Agyunk iszonyúan összetett rendszert alkot: 100 milliárd idegsejtből és a köztük lévő 100 billió kapcsolatból épül fel. Nem véletlenül hasonlítják tehát össze egy másik nagyon komplex rendszerrel, amely szintén óriási problémamegoldó kapacitással rendelkezik: a digitális számítógéppel. Ezek a rendszerek összetettségük mellett felépítésükben is hasonlítanak egymásra. Mindkettő elemi egységekből, idegsejtekből, illetve tranzisztorokból épül fel, amelyek bonyolult áramkörökbe kötve dolgozzák fel az elektromos jelekbe kódolt információkat.
Az agy és a számítógép továbbá abban is hasonlít egymásra, hogy az elemi összetevőkhöz képest magasabb szintre lépve többé-kevésbé elkülönült alrendszerek felelősek bennük a bevitelért, a kimenetért, a feldolgozásért és az információ tárolásáért.
De melyik a jobb a problémamegoldásban? Az agy vagy a számítógép? Az elmúlt évtizedek technológiai fejlődését figyelembe véve azt hihetnénk, hogy lassan a számítógép javára billen a mérleg nyelve. És valóban, az utóbbi években több olyan gépi rendszer is épült, amelyek képesek legyőzni a legnagyobb emberi mestereket bizonyos összetett játékokban, például sakkban, góban vagy olyan ténytudáson alapuló kvízjátékokban, mint amilyen az amerikai Jeopardy!
A való világhoz kapcsolódó számos feladat megoldásában azonban még mindig az emberi agy a jobb, a tárgyak felismerésétől kezdve az olyan egyszerű feladatokig, mint egy facsap beütése, nem is beszélve a fogalmi gondolkodásról vagy a kreativitásról.
De miért van ez? Miért jobb a számítógép bizonyos dolgokban nálunk, és miért bizonyul más feladatok megoldásában sokkal jobbnak az agyunk?A számítógépes rendszerek és az agy összehasonlítása régóta bizonyul kiemelten termékeny terepnek a gépi rendszereket tervező mérnökök és az agykutatók számára egyaránt.
A modern számítógép atyja, Neumann János már A számológép és az agy című, 1958-as könyvében is sok olyan fogalmat felvet (például a feldolgozási sebességet és a párhuzamos számítások kérdését), amelyek azóta is meghatározzák az agy és a számítógép összevetésével kapcsolatos kutatásokat és beszédet.
Villámgyors matek
De mit mondhatunk jelenleg a két rendszer összevetése kapcsán? A számítógépek hallatlan előnye az aggyal szemben, hogy sokkal gyorsabbak. Napjainkban egy személyi számítógép másodpercenként 10 milliárd elemi matematikai művelet elvégzésére képes. Az agy esetében feldolgozás sebességének megállapításakor azokra az elemi folyamatokra támaszkodunk, amelyek révén az idegsejtek információt továbbítanak egymásnak.
A neuronok elektromos jelekkel kommunikálnak: amikor egy inger hatására „elsülnek”, sejtmembránjuk két oldalán jelentősen megváltozik az ioneloszlás, így feszültség alakul ki, amely aztán akciós potenciálként végigfut az idegsejt nyúlványán a következő idegsejt felé. Az információ ezen feszültségmegugrások gyakoriságába és időzítésébe kódolódik bele, vagyis a továbbítási sebességet egyrészt meghatározza, hogy milyen gyorsan fut végig az ingerület a nyúlványon (ennek maximális sebessége nagyjából 120 m/s) és az is, hogy milyen gyakran tud elsülni az idegsejt (a legmagasabb frekvencia, amit eddig mértek 1000 elsülés másodpercenként).
Ez azonban még nem minden, az idegsejtek közötti kommunikációnak ugyanis kémiai része is van: amikor az akciós potenciál eléri a hosszú idegsejti nyúlvány, az axon végét, onnan kémiai közvetítő molekulák, neurotraszmitterek indulnak útjukra a két neuront elválasztó szinaptikus résen át. Amikor aztán ezek elérik a következő idegsejtet, ott ismét elektromos jelekké fordítódnak. A leggyorsabb szinaptikus jeltovábbítás nagyjából egy ezredmásodpercet vesz igénybe.
Az idegsejtek tehát a legjobb esetben is csak legfeljebb 1000 alapműveletet tudnak elvégezni, azaz 10 milliószor lassabbak, mint egy hétköznapi számítógép.Utóbbiak ráadásul sokkal nagyobb numerikus pontossággal is működnek. Ahogy Neumann fogalmaz: „Digitális gépekkel [...] bármely kívánt pontosság megvalósítható; például a korábban vázolt 12 tizedesjegyű gép magától értetődően 1:1012 pontosságot biztosítana.” Bitekre fordítva ez azt jelenti, hogy egy 32 bites szám pontossága 1:4,2 milliárdhoz.
A tapasztaltok alapján az emberi idegrendszer pontossága a biológiai háttérzajnak köszönhetően viszont csak 1:100-hoz. vagyis megint csak sokkal-sokkal rosszabb, mint egy számítógépé.
A teniszező színre lép
Ennek fényében kifejezetten meglepő lehet, hogy az agy működése se nem lassú, se nem pontatlan. Egy profi teniszjátékos például képes követni egy több mint 250 km/órával száguldó labda pályáját, megfelelő helyre mozdulni a pályán, és jó helyre lendíteni az ütőt, hogy eltalálja, majd visszairányítsa azt az ellenfél térfelére. Az ehhez szükséges számításokat pedig mindössze néhány tizedmásodperc alatt végzi el az agy, miközben tizedannyi energiát használ, mint egy személyi számítógép.
