האם מחשבים יכולים לבצע את העבודה של המוח?

במשך שנים רבות, השתמשנו במחשבים למטרות שונות: לעבוד, לשחק, לתקשר, לצפות בסרטים ולבצע דברים רבים נוספים. מִדֵּי שנה, אנו מפתחים מחשבים טובים ומהירים יותר, אך זה לא מספיק עבורנו–אנו חולמים על מחשבי-על עם כוחות חישוב שהם מעבר לדמיוננו. מחשבים כאלה יאפשרו לנו להשתמש בהרבה יותר נתונים בזמן קצר. מדענים מקבלים השראה לפיתוח מחשבים עוצמתיים כאלה מהאופן שבו המוח בנוי. המוח מורכב מתאים שנקראים נוֹיְרוֹנִים, המחוברים זה לזה ברשת עצומה שבה אותות חשמליים מעבירים נתונים בין הנוירונים. מדענים מנסים ליצור גרסה דיגיטלית של הרשת העצבית הטבעית. הם יוצרים נוירונים מלאכותיים שמחוברים בתוך רשת רחבת-היקף, שבה במקום האותות החשמליים שמשמשים במוחנו, הנתונים מיוצגים על ידי מספרים דיגיטליים במעגלים אלקטרוניים. זה נקרא רשת עצבית מלאכותית–רשתות אלה מסוגלות לבצע מטלות מסוימות, כמו זיהוי תמונה, ביעילות רבה. אולם, עדיין לא הגענו לגבול של מה שֶׁמַּחְשְׁבִים יכולים לעשות עם רשת עצבית מלאכותית. אולי באחד הימים מחשבים יהיו מסוגלים לחשוב כמו בני אדם!

המוח הוא המחשב המוטבע של בני אדם

האם ידעתם שבמשך שנייה אחת המוח יכול לקבל מיליארדים על גבי מיליארדים של אותות? זוהי כמות נתונים עצומה שזורמת דרך המוח בכל שנייה! המוח האנושי הוא המחשב המוטבע שלנו, והוא המכונה המורכבת ביותר שאי פעם נוצרה. היא הרבה יותר קטנה מכדור כדורגל, אך יש לה הרבה יותר תאים מכמות הכוכבים בגלקסיית שביל החלב! אם נְדַמֶּה את הגוף לספינה, אז המוח הוא רב החובל. המוח יכול להסתגל במהירות רבה למצבים חדשים לגמרי ובלתי מוכרים. הוא גם יכול לזהות אובייקטים הרבה יותר מהר מהמחשב הטוב ביותר בעולם. כשאתם רואים פָּנִים של חבריכם הטובים, מוחכם מזהה אותם מהר יותר מהמהירות שבה זבובים מנפנפים בכנפיהם. מחשבים יכולים לזהות דפוסים מורכבים רבים, אך אפילו המחשבים המהירים ביותר עדיין אינם יכולים להתחרות עם המוח האנושי. מדענים מתחומים שונים מנסים כל העת להבין את מכלול התהליכים שמתרחשים במוח כשהוא מבצע מטלות כמו זיהוי תבניות.

כפי שציינו, נוירונים הם תאים במוח שיכולים להוליך אותות חשמליים ולהעביר מידע לתאים אחרים. לנוירונים יש גוף תא המכיל גרעין, ומבנים ארוכים דמויי חוט שנשלחים מגוף התא במטרה להעביר אותות חשמליים. מבנים אלה נחלקים לשתי קבוצות: דֶּנְדְּרִיטִים–מקבלים נתונים מנוירונים אחרים ומעבירים את הנתונים לְעֵבֶר גוף התא; ואַקְסוֹנִים–מעבירים נתונים הרחק מגוף התא דרך נוירונים אחרים. דנדריטים הם קצרים הרבה יותר מאקסונים, ולאקסונים לעיתים קרובות יש מעטפת שומנית שנקראת יריעת מִיאָלִין, אשר פועלת כחומר מבוֹדֵד סביב לחוט, ומסייעת לאותות החשמליים לזרום (איור 1). המקום שבו שני נוירונים נפגשים כדי להעביר אותות זה לזה נקרא סִינַפְּסָה.

