Вопрос на квадриллион: почему мозг — мощнейший вычислительный инструмент?
Мы знаем, как устроены планеты, на которых никогда не бывали, но до конца не понимаем устройство собственной головы. Мозг во многом остаётся для учёных загадкой. Он отвечает и за логически стройные вычисления вроде решения арифметических задач, и регулирует эмоции, которые порой не поддаются осмыслению. Откуда у нашего головного органа такой потенциал, объясняет известный нейро- и психофизиолог Александр Каплан.
Гигант мысли
Человеческий мозг начинает формироваться уже в первые недели развития зародыша. На пятой неделе у эмбриона уже бьётся сердце, а на шестой в головном органе появляется электрическая активность — нервные клетки начинают контактировать между собой. На восьмой закладывается кортекс — плотный слой нервных клеток (около 3 мм), который есть только у млекопитающих, и каждый день появляются сотни тысяч новых нейронов. А на десятой неделе ребёнок начинает изучать себя, ощупывая ручками лицо.
На УЗИ можно наблюдать, как ребенок изучает свое тело
Фото: © Mikael Damkier / Shutterstock / FOTODOM
В середине седьмого месяца беременности мозг уже полностью сформирован, а дальше нервные клетки просто размножаются, пока их число не достигнет примерно 86 млрд (и не важно, идёт речь о будущем гении или о рядовом человеке). Потом их количество только идёт на спад. Мозг новорождённого весит около 350 г (у взрослого человека — в среднем 1 400 г). К двум с половиной годам ребёнок уже обладает 75 % от объёма взрослого мозга, а к пяти-шести годам этот показатель достигает 95 %.
Маленькие люди: тест о том, чем младенцы отличаются от взрослых
ЧитатьДля сравнения, у самой умной обезьяны — шимпанзе — на 400-граммовый мозг приходится 28 млрд нервных клеток (при этом генетически разница между обезьянами и людьми — всего 1 %). У макаки-резуса — 17 млрд нервных клеток, у собаки — 800 млн, у кошки — 600 млн, а у таракана — порядка 1 млн.
«Учёные долго не могли посчитать нервные клетки у слона — при весе мозга в 4,5 кг их там примерно 256 млрд. Но у этого животного большая мышечная масса, которой нужно много нервных клеток. У слона 250 млрд нейронов уходит на мышцы и лишь 6 млрд остаётся на всё остальное. У человека на мышцы отводится порядка 50 млрд нейронов, зато в кортексе их 22 млрд. А у слона там всего 2 млрд нервных клеток, у обезьяны примерно столько же», — объясняет разницу Александр Каплан.
Впрочем, мощность мозга зависит не столько от количества нейронов, сколько от числа контактов или связей между ними — синапсов. Их у каждой нервной клетки от 10 до 15 тыс. Если перемножить на 86 млрд нервных клеток, получится гигантское число — квадриллион, или 1 015. Причём каждый контакт между нервными клетками, или синапс, может находиться не в двух, как у транзисторов, а в 10–20 дискретных состояниях. То есть сеть естественных нейронов в мозге человека состоит из миллиона миллиардов многопозиционных переключателей. Тогда как в самых крутых современных процессорах на одном кристалле размещается не более 20 млрд транзисторов — двухпозиционных переключателей. Таким образом, мозг обладает на много порядков большей комбинаторной мощностью, чем любые современные вычислительные средства. Между тем каждая комбинация нейронных активаций — это кирпичики, из которых строится вся нейроархитектоника мозга. Чем больше разновидностей кирпичей, тем изысканнее архитектура.
