يحتوي اللحاء على 17 مليار جهاز كمبيوتر

الشبكات العصبية للشبكات العصبية

الائتمان: brentsview تحت CC BY-NC 2.0

تتلقى العقول مدخلات من العالم الخارجي ، وتقوم الخلايا العصبية الخاصة بهم بشيء لهذا الإدخال ، وتقوم بإنشاء ناتج. أن الإخراج قد يكون الفكر (أريد الكاري لتناول العشاء) ؛ قد يكون إجراء (جعل الكاري) ؛ قد يكون تغيير في المزاج (الكاري ياي!). مهما كان الناتج ، فإن "شيء ما" هو تحويل شكل من أشكال المدخلات (قائمة) إلى الإخراج ("دجاج دانساك ، من فضلك"). وإذا فكرنا في الدماغ كجهاز يقوم بتحويل المدخلات إلى المخرجات ، عندئذٍ ، يصبح الكمبيوتر بلا ريب اختيارنا.

بالنسبة للبعض ، فإن هذا التشبيه هو مجرد أداة بلاغية مفيدة ؛ بالنسبة للآخرين إنها فكرة خطيرة. لكن الدماغ ليس جهاز كمبيوتر. كل الخلايا العصبية هي جهاز كمبيوتر. يحتوي القشرة على 17 مليار جهاز كمبيوتر.

نعم ماذا؟ انظر إلى هذا:

خلية هرمية - تحشر في بعدين. النقطة السوداء في الوسط هي جسم العصبون ؛ ما تبقى من الأسلاك هي التشعبات. الائتمان: آلان ديكستيش / http://cns.iaf.cnrs-gif.fr/alain_geometries.html

هذه صورة لخلية هرمية ، وهي الخلايا العصبية التي تشكل معظم قشرة الدماغ. النقطة النابضة في الوسط هي جسم العصبون ؛ الأسلاك الممتدة والمتفرعة أعلى وأسفل هي التشعبات ، والكابلات الملتوية التي تجمع المدخلات من الخلايا العصبية الأخرى القريبة والبعيدة. تقع هذه المدخلات في جميع أنحاء التشعبات ، بعضها مباشرة بالقرب من الجسم ، والبعض الآخر بعيد عن النصائح. حيث تقع الأمور.

لكنك لا تعتقد ذلك. عندما نتحدث عن كيفية عمل الخلايا العصبية ، فإننا ننتهي عادة بفكرة مجموع المدخلات والبصق. في هذه الفكرة ، التشعبات هي مجرد جهاز لجمع المدخلات. يؤدي تنشيط كل إدخال بمفرده إلى تغيير بسيط في جهد الخلايا العصبية. نلخص ما يكفي من هذه التغييرات الصغيرة ، من جميع أنحاء التشعبات ، وسوف تصب الخلايا العصبية طفرة من جسمها ، أسفل محوارها ، لتكون مدخلاً إلى خلايا عصبية أخرى.

نموذج التلخيص والبصقة من الخلايا العصبية. إذا وصلت كمية كافية من المدخلات في نفس الوقت - بما يكفي لعبور العتبة (الدائرة الرمادية) - فإن الخلايا العصبية تبصق ارتفاعًا كبيرًا.

إنه نموذج عقلي مفيد للتفكير في الخلايا العصبية. إنه يشكل الأساس لجميع الشبكات العصبية الاصطناعية. هذا خطأ.

هذه التشعبات ليست مجرد قطع من الأسلاك: لديهم أيضًا أجهزتهم الخاصة لصنع المسامير. إذا تم تنشيط ما يكفي من المدخلات في نفس جزء صغير من dendrite ثم مجموع هذه المدخلات في وقت واحد سيكون أكبر من مجموع كل المدخلات تعمل وحدها:

النقطتان الملونتان هما مدخلان إلى جزء واحد من dendrite. عندما يتم تفعيلها من تلقاء نفسها ، فإنها تنشئ الردود الموضحة ، حيث يشير السهم الرمادي إلى تنشيط هذا الإدخال (الاستجابة هنا تعني

تبدو العلاقة بين عدد المدخلات النشطة وحجم الاستجابة في القليل من التغصنات كما يلي:

حجم الاستجابة في فرع واحد من dendrite إلى زيادة أعداد المدخلات النشطة.

