De hersenen als voorbeeld

Neuromorfische informatica

Inleiding

Om de volgende generatie microchips, of misschien beter gezegd atomaire netwerkprocessors, te begrijpen, moet je alles loslaten wat je weet van digitale, binaire chips. En het ergste is: er bestaat nog geen wiskundige theorie die dit soort systemen beschrijft. Wat we wel kunnen, is ze per stuk iets aanleren en daarmee experimenteren. Zo wisten onderzoekers van het Brains Center van de Universiteit Twente een chip te bouwen waarmee de herkenning van handgeschreven cijfers een stuk verbeterd kan worden. Is dat knap? Wel als je bedenkt dat de Twentse chip gebaseerd is op een netwerk van circa honderd booratomen, ingebed in een silicium-kristalrooster met maar drie controleparameters, terwijl een normaal, op ons binaire stelsel gebaseerd digitaal systeem hier veel meer hardware en energie voor nodig heeft.

Om te weten te komen hoe dat kan, spreken we met Herbert Jaeger, hoogleraar in onder andere kunstmatige intelligentie aan de Rijksuniversiteit Groningen, en Wilfred van der Wiel, hoogleraar in de nano-elektronica aan de Universiteit Twente. We bekijken waarom de hersenen zo lastig zijn na te bouwen en we bespreken de chip die de groep van Van der Wiel in de afgelopen jaren steeds verder wist te verfijnen. Gooi al je middelbareschoolnatuurkunde overboord en kom een kijkje nemen in de wereld van materiaalkunde en informatica op het scherpst van de snede.

Zoals elke tweaker weet: digitaal werken gaat met nullen en enen. Hiervoor maken digitale computers gebruik van transistors, die in essentie niets anders doen dan wisselen tussen nul en een. Een transistor wijzigt zijn toestand bij een zekere input. Die input is heel helder bepaald: dat is een specifieke spanning. Digital computing is daarom heel schaalbaar en redelijk ongevoelig voor ruis. De hardware die daaruit voortkomt, kun je geschikt maken voor een scala aan taken, van simpel e-mailen tot gamen. Het nadeel is dat het niet heel energiezuinig werkt.

Het brein

Dat ligt anders bij het menselijk brein. Jaeger: “Het brein presteert vrij goed, maar het gebruikt geen schakelaars of switches, al zijn er wel neurowetenschappers die denken dat ergens in de hersenen bistabiele schakelaars zitten, dus het is niet helemaal uitgesloten. Wat we wel weten, is dat het brein zijn taken uitvoert met behulp van fysiologische, biochemische en elektrofysiologische effecten. Er is geen sprake van een enkel mechanisme dat vergelijkbaar is met een digitale computer. Het brein gebruikt allerlei mechanismen door elkaar op verschillende schaal.”

Terwijl achter Jaeger de minuten wegtikken op een analoge klok aan een muur van de kamer waaruit hij zijn Skype-gesprek voert, duiken we verder de biologie van de hersenen in. “Wat er gebeurt in een enkele synaps, is anders dan wat er gebeurt in een dendriet, de zogenaamde ontvangende takken van een neuron. Het is anders dan wat er fysiologisch en chemisch gebeurt in een soma, het cellichaam van een neuron, en ga zo maar door.

"Het lijkt de moeite waard om op deze manier signalen te verwerken, omdat onze hersenen een enorme verwerkingsbandbreedte hebben in vergelijking met digitale computers door de parallelliteit. Alleen weet niemand precies hoe dit werkt, omdat de taken die de hersenen uitvoeren, niet vergelijkbaar zijn met wat digitale computers doen. Het is een beetje een fuzzy argument, maar het brein kan bijvoorbeeld verbazingwekkende dingen doen in spraakverwerking die tot nu toe geen enkele computer kan, en het brein doet dat met die beroemde twintig watt. Samengevat zijn de hersenen heel energiezuinig en kunnen ze heel veel taken parallel uitvoeren. De hersenen halen hun kracht niet uit de snelheid van individuele neuronen, maar juist uit die parallelliteit. Een verklaring hiervoor is dat de hersenen zich niet beperken tot het gebruiken van één fysiek aan-uitprincipe."

"Evolutie heeft geleid tot een systeem met neurofysiologie waarin van alle mogelijke fysische en chemische processen gebruik kan worden gemaakt. Evolutie volgt niet dat enkelvoudige wiskundige principe van wat dan ook, het gebruikt simpelweg alles dat werkt. Grof gezegd: als het goed werkt, blijft het bestaan. Dit leidt tot de ongelukkige toestand dat ons brein zo moeilijk te begrijpen is, omdat dit orgaan het resultaat is van miljarden jaren knutselen en zo complex is als een samenleving. Maar het is wel erg efficiënt wat eruit komt.”

Van der Wiel wijst er later nog op dat de verwerkingsbandbreedte niet verward moet worden met de snelheid van individuele neuronen ten opzichte van digitale computers. Die laatste zijn vele miljoenen malen sneller. De kracht van de hersenen komt uit de gigantische parallelliteit; er gebeurt heel veel tegelijk. Een neuron vuurt een keer per 10 tot 100 milliseconden, wat neerkomt op 10 tot 100Hz.

• Volgende pagina 2. Ongeordend neuraal netwerk