Вступление

Человек бесконечно создает себе помощников, облегчая себе жизнь и увеличивая производительность труда, а значит и улучшая с каждым годом качество жизни. Пожалуй, самым значительным качественным скачком в научном прогрессе последнего века стало создание компьютера. Также как в свое время научно-технический прогресс привел к созданию станков, облегчающих физический труд рабочих и значительно повысил производительность труда и качество жизни, так и в 20 веке создание компьютера привело к значительному увеличению производительности умственного труда. Бурный рост науки и высокотехнологичных производств в последние десятилетия во многом обусловлен появлением компьютеров. Именно благодаря компьютеру человечество поднялось еще на одну ступеньку вверх по лестнице прогресса и без компьютеров обойтись уже не сможет никогда.

Массовое распространение компьютеров привело к тому, что практически большая часть накопленной человечеством информации и знаний находится в электронном виде. В век технического прогресса возрастают и потребности в информации. Очень скоро оказалось, что один компьютер не может содержать всей необходимой для работы информации. Появились сначала локальные сети, а затем и глобальные, яркий пример которых являет собой Internet, который поглотил практически все существовавшие до него глобальные сетевые структуры.

Между тем, события приобретают драмматический характер. Поток информации в сети возрастает наподобие снежного кома, она накапливается, копируется и преумножается. Качетсвенно изменился и состав информации, с которой приходится работать компьютеру. Если раньше это были символы и цифры, операции с которыми относительно просты, то сейчас это графика, видео- и аудио-информация. Но разница не только в объеме информации, разница в характере информации. Символьная информация является малоразрядной, и позволяет совершать практически любую обработку, графическая и аудиоинформация является многоразрядной, элементы которой неразъемны и требуют обработку только в совокупности, т.е. образно.

Существующие компьютеры представляют всю находящуюся в них информацию, будь то символьная, графичесткая или аудио, как набор элементарных составляющих и производит операции не целиком с образом, а с каждой составляющей этого образа отдельно. Возрастающий объем образной информации привел к «информационному врыву». Наглядно этот «взрыв» демонстрируют следующие вычисления. Допустим компьютер оперирует с n-разрядными символами. Для описания алгоритма произвольного преобразования таких символов потребуется log₂(2ⁿ²ⁿ)=n2ⁿ бит информации или 2ⁿ таких же символов.

Для работы с таким объемом информации постоянно требуются все большие и большие вычислительные мощности. И вот здесь, в этой погоне за скоростями, наблюдается несколько тупиковых ситуаций.

Прежде всего это закон Мура, которого придерживается лидер микропроцессорных технологий компания Intel. Закон Мура гласит, что производительность процессоров должна удваиваться каждые полтора года. По всей видимости, этот закон отражает реальный рост потребностей рынка. Пределом для существующих технологий является 0,13 мкр технология, а новейшие процессоры выпускаются уже по 0,18 мкр технологии. Ожидается, что в ближайшие год-два Intel не сможет выпускать новые процессоры с ростом производительности согласно закону Мура, однако, потребности человечества будут возрастать с прежними темпами.

Можно идти и по пути роста разрядности процессоров, повышая тем самым поток данных обрабатываемых одновременно, но и здесь не все гладко. Согласно эмпирическому закону Рента, число элементов современных процессоров, оперирующих с n-разрядной информацией растет как n4,8. Данный закон, распространенный на разрядность выше 100 дает совершенно нереалистичные размеры процессора. Компания Intel и в этом законе, пройдя стадии 8-ми, 16-ти, 32-х и новейшей 64-разрядности, подошла практически к пределу возможностей.

Да и применяемость самих компьютеров в их настоящем виде имеет вполне определенные границы. Компьютер - это лопата, только кораздо более дорогая. Компьютер на данном этапе не может заменить человека, а способен лишь облегчить его труд. Безусловно, человечество должно шагнуть на качественно новый уровень по пути прогресса и создать «умную» машину, способную не только вычислять, но и творить. Такие машины уже существуют, и называются они нейрокомпьютеры. Чтобы понять чем отличается компьютер от нейрокомпьютера необходимо четко представить что и как делает человеческий мозг, т.к. человек создавал компьютер для помощи своему мозгу «по его образу и подобию».

