Οι υπολογιστικές ικανότητες του εγκεφάλου είναι 10 φορές ισχυρότερες απ’ όσο πιστεύαμε! ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ ΜΠΟΖΕΛΟΣ 22.1.2016
Οι συγγραφείς-επιστήμονες ισχυρίζονται ότι οι υπολογιστικές ικανότητες του εγκεφάλου είναι σε θέση να επεξεργαστούν/αποθηκεύσουν όγκους πληροφορίας συγκρίσιμους με τα petabytes ολόκληρου του Παγκόσμιου Ιστού!
Γνωστή ερευνητική ομάδα του Salk Institute, με επικεφαλής τον πρωτοπόρο Terry Sejnowski, δημοσίευσε μία πολύ ενδιαφέρουσα μελέτη σχετικά με τη μνήμη και τις υπολογιστικές ικανότητες του εγκεφάλου. Η προσέγγιση περιλαμβάνει πειράματα εργαστηριακού πάγκου, αλλά και θεωρητικές αναλύσεις, που συντείνουν στην αναθεώρηση πρότερων εκτιμήσεων της κλίμακας των ικανοτήτων μας κατά μία τάξη μεγέθους! Οι συγγραφείς-επιστήμονες ισχυρίζονται ότι οι υπολογιστικές ικανότητες του εγκεφάλου είναι σε θέση να επεξεργαστούν/αποθηκεύσουν όγκους πληροφορίας συγκρίσιμους με τα petabytes ολόκληρου του Παγκόσμιου Ιστού! Παράλληλα, απαντούν και στο μακροχρόνιο ερώτημα που ταλανίζει γενιές νευροεπιστημόνων: πως ο εγκέφαλος επιτυγχάνει την αξιοθαύμαστη ενεργειακή του απόδοση, μη καταναλώνοντας περισσότερη ενέργεια από ένα αμυδρό λαμπτήρα πυρακτώσεως των 20 Watt. Οι αναμνήσεις και οι σκέψεις μας είναι το συνδυαστικό αποτέλεσμα οργανωμένων μοτίβων ηλεκτροχημικής δραστηριότητας στο χαοτικό
υπόστρωμα του εγκεφάλου. Ένα σημαντικό μέρος αυτή της δραστηριότητας επισυμβαίνει και διαμορφώνεται στους δενδρίτες, τις διακλαδώσεις των νευρώνων, οι οποίοι μοιάζουν με μπλεγμένα ηλεκτρικά καλώδια. Οι δενδρίτες αλληλεπιδρούν με τη σωρεία εισερχόμενων αισθητηριακών και άλλων πληροφοριακών σημάτων σε κομβικά σημεία, τα οποία είναι γνωστά και ως συνάψεις. Η "έξοδος" του ενός νευρώνα συνιστά "είσοδο" για κάποιον άλλο και τα σήματα ταξιδεύουν με αστραπιαία ταχύτητα στις λεωφόρους των νευραξόνων/δενδριτών, αδιαλλείπτως ανακρινόμενα από συνάψεις και άλλα ηλεκτροχημικά εφευρήματα του εξελικτικού καμβά της φύσης. Σε υψηλότερη κλίμακα, κάθε νευρώνας μπορεί να φέρει χιλιάδες εξ αυτών των συνάψεων, συνδεόμενος κατ' αυτό τον τρόπο με χιλιάδες άλλους νευρώνες. Ακολουθώντας την ίδια bottom-up πορεία παρατηρούμε ένα ασύλληπτα δαιδαλώδες σύστημα, αποτελούμενο από οργανωμένα δίκτυα 85 δισεκατομμυρίων νευρώνων και ίσως 100 τρισεκατομμυρίων συνάψεων! Το παράγωγο του; Ο εαυτός σας. Όταν τοποθετήθηκαν όλοι οι δενδρίτες, οι νευράξονες, τα νευρογλοιακά τμήματα και οι συνάψεις στη σωστή τους θέση, ως κομμάτια ενός νευροβιολογικού παζλ, συνέθεσαν μία τρισδιάστατη εικόνα τόσο περίπλοκη, ώστε εξεπλάγησαν ακόμη και οι ίδιοι οι ερευνητές.
