Co sprawia, że człowiek potrafi posługiwać się językiem, rozwiązywać złożone problemy matematyczne, tworzyć sztukę czy projektować zaawansowane technologie? Przez dziesięciolecia naukowcy zakładali, że kluczem do wyjątkowych zdolności poznawczych człowieka jest przede wszystkim ogromna liczba neuronów oraz niezwykle rozbudowana sieć połączeń między nimi. Najnowsze badanie opublikowane w czasopiśmie Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) podważa jednak ten pogląd. Wyniki sugerują, że sekret ludzkiej inteligencji może tkwić znacznie głębiej – w niezwykłych możliwościach obliczeniowych pojedynczych komórek nerwowych.
Z tego artykułu dowiesz się…
- Dlaczego pojedyncze neurony ludzkiej kory mózgowej mogą odgrywać kluczową rolę w powstawaniu wyjątkowych zdolności poznawczych człowieka,
- W jaki sposób sztuczna inteligencja i modele komputerowe pomogły naukowcom ocenić moc obliczeniową pojedynczych komórek nerwowych,
- Jakie znaczenie mają drzewa dendrytyczne i właściwości elektryczne neuronów dla przetwarzania informacji w mózgu,
- Dlaczego wyniki badania mogą wpłynąć zarówno na rozwój neuronauki, jak i nowej generacji systemów sztucznej inteligencji.
Dotychczas dominowała teoria oparta na liczbie neuronów
Ludzki mózg zawiera około 100 miliardów neuronów, które komunikują się za pośrednictwem bilionów połączeń synaptycznych. Przez wiele lat uważano, że właśnie ogromna liczba tych komórek oraz ich wzajemnych połączeń odpowiada za rozwój ludzkiej inteligencji. Podejście to zakładało, że pojedynczy neuron działa stosunkowo prosto – odbiera informacje, przetwarza je i przekazuje dalej niczym biologiczny przełącznik. Nowe badanie pokazuje jednak, że taki obraz może być zbyt uproszczony.
Naukowcy przyjrzeli się pojedynczym neuronom
Badaniem kierowali naukowcy z Uniwersytetu Hebrajskiego w Jerozolimie – prof. Idan Segev i prof. Mickey London – we współpracy z badaczami z Edmond and Lily Safra Center for Brain Sciences (ELSC) oraz Wolnego Uniwersytetu w Amsterdamie. Celem projektu było sprawdzenie, jak złożone obliczenia wykonuje pojedynczy neuron ludzkiej kory mózgowej. Aby to ocenić, naukowcy opracowali nową metodę pozwalającą zmierzyć rzeczywistą moc obliczeniową pojedynczych komórek nerwowych.
Sztuczna inteligencja pomogła ocenić możliwości pojedynczych neuronów
Badacze wykorzystali zaawansowane modele komputerowe oraz sztuczną inteligencję. Ich zadaniem było stworzenie sztucznej sieci neuronowej, która potrafiłaby wiernie odtworzyć sposób działania pojedynczego neuronu.
Założenie było proste. Im trudniej sztucznej sieci nauczyć się zachowania pojedynczej komórki nerwowej, tym bardziej złożone obliczenia wykonuje ona w rzeczywistości. To pozwoliło po raz pierwszy ilościowo porównać możliwości biologicznego neuronu z możliwościami współczesnych modeli sztucznej inteligencji.
Pojedynczy neuron działa jak zaawansowany mikroprocesor
Wyniki zaskoczyły badaczy. Okazało się, że neurony ludzkiej kory mózgowej nie są prostymi elementami przekazującymi impulsy elektryczne. Przeciwnie – każda z tych komórek wykonuje niezwykle złożone operacje na docierających do niej informacjach. Jak podkreśla prof. Idan Segev:
Ludzie często myślą o neuronie jako o prostym przełączniku, który albo włącza, albo wyłącza. My pokazujemy, że pojedynczy ludzki neuron sam w sobie jest niezwykle zaawansowanym urządzeniem obliczeniowym.
Autorzy badania porównują pojedynczy neuron do biologicznego mikroprocesora zdolnego do wykonywania skomplikowanych analiz jeszcze zanim informacje zostaną przekazane do kolejnych komórek.
Co sprawia, że ludzkie neurony są tak wyjątkowe?
Kluczową rolę odgrywa ich budowa. Ludzkie neurony posiadają niezwykle rozbudowane drzewa dendrytyczne, czyli sieć wypustek odbierających sygnały z innych komórek nerwowych.
