Ученые вручную создали синапсы
В нервной системе каждого из нас — около 100 млрд нейронов, и они соединены отростками. Через одну разновидность (аксоны) сигнал входит в нейрон, а по второй (дендритам) передается последующим нервным клеткам. Мостик от аксона одного элемента системы к дендриту другого — это синапс. И эта единица ответственна за наше обучение.
Сейчас ученые трудятся над разработкой биоподобной модели обработки данных, умеющей распознавать, предугадывать, моделировать действия. При удачном развитии событий эти технологии могут стать основой гаджетов, которые застрахуют человека от атрофии мышц, утрате чувствительности, микротравм нервной ткани.
Например, итальянские исследователи совместно с биологами из Казани разрабатывают протез элемента спинного мозга. Устройство их электронных синапсов поможет людям ходить людям с поврежденными двигательными функциями нижних конечностей.
Чем мозг отличается от компьютера?
Существенных отличий в архитектуре как минимум два. Компьютерная память и процессор работают обособленно и не воздействуют друг на друга. Как бы мы ни загружали память данными, как бы ни стирали их оттуда, на процессор и его свойства это никак не влияет. А вот в человеческом мозге и обрабатывают, и сохраняют информацию ровно одни те же единицы. И синапсы помогают нам, что-то запоминая, не просто наполнять «кластеры памяти», но и менять связи между частями биопроцессора.
Теперь о втором отличии. Какой бы одноядерный компьютер мы ни рассмотрели, он всегда выполняет операции поочередно. А в мозгу процесс идет параллельно, и ему проще управляться с предсказаниями.
Как все начиналось
В конце 1940-х нейропсихолог Дональд Хебб вывел принцип синаптического обучения. Если у двух соединенных нейронов синхронизировать активность, сила их связи вырастет. Если в электронных сетях мы оперируем двумя нелинейными пороговыми элементами, то сила проводимость напрямую зависит от продолжительности и частоты использования проводника для передачи сигнала. Это позволяет проводить обучение без учителя.
Примерно в то же время психолог из США Фрэнк Розенблат предметно изучал искусственный синапс, сформировал «рукотворную» сеть нейронов и назвал ее перцептрон. Узлы в ней — это нейроны, и каждая из нервных клеток предыдущего слоя связана с узлом следующего. Такая связка позволяет видоизменять весовую функцию передачи сигнала. Так что если выбран принцип классификации объектов, данная система способна обучиться посредством внешних стимулов.
Синаптическое обучение
В 2005 году ученые создали так называемый «мемристор»: как и синапс, в искусственных нейросетях это устройство меняло сопротивление в прямой зависимости от вектора тока и объема ионного заряда.
Десять лет назад исследователи использовали такие приборы как элементы рукотворной нейронной сети. И эти элементы, совсем как настоящий синапс, могут менять передаточные весовые функции. В 2019 году на свет появилась компьютерная система, которая может обучаться без учителя.
Спасибо улитке
Кроме того, российские ученые в сотрудничестве с итальянскими коллегами воспроизвели часть нервной системы улитки, ответственный за обучаемость при кормлении. Это очень примитивная аллегория с хвостатыми подопечными академика Павлова.
Так, если просто коснуться губ моллюска, он воспримет это как негативный стимул, либо не отреагирует вовсе. Но вот если до губ дотронуться кусочком сахара, то улитка соотнесет жест с наличием еды — откроет рот и активизирует пищеварение в ожидании угощения.
Если опыт повторить энное количество раз, испытуемая будет реагирует так же — даже если касаться уже не сахаром. В этом эксперименте применена архитектура нервной системы, ответственная за обучаемость.
Ученые даже создали трехмерную сеть мемристорных приборов на специальных полимерах, где на 1 кв.мм приходится 100 млрд элементов! Это, кстати, на пять порядков меньше, чем число синапсов в нашей с вами нервной системе.
Выяснилось, что на свойства системы влияет метода обучения — а алгоритмы бывают «детские» и «взрослые». В процессе жизни одни синапсы усиливаются, другие «глушатся» — так и формируется личность во всем богатстве ее черт и качеств. Связи, сформированные на этапе детского обучения, уже не меняются. А вот на быстродействующие связи, порожденные взрослым обучением, влияет меняющаяся входная информация.
Но чем ближе к генетической предрасположенности структура связей, выстроенных при «детском» обучении, тем они прочнее. Меняя алгоритм, можно перейти и к «взрослому» обучению.
Пока ученые продолжают изобретать, мы рекомендуем вам не ждать у моря погоды, а оптимизировать процесс вашего обучения. В этом помогут соответствующие курсы от «Викиум» по развитию памяти, внимания, наблюдательности и других когнитивных функций. Лучше подойти к вопросу, как говорится, по всем фронтам: тогда учиться, осваивать новые навыки, работать, готовить презентации и налаживать отношения с людьми будет проще!
