V lidských neuronech vědci objevili mini-počítače – a to je skvělá zpráva pro umělou inteligenci
Po 70 let byly neurony považovány za základní jednotku “výpočetního výkonu” lidského mozku. Teď se ale ukazuje, že to nemusí být tak úplně pravda. Proč? Úplně zjednodušeně proto, že části neuronů, většinově považované za pouhé pasivní vodiče informací, nejspíše informace také zpracovávají. Což znamená, že mozek může být mnohonásobně výkonnější, než jsme si mysleli. A pokud se z těchto nových poznatků ponaučí algoritmy hlubokého učení, které jsou na modelu lidského mozku postaveny, tak mohou být o mnoho výkonnější také.
Na konci neuronů existují stromům podobající se přívěsky zvané dendrity, které posílají a přijímají elektrochemické signály ze svého okolí. Už v roce 2017 objevil tým z Kalifornské univerzity v Los Angeles (UCLA) dříve nepoznanou “vrstvu” komunikace ukrytou v dendritech. Dendrity byly dříve považovány za pasivní vodiče, ale tento tým zjistil, že dendrity nejsou tak pasivní, jak se předpokládalo. Aktivně totiž generují vlastní výboje, a to až 5x silnější (a také častější), než výboje z těla neuronů (soma). To předznamenalo možnost, že se velká část informačního zpracování děje v dendritech aniž by o tom tělo neuronů vědělo. “Tato informace mění podstatu našeho chápání procesu zpracovávání informací lidským mozkem,” vyjádřil se v té době Dr. Mayank Mehta, vedoucí studie.
Do nedávna bylo ale poznání o dendritických sítích založeno pouze na zkoumání hlodavců. To chtěl změnit Matthew Larkum a jeho tým na Humboldt University of Berlin. Chtěli zjistit, jak se dendritická aktivita liší u lidí. Z neurologického hlediska totiž není až tak jasné, jaká část fyziologie lidského mozku nás činí tak speciálními. Nicméně existují různé indicie. Například že lidský mozek má oproti hlodavcům speciální „vývojový program“, díky kterému dochází k disproporčnímu houstnutí druhé a třetí kortikální vrstvy (L2/L3). To znamená, že tyto vrstvy mají více šedé kůry a neuronů s komplikovanou dendritickou strukturou. Někteří lidé si dokonce myslí, že tento proces může být to hlavní, co nás činí lidmi. Výzkumný tým se tedy rozhodl zkoumat fyziologii dendritů ve vzorku L2/L3 tkáně odebrané při běžné operaci epileptických pacientů.
Studium ex vivo lidských tkání L2/L3 mozkové kůry přineslo nové zjištění – aktivita L2/L3 dendritů je o mnoho komplexnější než se doteď předpokládalo. Modelováním aktivity dendritů byli autoři schopni demonstrovat schopnost jednotlivých neuronů řešit komputační problémy, na které doteď byy potřeba mnohovrstvé sítě neuronů.
Už dlouhou dobu se předpokládalo, že neurony jsou schopny provádět logické operace AND a OR. Podle nových poznatků ale dokáží i samotné vstupní kabely neuronů (dendrity) vykonávat komplexní logické operace (jako XOR) podle úplně jiných pravidel než neuron. Funkce XOR je především důležitá v kontextu historie počítačových věd a výzkumu umělé inteligence. Po dlouhou dobu se totiž myslelo, že taková funkce je s jedním neuronem nemožná. V roce 1969 zveřejnili dva pionýři umělé inteligence Marvin Minsky a Seymour Papert teoretický důkaz tohoto tvrzení v knize Perceptrons. Tento závěr byl pro mnoho počítačových vědců tak devastující, že jej označují za jeden z hlavních důvodů, proč v 70. letech přišla takzvaná zima pro výzkum umělé inteligence.
Podle nových poznatků je vše jinak. Je to jako náhle zjistit, že kabely vedoucí do procesoru jsou vyrobené z mini-procesorů, které předzpracovávají informace, než je pošlou do hlavního procesoru. Což je velmi bizarní a poněkud kontroverzní myšlenka. Kontroverzní, ale experimentálně dokázaná. Výzkumný tým totiž po důkladném studiu chování vzorků na jejich základě vymodeloval počítačovou simulaci. V této simulaci se ukázalo, že dendritické akční potenciály jsou opravdu schopné provést početní funkci XOR, na kterou byla doteď potřeba mnohovrstvá neuronová síť. Toto poznání by podle výzkumníků mělo být možné implementovat do stávajících architektur neuronových sítí a výrazně tím zjednodušit dané výpočty. A tedy obrovsky zefektivnit celý proces.
A co dendrity, tyto mini-procesory, vlastně počítají? Podle prozatím omezených poznatků počítají to, co my vnímáme jako tady a teď. Alespoň se to odvozuje z experimentu na myších, při kterém byla sledována aktivita jejich těl neuronů a zároveň dendritů. Tělo neuronů vypálilo výboj (takzvaný akční potenciál) při očekávání akce, zatímco dendrity prováděly své komputace právě ve chvíli, kdy sledované zvíře něco opravdu udělalo. “Naše poznatky naznačují, že jednotlivé kortikální neurony dostávají informaci o současném stavu světa skrze dendrity, a na základě toho se tvoří předpovídající reakce v těle neuronu,“ řekl Dr. Mayank Mehta.
Zajímavostí je, že oproti typickým akčním potenciálům neuronů, které buď pálí nebo ne (přirovnávají se k digitálnímu přenosu informací – 0 nebo 1), mohou být nově objevené dendritické akční potenciály také stupňovité (podobné analogovému signálu). Ještě větší zajímavostí je, že dendrity nejspíš mají jakousi maximální mezní hranici pro stimul. A když je ta hranice překročena, tak se začne místo zvyšování výsledné amplitudy signálu jeho amplituda naopak snižovat.
Co to všechno znamená? Pokud by byla kapacita informačního zpracování lidského mozku založena čistě na objemu, mohla by být až 100x větší, protože dendrity jsou přibližně 100x větší než těla neuronů. Jinými slovy: lidské neurony jsou nejspíše o mnoho výkonnější, než jsme si doteď mysleli. A pokud se z těchto nových poznatků ponaučí algoritmy hlubokého učení, které jsou na modelu lidského mozku a jednoduchých “hloupých” neuronů postaveny, tak mohou být o mnoho výkonnější také. Zároveň jsou všechny tyto informace jsou obrovským krokem kupředu v pochopení unikátního fungování lidského mozku a jeho odlišnosti oproti ostatním druhům.
Přečtěte si na: Scientists Discovered ‘Mini-Computers’ in Human Neurons—and That’s Great News for AI
