الشبكة العصبية
صورة brentsview مرخصة بموجب CC BY-NC 2.0يتلقى الدماغ معلومات من العالم الخارجي ، وتتلقى الخلايا العصبية الخاصة به البيانات عند المدخلات ، وتعالج وتنتج نتيجة معينة. يمكن أن يكون الفكر (أريد الكاري لتناول العشاء) ، والعمل (جعل الكاري) ، وتغيير المزاج (يا هلا ، الكاري!). مهما حدث في الإخراج ، فإن هذا "الشيء" هو تحويل البيانات من الإدخال (القائمة) إلى نتيجة الإخراج ("الدجاج دهانسك ، من فضلك"). وإذا كنت تتخيل المخ كمحول مع إدخال إلى الإخراج ، فإن القياس مع الكمبيوتر أمر لا مفر منه.
بالنسبة للبعض ، هذه مجرد أداة بلاغية مفيدة ، إنها بالنسبة للآخرين فكرة جادة. لكن الدماغ ليس جهاز كمبيوتر. الكمبيوتر هو كل الخلايا العصبية. هناك 17 مليار جهاز كمبيوتر في القشرة الدماغية.
ألق نظرة على هذا:
الخلايا العصبية الهرمية المتوقعة في 2D. البقعة السوداء في المنتصف هي جسم العصبونات ، وبقية الأسلاك هي شذراتها. الصورة: آلان ديكستسهذه صورة لخلايا عصبية هرمية. مثل هذه الخلايا تشكل معظم قشرة الدماغ. البقعة في الوسط هي جسم العصبونات ، والتغصنات ، والأسلاك المتعرجة التي تجمع المدخلات من الخلايا العصبية القريبة والبعيدة الأخرى ، وتمتد وتتفرع في جميع الاتجاهات. تأتي بيانات الإدخال على طول طول كل dendrite ، بعضها بجوار الجسم ، والبعض الآخر بعيدًا عن النصائح. من المهم أين ستصل الإشارة بالضبط.
لا يفهم الكثيرون مدى أهمية موقع الإدخال. عادة ما يتم اختزال عمل الخلايا العصبية إلى فكرة الأفعى البسيطة. في هذه الفكرة ، التشعبات هي مجرد أجهزة لجمع بيانات الإدخال. يؤدي تنشيط كل إدخال بشكل فردي إلى تغيير الجهد في الشبكة العصبية الكهربائية بشكل طفيف. إذا قمنا بتلخيص التيار من جميع التشعبات ، يتم توليد إمكانات الحركة التشنجية (السنبلة) ، والتي تنحدر على طول المحور وتتحول إلى مدخلات للخلايا العصبية الأخرى.
نموذج عصبي مع تجميع إشارات الإدخال وتوليد جهد شجي إذا تجاوز مجموع المدخلات عتبة (دائرة رمادية)هذا نموذج عقلي ملائم ؛ فهو يدعم جميع الشبكات العصبية الاصطناعية. لكنها مخطئة.
التشعبات ليست مجرد قطع من الأسلاك. لديهم أيضا أجهزتهم الخاصة لتوليد المسامير. إذا تم تنشيط عدد كافٍ من المدخلات في منطقة صغيرة واحدة من dendrite ، فسيتم تعزيزها:
الجلطات الملونة هما مدخلان إلى موقع dendrite واحد. عندما ينشطون أنفسهم ، ينتج كل منهم استجابة. يشير السهم الرمادي في الشكل إلى تنشيط هذا الإدخال (الاستجابة هنا تعني "تغيير الجهد"). مع تفعيل المفصل ، تكون الاستجابة أكبر (خط صلب) من مجموع المدخلات الفردية (خط متقطع)النسبة بين عدد المدخلات النشطة وحجم الاستجابة في مساحة صغيرة من dendrite هي كما يلي:
حجم الاستجابة في فرع واحد من dendrite استجابة لزيادة عدد المدخلات النشطة. "الارتفاع" المحلي هو قفزة حادة من الحد الأدنى إلى ردود الفعل الكبيرةنرى طفرة محلية: قفزة مفاجئة من رد فعل ما يقرب من الصفر إلى عدة مدخلات إلى رد فعل كبير للغاية مع إضافة واحد آخر. هذا القسم من dendrite يعمل "superlinearly" ، هنا 2 + 2 = 6.
