Är din hjärna en dator?

Vi frågade experter om deras bästa argument i den mångåriga debatten om huruvida hjärnor och datorer behandlar information på samma sätt.

Getty

förbi

• Dan Falk arkivsida

25 augusti 2021

Det är en analogi som går tillbaka till början av datoreran: ända sedan vi upptäckte att maskiner kunde lösa problem genom att manipulera symboler, har vi undrat om hjärnan kan fungera på ett liknande sätt. Alan Turing, till exempel, frågade vad det skulle ta för en maskin att tänka ; När han skrev 1950 förutspådde han att år 2000 kommer man att kunna tala om att maskiner tänker utan att förvänta sig att bli motsagda. Om maskiner kunde tänka som mänskliga hjärnor, var det bara naturligt att undra om hjärnor kunde fungera som maskiner. Naturligtvis skulle ingen missta det klibbiga materialet i din hjärna för processorn inuti din bärbara dator - men utöver de ytliga skillnaderna, föreslogs det, kan det finnas viktiga likheter.

Idag, alla dessa år senare, är experterna splittrade. Även om alla är överens om att vår biologiska hjärnor skapar våra medvetna sinnen , de är splittrade i frågan om vilken roll, om någon, spelas av informationsbehandling – den avgörande likheten som hjärnor och datorer påstås dela.

Den här historien var en del av vårt septembernummer 2021

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Även om debatten kan låta lite akademisk, har den faktiskt verkliga implikationer: ansträngningen att bygga maskiner med människoliknande intelligens beror åtminstone delvis på att förstå hur våra egna hjärnor faktiskt fungerar, och hur lika – eller inte – de är maskiner. Om hjärnor kunde visas fungera på ett sätt som skilde sig radikalt från en dator, skulle det ifrågasätta många traditionella metoder för AI.

Frågan kan också forma vår känsla av vilka vi är. Så länge som hjärnor, och de sinnen de möjliggör, anses vara unika, kan mänskligheten föreställa sig att den verkligen är väldigt speciell. Att se våra hjärnor som inget annat än sofistikerade beräkningsmaskiner skulle kunna spränga den bubblan.

Vi bad experterna berätta varför de tror att vi borde – eller inte borde – tänka på hjärnan som en dator.

MOT: Hjärnan kan inte vara en dator eftersom den är biologisk.

Alla är överens om att de faktiska sakerna i en hjärna – designade under miljarder år av evolutionen – är mycket annorlunda än vad ingenjörer på IBM och Google lägger in i din bärbara dator eller smartphone. Till att börja med är hjärnor analoga. Hjärnans miljarder neuroner beter sig väldigt annorlunda än de digitala switcharna och logiska grindarna i en digital dator. Vi har vetat sedan 1920-talet att neuroner inte bara slås på och av, säger biolog Matthew Cobb vid University of Manchester i Storbritannien. När stimulansen ökar så ökar signalen, säger han. Hur en neuron beter sig när den stimuleras skiljer sig från alla datorer som vi någonsin har byggt.

Blake Richards, en neurovetare och datavetare vid McGill University i Montreal, håller med: hjärnor bearbetar allt parallellt, i kontinuerlig tid snarare än i diskreta intervall, säger han. Däremot använder dagens digitala datorer en mycket specifik design baserad på originalet av Neumann arkitektur . De fungerar till stor del genom att steg för steg gå igenom en lista med instruktioner kodade i en minnesbank, samtidigt som de kommer åt information lagrad i diskreta minnesplatser.

Inget av det har någon likhet med vad som händer i din hjärna, säger Richards. (Och ändå fortsätter hjärnan att överraska oss: på senare år har vissa neuroforskare gjort det hävdade att även enskilda neuroner kan utföra vissa typer av beräkningar, jämförbara med vad datavetare kallar en XOR, eller exklusiv eller, funktion.)

FÖR: Visst kan det! Den faktiska strukturen är vid sidan av poängen.

Men kanske är det som hjärnor och datorer gör i grunden detsamma, även om arkitekturen är annorlunda. Det som hjärnan verkar göra beskrivs ganska träffande som informationsbehandling, säger Megan Peters, kognitionsforskare vid University of California, Irvine. Hjärnan tar toppar [korta skurar av aktivitet som varar ungefär en tiondels sekund] och ljudvågor och fotoner och omvandlar det till neural aktivitet – och den neurala aktiviteten representerar information.

Richards, som håller med Cobb om att hjärnor fungerar väldigt annorlunda än dagens digitala datorer, tror ändå att hjärnan är faktiskt en dator. En dator, enligt användningen av ordet inom datavetenskap, är precis vilken enhet som helst som kan implementera många olika beräkningsbara funktioner, säger Richards. Enligt den definitionen är hjärnan inte bara som en dator. Det är bokstavligen en dator.

Michael Graziano, neuroforskare vid Princeton University, upprepar den känslan. Det finns ett bredare begrepp om vad en dator är, som en sak som tar in information och manipulerar den och på grundval av den väljer utdata. Och en 'dator' i denna mer allmänna uppfattning är vad hjärnan är; det är vad den gör.

Men Anthony Chemero, kognitionsforskare och filosof vid University of Cincinnati, invänder. Det som verkar ha hänt är att vi med tiden har urvattnat idén om 'beräkning' så att det inte längre betyder någonting, säger han. Ja, din hjärna gör saker, och den hjälper dig att veta saker - men det är inte riktigt beräkning längre.

FÖR: Traditionella datorer kanske inte är hjärnliknande, men konstgjorda neurala nätverk är det.

