أظهرت عمليات الخلايا العصبية البشرية قدرة غير متوقعة على الحساب
التشعبات ، عمليات بعض الخلايا العصبية في الدماغ البشري ، يمكنها إجراء حسابات منطقية ، كما كان يعتقد سابقًا ، يمكن فقط للشبكات العصبية الكاملة
تتشعب التشعبات الرقيقة التي تشبه جذور النبات في جميع الاتجاهات من جسم الخلية في هذا الخلايا العصبية القشرية. يمكن للتشعبات الفردية معالجة الإشارات التي يتم تلقيها من الخلايا العصبية المجاورة بشكل مستقل قبل نقلها إلى إدخال الخلية.وغالبًا ما يقال لنا أن قدرة الدماغ على معالجة المعلومات تكمن في تريليونات الاتصالات التي تربط الخلايا العصبية بالشبكة. لكن على مدى العقود القليلة الماضية ، حول المزيد والمزيد من الأبحاث الانتباه تدريجياً إلى الخلايا العصبية الفردية ، التي تتحمل مسؤولية أكبر بكثير عن الحوسبة مما كان يتصور سابقًا.وترتبط أحدث هذه الشهادات الكثيرة باكتشاف العلماء لنوع جديد من الإشارات الكهربائية التي تمر عبر المستويات العليا للقشرة الدماغية البشرية. في الدراسات المختبرية والنماذج ، ثبت بالفعل أن أجزاء صغيرة من التشعبات ، وعمليات الخلايا العصبية في القشرة الدماغية ، هي نفسها قادرة على أداء عمليات معقدة من مجال المنطق الرياضي. ومع ذلك ، يبدو الآن أن المقصورات التغصنية الفردية يمكن أن تؤدي أيضًا عملية خاصة - " OR OR حصرية " (XOR) - والتي ، كما كان يعتقد سابقًا ، لم تكن متاحة للخلايا العصبية الفردية."أعتقد أننا حفر ضحلة جدا في مجال ما تشارك فعليا في الخلايا العصبية،" - قال ألبرت جدعون ، ومرحلة ما بعد الدكتوراه في جامعة هومبولت في برلين، المؤلف الرئيسي للمجلة العلوم نشر الأعمال ، الذي يصف هذا الاكتشاف.يوضح هذا الاكتشاف الحاجة المتزايدة باستمرار للخلايا العصبية الفردية ليتم اعتبارها معالجات معلومات معقدة في دراسات الجهاز العصبي. قال كونراد كوردينج : "يمكن أن يكون الدماغ أكثر تعقيدًا بكثير مما كنا نعتقد".، وهو عالم أعصاب حسابي من جامعة بنسلفانيا لم يشارك في هذا العمل. ربما يدفع هذا الاكتشاف أيضًا علماء الكمبيوتر إلى تغيير استراتيجيات العمل للشبكات العصبية الاصطناعية ، حيث كانت الخلايا العصبية تُعتبر دائمًا مفاتيح بسيطة.حدود نموذج العصبون الغبي
في أربعينيات وخمسينيات القرن الماضي ، بدأت فكرة معينة تهيمن على علم الأحياء العصبية: دور "غبي" للخلايا العصبية كمدمج بسيط ، وهي نقطة شبكة تلخص جميع المدخلات. تتلقى عمليات التفرع للخلية ، التشعبات ، آلاف الإشارات من الخلايا العصبية المجاورة - بعضها مثير ، والبعض الآخر - مثبط. في جسم العصبون ، يتم وزن كل هذه الإشارات وجمعها ، وإذا تجاوز المجموع عتبة معينة ، ينتج العصبون سلسلة من النبضات الكهربائية (في الواقع ، الإمكانات الكهربائية) التي تتحكم في تحفيز الخلايا العصبية المجاورة.