لسنوات عديدة عرفنا عن هذه الرشقات المحلية في المناطق الفردية لل dendrite. رأينا طفرات في الخلايا العصبية
على أجزاء من الدماغ . رأيناهم
في الحيوانات تحت التخدير ، الذي دغدغ أقدامهم (نعم ، لا يزال الدماغ يشعر بالوعي ؛ إنه لا يزعج الجواب فقط). في الآونة الأخيرة ، شاهدناهم في التشعبات
الحيوانية من الخلايا العصبية
في الحركة (نعم ، سجل مور وزملاؤه مجالًا للإرسال الكهرومغناطيسي ببضعة ميكرومترات من دماغ فأر قيد التشغيل ؛ هل هو مجنون ، أليس كذلك؟). التشعبات في الخلايا العصبية الهرمية تولد حقا صواعق.
ولكن لماذا هذا الغضب المحلي يغير فهمنا للعقل كجهاز كمبيوتر؟ لأن التشعبات في الخلايا العصبية الهرمية
لها العديد من الفروع
المنفصلة . وكل واحد قادر على حساب النتيجة وإعطاء البداية. هذا يعني أن كل فرع من فروع dendrite يعمل كجهاز إخراج صغير غير خطي ، مما يؤدي إلى إضافة وإخراج رشقة محلية إذا تلقى هذا الفرع عددًا كافيًا من المدخلات في نفس الوقت تقريبًا:
ديجا فو. يعمل أحد فروع الشجرة كجهاز صغير لتلخيص المدخلات وإصدار انفجار في حالة وصول عدد كافٍ من المدخلات في نفس الوقت. والتحول من الإدخال إلى الإخراج (الدائرة الرمادية) هو نفس الرسم البياني الذي رأيناه أعلاه بالفعل ، والذي يحدد قوة الارتفاعانتظر لحظة أليس هذا نموذجنا العصبي؟ نعم هذا لها. الآن ، إذا استبدلنا كل فرع صغير من التغصنات بأحد أجهزتنا العصبية الصغيرة ، فإن الخلايا العصبية الهرمية تبدو كالتالي:
إلى اليسار: العديد من فروع الخلايا العصبية (أعلى وأسفل الجسم). إلى اليمين: اتضح أن هذه مجموعة من أجهزة الجمع غير الخطية (الصناديق الصفراء ذات النواتج غير الخطية) التي يتم إخراجها إلى جسم الخلايا العصبية (الصندوق الرمادي) وتلخيصها هناك. شيء مألوف؟نعم ، كل خلية عصبية هرمية هي شبكة عصبية من طبقتين. في حد ذاته.
إن العمل الممتاز الذي قام به Poirazi و Mel في عام 2003 أظهر بوضوح ذلك. لقد بنوا نموذجًا حاسوبيًا معقدًا لخلية عصبية واحدة ، تحاكي كل قطعة صغيرة من التشتت ، ورشقات محلية داخلها ، وكيف تنحدر إلى الجسم. ثم قاموا بمقارنة ناتج الخلايا العصبية مباشرة مع ناتج الشبكة العصبية المكونة من طبقتين - واتضح أنها هي نفسها.
