te testen, TrueNorth heeft een hoge integratiedichtheid, BrainScaleS is ontworpen voor continu leren en ontwikkelen. De zoektocht naar de juiste manier om de effectiviteit van dergelijke systemen te beoordelen is nog gaande. Maar de eerste resultaten zijn veelbelovend. IBM's TrueNorth-groep heeft onlangs berekend dat synaptische transmissie in hun systeem 26 pJ verbruikt. Hoewel dit 1000 keer de energie is die nodig is in een biologisch systeem, is het bijna 100.000 keer minder dan de energie die wordt gebruikt om te verzenden in simulaties op computers voor algemeen gebruik.

We bevinden ons nog in de beginfase om te begrijpen wat dergelijke systemen kunnen doen en hoe ze kunnen worden toegepast bij het oplossen van problemen in de echte wereld. Tegelijkertijd moeten we manieren vinden om meerdere neuromorfische chips te combineren in grote netwerken met verbeterde leermogelijkheden en tegelijkertijd het stroomverbruik te verlagen. Een van de problemen is connectiviteit: de hersenen zijn driedimensionaal en onze circuits zijn tweedimensionaal. De kwestie van driedimensionale integratie van circuits wordt nu actief bestudeerd en dergelijke technologieën kunnen ons helpen.

Apparaten die niet zijn gebaseerd op CMOS - memristors of PCRAM (phase change memory) - kunnen een andere hulp zijn. Tegenwoordig worden de gewichten die de reactie van kunstmatige synapsen op binnenkomende signalen bepalen, opgeslagen in conventioneel digitaal geheugen, dat de meeste siliciumbronnen verbruikt die nodig zijn om een ​​netwerk op te bouwen. Maar andere soorten geheugen kunnen ons helpen de grootte van deze cellen te verkleinen van micrometer tot nanometer. En de grootste moeilijkheid van moderne systemen zal zijn om de verschillen tussen verschillende apparaten te behouden. De in BrainScaleS ontwikkelde kalibratieprincipes kunnen hierbij helpen.

We zijn net begonnen aan onze reis naar praktische en bruikbare neuromorfe systemen. Maar de moeite loont. Als dat lukt, zullen we niet alleen krachtige computersystemen creëren; we kunnen zelfs nieuwe informatie krijgen over hoe ons eigen brein werkt.

Wat is een biologisch systeem?

biologisch systeem is een levende structuur die bestaat in een specifieke habitat ervoor, die het vermogen heeft tot metabolisme en energie, evenals de bescherming van de uitwisseling en het kopiëren van informatie, die zijn functies bepaalt en de mogelijkheid om manieren van interactie met de omgeving te verbeteren voor het opslaan en verzenden van informatie over zichzelf.

De structuur van het biologische systeem "cel":

1. Informatieblok- informatiecode geschreven in de vorm van DNA-moleculen, RNA. Naar analogie met een computerprogramma is het een "belichaamd Woord" dat de functies en parameters van het systeem bepaalt. Het auteurschap ervan behoort toe aan de Schepper, de Bron van het leven, de Schepper van al het zichtbare en onzichtbare - God.
2. Energie blok- geprogrammeerde mogelijkheden voor het ontvangen, transformeren en besteden van energie (energiecirculatie). Energie is de kracht die nodig is om de vitale activiteit van de structurele elementen van het systeem in stand te houden en hun functies te activeren. Ofwel, energie is een kwantitatieve maatstaf voor de interactie van alle soorten materie en informatie, waardoor een verandering in hun toestand of structuur ontstaat.
3. MPT-blok(materie, vlees, lichaam) - een externe manifestatie van de informatiecode. De functies zijn bescherming, behoud, uitwisseling van informatie. Het is een matrix voor het opslaan en kopiëren van informatie. Het omvat: membranen, enzymen, membraanreceptoren, membraantransportkanalen, biologisch actieve stoffen (BAS).

De belangrijkste taken van de "cel" van het biologische systeem: behoud, uitwisseling, kopiëren van informatie die erin zit.

Om zijn taken, voornamelijk kopiëren, uit te voeren, moet het systeem een ​​bepaalde omgeving binnengaan en zich in een bepaalde omgeving bevinden die het voorziet van voldoende toevoer van stoffen en energie.
Om de processen te reguleren die zorgen voor het bewaren, uitwisselen en kopiëren van informatie, wordt het receptor-mediator principe gebruikt.

Receptor-mediator principe

Receptor - (van lat.recipere - om te ontvangen) elk materiaal of structuur van informatie-energie (IEM-systeem, structuur) dat informatie waarneemt en zijn toestand of structuur op een bepaalde manier verandert als gevolg van de actie van de bemiddelaar.

Mediator - (mediator, zender) elk IEM-systeem of -structuur die is ontworpen om specifieke informatie naar de ontvanger te verzenden.

We kennen de verschillende organisatieniveaus van IEM-systemen en -structuren - atoom, molecuul, complex molecuul, stof, virus, cel, weefsel, orgaan, organisme, collectief, mensen, staat, planeet aarde, zonnestelsel, melkweg, universum.
Op verschillende organisatieniveaus hebben IEM-systemen of -structuren hun eigen mechanismen voor interactie tussen receptor en bemiddelaar. Dit geldt ook voor communicatie tussen niveaus.
De studie van deze mechanismen, evenals het zoeken naar mediatoren voor receptoren en de beschrijving van reacties (veranderingen in toestand of structuur) van IEM-systemen of -structuren behoren tot de taken van wetenschappers.

Soorten interactie tussen de receptor en de mediator

1. Een specifieke mediator werkt op een specifieke receptor in het biologische systeem, wat leidt tot een specifieke respons.

2. Een bepaalde mediator werkt in op receptoren die verschillende reacties van het biologische systeem bepalen.

3. Verschillende mediatoren werken op een specifieke receptor in het biologische systeem, wat leidt tot een specifieke respons.

4. Verschillende mediatoren werken op een specifieke receptor, wat leidt tot verschillende reacties van het biologische systeem (interactiekarakteristiek van complexe biologische systemen).

Het resultaat van de interactie van de mediator en de receptor is een verandering in de toestand of structuur van het systeem.

Staat van fysiologische rust- dit is een toestand waarin een biologisch systeem zich in zijn habitat bevindt en zijn taken uitvoert zonder verder te gaan dan de gemiddelde statistische gegevens van zijn functionele activiteit.

De belangrijkste mechanismen van regulering van de toestand van het biologische systeem

1. Verandering in de hoeveelheid mediator of receptor (toename, afname)
2. De kwaliteit van de mediator of receptor veranderen door hun structuur te veranderen (versterking, verzwakking, vernietiging) en als gevolg daarvan hun verbinding en informatieoverdracht te veranderen.

In een biologisch systeem kan elke IEM-structuur zowel een receptor zijn voor sommige IEM-structuren als een mediator voor andere. Controle over de regulatie van een bepaalde toestand van het systeem kan worden bereikt als we de actiemethoden kennen die de kwantiteit en kwaliteit van de mediator en receptor die verantwoordelijk zijn voor deze toestand veranderen.

Mogelijkheden om de staat van de cel te veranderen

De enige manier om de staat en structuur van het biologische systeem "Cel" te veranderen is om het bemiddelende effect van de omgeving te veranderen.
Een verandering in de omgeving die zorgt voor de stroom van stoffen, energie en informatie (water of vloeistof, lucht of gassen, aarde of organische en anorganische chemische elementen, temperatuur, fysieke velden, straling, druk) leidt tot een verandering in de toestand of structuur van de cel.

Celstructuren die veranderen als gevolg van veranderingen in de omgeving.