В первые годы жизни у человека образуется около семисот синапсов в секунду, чтобы их сохранить, малыш многократно повторяет освоенные навыки
Изображение: © Валентина Межецкая / «Сириус(Журнал»
Чтобы компьютер приблизился по мощности к человеческому мозгу, он должен выполнять порядка 1,5×1 018 операций в секунду, подсчитал профессор Нью-Йоркского университета и лауреат премии Тьюринга Ян Лекун. Первым беспрецедентного уровня вычислительной производительности — порога в квинтиллион (1 018) вычислений в секунду — достиг американский суперкомпьютер Frontier. На это он расходует порядка 25 МВт (для сравнения, мощность атомного ледокола последнего поколения — 60 МВт). Ещё выше производительность китайских систем Tianhe Xingyi и Ocean Light, но и энергии они тратят почти вдвое больше, отмечают эксперты. Огромное энергопотребление — серьёзное ограничение для развития вычислительной техники. Мозг, который весит всего 2 % от общей массы тела, при всей своей высочайшей аналитической силе, на порядки превышающей вычислительный потенциал любого компьютера, потребляет лишь 25 Ватт (столько же нужно для работы тусклой лампочки накаливания). При этом он в активном состоянии «съедает» 25 % кислорода и глюкозы от общего их количества в организме.
«Генеративно мозг человека сильнее электронно-вычислительного устройства. Комбинаторика сумасшедшая, и этих комбинаций — как типов кирпичей — чем больше разновидностей, тем изысканнее архитектура. В мозге миллион миллиардов этих кирпичей, а у процессоров — максимум 25 млрд», — сравнивает учёный.
Главное — это связи
Формирование новых нейронных связей — главное свойство человеческого мозга. В раннем детстве каждую секунду мозг формирует примерно миллион новых связей между нейронами. Способность удалять нервные цепочки и создавать их называется пластичностью — это главное отличие биологической информационно-аналитической машины от привычного кремниевого процессора. Новые связи закрепляют новые навыки — когда человек сталкивается с чем-то неизвестным, мозг фиксирует этот опыт срабатыванием определённой цепочки нервных клеток. Например, при виде слона (того самого — с сотнями миллиардами нейронов) у вас срабатывает некий набор нервных клеток, и если каким-то образом активировать их снова, слон появится перед глазами, хотя на самом деле его нет. Такие цепи активирует внутренняя память.
Более 96 % нейронов головного мозга у слона уходит на управление его огромным телом, точнее его мышцами
Фото: © Joanne Wastchak / Shutterstock / FOTODOM
Выдающейся автобиографической памятью обладает американская актриса Мэрилу Хеннер. Она помнит себя с полуторагодовалого возраста и с тех пор может в подробностях описать любой день своей жизни: во что была одета, куда ходила, какие передачи шли по телевизору. Очевидно, такая способность отлично помогает учить роли. Ею же наделена менее известная американка Джилл Прайс. О своей жизни она написала автобиографию, которая есть в нашей подборке книг о мозге.
5 книг, чтобы познакомиться с мозгом поближе
ЧитатьХотя в нервной системе новорождённого десятки миллиардов нервных клеток, поначалу связей между ними очень мало. В течение первых двух лет жизни они активно нарастают. Потом начинается прунинг, или обрезка связей, и к 14 годам их число значительно сокращается. То есть в юном возрасте под всё новые впечатления и навыки создаются цепочки, а по мере взросления включается процесс оптимизации. Так что чем больше связей будет накоплено за первые два года, тем больше их останется ко времени полового созревания (к 14 годам сохраняется примерно 40 % связей).
Микеланджело о работе скульптора говорил: «Я беру камень и отсекаю всё лишнее». Так же работает мозг при формировании связей
Александр Каплан
Процесс оптимизации нейронных связей начинается с затылочной области и затрагивает зоны, отвечающие за зрение и слух. В последнюю очередь трансформируются фронтальные лобные доли, где формируются личностные качества. Способность формировать нервные связи не зависит от возраста и остаётся у человека до тех пор, пока функционирует его мозг, иначе говоря — пока в него поступает кровь. При этом к процессу подключаются гены, которые поставляют строительные материалы для синтеза новых связей, — белки. В ДНК человека порядка 30 тыс. генов, которые кодируют около 30 тыс. белков. Этот набор есть во всех клетках тела, но работают в каждой из них лишь 5–6 % генов в зависимости от специализации. А в клетках мозга задействовано около 50 % генов. По-видимому, функции генома в нервных клетках намного более разнообразны, чем в обычных клетках, что и обеспечивает нервным клеткам непрерывную изменчивость.