تكمن الأهمية غير العادية لهذه الانفجارات المحلية في أن كل خلية عصبية هي جهاز كمبيوتر. تستطيع الخلايا العصبية نفسها حساب مجموعة كبيرة من الوظائف غير الخطية المزعومة ، والتي تلخص ببساطة وتنتج ارتفاعًا كبيرًا. على سبيل المثال ، من خلال أربعة مدخلات (الأزرق والبحر والأصفر والشمس) وفرعين يتصرفان كأجهزة صغيرة غير خطية ، يمكن للخلية العصبية الهرمية حساب وظيفة "علامات الارتباط": الاستجابة لمجموعة من الأزرق والبحر أو مزيج من الأصفر والشمس ، ولكن ليس للاستجابة خلاف ذلك ، على سبيل المثال ، الأزرق والشمس أو الأصفر والبحر. بالطبع ، لدى الخلايا العصبية أكثر من أربعة مدخلات وأكثر من فرعين: وبالتالي ، فهي قادرة على حساب النطاق الفلكي للوظائف المنطقية.
في الآونة الأخيرة ، أوضح
Romain Case مع الأصدقاء (أنا واحد من أصدقائي) أن الخلايا العصبية المفردة تحسب مجموعة مذهلة من الوظائف ، حتى لو لم تكن قادرة على توليد انفجار شجيري محلي. لأن التشعبات ، بالطبع ، ليست خطية: في حالتها الطبيعية ، فإنها تلخص في الواقع بيانات الإدخال ، والحصول على نتيجة أقل من مجموع القيم الفردية. في هذا الوضع ، يعملون دون خط ، أي 2 + 2 = 3.5. ووجود العديد من الفروع التغصنية مع الجمع تحت السطحي يسمح أيضًا للخلية العصبية بالعمل كشبكة عصبية ثنائية الطبقة. شبكة عصبية مكونة من طبقتين تقوم بحساب مجموعة مختلفة من الوظائف غير الخطية التي تم إنشاؤها من الخلايا العصبية ذات التشعبات فوق الصوتية الخطية. وتقريبا كل الخلايا العصبية لديه التشعبات. وهكذا ، يمكن أن تكون جميع الخلايا العصبية تقريبًا من حيث المبدأ شبكة عصبية مكونة من طبقتين.
من النتائج المدهشة الأخرى للارتفاع المحلي هو أن الخلايا العصبية تعرف الكثير عن العالم أكثر مما تخبرنا - أو الخلايا العصبية الأخرى في هذا الشأن.
لقد طرحت مؤخرًا
سؤال بسيط : كيف يوزع الدماغ المعلومات؟ عندما ننظر إلى الأسلاك بين الخلايا العصبية في الدماغ ، يمكننا تتبع المسار من أي خلية إلى أخرى. كيف ، إذن ، هل المعلومات المتوفرة بوضوح في جزء واحد من الدماغ (على سبيل المثال ، رائحة الكاري) لا تظهر في جميع أجزاء الدماغ الأخرى (على سبيل المثال ، في القشرة البصرية)؟
هناك نوعان من الإجابات المعاكسة لهذا. أولاً ، في بعض الحالات ، لا يتم تقسيم الدماغ: تظهر المعلومات حقًا في أماكن غريبة ، على سبيل المثال ، تصل الأصوات إلى منطقة الدماغ المسؤولة عن التوجيه على الأرض. وإجابة أخرى: التشعبات حصة الدماغ.
كما رأينا للتو ، فإن الاندفاع المحلي هو حدث غير خطي: إنه أكبر من مجموع المدخلات. ولا يمكن لجسم العصبونات اكتشاف أي شيء ليس انفجارًا محليًا. هذا يعني أنه يتجاهل معظم المدخلات: المنطقة التي تولد الدافع لبقية الدماغ معزولة عن معظم المعلومات التي تتلقاها الخلايا العصبية. لا تتفاعل الخلايا العصبية إلا عندما تنشط العديد من المدخلات في وقت واحد في الزمان والمكان (في نفس موقع التغصنات).
في هذه الحالة ، اتضح أن التشعبات تستجيب لما لا يستجيب له العصبون. هذا هو بالضبط ما يحدث. لقد رأينا كيف تتفاعل العديد من الخلايا العصبية في القشرة البصرية فقط مع الكائنات التي تتحرك بزاوية معينة. في بعض الخلايا العصبية ، يتم توليد التموجات عندما يتحرك الكائن بزاوية 60 درجة ، في حالات أخرى 90 درجة أو 120 درجة. لكن التشعبات
تستجيب لجميع الزوايا دون استثناء . تعرف التشعبات عن العالم أكثر بكثير من جسد الخلايا العصبية.
