Febbraio 86/N. 61-26F

Il cervelloe il computer

Una delle problematiche principali che si pongono gli infor-matici è la creazione di macchine il cui funzionamento e la cui ar-chitettura si ispirino al cervello umano, definito da molti un mo-dello infinitamente elaborato di computer.

In questo articolo dossier di CI. Remy, che noi riassumiamo,si tenta di dare una risposta a queste problematiche ed a porre inrisalto i passi già fatti nel campo di quella che viene definita <<in-telligenza Artificiale» (A. I.).

Nello svolgimento di tali studi si è venuta a creare una colla-borazione interdisciplinare che ha permesso di concepire le primemacchine che riproducono per alcuni aspetti l'attività cerebrale.

Il contributo alla ricerca viene da più paesi. I successi maggio-ri si sono avuti in Giappone, in Francia e negli Stati Uniti.

In Giappone il MITI (Ministero dell'Industria) ha recente-mente annunciato un nuovo piano di sviluppo per la creazione diuna sesta generazione di computer. Il piano prevede tutta una se-rie di investimenti nei vari settori della scienza (psicologia, neuro-biologia, linguistica, logica, ingegneria) al fine di creare macchinecapaci di parlare e di pensare.

Gli Stati Uniti concentrano la loro attenzione sull'attività elet-trica del cervello. A Yale i ricercatori hanno proposto di visualiz-zare l'attività del sistema nervoso tramite dei coloranti sensibili al-le differenze di potenziale elettrico. Questi coloranti dovranno es-sere dotati di particolari caratteristiche quali quella di potersi allo-care nelle membrane cerebrali, di essere capaci di rispondere inmodo fedele, mediante un segnale ottico misurabile, ai cambia-menti di potenziale elettrico e di non essere tossici per le cellule.La loro osservazione permetterà di analizzare ciò che passa attra-verso una cellula nervosa in un dato istante: la registrazione deicambiamenti di colore permetterà di ricostruire il movimento e latrasformazione di un segnale nervoso al momento del suo passag-gio attraverso le cellule.

Siamo nel campo della bionica e della cibernetica.La natura ha offerto agli studiosi dell' A. I. numerosi esempi. Si

tratta di tutti quei sistemi biologici naturali capaci di evoluzionepropria quali: il sistema nervoso, il sistema immunitario e l'evolu-zione della specie. Fra tutti questi sistemi naturali è stato senzadubbio il sistema nervoso centrale ad ispirare la maggior parte deiricercatori.

Il cervello ha capacità di apprendimento, ragionamento e me-morizzazione. Esso è costituito da un numero elevatissimo di cel-lule nervose: i neuroni. Quando un neurone riceve un'eccitazione,propaga un segnale di natura elettrica (influsso nervoso) che vienetrasmesso alle altre cellule mediante un processo chimico.

Lo studio dei neuroni, di cui si conoscono abbastanza bene leproprietà (meno chiaro è il modo in cui l'attività mentale si elabo-ra a partire dalle iterazioni fra i diversi neuroni), ha permesso difare grandi passi in avanti nel campo dell'A. I.

Già negli anni 50 alcuni studiosi tentarono di sviluppare nelcampo elettronico dei modelli che riproducessero il sistema di ri-cezione, trattamento delle informazioni, comando ed autoregola-zione degli organismi viventi. Cosi nel 1958 molti modelli di cal-colatori elettronici pretendevano di simulare il modo di pensareumano.

Il più famoso di questi sistemi, concepito da Frank Rosen-blatt, il PERCEPTRON, è un modello assai rudimentale di rete di

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neuroni, capace di apprendere. L'elemento di base era un disposi-tivo elettronico che imitava in modo grossolano la cellula nervosa.

Tutti gli elementi erano cablati fra loro. Il modello più sempli·ce era quello a tre stadi: ricezione, associazione e risposta. Con l'HOMEOSTAT, concepito da W.R. Ashby, si ha il primo tentativodi creazione di un sistema artificiale autoorganizzato. Il modelloera costituito da quattro elettro-calamite identiche legate fra loroda fili conduttori. Il primo elemento inviava agli altri tre una cor-rente elettrica la cui intensità dipendeva dalla posizione di una le-va posta alla sua sommità. Il numero di stati possibili entro cuipoteva venirsi a trovare il sistema era molto elevato (circa400.000). Il numero di stati di equilibrio era, al contrario, molto ri-stretto. Lo stato di riposo corrispondeva ad uno stato di equili-brio: agendo manualmente sulla posizione della leva si induceval'Homeostat in uno qualsiasi dei suoi stati possibili. Da questomomento l'Homeostat iniziava una sua evoluzione propria per ri-cercare un altro stato di equilibrio. Questi sistemi non avevano ap-plicazioni pratiche ma mettevano senz'altro in luce la possibilitàdi riprodurre le caratteristiche essenziali del cervello.

Nello stesso periodo in cui compaiono il Perceptron e l'Ho-meostat, venivano alla luce le cosiddette «macchine di comporta-ment(»>.

Le macchine di comportamento erano dei sistemi, detti teleo-logici, capaci di ricercare una mèta e di adattarsi a situazioniesterne alle quali rispondono in maniera appropriata, conforme-mente a certi criteri. Cosi dei cibernetici inventarono dei piccoliautomi capaci di un comportamento molto complesso: dotati diriflessi condizionati, essi potevano apprendere nuove condotte.La loro struttura era molto semplice: si trattava di un carrello do-tato di motore e di cellule fotoelettriche. Il principio era quellodella retroazione.