في نفس الوقت تقريبًا ، أدرك الباحثون أن عصبونًا واحدًا يمكن أن يعمل كبوابة منطقية ، مثل تلك التي تشكل الدوائر الرقمية (على الرغم من أنه لم يتضح بعد كيف يقوم الدماغ بإجراء هذه الحسابات عند معالجة المعلومات). كان العصبون ، في الواقع ، "بوابة AND" ، حيث تم تنشيطها فقط بعد تلقي الكمية اللازمة من بيانات الإدخال.وبالتالي ، يمكن لشبكة من الخلايا العصبية نظريًا إجراء أي حسابات. ومع ذلك ، كان هذا النموذج العصبي محدودًا. كانت استعاراته الحسابية بسيطة للغاية ، وعلى مدى عقود ، افتقرت الوحدات التجريبية إلى القدرة على تسجيل نشاط مكونات مختلفة من عصبون واحد. قال بارليت ميل : "لقد ضغطت العصبون بشكل أساسي على نقطة في الفضاء".، عالم الأعصاب الحسابي في جامعة جنوب كاليفورنيا. "لم يكن لديه مظاهر داخلية للنشاط." تجاهل النموذج حقيقة أن آلاف الإشارات التي تدخل إلى العصبون كانت في نقاط مختلفة من التشعبات المختلفة. تجاهلت الفكرة (وأكدت لاحقًا) أن التغصنات الفردية يمكن أن تعمل بطرق مختلفة. وتجاهلت إمكانية قيام الهياكل الداخلية المختلفة للخلايا العصبية بإجراء حسابات مختلفة.ومع ذلك ، في 1980s ، بدأت الأمور تتغير. نماذج من الأعصاب كريستوف كوخ وغيرها، والذي أكد في وقت لاحق في التجارب، أثبتتأن أحد الخلايا العصبية لا ينتج إشارة جهد مفردة أو موحدة. بدلاً من ذلك ، انخفضت الإشارات ، مرت على طول التغصن في العصبون ، وغالباً لم تساهم في إخراج الخلية النهائي.ويعني عزل الإشارات هذا أن التشعبات الفردية يمكنها معالجة المعلومات بشكل مستقل عن بعضها البعض. قال ميل: "كان هذا مخالفًا لفرضية الخلايا العصبية النقطية ، حيث قام العصبون ببساطة بتكديس كل شيء بغض النظر عن الموقع".دفع هذا كوخ وعلماء الأحياء الآخرين ، بما في ذلك جوردون شيبردمن كلية الطب بجامعة ييل ، لنمذجة كيف يمكن لبنية التشعبات من حيث المبدأ أن تسمح للخلايا العصبية بالعمل ليس كبوابة منطقية بسيطة ، ولكن كنظام معقد لمعالجة الإشارات متعددة المكونات. قاموا بمحاكاة الأشجار التغصنية ، التي توجد عليها العديد من العمليات المنطقية التي تعمل من خلال آليات افتراضية.في وقت لاحق ، درس ميل وزملاؤه بمزيد من التفصيل كيف يمكن التحكم في الخلية باستخدام عدة إشارات واردة على التشعبات المنفصلة. ما وجدوه فاجأهم: ولدت التشعبات قمم محلية ، ولديهم منحنيات مدخلات / مخرجات غير خطية ، وعتبات تنشيط خاصة بهم تختلف عن الخلايا العصبية ككل. يمكن أن تعمل التشعبات نفسها كبوابات "أنا" ، أو تضع أجهزة حوسبة أخرى على نفسها.طباشير مع طالب دراسات عليا سابقأدرك يوتا بويراتسي (عالم الأعصاب العامل حاليًا في معهد البيولوجيا الجزيئية والتكنولوجيا الحيوية في اليونان) أن هذا يعني أنه يمكن اعتبار خلية عصبية واحدة شبكة من طبقتين . Dendrites بمثابة وحدات الحوسبة غير الخطية المساعدة التي تجمع بيانات المدخلات وتوفر بيانات إخراج وسيطة. ثم يتم دمج هذه الإشارات في جسم الخلية ، مما يحدد كيفية استجابة الخلايا العصبية ككل لها.
