生物學上的突破
然而,我們製造的世界的結構與大腦神經系統的結構的對應有科學證明嗎?最近台灣清華大學(本校)生物研究所的江安世教授的團隊定位了果蠅大腦的十萬個神經元,並以電腦3D呈現。他們發現,果蠅的大腦像是一個網格計算的超級電腦。果蠅大腦內的神經元有結團的現象,他們把一團神經元稱作一個local processing unit(局部運算單元),就像是電腦的處理器一樣。這些運算單元透過一種特化得軸索特別長的神經元來做長距離的資訊傳輸。 [5]
由於我們對果蠅的行為已經做了極其詳盡的研究,加上現在對每一個神經元的定位。每一個神經元就像是一個開關,我們可以一個一個的去檢驗該神經元的功能,進而得到神經元與神經元間的關係,進而得到每一個運算單元的功能。
上圖:果蠅大腦神經連結的管狀圖。在幾萬個神經元中定位的結果是有58條長距連結。左右兩側為眼睛。
中圖:真實的照片,該團隊用特殊的溶劑使果蠅外殼透明化,並用螢光蛋白質追蹤出果蠅大腦的某條神經路徑,可以看到感官受器的訊息傳道中樞時只有一條路線,因此視覺影像必定被轉換成某種編碼,而不是一整個完整圖像的切割。
左圖:果蠅頭部的的骨骼結構。
生物學家認為,人類的大腦的基本運算單元與果蠅的基本運算單元是相同的,都是由高密度的神經結加上長距離的連結組成。這十分合理,因為這兩種生物的腦都是為了完成差不多目的。
生物學家認為,人類的大腦的基本運算單元與果蠅的基本運算單元是相同的,都是由高密度的神經結加上長距離的連結組成。這十分合理,因為這兩種生物的腦都是為了完成差不多目的。
人的大腦與果蠅的大腦有多像?果蠅神經的六種神經傳導物與人的一模一樣,果蠅的腦也分為左右半球,神經的團簇(cluster)與團簇間透過特別的管道連結的方式也是相同的。
經由果蠅大腦在電腦中的三維影像重建,我們甚至可以追蹤神經電壓在神經網絡中的流動,也就是資訊的流動如何造成特定的結果。生物學家未來將利用這個現象來測試他們的資訊傳出理論,甚至計算出怎樣的輸入會導致怎樣的輸出。
電腦科學
江安世教授這樣形容果蠅的大腦:「果蠅大腦是由41個區域運算單元( local processing units), 58 條連結以及六個集線器(hub)所組成的。」
果蠅大腦每個運算單元間就好像一台電腦與另外一台連線一樣。如此以來,就可以進行網格運算(gird computing),如同一台超級電腦。當然,這台超級電腦的複雜度比目前世界上所有的超級電腦都要複雜許多。
什麼是網格計算?網格計算是通過網際網路連結大量異構計算機(個人電腦、超級電腦、各式各樣的計算機)的未用資源(CPU周期和磁碟存儲),組成的一個計算機集群(電腦的正式名稱是計算機)。如果將全部視為一整體的話,也可以看成是一台計算機。網格計算通過網際網路的資源共享產生的強大的計算能力和數據儲存能力非目前普遍認識的超級電腦所能比擬。其設計的目標是解決對於任何單一的超級計算機來說仍然大得難以解決的問題,例如生物學的計算。
上圖:網格計算的基本概念。
根據估計在2008年底全世界在使用的電腦超過十億台,而預估在2015年會達到二十億台。如果電腦的數量是線性增加,在2011年初,全世界在使用的電腦會約是十二億八千萬台[6]。想像我們把全世界的計算機連上網路,進行網格運算。十二億八千萬台計算機的運算速度已經是無法想像的快,然而,人腦大約有一千億個神經元,每個神經元平均有一千支突觸。我們大概可以想像人腦的複雜度。
可是電腦也不是樣樣皆輸。透過光纖,網際網路資訊是以光速傳輸,而且一條光千可以同時傳播好幾個訊息。但是神經元還在使用電脈衝以及擴散傳導訊息。理論上電腦網路的速度要較快。關鍵在於傳播距離。我們的網路遍布於全世界。大腦的網路相當於有100倍數量的電腦存在於一個小玉西瓜大小的體積裡。
如果我們可以把電腦cpu做到像神經元那麼小,並且用光來傳遞訊息的話,我們理論上可以造出電子腦。
我們目前並不瞭解意識物理上如何運作,但是藉由江安世教的果蠅腦研究,我們必定可以破解其中奧秘。既然已經知道解法了,剩下的不過是計算而已。
接下來的問題應該是,神經的演算法是怎樣的?
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