Alla de största genombrotten inom artificiell intelligens idag har involverat Artificiellt nervsystem , som använder lager av matematisk bearbetning för att bedöma informationen de matas med. Kopplingarna mellan lagren tilldelas vikter (ungefär ett tal som motsvarar vikten av varje samband i förhållande till de andra – tänk på hur en professor kan ta fram ett slutbetyg baserat på en serie frågesportsresultat men tilldela en större vikt till sista frågesporten). Dessa vikter justeras i takt med att nätverket exponeras för mer och mer data, tills det sista lagret producerar en utdata. Under de senaste åren har neurala nätverk kunnat känna igen ansikten, översätta språk , och till och med härma mänskligt skriven text på ett kusligt sätt.

Relaterad berättelse

AI-pionjären Geoff Hinton: Deep learning kommer att kunna göra allt För trettio år sedan var Hintons tro på neurala nätverk motstridig. Nu är det svårt att hitta någon som inte håller med, säger han.

Ett artificiellt neuralt nätverk är egentligen bara en modell på algoritmisk nivå av en hjärna, säger Richards. Det är ett sätt att försöka modellera hjärnan utan hänvisning till de specifika biologiska detaljerna om hur hjärnan fungerar. Richards påpekar att detta var det uttryckliga målet för pionjärer inom neurala nätverk som Frank Rosenblatt, David Rumelhart och Geoffrey Hinton : De var specifikt intresserade av att försöka förstå de algoritmer som hjärnan använder för att implementera de funktioner som hjärnor framgångsrikt beräknar.

Forskare har nyligen utvecklat neurala nätverk vars funktion är sägs mer likna de verkliga mänskliga hjärnorna . Ett sådant tillvägagångssätt, prediktiv kodning, är baserad på antagandet att hjärnan ständigt försöker förutsäga vilka sensoriska input den kommer att ta emot härnäst; tanken är att hänga med i omvärlden på detta sätt ökar dess chanser att överleva – något som naturligt urval skulle ha gynnat. Det är en idé som resonerar med Graziano. Syftet med att ha en hjärna är rörelse – att kunna interagera fysiskt med den yttre världen, säger han. Det är vad hjärnan gör; det är hjärtat av varför du har en hjärna. Det är att göra förutsägelser.

MOT: Även om hjärnor fungerar som neurala nätverk, är de fortfarande inte informationsprocessorer.

Alla tror inte att neurala nätverk stödjer uppfattningen att våra hjärnor är som datorer. Ett problem är att de är det outgrundlig : när ett neuralt nätverk löser ett problem är det kanske inte alls tydligt hur det löste problemet, vilket gjorde det svårare att hävda att dess metod på något sätt var hjärnliknande. De artificiella neurala nätverk som människor som Hinton arbetar med nu är så komplicerade att även om du försöker analysera dem för att ta reda på vilka delar som lagrade information om vad, och vad som räknas som manipulation av den informationen, kommer du inte att kunna dra ut det, säger Chemero. Ju mer komplicerade de blir, desto svårare blir de.

Men försvarare av hjärnan-som-dator-analogin säger att det inte spelar någon roll. Du kan inte peka på ett s och 0 s, säger Graziano. Det är distribuerat i ett mönster av anslutning som lärt sig bland alla dessa konstgjorda neuroner, så det är svårt att 'prata butik' om exakt vad informationen är, var den lagras och hur den är kodad - men du vet att den finns där.

FÖR: Hjärnan måste vara en dator; alternativet är magi.

Om du är engagerad i tanken att den fysiska hjärnan skapar sinnet, så är beräkning den enda gångbara vägen, säger Richards. Beräkning betyder bara fysik, säger han. Det enda andra alternativet är att du föreslår någon form av magisk 'själ' eller 'ande' eller något liknande ... Det finns bokstavligen bara två alternativ: antingen kör du en algoritm eller så använder du magi.

MOT: Metaforen hjärna-som-dator kan inte förklara hur vi härleder mening.

Oavsett hur sofistikerat ett neuralt nätverk kan vara, gör inte informationen som flödar genom det det faktiskt betyda något, säger Romain Brette, en teoretisk neuroforskare vid Vision Institute i Paris. Ett ansiktsigenkänningsprogram, till exempel, kan peka ett visst ansikte som mitt eller ditt - men i slutändan är det bara att spåra korrelationer mellan två uppsättningar siffror. Man behöver fortfarande någon som förstår det, tänker, uppfattar, säger han.

Vilket inte betyder att hjärnan inte bearbeta information – kanske gör det det. Beräkning är förmodligen mycket viktig i förklaringen av sinnet och intelligens och medvetande, säger Lisa Miracchi, filosof vid University of Pennsylvania. Ändå understryker hon att det som hjärnan gör och vad sinnet gör inte nödvändigtvis är detsamma. Och även om hjärnan är datorlik, kanske sinnet inte är det: Mentala processer är inte beräkningsprocesser, eftersom de är inneboende meningsfulla, medan beräkningsprocesser inte är det.

Så var lämnar det oss? Frågan om hjärnan är som en dator eller inte tycks bero delvis på vad vi menar med dator. Men även om experterna skulle kunna komma överens om en definition, verkar det osannolikt att frågan kommer att lösas inom kort - kanske för att den är så nära knuten till svåra filosofiska problem, som det så kallade sinne-kroppsproblemet och medvetandets pussel. Vi bråkar om huruvida hjärnan är som en dator eftersom vi vill veta hur sinnen kom till; vi vill förstå vad som tillåter vissa arrangemang av materia, men inte andra, inte bara att existera utan att uppleva.

Dan Falk är en vetenskapsjournalist baserad i Toronto. Hans böcker inkluderar Vetenskapen om Shakespeare och På jakt efter tid.