يوتا بويراتسي ، عالمة أعصاب حسابية في معهد البيولوجيا الجزيئية والتكنولوجيا الحيوية في اليونانما إذا كان النشاط على مستوى التشعبات يؤثر على تنشيط الخلايا العصبية وأن نشاط الخلايا العصبية المجاورة لم يكن واضحًا. ولكن على أي حال ، يمكن لهذه المعالجة المحلية إعداد أو إعداد النظام بحيث يستجيب للإشارات الواردة في المستقبل بشكل مختلف ، كما يقول شيبرد.قال ميل: "كان الاتجاه على هذا النحو: حسنًا ، كن حذرًا ، قد يكون العصبون أكثر قدرة ،" حسب قول ميل.يوافق الراعي. وقال: "إن مقدارًا كبيرًا من الحسابات التي تتم في القشرة تكون عند مستوى لا يصل إلى العتبة". "نظام من عصبون واحد يمكن أن يكون أكثر من مجرد وحدة تكامل". قد تكون هناك طبقتان أو أكثر. " من الناحية النظرية ، يمكن تنفيذ جميع العمليات الحسابية تقريبًا بواسطة عصبون واحد مع عدد كاف من التشعبات ، كل منها قادر على أداء عمليته غير الخطية.في عمل حديث في مجلة Science ، أخذ الباحثون هذه الفكرة إلى أبعد من ذلك. واقترحوا أن مقصورة واحدة من التغصنات يمكن أن تؤدي هذه العمليات المعقدة بمفردها.رشقات نارية غير متوقعة وعقبات قديمة
بدأ ماثيو لاركوم ، عالم الأعصاب من هومبولت ، وفريقه ، في دراسة التشعبات من وجهات نظر مختلفة. تمت دراسة نشاط التشعبات بشكل رئيسي باستخدام القوارض كمثال ، وكان الباحثون مهتمين بكيفية اختلاف انتشار الإشارات في الخلايا العصبية البشرية ، التي تكون التشعبات أطول. لقد وصلوا إلى أقسام التخلص من أنسجة المخ من الطبقة الثانية والثالثة من القشرة ، والتي تحتوي على خلايا عصبية كبيرة بشكل خاص مع عدد كبير من التشعبات. وعندما بدأوا في تحفيز هذه التشعبات بمساعدة التيار الكهربائي ، لاحظوا شيئًا غريبًا.لقد رأوا انفجارات غير متوقعة ومتكررة - والتي كانت على عكس الإشارات العصبية المعروفة الأخرى تمامًا. كانت سريعة وقصيرة بشكل خاص ، مثل إمكانات العمل.، ونشأ بسبب أيونات الكالسيوم. كان هذا مثيرًا للاهتمام لأن إمكانات العمل المعتادة يتم إنشاؤها بواسطة أيونات الصوديوم والبوتاسيوم. على الرغم من أن الإشارات التي تم إنشاؤها بواسطة الكالسيوم قد لوحظت بالفعل في التشعبات القوارض ، استمرت هذه الرشقات لفترة أطول.والأكثر غرابة أن زيادة شدة التحفيز الكهربائي قللت من معدل استجابة الخلايا العصبية. قال جدعون: "فجأة ، بدأنا في تحفيز المزيد وبدأنا في الحصول على أقل". "لقد لفتت انتباهنا."لفهم ما يمكن أن تفعله هذه الأنواع الجديدة من الرشقات ، تعاون العلماء مع Poiratsi وباحثة من مختبرها اليوناني ، Atanasia Paputzi ، لإنشاء نموذج يعكس سلوك الخلايا العصبية.أظهر النموذج أن التشعبات تنتج رشقات نارية استجابة لإشارتي إدخال بشكل منفصل ، لكنها لا تنتج إذا تم الجمع بين هذه الإشارات. هذا يعادل حسابًا غير خطي ، يُعرف باسم OR OR ، أو XOR ، ويعطي 1 فقط إذا كان واحدًا ، وواحدًا فقط من المدخلات هو 1.هذا الاكتشاف يتردد على الفور بين علماء الكمبيوتر. لسنوات عديدة ، كان يعتقد أن عصبونًا واحدًا لم يكن قادرًا على حساب وظيفة XOR. في كتاب عام 1969 ، قدم Perceptrons وعلماء الكمبيوتر Marvin Minsky و Seymour Papert أدلة على أن الشبكات العصبية الاصطناعية أحادية الطبقة لا يمكنها حساب XOR. كان هذا الاستنتاج ضربة قوية لدرجة أن العديد من علماء الكمبيوتر شرحوا بهذه الحقيقة الركود الذي كانت فيه الشبكات العصبية حتى الثمانينيات.