גם כאשר נוירונים אינם שולחים אות חשמלי לנוירונים אחרים, תמיד ישנהּ רמת רקע נמוכה של פעילות חשמלית שמתקדמת לאורך הנוירונים. מדענים מכנים את חשמל הרקע הזה ''רעש'', וכאשר משתמשים בציוד כדי לשרטט גרף של הפעילות החשמלית של נוירונים, הרעש מופיע כקו מעט מפותל. כאשר הנוירון מעביר אות חשמלי, הדבר נראה כמו עלייה חדה או שיא על גבי הגרף (איור 2). אם כן, אנו יכולים לחשוב על נוירון כיחידה שמתקיימת באחד משני מצבים: ''כבוי'' (רעש), או ''דלוק'' (שולח אות חשמלי חד) [1]. בשפת המתמטיקה ניתן לייצג מצבים אלה באמצעות שני סמלים: ''0'' (כבוי), ו-''1'' (דלוק). השפה של הספרוֹת 1 ו-0 מוכרת בתור שפה בִּינָרִית, וזוהי גם השפה שעליה מבוססים מחשבים!

יצירת רשת עצבית מלאכותית

דמיינו יצירה של מבנה תלת-ממדי גדול מצינורות בכמה צורות וגדלים. כל צינור יכול להיות מחובר לצינורות רבים אחרים, ויש לו שסתום שיכול להיפתח או להיסגר. כפועל יוצא, מתקבלים מיליוני צירופים של חיבורי צינורות. כעת, נחבר את מתקן הצינורות לברז מים. צינורות בגדלים שונים יאפשרו למים לזרום במהירויות שונות, ואם השסתומים סגורים, המים לא יזרמו. המים מייצגים את הנתונים שמועברים במוח; הצינורות מייצגים נוירונים והשסתומים מייצגים את הקשרים בין נוירונים–הסינפסות. מדענים מנסים ליצור מוח דיגיטלי שמחבר בין נוירונים דיגיטליים כמו צינורות המים הדמיוניים הללו. בהתבסס על קידוד בינרי של נוירונים, מדענים מקווים ליצור מכונה חושבת שהיא גרסה אלקטרונית מדויקת של המוח, מלאה בנוירונים דיגיטליים שפועלים יחד ברשת גדולה, יעילה ואמינה: רשת עצבית מלאכותית.

הנוירונים הדיגיטליים שמייצרים רשת מוחית מלאכותית נקראים צְמָתִים. לכל צומת יש מאפיין מיוחד, שנקרא משקל, אשר מתוכנת על ידי המפתחים. המשקל של צומת יכול להיות מושווה לשסתומים במבנה הצינורות הדמיוני שלנו, או לסינפסות במוח–שסתומים המווסתים את עוצמתם של אותות נכנסים. כעת, נדמיין שהצינורות במבנה שלנו מובילים למְכָל, המייצג נוירון מלאכות. כל שסתום מווסת את כמות המים שנכנסים למכל. כמות המים הכוללת שמגיעה מצינורות שונים היא ה''קֶלֶט'' של המכל, אשר נקרא ''אות קֶלֶט'' ברשת עצבית מלאכותית. השסתומים מייצגים את המשקלים של הצמתים, אשר מווסתים את עוצמת האותות שמגיעים לצמתים מהסביבה ומנוירונים אחרים. המכל המלא במים הוא כמו נתוני פֶּלֶט–התמונות, האותות והצלילים שהמוח מפרש מהעולם שבחוץ.

לכל צומת ברשת העצבית המלאכותית יש קְלָטִים רבים, שמייצגים אותות קלט מהסביבה ומנוירונים אחרים. כאשר הרשת פעילה, הצומת מקבל נתונים שונים (אותות, אשר יכולים להיות מיוצגים על ידי ספרוֹת) דרך כל קלט, ומכפיל את הנתונים במשקלים המיוחסים להם. לאחר מכן, הצומת מסכם את כל אותות הקלט במטרה לקבל את הסך הכול, שהוא אות הפלט. זוכרים כיצד הסברנו שנוירונים בדרך כלל חווים רמה נמוכה של רעש חשמלי, שאינו חזק מספיק להעברת האות? ברשת עצבית מלאכותית, אם אות הפלט הוא מתחת לסף שהוגדר מראש, הצומת אינו מעביר נתונים לשכבה הבאה–זה נחשב כרעש. אם אות הפלט עובר את הסף, הצומת שולח אותו לשכבה הבאה–באותו האופן שבו אות נשלח לאורך סינפסה כאשר הפעילות החשמלית במוח גבוהה מספיק. כל זה מתרחש בשפה הבינרית של הספרוֹת 1 ו-0.