هناك الارتفاع المحلي: القفز المفاجئ من عدم الاستجابة تقريبًا إلى بعض المدخلات ، إلى استجابة كبيرة مع إدخال واحد فقط. هناك القليل من dendrite "supralinear": داخل dendrite ، 2 + 2 = 6.

لقد عرفنا عن هذه الطفرات المحلية في أجزاء من dendrite لسنوات عديدة. لقد رأينا هذه الطفرات المحلية في الخلايا العصبية داخل شرائح من الدماغ. لقد رأيناهم في أدمغة الحيوانات المخدرة التي تدغدغ مخالبها (نعم ، لا تزال أدمغة اللاشعور تشعر بالأشياء ؛ فهي لا تكلف نفسها عناء إخبار أي شخص). لقد رأيناها مؤخرًا في التشعبات في الخلايا العصبية في الحيوانات التي كانت تتحرك (نعم ، سجل مور والأصدقاء النشاط في شيء على بعد بضعة ميكرومتر من مخ الفأر الذي كان يتحرك ؛ مجنون ، هاه؟). التشعبات العصبية الهرمية يمكن أن تصنع "طفرات".

إذاً فهي موجودة: لكن لماذا هذا الارتفاع المحلي يغير الطريقة التي نفكر بها في الدماغ ككمبيوتر؟ لأن التشعبات من الخلايا العصبية الهرمية تحتوي على العديد من الفروع منفصلة. ويمكن لكل واحد تلخيص وبصق التدريجي. مما يعني أن كل فرع من فروع dendrite يعمل كجهاز إخراج غير خطي صغير ، يلخص ويخرج ارتفاعًا محليًا إذا كان هذا الفرع يحصل على مدخلات كافية في الوقت نفسه تقريبًا:

ديجا فو. يعمل فرع الشجرة المفردة كجهاز صغير لتلخيص المدخلات وإعطاء الإخراج إذا كانت المدخلات كافية نشطة في نفس الوقت. والتحول من الإدخال إلى الإخراج (الدائرة الرمادية) هو فقط الرسم البياني الذي رأيناه بالفعل أعلاه ، والذي يعطي حجم الاستجابة من عدد المدخلات.

انتظر. أليس هذا نموذجنا للخلايا العصبية؟ نعم لقد كان هذا. الآن إذا استبدلنا كل فرع صغير من التغصنات بأحد أجهزتنا العصبية الصغيرة ، فإن الخلايا العصبية الهرمية تبدو كالتالي:

إلى اليسار: لدى خلية عصبية واحدة العديد من الفروع التغصنية (أعلى وأسفل جسمها). اليمين: لذلك هي عبارة عن مجموعة من أجهزة الجمع غير الخطية (المربعات الصفراء والمخرجات غير الخطية) ، والتي يتم إخراجها جميعًا إلى جسم الخلايا العصبية (الصندوق الرمادي) ، حيث يتم تجميعها معًا. تبدو مألوفة؟

نعم ، كل خلية عصبية هرمية عبارة عن شبكة عصبية مكونة من طبقتين. كل شيء في حد ذاته.

هذا العمل الجميل الذي قام به Poirazi و Mel في عام 2003 أظهر ذلك بوضوح. لقد بنوا نموذجًا حاسوبيًا معقدًا لخلايا عصبية واحدة ، يحاكي كل جزء صغير من التغصنات ، والطفرات المحلية داخلها ، وكيف يكتسحون الجسم. ثم قاموا بمقارنة ناتج الخلايا العصبية مباشرة بإخراج شبكة عصبية ثنائية الطبقة: وكانت هي نفسها.

الآثار غير العادية لهذه المسامير المحلية هي أن كل خلية عصبية هي جهاز كمبيوتر. في حد ذاته يمكن للخلايا العصبية حساب مجموعة كبيرة من الوظائف غير الخطية المزعومة. وظائف لا يمكن أن يحسبها على الإطلاق أي خلايا عصبية تقوم فقط بتلخيص وبصق. على سبيل المثال ، من خلال أربعة مدخلات (الأزرق والبحر والأصفر والشمس) وفرعين يتصرفان كأجهزة صغيرة غير خطية ، يمكننا إعداد خلية عصبية هرمية لحساب وظيفة "ربط الميزات": يمكننا أن نطلب منها الاستجابة إلى Blue and Sea معًا ، أو الاستجابة مع Yellow و Sun معًا ، ولكن لا للرد بطريقة أخرى - ولا حتى مع Blue و Sun معًا أو Yellow و Sea معًا. بالطبع ، تتلقى الخلايا العصبية أكثر من أربعة مدخلات ، ولديها أكثر من فرعين: لذا فإن مجموعة الوظائف المنطقية التي يمكنها حسابها هي فلكية.