Una condizione necessaria perché un sistema nervoso possaapprendere è che vengano esercitati su di esso degli effetti irrever-sibili. Questo concetto è legato a quello di soglia: dentro il cervel-lo un neurone non entra in azione se l'eccitazione che gli arrivanon passa una certa soglia critica.

Un modello che teneva conto del concetto di soglia fu conce-pito da A. Danchin.

Studi sempre più accurati nel campo hanno portato alla crea-zione di una nuova teoria, vicina alla cibernetica: la SINERGETI-CA. Questa nuova scienza, che studia come certi sistemi possonoripristinarsi da soli, permette di scoprire dei principi teorici chepotranno trovare utile applicazione sui computer. Si è già scoper-to che certi tipi di matrici logiche possono riorganizzarsi automa-ticamente quando i loro componenti sono danneggiati.

Questo dispositivo è analogo a quanto avviene nel cervelloquando alcune funzioni vengono trasferite ad altri circuiti nervosiquando ciò è necessario.

II funzionamento in sinergia implica che numerosi processi siproducano simultaneamente, analogamente a quanto avviene peril cervello. I neuroni isolati o in piccolo numero, siano essi natura-li che artificiali, sono sì ben compresi ma hanno anche delle capa-cità di trattamento delle informazioni molto limitate. In effetti èproprio il numero elevatissimo di neutroni che permette al cervel-lo tutta la sua potenza.

Lo studio delle grandi reti di neuroni, dato il grande numerodi elementi contenuti, implica il ricorso a metodi statistici.

Analizzando l'attività del cervello si scopre la presenza di con-nessioni di retroazione fra i neuroni. Queste connessioni permet-

MCmicrocomputer n. 52 - maggio 1986

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tono al cervello di rafforzare l~ informazioni pertinenti e di tra-scurare quelle che non lo sono. E il caso, ad esempio, di quando siriesce ad osservare un particolare oggetto pur essendo immersi inun ambiente estremamente rumoroso. L'informazione che interes-sa è al momento quella dell'immagine, quella non pertinente è ilrumore.

Le proprietà del cervello sono di difficile attuazione tramitedispositivi che utilizzano la logica binaria. In tali dispositivi la piùpiccola imprecisione può tradursi in una vera e propria catastrofe.

Oggigiorno i modelli di reti neuronali si sono evoluti abbando-nando la logica binaria pura per realizzare qualche cosa che somi-glia ad un insieme di INTEGRA TORI ANALOGICI che lavora-no in parallelo. Cosi un neurone avrebbe una doppia funzione:non soltanto portatore di logica binaria ma sarebbe un integrato recomplesso che potrebbe ricevere nel suo sistema fino a 10.000 in-formazioni nello stesso tempo. Di queste informazioni una soltan-to verrebbe rimessa alla cellula successiva. Secondo Ernest W.Kent il neurone potrebbe essere modellato da un circuito com-prendente sia componenti numerici che analogici.

Il cervello non funziona come una macchina sequenziale (con-cezione di Von Neumann) dove unità centrale, memoria e pro-grammi sono distinti. La caratteristica principale del nostro cer-vello è la capacità di associazione. Il nostro cervello funziona in-fatti per associazione di idee e la nostra memoria è ravvivata fa-cendo seguire ai nostri pensieri determinati percorsi.

Le reti di neuroni si comportano come delle memorie indiriz-zabili nel contenuto. Questo tipo di memoria gioca un ruolo moltoimportante nei problemi di riconoscimento delle forme e di classi-ficazione affrontati negli studi sull'intelligenza artificiale.

r primi modelli cerebrali che hanno tentato di sviluppare l'a-spetto associativo della memoria sembrano essersi ispirati agliologrammi. L'ologramma possiede infatti delle pro~rietà di resi-

stenza al rumore e al deterioramento comparabili a quelle del cer-vello.

Il neurobiologo Karl Pribram ha sviluppato un'ipotesi secon-do la quale l'informazione e la riproduzione delle immagini si ri-partiscono nel cervello mediante un processo analogo a quellodell'olografia. I processori ottici, facendo uso di ologrammi, han-no un comportamento che ricorda molto bene certi aspetti dell'in-telligenza.

Volendo fare delle considerazioni riguardo le applicazioni deiprimi risultati raggiunti, possiamo osservare che l'uomo si è appli-cato già da tempo in ricerche finalizzate a rafforzare, se non a so-stituire, l'uso degli organi sensoriali. Ricordiamo a questo propo-sito che i primi passi sono stati fatti in epoche molto lontane conl'invenzione del radar, del sonar ecc. Tutte le scoperte fatte sonotuttavia poco soddisfacenti allo stato attuale della tecnica. Si trat-ta infatti di organi esterni all'uomo: sarà solo l'iterazione direttadei dispositivi elettronici con il sistema nervoso centrale a permet-tere in alcuni casi di dotare l'uomo di validi organi sensoriali arti-ficiali. Si pensa già a quando il cieco riuscirà a vedere o il sordo asentire.

Nel 1958 fu esposto a Bruxelles un braccio-robot straordina-rio. Diretto dall'influsso nervoso del braccio dell'utilizzatore, que-sto robot riusciva a muoversi senza alcun intervento manuale. Ri-cerche attuali svolte in URSS hanno mostrato che il processo èapplicabile al cervello.

Se il trattamento telepatico non è ancora pronto, esiste già inGran Bretagna un gioco, «Defender», comandato dal pensiero.

Molti costruttori di computer, quali Atari e Commodore, sem-brano essere interessati a queste nuove prospettive.

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