המרוץ לפיתוח מוח אלקטרוני – הכי קרוב לדבר האמיתי

חוקרים בנו שבב סיליקון פשוט המחקה את פעולתן של רשתות תאי מוח

מאת ינאי עופרן

מה יש במוח שמאפשר לו לבצע משימות שאף מחשב לא מצליח לבצע? הרבה מודלים הוצעו בעבר כדי להסביר מה כל כך מיוחד בדרך שבה המוח מעבד מידע. השבוע נרשמה פריצת דרך משמעותית כשקבוצת חוקרים שווייצית-אמריקאית דיווחה שהצליחה לפתח שבב סיליקון המתבסס על עקרונות הפעולה של רשתות תאי מוח. המעבד הפשוט הזה, כך מתברר, מצליח לבצע בקלות מטלות שמחשבים רגילים צריכים בשבילן כמות גדולה של משאבים, זמן ואנרגיה. החוקרים צופים שהשבב החדש יביס את כל מתחריו האלקטרוניים, לפחות בסוגים מסוימים של חישובים.

המחשבים האלקטרוניים מצדם צפויים לשמור את היתרונות שיש להם על פני המוח בסוגים אחרים של חישובים. חישוב מכפלתם של שני מספרים בעלי 100 ספרות, למשל, הוא עניין של שניות אפילו בשביל מחשב ביתי מיושן, אבל משימה בלתי אפשרית לאדם שאין לו נייר ועיפרון.

אבל המוח יכול לפתור כלאחר יד בעיות שהמשוכללים במחשבים לא מצליחים לפתור אפילו לאחר מאמץ ממושך. זיהוי פנים, למשל. לא קשה לזהות ברחוב, מבין עשרות פרצופים אנונימיים, את חיים יבין – גם אם רואים אותו, נניח, רק מהפרופיל, זווית שממנה גם צופי “מבט” המסורים ביותר לא ראו אותו בעבר. המוח יכול להסיק בתוך חלקיקי שנייה, גם מהזווית הזאת, איך נראה הפרצוף הזה מלפנים ולקשר אותו לפניו של חיים יבין, השמורות בזיכרון. באותו זמן המוח מתעלם מכל שטף האינפורמציה העצום שמוזרם אליו מכל הפרצופים האחרים, הזרים, ברחוב.

יכולת זיהוי הפנים אינה ייחודית לבני אדם. שימפנזים, למשל, יכולים לקבוע במידה רבה של הצלחה אם שני שימפנזים זרים, שמוצגים להם בתמונה, הם אם ובנה. אבל כשמגיעים למחשבים, זה פשוט לא עובד. אין היום מחשב, משוכלל ככל שיהיה, שיכול לעשות משהו דומה, לא מבחינת הדיוק ולא מבחינת היעילות ומהירות.

לא רק שהמוח מסוגל לברור רק את מה שרלוונטי מתוך בליל של נתונים, אלא שגם אם המידע שמוזרם אליו לא מושלם או לא מדויק הוא מסוגל לפעמים להשלים את החסר. אם אין לו הכלים לתת תשובה מדויקת, הוא מצליח ברוב המקרים לספק תשובה מקורבת טובה למדי, ומעל לכל, הוא מסוגל ללמוד ולהשתפר בביצוע משימות. כל אחת מהיכולות הללו היא בעיה קשה בשביל מחשב.

איך מצליח המוח לעשות זאת? ההבדל נעוץ כנראה בארכיטקטורה – המבנה של יחידות החישוב, שמעוצב בשתי המערכות בצורה שונה לחלוטין. המבנה האנטומי ומנגנוני הפעולה הבסיסיים של תאי המוח מוכרים לחוקרים כבר עשרות שנים, ובכל זאת עוד לא ברור איך הם מאפשרים את ביצוע המשימות המסובכות האלה. המוח הוא מערכת של מיליוני מיליארדים של תאים. כל אחד מהם יכול לקבל ולהעביר זרמים חשמליים לאלפי תאים אחרים. כשזרם חשמלי כזה מגיע לתא היעד, הוא יכול לגרום לו לירות זרמים חשמליים אל התאים שאתם הוא בקשר, או לחלופין להשתיק אותו. הזרם יכול גם לא להשפיע על התא בכלל – הכל תלוי בעוצמת הזרם ובסוג התא שממנו הוא התקבל.