في الآونة الأخيرة ، أظهر رومان كايز وأصدقاؤه (أنا واحد من هؤلاء الأصدقاء) أن الخلايا العصبية المفردة يمكنها حساب مجموعة مذهلة من الوظائف حتى لو لم تستطع تكوين ارتفاع محلي شجيري. لأن التشعبات ليست خطية بشكل طبيعي: في حالتها الطبيعية فإنها في الواقع تلخص المدخلات في المجموع أقل من القيم الفردية. هم شبه خطي. بالنسبة لهم 2 + 2 = 3.5. وامتلاك العديد من الفروع التغصنية ذات التجميع شبه الخطي يتيح أيضًا للخلية العصبية أن تعمل كشبكة عصبية ثنائية الطبقة. شبكة عصبية ثنائية الطبقة يمكنها حساب مجموعة مختلفة من الوظائف غير الخطية لتلك المحسوبة بواسطة الخلايا العصبية ذات التشعبات الخطية فوق الخطية. وإلى حد كبير كل الخلايا العصبية في الدماغ لديه التشعبات. لذلك يمكن أن تكون جميع الخلايا العصبية تقريبًا ، من حيث المبدأ ، شبكة عصبية مكونة من طبقتين.

التضمين المذهل الآخر للارتفاع المحلي هو أن الخلايا العصبية تعرف جحيمًا أكثر بكثير عن العالم مما يخبروننا - أو الخلايا العصبية الأخرى ، في هذا الشأن.

منذ وقت ليس ببعيد ، طرحت سؤالًا بسيطًا: كيف يقوم قسم الدماغ بتقسيم المعلومات؟ عندما ننظر إلى الأسلاك بين الخلايا العصبية في الدماغ ، يمكننا تتبع مسار من أي خلية عصبية إلى أخرى. كيف إذن لا تظهر المعلومات المتوفرة في جزء من المخ (على سبيل المثال ، رائحة الكاري) في جميع أجزاء الدماغ الأخرى (مثل القشرة البصرية)؟

هناك نوعان من الإجابات المتعارضة لذلك. الأول ، في بعض الحالات ، لا يتم تقسيم الدماغ إلى أجزاء: تظهر المعلومات في أماكن غريبة ، مثل الصوت في مناطق الدماغ التي تتعامل مع المكان. لكن الإجابة الأخرى هي: أن الدماغ مقسم إلى أجزاء - عن طريق التشعبات.

كما رأينا للتو ، فإن الارتفاع المحلي هو حدث غير خطي: ​​إنه أكبر من مجموع مدخلاته. ولا يمكن لجسم الخلايا العصبية اكتشاف أي شيء ليس ارتفاعًا محليًا. مما يعني أنه يتجاهل معظم مدخلاته الفردية: إن الشيء الذي يبصق الارتفاع إلى بقية الدماغ معزول عن الكثير من المعلومات التي يتلقاها العصبون. يستجيب الخلايا العصبية فقط عندما تنشط الكثير من المدخلات معًا في الزمان والمكان (في نفس الشيء من التغصنات).

إذا كان هذا صحيحًا ، فيجب أن نرى أن التشعبات تستجيب للأشياء التي لا يستجيب لها العصبونات. نرى هذا بالضبط. في القشرة المرئية ، نعلم أن العديد من الخلايا العصبية تستجيب فقط لأشياء في العالم تتحرك بزاوية معينة (مثل معظمها ، ولكن ليس لنا جميعًا ، فهي ذات اتجاه مفضل). بعض الخلايا العصبية تطلق طفراتها نحو 60 درجة بعضها عند 90 درجة ؛ بعضها عند 120 درجة. ولكن عندما نسجل ما تستجيب له التشعبات ، نرى ردودًا على كل زاوية. تعرف التشعبات جهنم أكثر بكثير عن كيفية ترتيب الأشياء في العالم من جسم الجسم العصبي.