Ο
ι ερευνητές με σκοπό να κατανήσουν την εν πολλοίς
μυστηριώδη οργάνωση και λειτουργία των συνάψεων προχώρησαν σε ανακατασκευή εικόνων ηλεκτρονικής μικροσκοπίας ενός απειροελάχιστα μικρού όγκου του εγκεφάλου, στο μέγεθος ενός ερυθρού αιμοσφαιρίου. Η περιοχή αυτή ελήφθη από το σχηματισμό του ιπποκάμπου, μία κρίσιμη δομή του κεντρικού νευρικού συστήματος για το σχηματισμό της μνήμης. Όταν τοποθετήθηκαν όλοι
οι δενδρίτες, οι νευράξονες, τα νευρογλοιακά τμήματα και οι συνάψεις στη σωστή τους θέση, ως κομμάτια ενός νευροβιολογικού παζλ, συνέθεσαν μία τρισδιάστατη εικόνα τόσο περίπλοκη, ώστε εξεπλάγησαν ακόμη και οι ίδιοι οι ερευνητές. "Αν και ήλπιζα να αποσπάσουμε κάποιες θεμελιώδεις αρχές της οργάνωσης του εγκεφάλου από αυτές τις λεπτομερείς αναπαραστάσεις, έμεινα πραγματικά έκπληκτη με την ασύγκριτη λεπτομέρεια των αναλύσεων που καταγράψαμε", δηλώνει η Kristen Harris, συν-συγγραφέας αυτής της μελέτης και καθηγήτρια του τμήματος Νευροεπιστήμης, στο Πανεπιστήμιο του Τέξας. Για να εξαγάγουν νόημα από τα πειραματικά δεδομένα, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν εξελιγμένους αλγορίθμους, ώστε να ανασυνθέσουν τη συνδεσιμότητα των νανομοριακών δομών, τους όγκους και τα σχήματα. Και ενώ μελετούσαν εντατικά τις αποκαλυπτικές πτυχές του νευροβιολογικού μικρόκοσμου των συνάψεων, βρέθηκαν προ μιας αναπάντεχης εκπλήξεως. Η συνήθης ταξινόμηση των συναπτικών μεγεθών σε 3 διαφορετικές κατηγορίες, τις μικρές, τις μεσαίες και τις μεγάλες -ανάλογα με το μέγεθος και την αντίστοιχη συνεισφορά τους στη μετάδοση των ηλεκτρικών σημάτων- κατέρρευσε εμπρός στα μάτια τους. Τα συναπτικά μεγέθη που ευρέθησαν, στάθηκε εφικτό και σκόπιμο να ταξινομηθούν σε κατηγορίες όχι των 3, αλλά των 26 διαφορετικών μεγεθών! Για να ρυμουλκήσουμε ευκολότερα την κρυπτόμενη σημασία αυτού του ευρήματος, αναλογιστείτε ότι κάθε κατηγορία σύναψης μπορεί να αποθηκεύσει ένα απειροελάχιστο "κβάντο" πληροφορίας. Όσες περισσότερες οι κατηγορίες, τόσο μεγαλύτερο όγκο πληροφορίας μπορεί να αποθηκεύσει η σύναψη. Σα να έχουν ενσωματωθεί περισσότερα γράμματα σε μία αλφάβητο! Κι επειδή οι αναμνήσεις αποθηκεύονται ως ευρέως κατανεμημένα μοτίβα ηλεκτροχημικής δραστηριότητας στα διάφορα νευρωνικά δίκτυα του εγκεφάλου, η χωρητικότητα της μνήμης προκύπτει συναρτήσει των υποκείμενων συναπτικών μεγεθών. Πλέον, οι ερευνητές ερμηνεύοντας κατάλληλα τα νέα δεδομένα, αναβαθμίζουν εντυπωσιακά τις εκτιμήσεις τους για την υπολογιστική ικανότητα των νευρώνων και τη χωρητικότητα της μνήμης.
