Ինչպես են աշխատում, ինչով են նման և տարբեր

Մեր օրերում արհեստական բանականությունը դարձել է առօրյա իրականության անբաժանելի մասը: Գրեթե բոլորը հետաքրքրված են ԱԲ-ով, շատերն արդեն արդյունավետ համագործակցում են նեյրոցանցերի հետ ամենատարբեր ոլորտներում, բայց քչերը գիտեն, թե ինչպես է այն աշխատում:

Տեխնոլոգիաների զարգացման պատմության մեջ հազվադեպ ենք հանդիպում այնպիսի ֆենոմենի, որը միաժամանակ լինի թե՛ մեր կենսաբանական էության նմանակում, թե՛ մարդկային մտքի հզորագույն գործիք: Նեյրոցանցերը հենց այդպիսի երևույթ են՝ ոգեշնչված մարդկային ուղեղի կառուցվածքից, բայց իրենց յուրահատուկ սկզբունքներով գործող:

Երբ մենք օգտագործում ենք տեքստային խոսակցական մոդելներ, պատկերներ գեներացնող ծրագրեր կամ խելացի օգնականներ, հաճախ չենք էլ կռահում, որ այս տեխնոլոգիաների հիմքում ընկած է մեր սեփական մտածողության մեխանիզմի պարզեցված մոդելը: Սակայն արհեստական և բնական բանականությունների միջև կան ինչպես հիմնարար նմանություններ, այնպես էլ էական տարբերություններ: Այս անդրադարձը կօգնի ավելի լավ հասկանալ մարդկային ուղեղի և արհեստական բանականության (նեյրոցանցերի) աշխատանքի մեխանիզմները, դրանց միջև եղած կապերն ու տարբերությունները: Հասկանալով այս համակարգերի գործելու սկզբունքները՝ մենք ոչ միայն ավելի արդյունավետ կարող ենք օգտագործել այս նորագույն տեխնոլոգիան, այլև, ինչը պակաս հետաքրքիր ու կարևոր չէ, ավելի խորը պատկերացում կազմել մեր սեփական ուղեղի և գիտակցության առեղծվածային բնույթի մասին:

Մարդկային ուղեղն ու նեյրոցանցերը․
Համեմատական վերլուծություն

Այժմ կներկայացնենք մարդկային ուղեղի և նեյրոցանցերի գործելու մեխանիզմները և դրանց նմանություններն ու տարբերությունները:

Մարդկային ուղեղի աշխատանքը

Մարդկային ուղեղը բաղկացած է մոտ 86 միլիարդ նեյրոններից, որոնք միմյանց հետ կապված են տրիլիոնավոր սինապսներով: Ահա թե ինչպես է այն աշխատում.

1. Նեյրոններ։ Ուղեղի հիմնական կառուցվածքային միավորներն են: Յուրաքանչյուր նեյրոն բաղկացած է մարմնից, դենդրիտներից և աքսոնից։
2. Սինապսներ։ Նեյրոնների միջև կապեր են, որոնց միջոցով տեղի է ունենում տեղեկատվության փոխանցումը:
3. Ազդանշանների փոխանցում։ Երբ նեյրոնը ստանում է բավարար թվով ազդակներ, այն «կրակում է»՝ արձակելով էլեկտրական ազդանշան (գործողության պոտենցիալ), որը տարածվում է աքսոնով դեպի այլ նեյրոններ:
4. Նեյրոփոխանցիչներ։ Քիմիական նյութեր են, որոնք ազդանշանը փոխանցում են մեկ նեյրոնից մյուսին սինապսների միջոցով:
5. Պլաստիկություն։ Ուղեղն ունի սինապսները ամրապնդելու կամ թուլացնելու հատկություն՝ կախված դրանց օգտագործման հաճախականությունից (Հեբի կանոն՝ «միասին կրակողները կապվում են»):
6. Մոդուլայնություն։ Ուղեղը բաժանված է տարբեր մասերի, որոնցից յուրաքանչյուրն ունի իր հատուկ գործառույթը (օրինակ՝ հիպոկամպը՝ հիշողության համար, ամիգդալան՝ զգացմունքների համար):

Նեյրոցանցերի աշխատանքը

Նեյրոցանցերը ստեղծվել են մարդկային ուղեղի նմանությամբ ու ոգեշնչմամբ, սակայն զգալիորեն պարզեցված են, և, ինչպես կհամոզվենք հոդվածի վերջում՝ գործում են բնավ  ոչ ամենաէներգախնայող մեխանիզմով: Ահա թե ինչպես են դրանք աշխատում.

