This post is also available in Engels.
Er zijn veel analogieën tussen hersenen en computers. De kunstmatige neurale netwerken die ten grondslag liggen aan gezichts- of stemherkenning zijn zelfs geïnspireerd door onze hersenen. Maar gaan er ook analogieën andersom? Hoe werken computers eigenlijk en hoe vergelijkbaar is dat voor hersenen?
Terecht kan men sceptisch zijn over het vergelijken van ons brein met de nieuwste technologie. Toch kan er toch een interessante vergelijking worden gemaakt tussen de hersenen en computers op het niveau van hun fundamentele bouwstenen: neuronen en hun synapsen enerzijds en anderzijds transistoren. Laten we eerst kijken hoe computers werken.
Berekening in computers
Digitale computers werden ontwikkeld rond de Tweede Wereldoorlog en deze uitvinding kan worden toegeschreven aan het synergetische werk van een aantal genieën, zoals Alan Turing en John von Neumann.
Een computer is een machine die opgedragen berekeningen kan uitvoeren. Op de een of andere manier kunnen die berekeningen uitlopen tot hele besturingssystemen en zelfs sportkampioenschappen. En het brein voert waarschijnlijk ook berekeningen uit.
Logische circuits, logische poorten en transistoren
Een computer bevat meerdere afzonderlijke onderdelen waar je waarschijnlijk wel eens van gehoord hebt; zoals een verwerkingseenheid (meestal een CPU), RAM (Random Access Memory), moederbord en een videokaart. Het moederbord verbindt de verschillende onderdelen. Minder bekend zijn de logische circuits die ten grondslag liggen aan deze onderdelen, zoals multiplexers (die kiezen tussen meerdere ingangen), registers (die gegevens bevatten voor de processor) en computergeheugen (dat gegevens bevat voor toekomstig gebruik). Logische circuits zijn opgebouwd uit logische poorten. In computers zijn dat transistoren.
Deze transistoren zijn elektronische schakelaars en ze zijn het meest fundamentele element van moderne computers. Transistoren zijn super klein – tegenwoordig hebben ze een breedte van ongeveer 15 nanometer (één-miljardste van een meter!!) elk – en een groot deel van de vooruitgang in snelheid en geheugencapaciteit van computers kan worden toegeschreven aan de vermindering van hun grootte (volgens de wet van Moore verdubbelen het aantal transistoren in een computerchip elke twee jaar) Computerprocessors kunnen tegenwoordig miljarden transistoren bevatten.
Logische poorten produceren een “binair” signaal. Dit betekent dat ze een 0 (UIT) of een 1 (AAN) kunnen produceren, afhankelijk van de input die ze ontvangen. Logische poorten voeren bewerkingen uit, zoals NIET (uitgangssignaal is het tegenovergestelde van het ingangssignaal), EN (beide ingangssignalen zijn een 1 of een 0) en OF (één van de ingangssignalen of beide zijn 1). De bewerkingen die worden uitgevoerd door logische poorten kunnen worden weergegeven in een ‘waarheidstabel’. Hieronder de waarheidstabel van een OF-poort.
Logische poorten voeren cruciale bewerkingen uit voor computers omdat ze verschillende soorten signalen kunnen bevatten.
Als je bijvoorbeeld “F” op je toetsenbord wilt typen, ervan uitgaande dat je al een structuur hebt die de verschillende toetsen kan herkennen, heb je een EN-bewerking nodig die AAN geeft wanneer je de “f” tegelijk ingedrukt houdt met de shift-toets.
Logische poorten en berekening in de hersenen
Nu we de logische poorten in computers begrijpen, kunnen we kijken naar hoe onze hersenen berekeningen uitvoeren.
Omdat de implementatie van de juiste logische poorten het mogelijk maakt om vrijwel elke berekening uit te voeren, is het verleidelijk om te denken dat de hersenen hetzelfde doen. En hoewel hersencellen, “neuronen”, veel gecompliceerder zijn dan transistoren, gebruiken ze misschien wel hetzelfde mechanisme als logische poorten.
De hersenen bevatten ongeveer 86 miljard neuronen. Deze neuronen verbinden zich via synapsen met elkaar, met gemiddeld duizenden van dergelijke verbindingen per neuron! De synapsen functioneren in zekere zin als logische poorten, omdat ze een binnengekomen signaal doorsturen of niet. En als een van de synapsen het signaal van een ingangsneuron doorgeeft, kan een uitgangsneuron ‘afvuren’, afhankelijk van de activiteit van de andere synapsen en de gevoeligheid van de uitgangsneuron.
In de hersenen zijn deze synaptische logische poorten echter veel dynamischer en complexer. Hun activiteit is bijvoorbeeld afhankelijk van activiteit in het verleden, de chemische samenstelling van de synaps en ook van de activiteit van andere hersencellen, met name astrocyten. Het menselijk brein heeft dus geen reguliere logische poorten, maar een soort tijdsafhankelijke (dynamische) logische poorten. Inzicht in hoe dergelijke logische poorten werken, zou kunnen leiden tot een beter begrip van de complexe werking van de hersenen.
Hoe het brein emoties, gedachten, sensaties, etc. veroorzaakt, blijft nog steeds een beetje een mysterie. Hoe meer we echter de basis begrijpen van de onderliggende berekeningen, des te meer kunnen we leren over hoe onze hersenen werken. Een computationele theorie van cognitie is vooralsnog niet uitgesloten.
Original language: English
Auteur: Jeroen Uleman
Buddy: Julija Vaitonyte
Editor: Mónica Wagner
Vertaler: Floortje Bouwkamp
Editor Vertaler: Wessel Hieselaar
Uitgelicht beeld van Alexandre Debiève via Unsplash (licentie).