МОЗГ
Из чего состоит

Говорить о работе человеческого мозга непросто, не только потому, что он очень сложен, но и потому, что исследования мозга начались не так давно, и еще не все с ним ясно. Как сказал доктор известном фильме «Формула любви»: «Голова - предмет темный и исследованию не подлежит». Тем не менее, для понимания нашей проблемы знаний пока хватает.

Мозг состоит из клеток двух типов: глиальных и нейронов. Видимо роль обеих клеток в работе мозга велика, тем не менее, ученые полагают, что принципы работы мозга можно понять путем изучения работы нейронов, объединенных в единую связанную сеть.

По оценкам ученых человеческий мозг содержит 1010-1011 нейронов. Нейрон имеет достаточно сложное устройство: тело клетки (сому), множество ветвящихся коротких отростков (дендриты), длинный и тонкий отросток (аксон). Аксон также разветвляется и образут контакты (синапсы) с дендритами других нейронов. Каждый нейрон устанавливает синаптические связи в среднем с 104 другими нейронами. Число связей в мозге оценивается в 1014-1015.

Как же это все работает? Внутриклеточное пространство нейрона заряжено отрицательно относительно внеклеточного. Поляризация нейрона обусловлена избирательной проницаемостью клеточной мембраны для ионов натрия и калия. Если внешним образом изменить потенциал мембраны вблизи выхода аксона, то проницаемость мембраны меняется приводя к кратковременной деполяризации. Такой электрический импульс распространяясь по всем ветвлениям аксона через синапсы достигает дендритов или сомы других клеток. Под действием этого сигнала в синапсах выделяются специальные химические вещества - нейромедиаторы, которые взаимодействуя с мембраной нейрона-приемника изменяют и его потенциал. Таким образом воздействие передается от одного нейрона к другому со скоростью примерно 100 м/с. Воздействие может являться как возбуждающим - способствующим дальнейшей генерации волны, так и ингибирующим - препятствующим генерации. Тип воздействия определяется химической природой нейромедиатора, выделяющегося в синапсе. После генерации импульса нейрон некоторое время не может активироваться. Поэтому частота с которой нейрон может генерировать импульсы ограничивается примерно 100 Гц.

Любая информация проходящая через такую сеть не только подвергается изменению, но и изменяет свойства самой сети. Соответственно любая другая информация проходя через эту сеть изменяется уже с учетом ранее полученной информации. Таким образом происходит накопление опыта. Многократное прохождение одинаковой информации как бы закрепляет ее.

Структура

Мозг не только дает нам возможность мыслить, творить, вычислять, чуствовать, он управляет всеми функциями нашего организма. В его структуре, как в книге по истории, отражены все этапы становления жизни на земле.

Информацию, хранимую мозгом, можно условно разделить на генетическую и приобретенную. Генетическая информация (безсознательная) - программа направленная на поддержание важнейших функций организма и на оперативную реакцию на всевозможные изменения среды. Такая информация способна изменяться из поколения в поколение, с помощью крайне редких полезных мутаций. Очевидно, что организмы, использующие только генетическую информацию способны на жизнь, но они будут весьма зависимы от меняющихся внешних факторов. Естественно, что организмы приобретшие более оперативную память стали выигрывать в конкурентной борьбе за выживание. Таким образом, многие организмы помимо врожденной генетической информации обладают еще и некоторым объемом накопленной в процессе жизни. Сначала объем накопленной информации дополнял генетическую, а затем и перерос ее.