To właśnie w dendrytach dochodzi do skomplikowanego przetwarzania informacji. Dodatkowo komórki ludzkiej kory mózgowej charakteryzują się specyficznymi właściwościami elektrycznymi, które jeszcze bardziej zwiększają ich możliwości obliczeniowe. Zdaniem autorów badania każdy neuron jest zdolny do wykonywania złożonych analiz napływających sygnałów, zanim jeszcze zostaną one przekazane dalej.
Pojedyncza komórka może analizować bardzo złożone informacje
Badacze podkreślają, że neuron nie działa jedynie na zasadzie prostego „tak” lub „nie”. Może wykonywać złożone operacje na danych docierających z otoczenia. Przykładem jest analiza bodźców wzrokowych.
Pojedyncza komórka może uczestniczyć w rozpoznawaniu różnic pomiędzy obrazami – na przykład odróżnianiu kota od psa – jeszcze zanim informacja zostanie przekazana do kolejnych obszarów mózgu. Oznacza to, że znaczna część przetwarzania informacji odbywa się już na poziomie pojedynczych neuronów.
Odkrycie zmienia sposób myślenia o ludzkiej inteligencji
Dotychczas sądzono, że wyjątkowe możliwości poznawcze człowieka wynikają przede wszystkim z liczby neuronów oraz połączeń między nimi. Nowe badanie wskazuje jednak, że równie istotna może być jakość samych neuronów.
Jeżeli pojedyncza komórka nerwowa wykonuje znacznie bardziej zaawansowane obliczenia niż dotychczas zakładano, cały mózg może dysponować znacznie większą mocą obliczeniową, niż wynikałoby to wyłącznie z liczby neuronów. Autorzy sugerują, że właśnie ta wyjątkowa złożoność mogła odegrać kluczową rolę w ewolucji ludzkiego poznania.
Wyniki mogą pomóc lepiej zrozumieć działanie mózgu
Nowa metoda opracowana przez badaczy pozwala również powiązać budowę komórek nerwowych z ich rzeczywistymi możliwościami przetwarzania informacji. Może to pomóc odpowiedzieć na pytania dotyczące mechanizmów odpowiedzialnych za:
- uczenie się,
- pamięć,
- podejmowanie decyzji,
- kreatywność,
- planowanie,
- rozwój inteligencji.
Zdaniem autorów jest to kolejny krok w kierunku zrozumienia biologicznych podstaw ludzkiego myślenia.
Badanie może zainspirować nową generację sztucznej inteligencji
Odkrycie ma znaczenie nie tylko dla neuronauki. Może również wpłynąć na rozwój sztucznej inteligencji. Obecne modele AI wykorzystują bardzo uproszczone odpowiedniki neuronów biologicznych.
Jeżeli jednak pojedyncza komórka mózgowa wykonuje znacznie bardziej złożone obliczenia, przyszłe systemy sztucznej inteligencji mogłyby zostać zbudowane z bardziej zaawansowanych sztucznych neuronów, lepiej odzwierciedlających sposób działania ludzkiego mózgu. Taka architektura mogłaby zwiększyć wydajność modeli AI przy jednoczesnym ograniczeniu liczby niezbędnych jednostek obliczeniowych.
Główne wnioski
- Badanie opublikowane w Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) wskazuje, że pojedyncze neurony ludzkiej kory mózgowej mają znacznie większą moc obliczeniową, niż dotychczas sądzono, co może częściowo wyjaśniać wyjątkowe zdolności poznawcze człowieka.
- Naukowcy z Uniwersytetu Hebrajskiego wykorzystali zaawansowane modele komputerowe oraz sztuczną inteligencję, aby porównać działanie pojedynczych neuronów z możliwościami współczesnych sztucznych sieci neuronowych.
- Kluczową rolę odgrywają rozbudowane drzewa dendrytyczne oraz charakterystyczne właściwości elektryczne neuronów, które pozwalają im wykonywać złożone obliczenia jeszcze przed przekazaniem informacji do kolejnych komórek.
- Wyniki badania sugerują, że źródłem ludzkiej inteligencji może być nie tylko liczba neuronów i połączeń między nimi, ale również wyjątkowa złożoność pojedynczych komórek nerwowych, co może zainspirować rozwój bardziej zaawansowanych systemów sztucznej inteligencji.
Źródło:
- Hebrew University of Jerusalem
- https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2533168123