1. Moleculen van DNA, RNA (bron van informatie over de cel en kopiëren).
2. Membranen van cellen en organellen (bescherming van cellen en interne omgeving).
3. Enzymen (regulatoren van de snelheid van metabolisme, energie, informatie in de cel).
4. Membraanreceptoren (waarnemen informatie voor de cel).
5. Transportkanalen van membranen (ingangen en uitgangen van stoffen, energie en informatie).
6. Biologisch actieve stoffen (mediatoren - celproducten ontworpen om informatie door te geven aan de externe en interne omgeving).

Een verandering in de kwaliteit en kwantiteit van elk van deze structuren in de gewenste richting treedt op als gevolg van een bepaalde verandering in de stroom van vloeistof, gas, organische of anorganische chemische elementen, veranderingen in temperatuur, fysieke velden, straling, druk.

- Hoe kwam u, een voormalig militair arts, een organisator met een lange ervaring, op het theoretische probleem van de organisatie van de levenden?

Ieder van ons is in onze gedachten herhaaldelijk naar dit onderwerp gegaan, waarbij we vaak twijfelden aan de eerlijkheid hypothesenspontane verschijning van een levend en evolutietheorie... Voor altijd bewaard het gevoel van verbazing over de "geest" van de computer na het leren kennen van de structuur en het werk ervan. Er ontstond een storm van gedachten door de studie van het menselijk genoom en andere organismen, die niet uitkwam sensaties, voorspellingen en paradoxen. Indrukken samengevoegd, gevraagd om opnieuw biologie te lezen, daarna informatica, zoeken in beschikbare ruimte alles wat ermee te maken had genetica, genomica, genen. Ik realiseerde me al snel , wat de cel en de computer werken op basis van gemeenschappelijke informatieregels.

Maar het moet bewezen worden!

Zeker. Met behulp van vergelijkingen en analogieën heb ik er eerst voor gezorgd dat de cel een voor computers typische structuur heeft. Het membraan beschermt, net als een computerkast, de inwendige inhoud van de cel tegen invloeden van buitenaf en dient als een plaats voor het aansluiten van input-output-apparaten, waarvan de rol wordt gespeeld door receptoren. De functie van het moederbord wordt uitgevoerd door het cytoplasma, dat de organellen van de cel in de gewenste positie houdt en met elkaar verbindt. En hier is het "hart" van de cel - de kern, chromosomen, genen, DNA-streng in pro-karyoten, die de hoofdfunctie vervult van het verwerken van informatie, het opslaan van langdurig en operationeel geheugen, zoals een harde schijf in een technische computer. Net als draagbare informatiedragers - harde en flexibele schijven, werken mobiele dragers intensief in de cel - dit zijn RNA, eiwitten, prionen. Een onderscheidend kenmerk van elke informatiemachine is: beschikbaarheid bekijken en energiebron... In een cel worden het aantal delingen en de tijd geteld door telomeren, en mitochondriën leveren energie in de vorm van ATP. Moleculaire elektronica heeft de biologische takken van de wetenschap voorbijgestreefd, wat de eerder voorspelde miniaturisering van computers bevestigt, de mogelijkheid om, vanwege zijn structuur en eigenschappen, veel organische moleculen, waaronder DNA, te gebruiken als transistoren, triggers, logische elementen en creatie op hun basis informatiemachines. Laboratorium opties biologisch computer bestaat, software voor hen is ook een must.

Welke andere feiten getuigen van het informatieve bestanddeel van cellen?

Het lijkt mij dat het meest gewichtige argument genomisch is paradox, waarvan de manifestaties nog steeds niet op traditionele manieren kunnen worden verklaard. Het bleek dat genstructuur is niet altijd bepalend voor hun eigenschappen. De bepalingen van "gen - teken"," gen - functie"," gen - ziekte". Hetzelfde gen in verschillende stadia van ontwikkeling van het organisme kan presteren verschillende functies... In het genennetwerk genfunctie kan verschillen van functies in een geïsoleerde staat gestudeerd. Er zijn veel genen die "stil" zijn, hun eigenschappen zijn niet bekend. Structureel gemeenschappelijke genen kunnen de ontwikkeling van verschillende celvarianten sturen. Het gen voor mensen en Drosophila produceert hetzelfde signaal - een eiwitligand voor mesodermcellen, dat de vorming van vliegenvleugels en gepaarde menselijke ledematen regelt. De eerste stadia van myogenese worden uitgevoerd door een reeks genen die veel voorkomen in Drosophila, lagere en hogere dieren en zoogdieren, inclusief mensen. Het aantal en de organisatie van HOX-genen op chromosomen zijn bij bijna alle zoogdieren hetzelfde. Hetzelfde gen kan coderen meerdere eiwitten, en meerdere genen kunnen overeenkomen met dezelfde eiwitvariant. DNA-duplicaties, welke rol spelen ze en waarom zijn de genomen van chimpansees en mensen op deze basis zo verschillend? In uw recensie ("MG", nr. 77 - 5.10.2005, p. 14) staat dat: bij mensen en chimpansees dezelfde genen hebben verschillende activiteiten in verschillende organen. Deze door verschillende programma's die significante verschillen tussen soorten definiëren. Nu over het paradoxale aantal genen en "extra DNA" in verschillende biologische soorten... In een aaltje (ongeveer 1 mm groot), genen 19903, in vis fugu (ongeveer 10 cm) - 33609, ratten ongeveer 25.000 en menselijk- 30.000; respectievelijk niet-coderend DNA ("overbodig, egoïstisch, rommel") in% - 25, 16, 75, 97. Hoe hoger georganiseerd organisme, hoe minder genen in het genoom en meer niet-coderende nucleotiden, hoe moeilijker processen, hoe minder genen er nodig zijn om het leven te verzekeren. En natuurlijk worden er geen evolutionaire reeksen in de ontwikkeling van organismen waargenomen voor genomen.

In het "junk"-gedeelte van DNA zijn er veel identieke herhalende nucleotidesequenties. Is hier een informatieve betekenis?

Op ontwikkeling gebaseerde aanname informatie technologieën, het is gepast. Het is nu aangetoond dat als op één geïntegreerde schakeling gestempeld microprocessoren, plaatsen voor opslag van informatie en andere elementen computer ontwerpen dan zijn prestatie wanneer de grootte wordt verkleind, neemt deze aanzienlijk toe. Het is niet nodig om ver te "gaan" voor informatie, extra energie te verspillen. Enorm informatieve ruimte DNA vereist dat genen hun . concentreren verwerkers werken met informatie, ruimte voor haar opslag,operationeel en op lange termijn geheugen, wat zou zorgen voor zowel sequentieel als parallel werk aan de analyse van de inkomende informatie en reacties ontwikkelen beslissingen en teams... Dit bereikt prestaties en duplicatie in het geval van " freelancer" situaties... Het is mogelijk dat nucleotide-herhalingen en DNA-duplicaties op de een of andere manier gespecialiseerd zijn door informatiefuncties.

Wat zijn de essentiële verschillen tussen biologische computers en technische computers?

- Hoge betrouwbaarheid door stabiliteit organische verbindingen en de aanwezigheid beveiligingssystemen op meerdere niveaus van schade aan media en vervorming van het eigen informatie... DNA is het meest resistent tegen vervalmolecuul en apoptose is het meest effectief afweermechanisme... Enorm prestatie, berekend in biljoenen bewerkingen per seconde. Organische moleculen kunnen onder invloed onmiddellijk van toestand veranderen laser, zichtbare delen van het lichtspectrum, geluid, radiogolven. Waarschijnlijk is het geen toeval dat twintig aminozuren die betrokken zijn bij de opbouw van eiwitten in de levenden "achterblijven", wanneer de positie van de aminogroep in de koolstofketen verandert, kan de functie van het binaire getalsysteem voor hen beschikbaar zijn. Sommige moleculen kunnen laserschoten genereren, de functies van chromatoforen, LED's, signaalomzetters uitvoeren. Genomen gloeien, maken geluiden, genereren Radio golven bepaalde bereiken, die door de apparaten worden geregistreerd. Bovenstaande redenering maakte het mogelijk om een ​​eencellig organisme en een cel informatieve definitie. Het is biologisch gesloten informatiemachines werken op basis van een complex software, het bepalen van hun structurele en functionele organisatie, soort affiliatie, doelmechanismen homeostase, reproductie van hun eigen soort, Met autonome voeding en tijd teller... ik vermijd de term elektronische computer, omdat in de cel bij het verwerken van informatie elektronenstroom wordt niet gebruikt en dat is het ook niet computergebruik, een logisch auto.