תיאורטיקנים מנסים כבר שנים להסביר איך יכולה רשת כזאת לבצע חישובים מסובכים כל כך. ריצ'רד הנלוזר משווייץ וקבוצת חוקרים אמריקאים שעבדו אתו החליטו לבדוק את התיאוריות האלה. הם ניסו לחקות את עקרונות הפעולה של המוח בעזרת מערכת פשוטה של מעגלים חשמליים על גבי שבב סיליקון. במערכת שבנתה הקבוצה יש 16 תאים חשמליים המייצגים 16 תאי מוח. כל אחד מהתאים יכול להזרים זרמים חשמליים לעצמו ולתאים שסביבו, כך שאם הוא מקבל אות, כלומר אם מוזרם אליו זרם חשמלי, הוא מעביר זרמים לשכנים שלו, שגם הם מעבירים זרמים לשכנים שלהם וכן הלאה. במרכז המערכת הם שמו תא מדכא – תא שיכול לקבל זרם מכל אחד מהתאים, ובתגובה להעביר אליהם אותות שמפחיתים את עוצמת הזרם שהם מעבירים לשכניהם. סוגים כאלה של קשרים דומים מאוד לסוגי הקשרים שמקיימים ביניהם תאי המוח.

כשהחוקרים בדקו את הדרך שבה עיבדה המערכת הפשוטה הזאת זרמים חשמליים הם גילו מאפיינים שמזכירים מאוד את ההתנהגות של המוח. כשהוזרמו למערכת הרבה זרמים חשמליים להרבה תאים בעת ובעונה אחת, היא התעלמה מרוב הזרמים ועיבדה רק את הזרם החזק ביותר, בדומה למנגנון הקשב של המוח – המנגנון שממקד את תשומת הלב באותות החשובים ומתעלם מרעשים וממידע שאינו רלוונטי באותו רגע. ישנן גם מערכות ממוחשבות המסוגלות לבחור את האות החזק ביותר מתוך בליל של אותות, אבל המערכת הזאת פשוטה ויעילה הרבה יותר.

בגיליון האחרון של כתב העת “Nature”, שם החוקרים מדווחים על המערכת, הם מספרים גם על חישובים ומדידות שערכו, המראים שהדרך שבה המערכת מעבדת מידע דומה מאוד לפעילות של רשתות תאי מוח מבחינות נוספות. למשל, הם גילו דמיון רב בין התנהגות המערכת לבין הפעילות המוחית, כפי שהיא נמדדת על ידי פיסיולוגים, בעת למידה ושימוש בזיכרון.

חוקרים בעולם רואים במחקר הזה את אחת מפריצות הדרך הגדולות בשנים האחרונות, שיכולה לחולל מהפכה גם בחקר המוח וגם במדעי המחשב. המערכת, הם מקווים, תסלול את הדרך לגיבוש תיאוריה, שתסביר סוף סוף איך היחידות הבסיסיות הפשוטות שבונות את המוח – התאים והקשרים ביניהם – פועלות בתיאום ליצירת מכונת חישוב מתוחכמת. תיאוריה כזאת תוכל לא רק לעזור בהבנת המוח, אלא אולי גם לספק כלים חדשים למדעי המחשב – כלים שיספקו דרכים חישוביות לפתרון בעיות שנראו עד היום לא פתירות.
{הופיע בעיתון הארץ, 26/6/2000}

https://www.hayadan.org.il/BuildaGate4/general2/data_card.php?Cat=~~~318315066~~~207&SiteName=hayadan