При этом во время оптимизации нейронных сетей, когда для нескольких навыков задействуется практически одна и та же цепочка, закладываются скрытые возможности. Внутри уже работающих «ветвей» есть зачатки навыков, которые пока не используются, но при необходимости легко активизируются.
Тренировать мозг нужно также, как и мышцы: важно регулярно делать что-то новое, осваивать навыки
Фото: © David Tadevosian / Shutterstock / FOTODOM
«Эксперименты на крысах показывают, что чем более разнообразна среда их обитания, чем больше они получают впечатлений в первый месяц жизни, тем более смышлёными они проявляют себя в различных тестах (например, в лабиринте) во взрослом состоянии. Можно сделать вывод, что приобретение знаний и навыков, исходно вроде бы не нужных для текущей деятельности, позволяет человеку непрерывно поддерживать способность к генерации новых неожиданных решений. Вот почему так полезны „выходы“ за пределы своих текущих компетенций в совершенно неожиданные области знаний и практики. Иными словами, главный секрет поддержания высокого творческого потенциала — это стремление к решению задач и освоению навыков, к которым нет прежнего опыта. Тогда и нужные гены, обеспечивающие процессы обучения, всегда будут настороже», — утверждает Александр Каплан.
Но почему у одного человека голова работает эффективнее, чем у другого?
«Это как два одинаковых офиса с одинаковым числом сотрудников, но с разной производительностью. Просто в одном лучше организована работа, чем в другом. Так и в голове — для эффективной работы нейронные сети должны быть оптимально организованы. Получается, что ресурсы повышения эффективности мозга не в привлечении стоящих на паузе нейронов (которых просто не существует), а в правильной организации их работы, в том числе и в обеспеченности соответствующими знаниями и навыками», — объясняет профессор.
Информационная перегрузка
Вернёмся в пещерное прошлое человека, на 40–50 тыс. лет назад. Там наши недалёкие по уму, как может показаться сегодня, предки, на самом деле, каждый день вынуждены были проявлять находчивость и изобретательность. Ведь чтобы обеспечить выживание себе и сородичам, им приходилось изготавливать орудия труда, одежду, строить жилища, придумывать ловушки для успешной охоты и многое другое.
Нужно контролировать объемы информации, которую обрабатывает мозг и не перегружать его
Фото: © Antonio Guillem / Shutterstock / FOTODOM
«Пещерные мозги позволили нам прекрасно дожить до сегодняшнего дня. За это время люди много чего изобрели и построили. Но появилось то, чего эволюция не могла предвидеть, — интенсивные мультимедийные информационные потоки, которые льются отовсюду. Их трансляторы в каждой сумочке, в каждом кармане. Пытаясь обработать этот огромный объём данных, мозг перегружается. Но это не значит, что он устарел — он совершенен и сделан на все времена. Просто мы сами мешаем ему работать должным образом и портим себе жизнь», — утверждает Александр Каплан.
Новозеландский ученый Джеймс Флинн доказал, что средний уровень IQ американцев рос с 1932 по 1978 год, но после 2017 года процесс пошёл в обратную сторону. Считается, что регресс вызван окружающей средой. Ниже всего показатели были у молодёжи (18–22 года) с низким уровнем образования.
За 160 тысяч лет, которые Homo sapiens обживает Землю, на свет появилось около 117 млрд человек. И чем больше поколений сменяло друг друга, тем больше информации приходилось носить в голове. С момента появления первых цивилизаций объём знаний человечества удваивался каждые 400 лет, а к середине XX века — уже каждые 25 лет. Считается, что в последние годы процесс удвоения знаний происходит за сутки. Дальнейшая динамика будет зависеть от того, как люди воспользуются современными технологическими возможностями. Чего стоит лишь один искусственный интеллект, позволяющий обрабатывать огромный объём информации и вычленять из него необходимое.
Искусственный интеллект: каким он стал за 70 лет и что будет дальше
Читать