Maar ik ontmoette de term 'biocomputer' lang voor uw publicatie.

Ja, maar in zeer losse interpretaties. Alles wat niet in de bovenstaande definitie past, is geen biocomputer, inclusief: virussen. Aan het begin van het computertijdperk sterk georganiseerde organismen werden een biocomputer genoemd. Toen beschouwden vertegenwoordigers van bepaalde beroepen een computer brein, met de ontwikkeling van genetica en genomics - overgestapt op het genoom, zelfs over gesproken DNA-computers... Vandaag specialisten verkennen informatieve eigenschappen van water bel haar " biocomputer leven". Water, hoewel verplicht, is slechts een integraal onderdeel van de biologische computer... In cellen waar informatieprocessen overheersen, met name in neuronen, water tot 90%, in haar en nagels het is slechts 8-10%.

Maar hoe zit het met organismen of brein ?

Maar meercellige organismen bestaan ​​uit: biocomputers, gerangschikt en gecombineerd volgens de principes informatie netwerk.

Maar hoe biologisch? computers vormend organisme ?

Het product van het informatietijdperk komt weer te hulp - gemaakt door de mens wereldwijd informatienetwerk internet. De belangrijkste voorwaarde voor het functioneren van het netwerk is een compatibiliteit van alles computers Aan technische parameters en software. In elk organisme zijn de cellen identiek van structuur en hebben ze precies dezelfde software. De uitzondering is: erytrocyten, ze hebben geen kernel en verstoken van informatiefuncties... Het netwerk heeft ook een mechanisme nodig om de orde en organisatie te handhaven, dat wordt geleverd door een reeks technologieën en protocollen internet... Laten we er slechts enkele noemen. Transmissie Controle Protocol (TCP) - je wordt niet ingelogd, niet door te registreren bij de provider.Protocollen Verenigde informatie web- leef als protocollen en programma's zou veel groter moeten zijn, gegeven complexiteit, multifunctionaliteit van processen en hoeveelheid het netwerk vormen biologisch computers. Persoon dat is 14 biljoen biocomputers, anderhalf keer meer dan sterren in tweeën sterrenstelsels samengesteld - Melkweg en Andromeda-nevel... belangrijkste kenmerk internet - het servers op verschillende locaties op het netwerk... Dit zijn dezelfde computers alleen bedoeld om andere computers te onderhouden... zij, met hun programma's, lijken op neuronen met hun verbazingwekkende functionaliteit. Een persoon heeft er 20 miljard. Hoe hoger het organisme is georganiseerd, hoe hoger functioneel kansen neuronen. Bijvoorbeeld, in een nematode, elke neuron is goed voor 5 somatische cellen, in menselijk tegen 5000. Modem met het bijbehorende programma toestaan ​​dat u het netwerk betreedt, uitvoeren Verbinding op afstand,bestanden uploaden van computer naar het netwerk en terug - van het net v computer, voorzien in registratie, wijziging van protocol en andere functies. Dit is ongetwijfeld een analoog van synapsen die zorgen voor: contacten tussen cellen. Informatie Systeem persoon voor vandaag - toppunt van technologie . internet in vergelijking daarmee is het in een embryonale staat, het is leeftijd ongeveer 40 jaar oud. Het belangrijkste verschil is het enorme verschil in het aantal en de kracht van de componenten. computers, Aan moeilijkheden, gelaagdheid en diversiteit programma's... Er wordt van uitgegaan dat voor de ontwikkeling van informatienetwerken bestaat alleen twee beperkingen: : computer snelheid en doorvoer kanalen aansluiten. Zodat ontwikkelingsvooruitzichten van internet enorm. Maar vandaag geen van de computers, geen informatiesysteem door de mens gemaakt, niet in staat werk herhalen biologisch computer en het eenvoudigste meercellige organisme.

Wat zijn de? voornaamste bevindingen uit uw redenering?

Het is verboden de levenden kennen zonder de informatieve component ervan te bestuderen, aangezien het hopeloos is, op zoek te gaan naar levende en vitale activiteit buiten de cel. Informatie onderdeel in leven onveranderd, genomen van organismen stal en hebben multivariate bescherming... Genoomvariabiliteit en programma's zou niet alleen de dood bedreigen individuen, maar ook biologische soorten. Evolutie hoe het interpreteert klassieke biologie, het kan niet zijn, mutaties worden niet geërfd, een " worden behandeld"informatiesysteem van de levenden ... alle organismen pas je niet aan, maar verzet je omgevingsfactoren en zijn in staat om van hun eigen ervaring te leren. Zowel organismen als hun reproductief mogelijkheden tegelijkertijd werden geprogrammeerd, gemaakt, verschenen. Dit is een van de vele prognostische doelcyclische processen die inherent zijn aan levende wezens. Het eeuwige probleem" kip" en " eieren"bestaat gewoon niet. Het tempo van ontwikkeling informatie technologieën, vooral moleculaire elektronica, zijn verrassend - al 60 jaar uit computerruimtes voor de moleculaire computer... Wetenschappers zijn verrast door de korte, volgens evolutionaire maatstaven, tijdsintervallen waarin biologische soorten complexer en onverklaarbaarder werden mutaties... Door te maken informatie apparaten, H de mensheid mogelijk al door iemand herhaald geslaagd de weg .Informatiecomponent als basis van elk levend organisme bestaat! Tegenwoordig is er echter geen tak van kennis waarvan de methodologie, doelen en onderzoeksmethoden kunnen worden gevonden sleutel naar het informatiegedeelte en informatieprocessen in de levenden. Het is tijd om een ​​veel voorkomende te behandelen chronische ziekte van de beschaving - "flux " eenzijdigheid smalle specialisten! We hebben informatiebiologie nodig als een nieuwe integratiewetenschap waarin moderne informatie, technisch, biologisch, medisch kennis, prestatiesfysica, chemie en stel de taak in om de informatieve essentie van het leven te leren . Hier ligt de meest geheime van geheimen en de meest mysterieuze van de mysteries van de structuur van onze wereld!

Door te maken informatie apparaten, H de mensheidmogelijk al door iemand herhaaldafgelegde afstand ........

Ecologie van het bewustzijn. Wetenschap en ontdekkingen: hoe hard ze ook hun best doen, neurowetenschappers en cognitief psychologen zullen in de hersenen nooit een kopie van de Vijfde symfonie van Beethoven vinden, of een kopie van woorden, afbeeldingen, grammaticaregels of enige andere externe stimulus. Het menselijk brein is natuurlijk niet letterlijk leeg. Maar het bevat niet de meeste dingen waarvan mensen denken dat ze zouden moeten - het bevat zelfs niet zulke eenvoudige objecten als 'herinneringen'.

Hoe hard ze ook proberen, neurowetenschappers en cognitief psychologen zullen nooit een kopie van Beethovens Vijfde symfonie in de hersenen vinden, of een kopie van woorden, afbeeldingen, grammaticaregels of enige andere externe stimulus. Het menselijk brein is natuurlijk niet letterlijk leeg. Maar het bevat niet de meeste dingen waarvan mensen denken dat ze zouden moeten - het bevat zelfs niet zulke eenvoudige objecten als 'herinneringen'.

