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El cerebro como computador

Fernando P.    01/01/2018

Temas:  Divulgación    Inteligencia Artificial y Biología

Desde los inicios de la era de los computadores y de lo que hoy conocemos como Inteligencia Artificial, el cerebro humano ha sido un referente constante de la investigación. Conseguir una máquina que tenga las capacidades que puede exhibir un cerebro humano ha sido desde entonces un objetivo perseguido con desigual suerte.

Desde hace algunos años se disponde de la tecnología para construir computadores de una potencia inimaginable hace sólo unas décadas. Dentro de la carrera por emular al cerebro humano, una cuestión natural a plantearse consiste en tratar de estimar qué computador sería necesario para realizar una simulación de un cerebro humano o, en otras palabras, cual es la potencia del cerebro humano medida en términos de arquitecturas de computadores.

Computadores y cerebros
Los computadores que conocemos son una implementación en su casi totalidad de lo que llamamos Arquitectura de Von Neumann.

Según esta arquitectura, un computador es un conjunto de mecanismos que realizan tareas bien definidas y que, en conjunto, son capaces de ejecutar un programa y de llevar a cabo las operaciones de entrada y salida de información que todos conocemos.

De forma similar, un cerebro consiste en una serie de regiones y órganos relativamente bien diferenciados. Otra cosa es que tengamos el conocimiento suficiente para saber cómo funcionan exactamente esos órganos o regiones. Conocimiento que a día de hoy es muy desigual y no se puede decir que se tenga una idea medianamente precisa del funcionamiento de un cerebro.

En cualquier caso, resulta natural preguntarse ...

¿ Qué similitudes hay entre un computador y un cerebro ?

Pues, por lo que sabemos ... pocas, o ninguna.
Evolución de la potencia de los supercomputadores: 2007-2017
Básicamente, el cerebro de los mamíferos ha evolucionado para resolver el tipo de tareas que demandan la supervivencia y perpetuación de las especies. Los computadores se diseñaron originalmente para resolver problemas que se pudieran describir fácilmente usando Matemáticas tradicionales, y eso siguen siendo a día de hoy.

Ya hemos hablado de las diferencias que hay entre computadores y cerebros a la hora de resolver problemas. De alguna forma, ambos han evolucionado para adaptarse al tipo de problemas que debían resolver con objeto de garantizar su supervivencia. Si los computadores no se hubieran adaptado masivamente para resolver problemas en las empresas allá por los años 50 y 60 del pasado siglo, no hubieran pasado de ser curiosidades de laboratorio.

¿ Qué es lo que más nos interesa de los cerebros ?
Los cerebros de los mamíferos han evolucionado durante millones de años para resolver los problemas de supervivencia y perpetuación de sus propietarios. El cerebro humano evolucionó sobre uno de estos cerebros de supervivencia e incorporó las habilidades clave que nos diferencian del resto de mamíferos.

Pero buena parte del cerebro humano viene a ser la necesaria herencia recibida. Esta parte del cerebro no interesa mucho desde el punto de vista de la Inteligencia Artificial. La parte que interesa es lo que denominamos neocortex, de la que ya hemos hablado aquí.

Básicamente, el neocortex viene a ser una suerte de conglomerado de clasificadores inmensamente eficientes. Clasificadores moldeados, en lo más básico, por millones de años de evolución y, en su estructura operativa, por décadas de experiencia de su poseedor.

Simular un cerebro
Teóricamente, con un computador lo suficientemente potente se puede simular cualquier proceso que pueda describirse usando las leyes de la Física. Se trata de una aplicación común de los computadores, como puede ser la predicción meteorológica, la simulación del funcionamiento de fármacos y muchas otras aplicaciones actuales de los computadores.

En principio, un cerebro humano es un sistema que opera según las leyes de la Física y que debería poderse simular usando un computador. Otra cosa es que tengamos un computador lo suficientemente potente y, sobre todo, que sepamos exactamente qué procesos físicos operan dentro de un cerebro.

Simular un cerebro de esta forma es algo en lo que están atareados algunos grupos de investigadores. Aquí hemos hablado sobre alguno de ellos, como el Proyecto Blue Brain. Se trata del camino más complicado, con diferencia, para entender cómo funciona el cerebro humano y los avances son muy lentos.

Intentar conocer cómo podríamos simular un cerebro humano a nivel celular o molecular tiene sentido si vamos a poder disponer de un computador con la potencia necesaria para realizarlo. Así que, nos conviene conocer el nivel de complejidad del neocortex.

¿ Podemos medir la capacidad del neocortex ?
Sorprendentemente, el neorcortex no tiene una estructura muy rebuscada, se trata básicamente de un jerarquía de estructuras en varios niveles construidas sobre elementos relativamente uniformes. Estos elementos son grupos de neuronas. Ya dimos algunos detalles de estas estructuras cuando tratamos sobre el neocortex humano.
El cerebro como computador
Estimaciones de trazo grueso viene a fijar la capacidad de clasificación del neocortex humano entre 100 y 1000 millones de patrones distintos. De alguna forma, el cerebro humano sería un gigantesco almacén de recuerdos en forma de patrones, todos conectados y definidos entre sí por intrincadas redes.