في نهاية المطاف ، وجد باحثو الشبكات العصبية طرقًا للتغلب على العائق الذي وجده مينسكي وبابيرت ، ووجد علماء الأعصاب أمثلة على هذه الحلول في الطبيعة. على سبيل المثال ، علم Poiratsi بالفعل أن عصبونًا واحدًا يمكنه حساب XOR: اثنان فقط من التشعبات قادران على ذلك. لكن في تجارب جديدة ، اقترح هو وزملاؤه آلية بيوفيزيائية معقولة لإجراء مثل هذا الحساب في التغاير الواحد.قال بويراتسي: "بالنسبة لي ، هذه درجة أخرى من مرونة النظام". "هذا يظهر أن النظام لديه العديد من الطرق لإجراء الحسابات." ومع ذلك ، تشير إلى أنه إذا كان العصبون الواحد قادرًا بالفعل على حل هذه المشكلة ، "فلماذا يجب أن يذهب النظام إلى الحيل عن طريق إنشاء وحدات أكثر تعقيدًا داخل العصبون؟"المعالجات داخل المعالجات
بالطبع ، ليست كل الخلايا العصبية مثل هذا. يقول Gidon أنه في أجزاء أخرى من الدماغ هناك عدد قليل من الخلايا العصبية المدببة. على الأرجح ، يوجد مثل هذا التعقيد للخلايا العصبية لسبب ما. فلماذا تحتاج أجزاء من الخلايا العصبية إلى القدرة على القيام بما تستطيع الخلايا العصبية أو شبكة صغيرة من الخلايا العصبية؟ الخيار الواضح هو الخلايا العصبية التي تتصرف مثل شبكة متعددة الطبقات ، ويمكنها معالجة المزيد من المعلومات ، وبالتالي ، من الأفضل التعلم وتخزين المزيد. قال بوارتسي: "ربما لدينا شبكة عميقة كاملة في عصبون منفصل". "وهذا جهاز أقوى بكثير لتدريس المهام المعقدة."ربما يضيف كوردينج ، "العصبون الوحيد القادر على حساب وظائف معقدة حقًا. على سبيل المثال ، يمكنه التعرف على الكائن بشكل مستقل ". وفقا ل Poiratsi ، فإن وجود مثل هذه الخلايا العصبية القوية قد يساعد الدماغ على توفير الطاقة.تخطط مجموعة Larkum للبحث عن إشارات مماثلة في التشعبات لدى القوارض والحيوانات الأخرى لتحديد ما إذا كانت هذه القدرات الحسابية فريدة للبشر. كما يريدون تجاوز النموذج لربط نشاط الخلايا العصبية المرصودة بالسلوك الحقيقي. يأمل Poiratsi في مقارنة حسابات التغصنات بما يحدث في شبكات الخلايا العصبية من أجل فهم المزايا التي قد تنشأ في الحالة الأولى. سيشمل ذلك التحقق من العمليات المنطقية الأخرى واستكشاف كيفية المساهمة في التعلم أو التذكر. قال بويراتسي: "حتى نقيم كل شيء ، لا يمكننا تقدير أهمية هذا الاكتشاف".على الرغم من أنه لا يزال هناك الكثير من العمل الذي يتعين القيام به ، يعتقد الباحثون أن هذه الاكتشافات تثبت الحاجة إلى إعادة التفكير في نهج نمذجة الدماغ. ربما لا يكفي التركيز فقط على الترابط بين مختلف الخلايا العصبية ومناطق الدماغ.يجب أن تثير النتائج الجديدة أيضًا أسئلة جديدة في مجالات التعلم الآلي والذكاء الاصطناعي. تعمل الشبكات العصبية الاصطناعية مع الخلايا العصبية النقطية ، معتبرة أنها عقدًا تلخص الإدخال وترسل المجموع من خلال وظيفة التنشيط. قال غاري ماركوس ، العالم المعرفي في جامعة نيويورك ، الذي كان متشككًا جدًا في بعض ادعاءات التعلم العميق: "أخذ عدد قليل جدًا من الأشخاص على محمل الجد فكرة أن العصبون الواحد يمكن أن يكون جهازًا حاسوبيًا متطورًا" .على الرغم من أن العمل من مجلة Science هو مجرد اكتشاف واحد في التاريخ الغني للأعمال التي توضح هذه الفكرة ، فقد يتفاعل علماء الكمبيوتر بشكل أكثر نشاطًا لأنه يعمل مع مشكلة XOR ، التي عانت طويلًا من البحث على الشبكات العصبية. قال ماركوس: "يبدو أنها تقول أننا بحاجة إلى التفكير بجدية في الأمر". "هذه اللعبة بأكملها - الحصول على تفكير ذكي من الخلايا العصبية الغبية - قد تكون خاطئة."وأضاف: "وهذا يوضح بكل وضوح وجهة النظر هذه". "هذا الأداء سوف يغرق كل ضجيج الخلفية."Source: https://habr.com/ru/post/undefined/
All Articles