Onze misvattingen over de hersenen zijn diep geworteld in de geschiedenis, maar vooral de uitvinding van de computer in de jaren veertig bracht ons in verwarring. Al meer dan een halve eeuw stellen psychologen, taalkundigen, neurofysiologen en andere onderzoekers van menselijk gedrag dat het menselijk brein werkt als een computer.

Laten we, om de oppervlakkigheid van dit idee te begrijpen, doen alsof het brein een baby is.Dankzij evolutie komen pasgeboren mensen, net als pasgeborenen van andere zoogdiersoorten, deze wereld binnen, klaar voor effectieve interactie ermee. Het zicht van de baby is wazig, maar hij besteedt speciale aandacht aan de gezichten en kan onder andere snel het gezicht van de moeder herkennen. Hij geeft de voorkeur aan het geluid van stem boven andere geluiden, hij kan het ene basisspraakgeluid van het andere onderscheiden. We zijn ongetwijfeld gebouwd met sociale interactie in het achterhoofd.

Een gezonde pasgeborene heeft meer dan een dozijn reflexen - kant-en-klare reacties op bepaalde stimuli; ze zijn nodig om te overleven. De baby draait zijn hoofd in de richting van degene die zijn wang kietelt en zuigt op alles wat in zijn mond komt. Hij houdt zijn adem in als hij in water wordt ondergedompeld. Hij grijpt de dingen die in zijn handen vallen zo hard vast dat hij er bijna aan blijft hangen.

Misschien wel het belangrijkste is dat baby's in deze wereld verschijnen met zeer krachtige leermechanismen waarmee ze snel kunnen veranderen, zodat ze met toenemende efficiëntie met de wereld kunnen omgaan, zelfs als deze wereld niet dezelfde is als die waarmee ze werden geconfronteerd, hun verre voorouders.

Gevoelens, reflexen en leermechanismen zijn alles waar we mee beginnen en in werkelijkheid zijn er nogal wat van deze dingen als je erover nadenkt. Als we niet vanaf de geboorte een van deze kansen hadden, zou het veel moeilijker voor ons zijn om te overleven.

Maar er is ook iets waarmee we niet geboren zijn: informatie, gegevens, regels, software, kennis, lexicon, representaties, algoritmen, programma's, modellen, geheugens, afbeeldingen, verwerking, routines, encoders en decoders, symbolen en buffers zijn ontwerpelementen waarmee digitale computers zich kunnen gedragen op een manier die enigszins lijkt op redelijk. We worden er niet alleen niet mee geboren - we ontwikkelen het ook niet in onszelf. Nooit.

We slaan geen woorden of regels op die ons vertellen hoe we ze moeten gebruiken. We creëren geen visuele projecties van stimuli, we slaan ze niet op in de kortetermijngeheugenbuffer, en vervolgens brengen we ze niet over naar de langetermijngeheugenopslag. We extraheren geen informatie of afbeeldingen en woorden uit geheugenregisters. Computers doen dit, maar organismen niet.

Computers verwerken letterlijk informatie- cijfers, letters, woorden, formules, afbeeldingen. Informatie moet in eerste instantie worden gecodeerd in een formaat dat door computers kan worden gebruikt, wat betekent dat het moet worden weergegeven als enen en nullen ("bits"), die worden samengevoegd tot kleine blokken ("bytes"). Op mijn computer, waar elke byte 8 bits bevat, staan ​​sommige voor de letter "K", andere voor de letter O en andere voor de letter T. Al deze bytes vormen dus het woord "CAT". Eén enkele afbeelding — laten we zeggen een foto van mijn kat Henry op het bureaublad — wordt weergegeven door een speciale tekening van een miljoen van dergelijke bytes ("één megabyte"), gedefinieerd door speciale tekens die de computer vertellen dat het een foto is en geen woord.

Computers verplaatsen deze tekeningen letterlijk van plaats naar plaats in de verschillende fysieke opbergvakken die binnen de elektronische componenten zijn toegewezen. Soms kopiëren ze de tekeningen en soms veranderen ze ze op verschillende manieren, bijvoorbeeld als we een fout in een document corrigeren of een foto retoucheren.

De regels die een computer volgt om deze gegevenslagen te verplaatsen, kopiëren of manipuleren, worden ook in de computer opgeslagen. De verzamelde sets regels worden 'programma's' of 'algoritmen' genoemd. Een groep algoritmen die samenwerken om ons te helpen iets te doen (zoals aandelen kopen of online naar gegevens zoeken), wordt een 'applicatie' genoemd.

Neem me niet kwalijk voor deze introductie in de wereld van computers, maar ik moet je alles heel duidelijk maken: computers werken eigenlijk aan de symboolkant van onze wereld. Ze slaan echt op en halen ze op. Ze zijn echt aan het verwerken. Ze hebben wel fysieke herinneringen. Ze zijn echt algoritmegestuurd in alles wat ze doen, zonder uitzonderingen.

Aan de andere kant doen mensen dat niet - dat hebben ze nooit gedaan en zullen ze ook nooit doen. Met dit in gedachten zou ik willen vragen: waarom praten zoveel wetenschappers over onze geestelijke gezondheid alsof we computers zijn?

In zijn boek In Our Own Image (2015) schrijft kunstmatige intelligentie-expert George Zarkadakis beschrijft zes verschillende metaforen die mensen de afgelopen twee millennia hebben gebruikt, menselijke intelligentie proberen te beschrijven.

In de allereerste, bijbelse, mensen werden geschapen uit klei en modder, die toen de rationele God begiftigde met zijn ziel, "verklaren" ons intellect - althans grammaticaal.

De uitvinding van de waterbouwkunde in de 3e eeuw voor Christus leidde tot de popularisering van hydraulische modellen van menselijke intelligentie, het idee dat verschillende vloeistoffen in ons lichaam - de zogenaamde. "Lichaamsvloeistoffen" - hebben te maken met zowel fysiek als mentaal functioneren. De metafoor bleef meer dan 16 eeuwen bestaan ​​en werd al die tijd in de medische praktijk gebruikt.

Tegen de 16e eeuw werden automatische mechanismen ontwikkeld, aangedreven door veren en tandwielen; ze inspireerden uiteindelijk vooraanstaande denkers van die tijd, zoals René Descartes, om te veronderstellen dat mensen complexe machines zijn.

In de 17e eeuw suggereerde de Britse filosoof Thomas Hobbes dat het denken voortkwam uit mechanische trillingen in de hersenen. Aan het begin van de 18e eeuw hadden ontdekkingen op het gebied van elektriciteit en scheikunde geleid tot nieuwe theorieën over menselijke intelligentie - en nogmaals, ze waren metaforisch. In het midden van die eeuw vergeleek de Duitse natuurkundige Hermann von Helmholtz, geïnspireerd door de vooruitgang in communicatie, de hersenen met de telegraaf.

Als deze metafoor zo dwaas is, waarom beheerst hij dan nog steeds onze geest? Wat weerhoudt ons ervan om het als onnodig aan de kant te schuiven, net zoals we een tak weggooien die ons pad blokkeert? Is er een manier om menselijke intelligentie te begrijpen zonder te vertrouwen op fictieve krukken? En hoeveel gaat het ons kosten om deze ondersteuning zo lang te gebruiken? Deze metafoor heeft tenslotte schrijvers en denkers geïnspireerd om de afgelopen decennia enorm veel onderzoek te doen in een breed scala van wetenschapsgebieden. Tegen welke prijs?