במטרה לְעַצֵּב דור חדש של מחשבי-על ששואב השראה מהמוח האנושי, אנו זקוקים לרשת עצבית שבנויה מנוירונים מלאכותיים (איור 3). יצירת רשת כזו לא תתאפשר ללא שימוש במתמטיקה כדי לייצג את האופן שבו נוירונים אמיתיים מתפקדים.

נוירונים מלאכותיים: אז והיום

הצומת, או הנוירון המלאכותי, הוא יחידה בסיסית של רשת עצבית מלאכותית. הנוירון המלאכותי הראשון הוצע בשנת 1943, על ידי וורן מק'קאלוק וולטר פיטס, והוא נקרא פֶּרְסֵפְּטְרוֹן. נתונים נכנסים לנוירון מלאכותי פשוט זה, עוברים חישובים מתמטיים, ואז יוצאים ממנו. נוירונים מלאכותיים יכולים להיות מאורגנים בכמה שכבות כך שכל שכבה מבצעת חישובים שונים. השכבה האחרונה היא שכבת הפלט; כל השכבות האחרות נקראות נוירוני קלט. נוירוני קלט אינם מקבלים החלטות סופיות, הם רק מנתחים את הפרטים של אות הקלט, ומעבירים את המידע הלאה לשכבה הבאה לניתוח נוסף. זו הצורה הפשוטה ביותר של רשת עצבית מלאכותית, אך מדענים מנסים לבנות רשתות מורכבות מאוד המחברות נוירונים רבים אשר, שלא כמו פרספטרונים, יכולים לבצע חישובים מתקדמים, ממש כמו נוירונים במוחות שלנו.

מסקנות

רשתות עצביות מלאכותיות נוצרות במטרה לחקות את המוח האנושי באופן דיגיטלי. הן משמשות כיום עבור ניתוחים מורכבים בתחומים שונים, מרפואה ועד הנדסה, וניתן להשתמש בהן לעיצוב הדור הבא של המחשבים [2]. רשתות עצביות מלאכותיות הן כיום מרכיב חיוני בתעשיית המשחקים. נוסף על כך אנו יכולים לעשות בהן שימוש לצורך זיהוי כתב יד, מה שעשוי להיות מועיל בתעשיות כמו בנקאות. רשתות עצביות מלאכותיות יכולות גם לבצע דברים חשובים רבים בתחום הרפואה. ניתן למשל להשתמש בהן כדי לבנות מודלים של גוף האדם, שיוכלו לסייע לרופאים לאבחן מחלות בקרב מטופליהם בדיוק רב. הודות לרשתות אלה, ניתן לנתח תמונות רפואיות מורכבות, כמו למשל סריקות CT, ביֶתֶר מהירות ודיוק. הצפי הוא כי מכונות שמתבססות על רשתות נוירונים יהיו מסוגלות לפתור בעיות מורכבות רבות בעצמן, וילמדו מהטעויות של עצמן. ייתכן שבאחד הימים נהיה מסוגלים לחבר בין בני אדם למכונות דרך מכשיר שנקרא ממשק מוח-מכונה! זה יתמיר את המחשבות האנושיות לאותות שיוכלו לשלוט במכונות. אולי, בעתיד, נצטרך רק להשתמש במחשבותינו כדי לתקשר עם הסביבה.

מילון מונחים

נוירון (Neuron): ↑ תא במוח ובמערכת העצבים, שאחראי על שליחת אותות לתאים אחרים.

רשת עצבית מלאכותית (Artificial Neural Network): ↑ גרסה דיגיטלית של הרשת המוחית, שמבצעת חישובים מתמטיים בתוך רכיבים שנקראים צמתים.

דנדריט (Dendrite): ↑ שלוחה של נוירון, אשר מקבל גירוי ומעביר אותות לגוף התא.

אקסון (Axon): ↑ מבנה ארוך ודק שאחראי על יצירה של האות בנוירון, ועל עיבודו.

סינפסה (Synapse): ↑ נקודת תקשורת, שבה הנוירונים השולחים מעבירים את ההודעה לנוירונים המקבלים.

שפה בינרית (Binary Language): ↑ שפת מכונה שמייצגת נתונים באמצעות מערכת של שני סימנים 0 ו-1.

צומת (Node): ↑ רכיב ברשת עצבית מלאכותית שפועל כגרסה דיגיטלית של נוירון.

משקל (Weight): ↑ כלי המאפשר שינוי של האות.

הצהרת ניגוד אינטרסים

המחברים מצהירים כי המחקר נערך בהעדר כל קשר מסחרי או פיננסי שיכול להתפרש כניגוד אינטרסים פוטנציאלי.