كما أنهم ينظرون إلى جحيم كثير من العالم. لا تستجيب الخلايا العصبية في القشرة المرئية إلا للأشياء الموجودة في موضع معين في العالم - قد تستجيب إحدى الخلايا العصبية لأشياء في أعلى يسار رؤيتك ؛ آخر لأشياء في أسفل اليمين. في الآونة الأخيرة ، أظهرت سونيا هوفر وفريقها أنه على الرغم من أن طفرات الخلايا العصبية تحدث فقط استجابة للكائنات التي تظهر في موضع واحد معين ، تستجيب التشعبات لديهم للعديد من المواقف المختلفة في العالم ، وغالبًا ما تكون بعيدة عن الموضع المفضل للخلية العصبية. لذا فإن الخلايا العصبية لا تستجيب إلا لجزء صغير من المعلومات التي تتلقاها ، مع الباقي مدسوس في التشعبات الخاصة بهم.

لماذا كل هذا الأمر؟ وهذا يعني أن كل خلية عصبية يمكنها تغيير وظيفتها جذريًا عن طريق التغييرات التي تطرأ على عدد قليل من مدخلاتها. يصبح عدد قليل منهم أضعف ، وفجأة يصمت فرع كامل من التغصنات: الخلايا العصبية التي كانت سعيدة في السابق برؤية القطط ، لذلك القطط التي أحببت القطط ، لم تعد تستجيب عندما تسير قطتك على لوحة المفاتيح الدموية أثناء عملك - وأنت أكثر هدوءا بكثير ، شخص أكثر معا نتيجة لذلك. تزداد قوة بعض المدخلات ، وفجأة يبدأ فرع كامل في الاستجابة: الخلايا العصبية التي لم تهتم من قبل بطعم الزيتون تستجيب الآن بفرح لفم من الزيتون الأخضر الناضج - في تجربتي ، لا يأتي هذا العصبون إلا عبر الإنترنت في أوائل العشرينات من عمرك . إذا تم تلخيص جميع المدخلات معًا ، فإن تغيير وظيفة الخلايا العصبية يعني وجود مدخلات جديدة تقاتل بكل جهد كل مدخلات أخرى للانتباه ؛ لكن يتصرف كل جزء من التشعبات بشكل مستقل ، وتصبح الحسابات الجديدة بمثابة تهرب.

هذا يعني أن الدماغ يمكنه القيام بالعديد من العمليات الحسابية إلى جانب معالجة كل خلية عصبية كآلة لتلخيص المدخلات والبصق خارجًا. ومع ذلك ، هذا هو الأساس لجميع الوحدات التي تشكل شبكة عصبية اصطناعية. إنه يشير إلى أن التعلم العميق وإخوانه في الذكاء الاصطناعي قد أوضحوا القدرة الحسابية للدماغ الفعلي.

يحتوي القشرة على 17 مليار خلية عصبية. لفهم ما يفعلونه ، غالبًا ما نجري تشابهات مع أجهزة الكمبيوتر. يستخدم البعض هذه التشبيهات كحجر زاوية في حججهم. البعض يعتبرهم مضللين بعمق. غالبًا ما تتشابه مقارناتنا مع الشبكات العصبية الاصطناعية: بالنسبة للشبكات العصبية ، يتم حسابها ، وتتكون من أشياء تشبه الخلايا العصبية ؛ وهكذا ، لذلك ، يجب أن تحسب العقول. ولكن إذا اعتقدنا أن الدماغ هو جهاز كمبيوتر ، لأنه يشبه الشبكة العصبية ، يجب علينا الآن أن نعترف بأن الخلايا العصبية الفردية هي أجهزة كمبيوتر أيضًا. كل 17 مليار منهم في القشرة الخاصة بك. ربما كل 86 مليار في عقلك.

وهذا يعني أن قشرة الدماغ ليست شبكة عصبية. القشرة هي شبكة عصبية من الشبكات العصبية.

مع الشكر ل Romain Caze للحصول على اقتراحات

تريد المزيد؟ اتبعنا في سبايك

تويتر: @ ماركدومفريز