Организмы с малым объемом приобретаемой информации должны быть плодовиты, т.к. потомство плохо приспосабливается к условиям жизни. Высшие же организмы с большим объемом приобретаемой информации менее плодовиты, но более живучи. Безусловным лидером в развитии оттделов мозга, отвечающих за приобретаемую информацию стал человек. Такое опережающие развитие мозга у человека как раз и стало причиной болезненных родов.

Мозг человека включает в себя три больших отдела, управляющих наиболее древней структурой (нейрошасси), доставшейся нам еще от рыб и амфибий, и ответственных за поддержание жизнедеятельности и размножение. Это своего рода BIOS человека. Первый отдел - рептильный комплекс - возник несколько сот миллионов лет назад и помогает нам ориентироваться в пространстве. Второй отдел - лимбическая система - отвечающий за наши эмоции образовался около ста пятидесяти миллионов лет назад. Ну и наконец, самое «новое» приобретение - новая кора - особо развитый у человека отдел, позволяющий говорить и логически мыслить.

Безусловно, мозг является самым важным «органом» в организме. Можно даже сказать, что все остальное в организме создано лишь для того, чтобы существовал мозг. При своей массе составляющей примерно 5% от массы тела, мозг потребляет примерно 20% кислорода (и соответсвенно энергии). В состоянии сна мозг потребляет еще больше энергии, но это отдельная тема, которая видимо не войдет в эту статью. При всем этом мозг задействован не на полную мощность: одновременно активны лишь 2-3% нейронов. Одновременная активность большого числа нейронов мозга проявляется в виде эпилептических припадков. А аномальная активность различных частей мозга проявляется как различные формы психических растройств.

Восприятие

Помимо эволюционного разделения частей мозга, различают и три типа нейронных струкур из которых состоит мозг: сенсорные (включая внутренние) и эффекторные. Сенсорная часть, естественно, отвечает за восприятие нами внешнего мира - зрение, слух, вкус, обоняние, осязание и вестибулярный аппарат. Эффекторные управляют функциями организма - мышцами, внутренними органами, стенками сосудов и т.д.

Современные компьютеры обладают возможностью вводить изображение и звук, но только мозг способен воспринимать информационный образ целиком, только мозг обладает вниманием и сосредотачением внимания на необходимой ему информации, игнорируя остальную.

Память

Компьютер работает с большими массивами памяти. Память компьютера может содержать программы, изображение, звук и т.д. Компьютер имеет адресную структуру памяти. Адрес нахождения информации в памяти компьютера никак не связан с хранимой информацией, и вычисляется с помощью дополнительных процедур. Это обстоятельство значительно усложняет поиск информации по частично известному содержанию.

Мозг использует способ поиска информации не по адресу, а по содержанию, или по ее достаточно представительной части. Так например, за запевалой подхватывают песню другие участники застолья, прослушав достаточный для поиска в памяти отрывок песни. Такой вид памяти, способный восстанавливать полную информацию по ее достаточной части, называется содержательно-адресованной.

Мозг способен извлекать из памяти информацию, даже если исходные данные являются не собственно ее частью, а связаны с ней устойчивой связью. На том же застолье ведущий может не начать песню, а сказать «давайте нашу любимую» и все запоют, например, «Катюшу». Такая память называется ассоциативной.

Кроме того, в отличие от компьютера, память определенного образа не находится в строго определенном месте. Например, образ любимой женщины не находится в каком-то определенном нейроне, он распределен по группе нейронов. Соответственно память является распределенной.

Мозг обладает огромной компенсаторной возможностью. При поражении обширных участков мозга, соответствующие функции берут на себя другие его части. Такое свойство системы называется робастностью (robust - крепкий, здоровый). Вспомните компьютер. Что будет, если, к примеру, программа с дискеты прочитается с ошибкой? Просто не будет работать программка.

Еще одним важным свойством памяти является ее активность. Человек способен на основе виденного или слышанного представить картину событий, в которых он никогда не участвовал. Это свойство памяти часто проявляется в процессе художественного и литературного творчества человека.