In de klas, die ik in de loop der jaren vele malen heb onderwezen, heb ik Ik begin met het kiezen van een vrijwilliger om een ​​biljet van één dollar op het bord te tekenen. Meer details, zou ik zeggen. Als hij klaar is, bedek ik de tekening met een stuk papier, haal een biljet uit mijn portemonnee, plak het op het bord en vraag de leerling de opdracht te herhalen. Als hij of zij klaar is, verwijder ik het vel papier van de eerste tekening en dan geeft de klas commentaar op de verschillen.

Misschien heb je nog nooit zo'n demonstratie gezien, of misschien heb je moeite om het resultaat te presenteren, dus vroeg ik Ginny Hyun, een van de stagiaires van het instituut waar ik mijn onderzoek doe, om twee tekeningen te maken. Hier is een tekening uit het hoofd (let op de metafoor):

En hier is de tekening die ze maakte met het bankbiljet:

Ginny was net zo verrast door de uitkomst van de zaak als jij misschien bent, maar dit is niet ongebruikelijk. Zoals je kunt zien, is de tekening, getekend zonder de steun van het biljet, verschrikkelijk in vergelijking met die uit het monster, ondanks het feit dat Ginny het dollarbiljet duizenden keren heeft gezien.

Dus hoe gaat het? Hebben we geen "idee" van hoe een dollarbiljet eruitziet, "geladen" in het "geheugenregister" van de hersenen? Kunnen we het daar niet gewoon "extraheren" en gebruiken om onze tekening te maken?

Natuurlijk niet, en zelfs duizenden jaren neurowetenschappelijk onderzoek zullen niet helpen om het concept van een dollarbiljet te ontdekken dat in het menselijk brein is opgeslagen, simpelweg omdat het er niet is.

Een aanzienlijk aantal hersenonderzoeken toont aan dat in werkelijkheid talrijke en soms uitgestrekte delen van de hersenen vaak betrokken zijn bij schijnbaar triviale taken van het onthouden van informatie.

Wanneer een persoon sterke emoties ervaart, kunnen miljoenen neuronen in de hersenen worden geactiveerd. In 2016 voerden neurofysioloog Brian Levin en collega's van de Universiteit van Toronto een onderzoek uit bij overlevenden van een vliegtuigcrash, waaruit bleek dat de gebeurtenissen van de crash bijdroegen aan een verhoogde neurale activiteit in de amygdala, de mediale temporale kwab, de voorste en achterste middellijn en ook in de visuele cortex van passagiers”.

Het idee van een aantal wetenschappers dat specifieke herinneringen op de een of andere manier worden opgeslagen in individuele neuronen is absurd; Overigens brengt deze aanname de kwestie van het geheugen alleen maar op een nog complexer niveau: hoe en waar wordt het geheugen uiteindelijk in een cel vastgelegd?

Dus wat gebeurt er als Ginny een dollarbiljet trekt zonder een monster te gebruiken? Als Ginny nog nooit een rekening heeft gezien, zal haar eerste tekening waarschijnlijk geenszins op de tweede lijken. Het feit dat ze eerder dollarbiljetten had gezien, had haar op de een of andere manier veranderd. In feite waren haar hersenen zo veranderd dat ze een snavel kon visualiseren - wat in wezen gelijk is - althans gedeeltelijk - aan het opnieuw ervaren van het gevoel van oogcontact met de snavel.

Het onderscheid tussen de twee schetsen herinnert ons eraan dat het visualiseren van iets (het proces van het opnieuw creëren van oogcontact met iets dat niet langer voor onze ogen is) veel minder nauwkeurig is dan wanneer we iets echt zouden zien. Daarom zijn we zo veel beter in herkennen dan in onthouden.

Wanneer we iets in het geheugen reproduceren(Van het Latijnse re - "opnieuw", en produceren - "creëren"), we moeten opnieuw proberen de botsing met een object of fenomeen te ervaren; wanneer we echter iets leren, moeten we ons er gewoon van bewust zijn dat we eerder al de ervaring hadden van subjectieve waarneming van dit object of fenomeen.

Misschien heb je iets tegen dit bewijs. Ginny had al eerder dollarbiljetten gezien, maar ze deed geen bewuste poging om de details te 'onthouden'. Je zou kunnen beweren dat als ze dat deed, ze misschien een tweede afbeelding zou kunnen tekenen zonder het voorbeeld van het dollarbiljet te gebruiken. Toch was er op geen enkele manier een afbeelding van het bankbiljet "opgeslagen" in Ginny's brein. Ze werd gewoon meer bereid om haar in detail te schilderen, net zoals de pianist door oefening vaardiger wordt in het uitvoeren van pianoconcerten zonder een kopie van de bladmuziek te hoeven laden.

Vanuit dit eenvoudige experiment kunnen we beginnen met het bouwen van de basis voor een metafoorvrije theorie van intellectueel menselijk gedrag - een van die theorieën dat de hersenen niet helemaal leeg zijn, maar in ieder geval vrij van de last van IP-metaforen.

Terwijl we door het leven gaan, worden we blootgesteld aan veel gebeurtenissen die ons overkomen. Van bijzonder belang zijn drie soorten ervaringen: 1) We kijken naar wat er om ons heen gebeurt(hoe andere mensen zich gedragen, de geluiden van muziek, instructies aan ons gericht, woorden op pagina's, afbeeldingen op schermen); 2) We zijn gevoelig voor een combinatie van kleine prikkels(bijvoorbeeld sirenes) en belangrijke prikkels(het uiterlijk van politieauto's); 3) We worden gestraft of beloond als we ons op een bepaalde manier gedragen. in een notendop.

We worden efficiënter als we veranderen volgens deze ervaring.- als we nu een gedicht kunnen vertellen of een lied kunnen zingen, als we in staat zijn om de instructies op te volgen die ons zijn gegeven, als we op kleine prikkels op dezelfde manier reageren als op belangrijke, als we proberen ons niet zo te gedragen dat we gestraft worden en ons vaker zo gedragen om een ​​beloning te ontvangen.

Ondanks de misleidende koppen, heeft niemand het flauwste idee welke veranderingen er in de hersenen plaatsvinden nadat we een lied leren zingen of een gedicht leren. Noch liedjes noch gedichten werden echter in onze hersenen "geladen". Het is gewoon op een ordelijke manier veranderd, zodat we nu een lied kunnen zingen of een gedicht kunnen voordragen als aan bepaalde voorwaarden wordt voldaan.

Als we worden gevraagd om op te treden, wordt noch het lied, noch het gedicht ergens uit de hersenen 'geplukt'.- op dezelfde manier als de bewegingen van mijn vingers niet worden "geëxtraheerd" wanneer ik op de tafel drum. We zingen of vertellen gewoon - en we hebben geen extractie nodig.

Een paar jaar geleden vroeg ik Eric Kandel, een neuroloog aan de Columbia University, die de Nobelprijs won voor het identificeren van enkele van de chemische veranderingen die optreden in de neutronensynapsen van de Alysia (zeeslak) nadat het leert - hoe lang. het gaat voorbij voordat we het mechanisme van het functioneren van het menselijk geheugen begrijpen. Hij antwoordde snel: "Honderd jaar." Ik dacht er niet aan om hem te vragen of hij geloofde dat de IP-metafoor de vooruitgang van de neurowetenschap vertraagt, maar sommige neurowetenschappers beginnen inderdaad over het ondenkbare na te denken, namelijk dat deze metafoor niet zo noodzakelijk is.

Een aantal cognitieve wetenschappers - met name Anthony Chemero van de Universiteit van Cincinnati, auteur van het boek Radical Embodied Cognitive Science uit 2009 - verwerpen nu volledig het idee dat het menselijk brein werkt als een computer. De wijdverbreide overtuiging is dat wij, net als computers, de wereld conceptualiseren door berekeningen uit te voeren op zijn mentale beelden, maar Chemero en andere wetenschappers beschrijven een andere manier om het denkproces te begrijpen - ze definiëren het als een directe interactie tussen organismen en hun wereld.