Una característica interesante del cerebro humano es que no funciona de forma secuencial, como los computadores. Es capaz de poner a trabajar esos millones de patrones de forma más o menos simultánea.

Cada uno de los patrones que es capaz de almacenar el neocortex es fácil que involucre entre 100 y 1000 neuronas. Simular el funcionamiento de cada una de estas neuronas puede significar del orden de 100 instrucciones básicas de un computador convencional y sabemos que el neocortex es capaz de ejecutar ciclos de reconocimiento de patrones en torno a 100 veces por segundo.

Juntando todas estas magnitudes nos encontramos con que vamos a necesitar del orden de 107 operaciones por segundo para simular el funcionamiento de uno sólo de los patrones que es capaz de almacenar el neocortex. Multiplicado por todos los posibles patrones, tenemos una cota superior del orden de 1015 o 1016 operaciones por segundo para simular en tiempo real a nivel celular un neocortex humano.

Por otro lado, también podemos calcular el almacenamiento equivalente que necesitaría un computador convencional para simular un neocortex humano. En realidad, cada patrón almacenado por el neocortex viene definido por una serie de conexiones (con sus pesos a otros patrones). Y estas conexiones son muy pocas, del orden de 10. La potencia del neocortex viene de su estructura jerárquica, no de la complejidad de cada patrón individual.

Siguiendo con el cálculo de almacenamiento, nos debería bastar con menos de 100 bytes por patrón de almacenamiento, que nos daría unos 1011 bytes como cota superior de almacenamiento para simular un neocortex humano.

¿ Podemos simular un neocortex ?
Usando las magnitudes calculadas para potencia y capacidad de un neocortex humano, es fácil ver que en términos de almacenamiento no resulta muy difícil hoy en día hacerse con un computador con 100Gb de memoria RAM, que es más de 1011 bytes.

Respecto a la potencia de proceso, existen desde hace poco un puñado de superordenadores que pueden rebasar los 10.000 Tflop/s, que vendría a ser el equivalente a las 1016 operaciones por segundo de un neocortex. Aunque conviene notar que estas máquinas requieren energía por encima de 10 Mw para poder funcionar, que las hace 1 millón de veces menos eficientes energéticamente que un neocortex.

Es decir, desde el punto de vista de capacidad de computación, estamos en situación de decir que ya existe la potencia y capacidad necesaria para simular un neocortex humano.

¿ Es posible entonces crear máquinas superhumanas ?

Hoy por hoy ... no.

Seguimos sin saber cómo funciona con detalle un cerebro humano y no nos sirve de nada tener el computador para simularlo si no conocemos las reglas que rigen el proceso a simular. El desarrollo y modelado, vía experiencia, de un cerebro completo es un proceso poco conocido y resulta clave para entenderlo. Un cerebro no es algo que se fabrica de forma industrial, es algo que se modela a lo largo de mucho tiempo.

Eso tampoco significa que no se pueda hacer algún día. Las investigaciones sobre el funcionamiento del sistema nervioso a nivel celular o molecular van muy despacio, pero no se puede descartar que algún dia sean capaces de ofrecer una visión lo suficientemente completa como para ser simulada en un computador convencional.

Es interesante en todo caso tener esa idea sobre cual es la capacidad del neocortex humano. Existen tareas bien definidas de clasificación en las que computadores muy potentes ya son mejores que los humanos, como sucede con el Ajedrez. Un ejemplo claro de esto es el reciente desarrollo DeepMind AlphaZero, que aborda el problema del ajedrez desde el punto de vista exclusivo de la clasificación usando aprendizaje no supervisado y que se ha revelado con una capacidad superior a la humana para entender el juego del Ajedrez.



El cerebro humano no se parece a un computador, pero tiene límites y podría ser simulado por un computador. Ya existen computadores con la potencia y capacidad necesaria, pero quedan muchas lagunas aún sobre el funcionamiento de un cerebro humano.



Para saber más:

Libro de Ray Kurzweil en el que se discute ampliamente la cuestión de simular un cerebro humano usando computadores convencionales. El capítulo 8 está dedicado a estimar la capacidad y potencia del neocortex humano con idea de usar computadores para llevar a cabo una simulación.

El libro es de 2012 y los mejores superordenadores han aumentado en un orden de magnitud su potencia desde entomces. El autor está convencido de que la disponibilidad de computadores con la potencia suficiente es la clave para simular un cerebro humano, ignorando la cantidad de problemas que plantea entender el funcionamiento del cerebro. Lo cierto es que sigue sin conseguirse algo cercano a la simulación completa de un cerebro humano y no parece que sea algo inminente.



 

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