Κάτω από το προφανές χάος και την ακαταστασία του εγκεφάλου, κρύβεται μια ασυναγώνιστη ακρίβεια στο μέγεθος και το σχήμα των συνάψεων, την οποία δεν ήμασταν σε θέση να εντοπίσουμε μέχρι πρότινος
Ο
ι ερευνητές υπολόγισαν, επίσης, ότι για τις μικρότερες
συνάψεις, απαιτούνται 1.500 εισερχόμενα σήματα, ώστε να προκαλέσουν μία αλλαγή στο μέγεθος τους, ενώ για τις μεγαλύτερες συνάψεις, μόλις 100 συμβάντα σηματοδότησης είναι ικανά. Αυτό σημαίνει ότι ανά 2 έως 20 λεπτά οι συνάψεις προσαρμόζονται στα περίπλοκα μοτίβα αισθητηριακής σηματοδότησης, τα οποία καλείται να επεξεργαστεί/διαχειριστεί αποτελεσματικά ο εγκέφαλος, ώστε να ανταπεξέλθει στις αυξημένες απαιτήσεις του περιβάλλοντος. "Προηγούμενες μελέτες μας είχαν υπαινιχθεί το ενδεχόμενο οι συνάψεις να φέρουν μέγεθος ανάλογο της ισχύος σηματοδότησης μεταξύ νευράξονα και δενδριτικής ακάνθου, αλλά η ακρίβεια με την οποία αυτό συμβαίνει είναι πραγματικά αξιοσημείωτη και θέτει τα θεμέλια για μια νέα προσέγγιση των εγκεφάλων, αλλά και των υπολογιστών", λέει η Harris. "Η παρακαταθήκη που προκύπτει από τη συνεργασία αυτή ανοίγει ένα νέο κεφάλαιο στην έρευνα για τους μηχανισμούς της μάθησης και της μνήμης", προσθέτει και σημειώνει ότι τα ευρήματα υποδεικνύουν ακόμη περισσότερα ερωτήματα προς επιστημονική διερεύνηση. "Η χωρητικότητα της μνήμης είναι έως και μία τάξη μεγέθους υψηλότερη, απ' όσο είχαμε φανταστεί", αναφέρει ο κύριος συγγραφέας της μελέτης Sejnowski. "Οι επιπτώσεις των όσων ανακαλύψαμε είναι εκτεταμένες! Κάτω από το προφανές χάος και την ακαταστασία του εγκεφάλου, κρύβεται μια ασυναγώνιστη
ακρίβεια στο μέγεθος και το σχήμα των συνάψεων, την οποία δεν ήμασταν σε θέση να εντοπίσουμε μέχρι πρότινος ... Αυτό το τέχνασμα του εγκεφάλου δείχνει ξεκάθαρα έναν πιο αποδοτικό τρόπο για να σχεδιάσουμε καλύτερα και τους υπολογιστές." Η νέα γνώση θα μπορούσε να βρει αναρίθμητες εφαρμογές σε ενεργειακά αποδοτικότερους υπολογιστές, ειδικά σε αυτούς που χρησιμοποιούν τα τεχνητά νευρωνικά δίκτυα, το "deep learning" και άλλες softwarικές αιχμές εξελιγμένης μάθησης και ανάλυσης, για την αυτομάτη αναγνώριση της ομιλίας σε ήχο, των αντικειμένων σε εικόνες, την πραγματοποίηση μεταφράσεων και την εξαγωγή νοήματος από γραπτό λόγο. Υ.Γ.: Αυτή την περίοδο γράφω ένα κεφάλαιο για επιστημονικό βιβλίο που συντάσσει η Kristen Harris, σχετικά με τη δομική πλαστικότητα του εγκεφάλου και τη συνειφορά της στις εκπληκτικές ικανότητες της μάθησης και της μνήμης. Μάλιστα, πριν από δύο χρόνια είχα την τύχη να παρακολουθήσω μία εξαιρετικά ενδιαφέρουσα ομιλία της στο Ίδρυμα Τεχνολογίας & Έρευνας, στο Ηράκλειο Κρήτης. Οι νευροεπιστήμες είναι ένας υπέροχος κλάδος! Αν ενδιαφέρεστε για τα πιο πρόσφατα άρθρα μου, έχετε ερωτήσεις ή επιθυμείτε να μου προτείνετε ένα θέμα, μπορείτε να με ακολουθήσετε στο Facebook και να επικοινωνήσετε μαζί μου.