Распределенность памяти и робастность функций мозга не обозначает безструктурность. Мозгу присуща локализация функций. Так, в области затылка расположена зрительная кора, а лобные доли ответственны за планирование поведения. Интересно что такая локализация была обнаружена японцами при помощи русских. Во время русско-японской войны русские применяли новые ружья с более высокой скоростью пули, бывало, что такие пули попадая в головы японских солдат не убивали их, а вызывали поражение тех или иных участков мозга. Таким образом японским врачам удалось накопить достаточно материала для связи растройств восприятия и поведения с местом поражения коры мозга.

Итак, человеческая память отличается от компьютерной тем, что она: содержательно-адресованная, ассоциативная, распределенная, робастная и активная.

Мышление

Несмотря на множество других отличий мозга от современного компьютера, обсуждение способности к мышлению наиболее ярко покажет нам эти различия. Казалось бы что компьютеру должно быть доступно все то, что доступно человеку. Он отлично считает сложные математические уравнения, осуществляет логические выводы, играет в шахматы и т.д. Однако, компьютер может решать только те задачи, которые могут быть формализованны, т.е. представлены в виде последовательности операций - алгоритмов.

Математические вычисления и логические выводы доступны и человеку, однако, это далеко не все, что мы понимаем под мышлением. И действительно, компьютеры давно превзошли человека в качестве и скорости обработки математической информации, но все же их нельзя назвать умными.

За такого рода «точное» мышление отвечает левое полушарие человеческого мозга, которое условно можно сопоставить с современным компьютером. Работа левого полушария позволяет нам говорить, строить грамматически правильные фразы, писать. Оно ответственно за наше восприятие времени, и похоже, вследствии этого обрабатывает информацию последовательно, шаг за шагом.

По всей видимости, чуство времени именно левым полушарием, обусловленно тем, что матери удобнее держать ребенка головой к левой груди, так чтобы правая рука была свободна. В это время, ребенок слышит правым ухом сердце матери, которое является первым в его жизни метрономом. А так как правое ухо связано с левым полушарием, то и левое полушарие «привыкает» жить по временным тактам.

Математика, наука, логика - являются последними достижениями человеческого мышления. И в данном случае, развитие вычислительной техники идет из конца в начало эволюции человеческого мозга. Пропущенным оказался целый пласт возможностей мозга, реализованных в правом полушарии.

Какой характер информации обрабатывается в правом полушарии? Правое полушарие ответственно за наше восприятие пространства, за смысл слов, интуицию, воображение, образное мышление. В отличие от левого полушария, которое обрабатывает информацию последовательно по алгоритмам, правое обрабатывает информацию параллельно, целыми образами.

Для левого полушария характерна работа с абстрактными именами объектов - символами, а для правого - с их образами. Для правого полушария подходит высказывание «лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать». Можно сказать, что слово «собака» известно левому полушарию, а образ конкретной «Жучки» - правому.

Именно благодаря оперированию целыми образами мы можем воспринимать и обрабатывать большой объем поступающей внешней информации. При всем своем быстродействии никакой современный компьютер не в состоянии будет переработать столько. Как в левом полушарии, так и в правом бывают ошибки. Кто из нас не знаком с ситуацией, когда вы говорите «извените, я обознался»? Тем не менее, данная точность и скорость работы с образами достаточна для нашей жизни.

To be continue

В этой статье мы обсудили работу мозга и сравнивали его с компьютером.

Если коротко, то современные компьютеры являются последовательными и предназначены только для решения формализованных задач, т.е. подлежащих алгоритмизации. Такой тип мышления характерен для левого полушария нашего мозга.

Нейрокомпьютеры, по своей структуре больше похожи на мозг и подобны правому его полушарию. Для них характерны параллелизм обрабатываемой информации и способность решать задачи, алгоритмов решения которых не существует.

Во второй части статьи «нейрокомпьютинг» мы поговорим о конкретных реализациях нейрокомпьютерных вычислений.