De hogyan képes erre központi idegrendszerünk? A legfontosabb különbség a számítógép és az agy között az információ feldolgozásának módjában rejlik. A számítógépek – legalábbis a jelenleg elterjedt fajták – lépések sorozataként végzik el a feladatokat. Ez a programozás módjából is nyilvánvaló, hiszen parancsok sorát hajtják végre. Ehhez a szekvenciális működéshez nagyon fontos a nagyfokú pontosság, hiszen a hibák felgyűlnek és felnagyítódnak a sok-sok lépés folyamán.
Az agy szintén lépésenként dolgozza fel az információkat. A teniszjátékos esetében például az történik, hogy az információ a szemből az agyba áramlik, majd onnan a gerinc felé továbbítódik, immár a végtagoknak és törzsizmoknak adandó parancsok formájában. A legnagyobb különbség azonban a két rendszer működésében, hogy az agyban sok-sok lépéssor fut le egyszerre, egymással párhuzamosan.
Idegrendszerünk ugyanis maximálisan kiaknázza a neuronok és az ezek közti kapcsolatok nagy számát. A mozgó teniszlabda egyszerre több fényérzékeny sejtet is aktivál a retinában. A sejtek a beeső fényjeleket elektromos jelekké alakítják, majd azt párhuzamosan, különböző idegi útvonalakon továbbítják. A párhuzamosan az agy belseje felé utazó jelek mindegyike információval szolgál a labda helyével, irányával és sebességével kapcsolatban.
Párhuzamos valóságok
És hasonló a helyzet a kimenő jeleknél is: a motoros kéreg egyszerre sok-sok csatornán küldi az utasításokat az izmoknak, hogy a törzs, a lábak, a kar és a csukló egyszerre kerüljön a lehető legjobb pozícióba a labda fogadásához és visszaadásához. Ez a lenyűgöző párhuzamos működés azért lehetséges, mert minden egyes idegsejt sok más neurontól kapja, és sok másiknak adja tovább az információkat.
Egy átlagos emlős idegsejt mind a bemeneti, mind a kimeneti oldalon ezres nagyságrendű másik idegsejttel van kapcsolatban. Összevetésképpen egy tranzisztornak összesen három kivezetése van – a bemenettel és kimenettel együtt. A sajátos agyi működésből az is adódik, hogy sok neuron ugyanazt, vagy közel ugyanazt az információt dolgozza fel, ami nagyban segít a pontosság növelésében. Bár egyetlen neuron adatai túlságosan is zajosak, ha 100 neuron reprezentálja ugyanazt az információt, és adja tovább egyetlen másik neuronnak, az így kapott átlaginformáció már sokkalta pontosabb lesz.
Az agy és számítógép esetében az elemi egységek jelzéseiben szintén akadnak hasonlóságok és különbségek egyaránt. A tranzisztor diszkrét értékekkel, 0-kal és 1-ekkel operál, de hasonlóan tesznek a neuronok is, amelyek a mindent vagy semmit elve alapján működnek. Vagyis ha az inger elér egy küszöbszintet, a neuron elsül, és az akciós potenciál minden esetben nagyjából hasonló méretű és alakú lesz, vagyis szintén bináris rendszerben működik: vagy van jel, vagy nincs jel.
A neuronok ugyanakkor analóg jelzésre is képesek, amellyel folytonos értékeket tudnak közvetíteni. A retina neuronjai például ilyenek, kimeneti jelük nagysága az ingertől függően változik, így több információt tudnak kódolni, mint az akciós potenciálok. De a jeleket általában befogadó idegi nyúlványok, a dendritek is analóg módon működnek, és komplex műveletek során összesítik a több ezer bejövő jelet a következő.
Az agy másik érdekes tulajdonsága, hogy benne a neuronok közti kapcsolatok erőssége módosítható, aminek a szakértők szerint fontos szerepe van a tanulásban és az emlékképzésben is. Az ismétlődő tevékenységek során – például az ütések gyakorlásakor – a folyamatban részt vevő idegi áramkörök egyre hatékonyabban működnek, lehetővé téve a játékos számára, hogy még gyorsabban és még pontosabban reagáljon a labda közeledtére.
Kölcsönös előnyök
Az elmúlt évtizedek során a tervezők gyakran merítettek ihletet az agy ezen tulajdonságaiból, hogy javítsanak a számítógépek működésén a párhuzamos feldolgozás és a kapcsolatok erősségének használattól függő módosításának megvalósítása révén. Ez hívta életre a többmagos processzorokat, de a gépi tanulás koncepcióját is, ami jelentős fejlődést hozott a gépi rendszerek tárgy- és beszédfelismerésének területén.
Mindezen eredményeknek köszönhetően a gépek egyre több dologra képesek. De az emberi agy a legtöbb dologban még mindig jobb náluk, elsősorban nagyfokú flexibilitása, általánosító képessége és tanulási hatékonysága miatt. Ahogy azonban az agykutatók – egyre fejlettebb számítógépek segítségével – többet tudnak meg az agyról, amelynek működését még csak most kezdjük megérteni, az új információk révén jobb még jobb gépek is épülhetnek.
Hogy végül a eljutunk-e arra a pontra, hogy a számítógép több dologban körözi le az emberi agyat, mint az agy a gépet, azt egyelőre nem lehet tudni. Ahogy azt sem, hogy ezt az eredményt végül az agy rendszerének másolása révén vagy egy egészen más módon, más rendszerben gondolkodva sikerül megvalósítani. Annyi azonban bizonyos, hogy amíg tart ez a különös versengés, annak hozadékaiból mind az idegkutatás, mind a számítástechnika rengeteget profitálhat.
