Человеческий мозг достаточно сложен, он состоит из около 100 миллиардов нейронов, составляя порядка 100 триллионов соединений. Его часто сравнивают с другой сложной системой - компьютером. Оба содержат большое количество элементарных единиц - нейронов и транзисторов, которые соответственно подключены к сложным схемам для обработки информации, передаваемой электрическими сигналами. На глобальном уровне архитектуры мозга и компьютера напоминают друг друга.
Сравнение компьютера и мозга будет поучительным как компьютерным инженерам, так и нейрофизиологам.
Это сравнение началось на заре современной компьютерной эры, в небольшой книге «Компьютер и мозг» Джона фон Неймана, который в 1940-х годах впервые разработал компьютерную архитектуру, которая по-прежнему лежит в основе большинства современных компьютеров.
- У компьютера есть огромные преимущества над мозгом в скорости основных операций.
Как с точки зрения спайков, так и синаптической передачи мозг может выполнять не более тысячи базовых операций в секунду, или в 10 миллионов раз медленнее, чем компьютер.
- Компьютер также имеет огромные преимущества над мозгом в точности основных операций.
Большинство качеств нервной системы (частота возбуждения нейронов, которая используется для представления интенсивности стимулов), имеет погрешность в несколько процентов из-за биологического шума, что в миллион раз хуже, чем у компьютера.
Важным различием между компьютером и мозгом является способ обработки информации.
Компьютерные задачи выполняются в основном на последовательных этапах. Это хорошо видно как инженеры программируют компьютеры, создавая последовательный поток инструкций. Для этого последовательного каскада операций на каждом шаге требуется высокая точность, так как ошибки накапливаются и усиливаются последовательными шагами.
Мозг также использует последовательные шаги для обработки информации.
Но также он использует массовую параллельную обработку, используя большое количество нейронов и большое количество соединений, которые производит каждый нейрон.
Эта широкомасштабная параллельная стратегия возможна, потому что каждый нейрон собирает множество входов и отправляет выходные данные во многие другие нейроны - порядка 1000. В отличие от нейрона, каждый транзистор имеет только три узла для ввода и вывода. Информация от одного нейрона может быть доставлена на многие параллельные пути вниз по течению. В то же время многие нейроны, которые обрабатывают одну и ту же информацию, могут объединять свои входы в один и тот же нисходящий нейрон. Это последнее свойство особенно полезно для повышения точности обработки информации.
Еще одним характерным свойством мозга, является то, что сила связи между нейронами может быть изменена в ответ на активность и опыт - процесс, который, как широко считают нейрофизиологи, является основой для обучения и памяти. Повторное обучение позволяет схемам нейронов лучше конфигурироваться для выполняемых задач, что приводит к значительному повышению скорости и точности.
За последние десятилетия инженеры вдохновившись знаниями о мозге, стали улучшать конструкцию компьютеров.
Принципы параллельной обработки и зависящей от использования модификации силы соединения были включены в современные компьютеры.
Например, увеличенный параллелизм, такой как использование нескольких процессоров (ядер) на одном компьютере, является текущей тенденцией в компьютерном дизайне.
В качестве другого примера - «глубокое обучение» в дисциплине машинного обучения и искусственного интеллекта, которая в последние годы пользовалась большим успехом и объясняет быстрые успехи в распознавании объектов и речи в компьютерах и мобильных устройствах. Как и в визуальной системе млекопитающих, глубокое обучение использует несколько слоев для представления все более абстрактных функций (например, визуального объекта или речи), а масса соединений между различными слоями корректируются с помощью обучения, а не инженерами.
Тем не менее, мозг обладает превосходной гибкостью, обобщаемостью и способностью к обучению, чем превосходит современный компьютер.
/Источник/
Картинка кликабельна
Journal information