Mijn favoriete voorbeeld, dat het enorme verschil illustreert tussen de IP-benadering en wat sommigen een "anti-representatieve" kijk op het menselijk lichaam noemen, omvat twee verschillende verklaringen van hoe een honkbalspeler een vliegende bal kan vangen, gegeven door Michael McBeath, nu op Arizona State University, en collega's, in een artikel gepubliceerd in 1995 in Science.

Volgens de IP-benadering moet de speler een ruwe schatting formuleren van de verschillende beginvoorwaarden van de vlucht van de bal - impactkracht, baanhoek, enzovoort - en vervolgens een intern model maken en analyseren van de baan die de bal waarschijnlijk heeft. te volgen, waarna het met dit model moet gebruiken om continu bewegingen te sturen en te corrigeren gericht op het tijdig onderscheppen van de bal.

Alles zou goed en prachtig zijn als we op dezelfde manier zouden functioneren als computers, maar McBeath en zijn collega's gaven een eenvoudigere uitleg: om de bal te vangen, hoeft de speler alleen zo te blijven bewegen dat hij voortdurend een visuele verbinding in relatie tot de hoofdbasis en de omgeving.ruimte (technisch gezien, blijf bij een "lineair optisch pad"). Het klinkt misschien ingewikkeld, maar in werkelijkheid is het uiterst eenvoudig en impliceert het geen berekeningen, representaties of algoritmen.

Twee aspirant-psychologenprofessoren van de UK City University of Leeds - Andrew Wilson en Sabrina Golonka - noemen het voorbeeld van honkbal als een van de vele die buiten de IP-benadering kunnen worden gezien. In de loop der jaren hebben ze in hun blogs geschreven over wat ze noemen "een meer coherente, genaturaliseerde benadering van de wetenschappelijke studie van menselijk gedrag... die ingaat tegen de dominante cognitieve neurologische benadering."

Deze benadering is echter verre van de basis van een aparte beweging; de meeste cognitivisten laten kritiek nog steeds varen en houden vast aan de IP-metafoor, en enkele van 's werelds meest invloedrijke denkers hebben grootse voorspellingen gedaan over de toekomst van de mensheid die afhankelijk zijn van de realiteit van de metafoor.

Een van de voorspellingen De - onder andere gedaan door de futurist Kurzweil, natuurkundige Stephen Hawking en neurowetenschapper Randall Cohen - stelt dat aangezien het menselijk bewustzijn geacht wordt te werken als computerprogramma's, het binnenkort mogelijk zal zijn om de menselijke geest in een machine te laden, en dus we zullen een oneindig krachtig intellect worden en mogelijk zullen we onsterfelijkheid verwerven. Deze theorie vormde de basis van de dystopische film 'Supremacy', met in de hoofdrol Johnny Depp, die een Kurzweil-achtige wetenschapper speelt wiens geest is geüpload naar het internet - met ernstige gevolgen voor de mensheid.

Gelukkig, aangezien de IP-metafoor absoluut niet correct is, hoeven we ons nooit zorgen te maken dat de menselijke geest krankzinnig wordt in cyberspace, en we kunnen nooit onsterfelijkheid bereiken door het waar dan ook te uploaden. De reden hiervoor is niet alleen het ontbreken van bewuste software in de hersenen; het probleem zit dieper - laten we het het probleem van uniciteit noemen - dat zowel inspirerend als deprimerend klinkt.

Aangezien er geen geheugenbanken of representaties van stimuli in de hersenen bestaan, en aangezien alles wat van ons wordt vereist om in de wereld te functioneren, hersenveranderingen zijn als gevolg van onze ervaring, is er geen reden om aan te nemen dat een en dezelfde ervaring verandert. ieder van ons in dezelfde mate. Als jij en ik hetzelfde concert bijwonen, zullen de veranderingen die in mijn hersenen plaatsvinden bij de klanken van Beethovens Vijfde symfonie vrijwel zeker anders zijn dan die in je hersenen. Deze veranderingen, wat ze ook mogen zijn, worden gecreëerd op basis van een unieke neurale structuur die al bestaat, en die elk in de loop van je leven vol unieke ervaringen zijn geëvolueerd.

Zoals Sir Frederick Bartlett aantoonde in zijn boek Remembering (1932), is dit de reden waarom geen twee mensen ooit het verhaal dat ze horen op dezelfde manier zullen herhalen, en na verloop van tijd zullen hun verhalen steeds meer van elkaar gaan verschillen.

Er wordt geen "kopie" van de geschiedenis gemaakt; in plaats daarvan verandert elk individu, bij het horen van een verhaal, tot op zekere hoogte - genoeg om later naar het verhaal te worden gevraagd (in sommige gevallen, dagen, maanden of zelfs jaren nadat Bartlett het verhaal voor het eerst aan hen voorlas) - ze zullen in staat zijn om herbeleef tot op zekere hoogte de minuten dat ze naar het verhaal luisterden, hoewel niet erg nauwkeurig (zie de eerste afbeelding van het dollarbiljet hierboven).

Ik veronderstel dat dit inspirerend is omdat het betekent dat ieder van ons echt uniek is - niet alleen in onze genetische code, maar zelfs in hoe onze hersenen in de loop van de tijd veranderen. Het is ook deprimerend, omdat het de ontmoedigende taak van de neurowetenschap bijna onvoorstelbaar maakt. Voor elk van onze dagelijkse ervaringen kan de ordelijke verandering betrekking hebben op duizenden, miljoenen neuronen of zelfs het hele brein, aangezien het veranderingsproces voor elk individueel brein anders is.

Om het nog erger te maken, zelfs als we de mogelijkheid hadden om een ​​momentopname te maken van alle 86 miljard neuronen in de hersenen en vervolgens de toestand van die neuronen te simuleren met behulp van een computer, zou deze uitgebreide sjabloon niet werken voor iets buiten de hersenen waarin het zich bevond. oorspronkelijk gemaakt..

Dit is misschien wel het meest monsterlijke effect dat de IP-metafoor heeft gehad op ons begrip van het functioneren van het menselijk lichaam. Hoewel computers exacte kopieën van informatie opslaan - kopieën die lange tijd onveranderd kunnen blijven, zelfs als de computer zelf spanningsloos was - ondersteunen onze hersenen intelligentie alleen zolang we leven. We hebben geen aan/uit knoppen.

Ofwel de hersenen zetten hun activiteit voort, ofwel verdwijnen we. Bovendien, zoals neurowetenschapper Stephen Rose opmerkte in zijn boek The Future of the Brain uit 2005, kan een momentopname van de huidige toestand van de hersenen ook zinloos zijn als we de volledige levensgeschiedenis van de eigenaar van die hersenen niet kennen - misschien zelfs de details van de sociale omgeving waarin hij of zij is opgegroeid.

Bedenk hoe complex het probleem is. Om op zijn minst de basis te begrijpen van hoe de hersenen de menselijke intelligentie ondersteunen, moeten we misschien niet alleen de huidige staat van alle 86 miljard neuronen en hun 100 biljoen kruispunten achterhalen, niet alleen de verschillende sterktes waarmee ze verbonden zijn, maar ook hoe de dagelijkse hersenactiviteit ondersteunt de systeemintegriteit.

Voeg hier toe de uniciteit van elk brein, gedeeltelijk gecreëerd door de uniciteit van het levenspad van elke persoon en Kandels voorspelling begint al te optimistisch te lijken. (In de onlangs uitgebrachte editorskoy column De neurowetenschapper Kenneth Miller van de New York Times suggereerde dat het "eeuwen" zou duren om op zijn minst basale neurale verbindingen te achterhalen.)