يرون أيضا أكثر من ذلك بكثير. تتفاعل الخلايا العصبية القشرية المرئية فقط مع أشياء في مكان معين: يمكن لخلية عصبية واحدة أن تستجيب لكائنات في الجزء العلوي الأيسر ، والأخرى للكائنات في أسفل اليمين. في الآونة الأخيرة ،
أظهرت سونيا هوفر وزملاؤها أن رشقات من الخلايا العصبية تحدث فقط استجابة للكائنات التي تظهر في موضع واحد معين ، ولكن التشعبات تستجيب للعديد من المواقف المختلفة ، وغالبًا ما تكون بعيدة عن تخصص الخلايا العصبية. وبالتالي ، تستجيب الخلايا العصبية فقط لجزء صغير من المعلومات التي يتم تلقيها ، ويتم إخفاء بقية المعلومات في التشعبات الخاصة بهم.
لماذا كل هذا مهم؟ هذا يعني أن كل خلية عصبية يمكنها تغيير وظيفتها جذريًا ، وتغيير بعض المدخلات. تصبح بعض المدخلات أضعف - وفجأة يصمت فرع كامل من التغصنات. هي خلية عصبية اعتادت أن تكون سعيدًا لرؤية القطط لأن هذا الفرع أحب القطط ، ولم يعد يستجيب عندما قفزت قطتك إلى لوحة مفاتيح جهاز كمبيوتر يعمل - ونتيجة لذلك ، أصبحت شخصًا أكثر هدوءًا وتجميعًا. يتم تضخيم العديد من المدخلات - وفجأة يبدأ الفرع بالكامل في التفاعل: فالخلايا العصبية التي لم تستجب سابقًا لطعم الزيتون تولد الآن بفرح رشقات نارية عندما تلتقط فمًا كاملًا من الزيتون الأخضر الناضج - في تجربتي ، يتم تنشيط هذه الخلية العصبية عند البشر فقط بعد 20 عامًا. إذا تم تلخيص المدخلات ببساطة ، فإن المدخلات الجديدة ستحارب المدخلات القديمة من أجل وظيفة العصبونات ؛ لكن كل قسم من أقسام dendrite يعمل بشكل مستقل وبسهولة يجعل حسابات جديدة.
هذا يعني أن الدماغ يمكنه القيام بالعديد من العمليات الحسابية. من المستحيل النظر في الخلايا العصبية ببساطة كعامل لبيانات الإدخال ومولد الاندفاع. ولكن هذا هو بالضبط كيف يتم ترتيب الوحدات في الشبكات العصبية الاصطناعية. هذا يشير إلى أن التعلم العميق وأنظمة الذكاء الاصطناعي الأخرى لم تقترب حتى من القوة الحاسوبية للعقل الحقيقي.
هناك 17 مليار خلية عصبية في القشرة الدماغية. لفهم ما يفعلونه ، غالبًا ما نرسم أوجه التشابه مع الكمبيوتر. وتستند بعض الحجج تماما على هذا التشبيه. يرى البعض الآخر أنه مجرد وهم. غالبًا ما يتم الاستشهاد بالشبكات العصبية الاصطناعية كمثال: فهي تقوم بإجراء عمليات حسابية وتتألف من أشياء شبيهة بالخلايا العصبية ، ولهذا السبب يجب على الدماغ حسابها. لكن إذا اعتقدنا أن الدماغ هو جهاز كمبيوتر ، لأنه يشبه الشبكة العصبية ، يجب أن نعترف الآن بأن الخلايا العصبية الفردية هي أيضًا أجهزة كمبيوتر. كل 17 مليار في القشرة. ربما كل 86 مليار في الدماغ.
هذا يعني أن القشرة الدماغية ليست شبكة عصبية. هذه شبكة عصبية من الشبكات العصبية.