1. Արհեստական նեյրոններ։ Մաթեմատիկական ֆունկցիաներ են, որոնք ստանում են մուտքային տվյալներ, կշռում դրանք և արտադրում ելքային արժեք:
2. Շերտեր։ Նեյրոցանցերը սովորաբար կազմված են մուտքային շերտից, թաքնված շերտերից և ելքային շերտից:
3. Կշիռներ և շեմեր։ Յուրաքանչյուր կապ ունի «կշիռ», որը որոշում է դրա ազդեցության աստիճանը, իսկ յուրաքանչյուր նեյրոն ունի «շեմ», որը պետք է գերազանցել «կրակելու» համար:
4. Ակտիվացման ֆունկցիաներ։ Առանց ակտիվացման ֆունկցիաների, նեյրոցանցը պարզապես կլինի գծային ռեգրեսիայի մի քանի շերտ, որը չի կարող մոդելավորել բարդ ոչ գծային կախվածություններ: Ակտիվացման ֆունկցիաները որոշում են, թե ինչպես արհեստական նեյրոնը պետք է արձագանքի մուտքային տվյալներին (օրինակ՝ սիգմոիդ, ReLU, Tanh):
5. Ուսուցում։ Նեյրոցանցերը «սովորում են»՝ կարգավորելով իրենց կշիռները և շեմերը՝ հիմնվելով ստացված արդյունքների և ցանկալի արդյունքների միջև եղած սխալի վրա:
6. Հետադարձ տարածում (backpropagation)։ Ալգորիթմ, որով նեյրոցանցը հաշվարկում է, թե ինչպես փոփոխել իր կշիռները՝ սխալը նվազեցնելու համար:

Հիմնական նմանությունները

1. Զուգահեռ մշակում։ Երկուսն էլ միաժամանակ մշակում են մեծ քանակությամբ տեղեկատվություն:
2. Ուսուցման կարողություն։ Երկուսն էլ կարող են ձևավորել նոր կապեր և հարմարվել նոր տեղեկատվությանը:
3. Պատկերների ճանաչում։ Երկուսն էլ լավ են հայտնաբերում օրինաչափություններ տվյալներում:

📌 Հետաքրքիր փաստ․ Մարդու ուղեղը կարող է լուծել խնդիրներ անգամ սխալ կամ թերի տեղեկատվությամբ, ինչը դեռևս բարդ է արհեստական համակարգերի համար։

Հիմնական տարբերությունները

Չնայած վերոնշյալ նմանություններին, մարդկային ուղեղն ու նեյրոցանցերը էականորեն տարբերվում են թե՛ կառուցվածքով, թե՛ գործառույթներով:

1. Բարդություն։ Մարդկային ուղեղն անհամեմատ ավելի բարդ է և ունի տրիլիոնավոր կապեր, մինչդեռ արհեստական նեյրոցանցերը սովորաբար ունեն միլիոններ կամ միլիարդներ:
2. Էներգիայի արդյունավետություն։ Ուղեղը սպառում է ընդամենը մոտ 20 վատ հզորություն, մինչդեռ համարժեք հաշվողական հզորությամբ արհեստական նեյրոցանցերը կարող են պահանջել մեգավատտեր:
3. Ուսուցման մեթոդ։ Ուղեղը սովորում է առանց ուղղակի վերահսկողության, մինչդեռ արհեստական նեյրոցանցերը հիմնականում օգտագործում են վերահսկվող ուսուցում:
4. Ադապտացիա։ Ուղեղը կարող է հարմարվել նոր առաջադրանքներին՝ փոքր քանակությամբ օրինակների հիման վրա, մինչդեռ արհեստական նեյրոցանցերը սովորաբար պահանջում են մեծ քանակությամբ տվյալներ:
5. Գիտակցություն։ Ուղեղն ունի գիտակցություն և ինքնագիտակցություն, մինչդեռ արհեստական նեյրոցանցերը՝ ոչ: Համենայն դեպս՝ առայժմ:

📌 Հետաքրքիր փաստ․ Մարդու ուղեղը նույնիսկ կիսով չափ հեռացված վիճակում կարող է վերականգնել բազմաթիվ գործառույթներ (նեյրոպլաստիկություն)։

Այսպիսով, մարդու ուղեղն ու նեյրոցանցերը երկուսն էլ հզոր մեխանիզմներ են տվյալների մշակման և որոշումների ընդունման համար։ Չնայած նեյրոցանցերը կարող են գերազանցել ուղեղին որոշակի առաջադրանքներում, օրինակ՝ մեծ ծավալի տվյալների վերլուծության մեջ, դրանք դեռևս հեռու են բնական ինտելեկտի ճկունությունից, հարմարվողականությունից և արդյունավետությունից։ Ուղեղի ուսումնասիրությունը շարունակում է ներշնչել նոր տեխնոլոգիաների ստեղծումը, և ապագայում նեյրոցանցերը կարող են դառնալ ավելի ինքնակարգավորվող ու ունիվերսալ։

Վստահաբար, այս  երկու համակարգերի համադրումը՝ ուղեղի կենսաբանական կայունությունն ու ճկունությունը զուգորդված արհեստական բանականության արդյունավետության հետ, կարող է ծնունդ տալ ոչ միայն նորարարական լուծումների, այլև դարակազմիկ բացահայտումների՝ ամենաբազմազան ոլորտներում։