Ondertussen worden er enorme sommen geld uitgegeven aan hersenonderzoek op basis van vaak verkeerde ideeën en onvervulde beloften. Het meest flagrante geval van mislukken van neurologisch onderzoek werd gedocumenteerd in de onlangs vrijgegeven Wetenschappelijk Amerikaans rapport ... Het ging om het bedrag van $ 1,3 miljard dat werd toegewezen aan het Human Brain-project dat in 2013 door de Europese Unie werd gelanceerd.

Overtuigd door de charismatische Henry Markram dat hij tegen 2023 een simulatie van het menselijk brein op een supercomputer zou kunnen maken en dat een dergelijk model een doorbraak zou betekenen in de behandeling van Alzheimer en andere aandoeningen, financierden de EU-autoriteiten het project zonder letterlijk iets op te leggen beperkingen. Minder dan 2 jaar later veranderde het project in een hersenkronkel en werd Markram gevraagd zijn functie te verlaten.

Het zal interessant voor je zijn:

We zijn levende organismen, geen computers. Ga ermee om. Laten we blijven proberen onszelf te begrijpen, maar ons tegelijkertijd ontdoen van onnodige intellectuele lasten. De IP-metafoor bestaat al een halve eeuw en heeft een magere hoeveelheid ontdekkingen opgeleverd. Het is tijd om op de DELETE-knop te drukken. gepubliceerd door

Vertaling: Vlada Olshanskaya en Denis Pronin.

Stel je een experimentele nanodrug voor die in staat is om de geesten van verschillende mensen met elkaar te verbinden. Stel je een groep avontuurlijke neurowetenschappers en ingenieurs voor die een nieuwe manier ontdekken om dit medicijn te gebruiken - het lanceren van een besturingssysteem in de hersenen. Dan kunnen mensen telepathisch met elkaar communiceren door middel van mentale chat, en zelfs de lichamen van andere mensen manipuleren, waarbij ze de acties van hun hersenen onderwerpen. En ondanks het feit dat dit de plot is van Ramez Naam's sciencefictionboek "The Nexus", lijkt de toekomst van de door hem beschreven technologie niet zo ver weg.

IDEE IN HET KORT

Gebaseerd op het voorbeeld van de volgende drie technologische projecten en gekke onderzoeksideeën, kan worden begrepen dat we al één voet in de toekomst hebben, waar verlamde patiënten contact kunnen maken met de buitenwereld, waar het geheugen van de hersenen kan worden uitgebreid door toevoeging van implantaten, en de computerchip zal werken op levende neuronen, menselijk brein.

Hoe u uw hersenen kunt verbinden met een tablet en verlamde patiënten kunt helpen communiceren

Voor patiënt T6 was 2014 het gelukkigste jaar in zijn leven. Dit was het jaar waarin ze de Nexus-tablet kon besturen met behulp van elektromagnetische straling van haar hersenen en letterlijk van het tijdperk van de jaren tachtig met hun Disk Operating System (DOS) naar het nieuwe tijdperk van het Android-besturingssysteem kon reizen.

T6 is een 50-jarige vrouw met amyotrofische laterale sclerose, ook wel de ziekte van Lou Gehrig genoemd, die progressieve schade aan motorneuronen en verlamming van alle organen in het lichaam veroorzaakt. T6 is bijna volledig verlamd vanaf de nek en naar beneden. Tot 2014 kon ze absoluut niet communiceren met de buitenwereld.

Verlamming kan ook optreden door beschadiging van het beenmerg, beroerte of neurodegeneratieve ziekten die het vermogen om te spreken, te schrijven en in het algemeen met anderen te communiceren blokkeren.

Het tijdperk van hersen-machine-interfaces floreerde twee decennia geleden met de creatie van hulpmiddelen om deze patiënten te helpen. Het resultaat was fantastisch: eye-tracking en head-tracking maakten het mogelijk om oogbewegingen te volgen en deze te gebruiken als output om de muiscursor op een computerscherm te besturen. Soms kon de gebruiker zelfs op de link klikken en zijn blik op één punt van het scherm richten. Dit wordt "vertragingstijd" genoemd.

Eye-trackingsystemen waren echter moeilijk voor de ogen van de gebruiker en te duur. Toen verscheen de technologie van neurale protheses, wanneer een tussenpersoon in de vorm van een sensorisch orgaan wordt geëlimineerd en de hersenen rechtstreeks communiceren met een computer. Er wordt een microchip in de hersenen van de patiënt geïmplanteerd en neurosignalen die verband houden met verlangen of intentie kunnen in realtime worden gedecodeerd met behulp van complexe algoritmen en worden gebruikt om een ​​cursor op een computerinterface te besturen.

Twee jaar geleden werd patiënt T6 geïmplanteerd in de linkerkant van de hersenen, verantwoordelijk voor beweging, een 100-kanaals elektrodenset. Tegelijkertijd werkte het Stanford Laboratory aan een prototype prothese waarmee verlamde mensen woorden kunnen typen op een speciaal ontworpen toetsenbord door alleen maar aan die woorden te denken. Het apparaat werkte als volgt: in de hersenen ingebouwde elektroden registreerden de hersenactiviteit van de patiënt op het moment dat ze naar de gewenste letter op het scherm keek, gaven deze informatie door aan de neuroprothese, die vervolgens de signalen interpreteert en ze omzet in continue cursorbesturing en klikken op het scherm.

Dit proces verliep echter uiterst traag. Het werd duidelijk dat de output een apparaat zou zijn dat werkt zonder een directe fysieke verbinding met de computer via de elektroden. De interface zelf zou er ook interessanter uit moeten zien dan in de jaren 80. Het onderzoeksteam van het BrainGate Clinical Institute realiseerde zich dat hun point-and-click-systeem leek op het tikken met een vinger op een touchscreen. En aangezien de meesten van ons elke dag touchpads gebruiken, is de markt daarvoor enorm. Je hoeft ze alleen maar te kiezen en te kopen.

De verlamde patiënt T6 kon het scherm van de tablet Nexus 9 'tikken'. De neuroprothese communiceerde met de tablet via Bluetooth, dat wil zeggen als een draadloze muis.

Het team werkt momenteel aan een levenslange verlenging van de levensduur van het implantaat en aan de ontwikkeling van systemen voor andere motorische manoeuvres zoals selecteren en slepen en multisensorische bewegingen. Daarnaast is BrainGate van plan haar programma uit te breiden naar andere besturingssystemen.

Een computerchip gemaakt van levende hersencellen

Enkele jaren geleden konden onderzoekers in Duitsland en Japan in één seconde 1 procent van de menselijke hersenactiviteit simuleren. Dit was alleen mogelijk dankzij de rekenkracht van een van 's werelds krachtigste supercomputers.

Maar het menselijk brein is nog steeds de krachtigste, energiezuinigste en meest efficiënte computer. Wat als de kracht van deze computer zou kunnen worden gebruikt om de machines van toekomstige generaties van stroom te voorzien?

Hoe gek het ook klinkt, neurowetenschapper Osh Aghabi lanceerde het Koniku-project om dit doel te bereiken. Hij creëerde een prototype van een 64-neurale siliciumchip. De eerste toepassing van deze ontwikkeling was een drone die explosieven kan ruiken.

Bijen onderscheiden zich door een van de meest gevoelige reukvermogens. Sterker nog, ze bewegen zich zelfs door de ruimte door te ruiken. Agabi heeft een drone gemaakt die wedijvert met het vermogen van de bij om geuren te herkennen en te interpreteren. Het kan niet alleen worden gebruikt voor militaire doeleinden en voor het detecteren van bommen, maar ook voor onderzoek naar landbouwgrond, olieraffinaderijen - allemaal plaatsen waar het niveau van gezondheid en veiligheid kan worden gemeten aan de hand van geur.

Tijdens het ontwikkelingsproces hebben Agabi en zijn team drie hoofdproblemen aangepakt: neuronen structureren zoals ze in de hersenen zijn gestructureerd, informatie lezen en schrijven in elk afzonderlijk neuron en een stabiele omgeving creëren.

De technologie van geïnduceerde differentiatie van een pluripotente cel is een methode waarbij een rijpe cel, bijvoorbeeld de huid, genetisch wordt geïntegreerd in de oorspronkelijke stamcel, waardoor elke cel in een neuron kan veranderen. Maar zoals elk elektronisch onderdeel hebben levende neuronen een speciale leefomgeving nodig.

Daarom werden de neuronen in enveloppen geplaatst met een gecontroleerde omgeving om de temperatuur en het waterstofgehalte binnenin te regelen, en om ze van stroom te voorzien. Bovendien kunt u met zo'n schaal de interactie van neuronen met elkaar regelen.

De elektroden onder de huls maken het mogelijk om informatie naar neuronen te lezen of te schrijven. Agabi beschrijft het proces als volgt:

“We wikkelen de elektroden in een omhulsel van DNA en verrijkte eiwitten die neuronen stimuleren om een ​​kunstmatige hechte verbinding met deze geleiders te vormen. We kunnen dus informatie van neuronen lezen of, omgekeerd, informatie op dezelfde manier of via licht of chemische processen naar neuronen sturen."

Agabi gelooft dat de toekomst van technologie ligt in het ontsluiten van de mogelijkheden van de zogenaamde wetware - het menselijk brein in samenhang met machineprocessen.

"Er is geen praktische limiet aan hoe groot we onze toekomstige apparaten zullen maken of hoe we de hersenen anders kunnen modelleren. Biologie is de enige grens."

Verdere plannen van Koniku omvatten de ontwikkeling van chips:

• met 500 neuronen, die een auto zonder bestuurder zullen besturen;
• met 10.000 neuronen - zal het beelden kunnen verwerken en herkennen zoals het menselijk oog dat doet;
• met 100.000 neuronen - het zal een robot creëren met een multisensorische input, die qua perceptuele eigenschappen praktisch niet te onderscheiden is van een mens;
• met een miljoen neuronen - zal ons een computer geven die voor zichzelf zal denken.

Geheugenchip ingebed in de hersenen

Elk jaar ervaren honderden miljoenen mensen problemen met geheugenverlies. De redenen hiervoor zijn verschillend: hersenbeschadiging die veteranen en voetballers plaagt, beroertes of de ziekte van Alzheimer die zich op oudere leeftijd manifesteert, of gewoon hersenveroudering die ons allemaal te wachten staat. Dr. Theodore Berger, een biomedisch ingenieur aan de Universiteit van Zuid-Californië, gefinancierd door het Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), test een geheugenverruimend implantaat dat signaalverwerking simuleert wanneer neuronen weigeren te werken met nieuwe langetermijnherinneringen.

Om het apparaat te laten werken, moeten wetenschappers begrijpen hoe het geheugen werkt. De hippocampus is het gebied van de hersenen dat verantwoordelijk is voor het omzetten van kortetermijnherinneringen in langetermijnherinneringen. Hoe hij het doet? En is het mogelijk om de activiteit ervan te simuleren in het kader van een computerchip?

"Het geheugen is eigenlijk een reeks elektrische impulsen die in de loop van de tijd optreden en worden gegenereerd door een bepaald aantal neuronen", legt Berger uit. "Dit is erg belangrijk, omdat het betekent dat we dit proces kunnen herleiden tot een wiskundige vergelijking en het in het kader van het rekenproces."

Dus begonnen neurowetenschappers de informatiestroom binnen de hippocampus te ontcijferen. De sleutel tot deze ontcijfering was een sterk elektrisch signaal dat van het gebied van het orgel genaamd CA3 - de "ingang" van de hippocampus - naar CA1 gaat - het "uitgangsknooppunt". Dit signaal wordt verzwakt bij mensen met geheugenstoornissen.

"Als we het opnieuw zouden kunnen maken met een chip, zouden we de hoeveelheid geheugen herstellen of zelfs vergroten", zegt Berger.

Maar het is moeilijk om dit pad van decodering te traceren, omdat neuronen niet-lineair werken. En elke onbeduidende factor die bij het proces betrokken is, kan tot totaal andere resultaten leiden.Desalniettemin staan ​​wiskunde en programmeren niet stil, en vandaag kunnen ze samen de meest complexe computationele structuren creëren met veel onbekenden en veel "uitgangen".

Om te beginnen leerden wetenschappers ratten om op een of andere hendel te drukken om iets lekkers te krijgen. Tijdens het herinneren door ratten en het omzetten van dit geheugen in een langetermijngeheugen, hebben de onderzoekers zorgvuldig alle transformaties van neuronen vastgelegd en vastgelegd, en vervolgens, met behulp van dit wiskundige model, creëerden ze een computerchip. Vervolgens injecteerden ze ratten met een stof die hun geheugen tijdelijk destabiliseert en injecteerden ze de chip in de hersenen. Het apparaat tastte het uitgangsorgaan van CA1 aan en plotseling ontdekten de wetenschappers dat het geheugen van de ratten over hoe ze de traktatie moesten maken, was hersteld.

De volgende tests werden uitgevoerd op apen. Deze keer concentreerden de wetenschappers zich op de prefrontale cortex, die herinneringen van de hippocampus ontvangt en moduleert. De dieren kregen een reeks afbeeldingen te zien, waarvan sommige werden herhaald. Nadat de activiteit van neuronen was vastgesteld op het moment dat ze dezelfde afbeelding herkenden, werden op basis daarvan een wiskundig model en een microcircuit gemaakt. Daarna werd het werk van de prefrontale cortex van de apen onderdrukt door cocaïne en konden de wetenschappers het geheugen weer herstellen.

In studies bij mensen selecteerde Berger 12 epileptische vrijwilligers met elektroden die al in hun hersenen waren geïmplanteerd om de bron van hun aanvallen op te sporen. Terugkerende aanvallen vernietigen belangrijke delen van de hippocampus die nodig zijn om langetermijnherinneringen te vormen. Als bijvoorbeeld de activiteit van de hersenen op het moment van de aanvallen wordt bestudeerd, zal het mogelijk zijn om het geheugen te herstellen.

Net als bij eerdere experimenten werd een speciale menselijke "geheugencode" vastgelegd die later het activiteitspatroon in CA1-cellen zou kunnen voorspellen op basis van gegevens die zijn opgeslagen of gegenereerd in CA3. Vergeleken met "echte" hersenactiviteit werkt zo'n chip met een nauwkeurigheid van ongeveer 80%.

Het is te vroeg om te spreken over concrete resultaten na experimenten op mensen. In tegenstelling tot de motorische cortex van de hersenen, waar elke sectie verantwoordelijk is voor een specifiek orgaan, is de hippocampus chaotisch georganiseerd. Het is ook te vroeg om te zeggen of een dergelijk implantaat in staat zal zijn om het geheugen te herstellen van degenen die lijden aan schade aan het "uittredende" deel van de hippocampus.

Een problematische kwestie blijft de kwestie van de geometrie van het algoritme voor een dergelijke chip, aangezien het experimentele prototype is gemaakt op basis van individuele gegevens van specifieke patiënten. Wat als de geheugencode voor iedereen anders is, afhankelijk van het type invoer dat het ontvangt? Berger herinnert zich dat het brein ook wordt beperkt door zijn biofysica:

"Er zijn maar een beperkt aantal manieren waarop elektrische signalen in de hippocampus kunnen worden verwerkt, die ondanks hun vele natuurlijk toch beperkt zijn", zegt de wetenschapper.

Anastasia Lvova