Het netwerk van zilverdraadjes, ontstaan door zelforganisatie, heeft wel wat weg van dat van hersencellen. Rechts dat zilvernetwerk op een ‘chip’ (midden) (afb: UCLA)

We weten nog steeds niet hoe ze het flikken, maar hersens verslaan de krachtigste computers op vele fronten en zijn daarbij een wonder van energiezuinigheid, zoals overigens het hele menselijke/dierlijke lichaam. Het lichaam vergt een vermogen van 80 Watt, waarvan de hersens een kwart voor hun rekening nemen. Een van de grootste en snelste computers, de K-computer in Kobe (Jap), heeft een vermogen van bijna 10 MW nodig, 10 miljoen Watt. Dat is ongeveer het vermogen dat 10 000 huishoudens nodig hebben voor hun stroomverbruik. In 2013 kostte het die energievretende computer 40 minuten om een simulatie van een seconde te maken van 1% van de hersencapaciteit. Onderzoekers in Californië denken een computer te kunnen bouwen die is geïnspireerd op het echte werk: de hersens.

Het echte werk is nog steeds veel beter

Er blijven optimisten geboren worden. We snappen de ballen van de hersens, maar toch denken onderzoekers van de universiteit van Californië in Los Angeles (UCLA) dat ze iets van die prestaties en doelmatigheid van de echte hersens kunnen waarmaken. Ze bouwen een systeem waarvan ze vermoeden dat dat is geïnspireerd op het echte werk (hoe weet je dat als je nauwelijks weet hoe ze werken?). Het systeem moet de eigenschappen hebben die het de hersens mogelijk maken te doen wat ze doen, stelt onderzoeker Adam Stieg, die samen met hoogleraar Jim Gimzewski het project leidt.

Het apparaat, of eigenlijk is het meer een chip met middenop dat zilvernetwerk, bestaat in de kern uit uiterst fijne, zilverdraden, in slordige patronen opgebracht op een oppervlak van  2 bij 2 mm, die met elkaar verbonden zijn via kunstmatige synapsen (in de hersens de verbinding tussen twee neuronen). In vergelijking met een normale siliciumchip ziet dat er wat slordig uit. Net borden spaghetti die met elkaar verbonden zijn, zegt Stieg. Dat heeft er mee te maken dat het dradenpatroon niet is ontworpen, maar het resultaat is van zelforganisatie in vrij wilde chemische en elektrische processen.

In zijn complexiteit zou dat zilvernetwerk lijken op de organisatie van hersens met 1 miljard kunstmatige synapsen per vierkante centimeter, nog een paar ordes van grootte verwijderd van het echte werk. De elektrische activiteit van die zilveren ‘hersens’ zou een gedrag vertonen dat eigen is aan complexe systemen, aangeduid met het gruwelijke woord criticaliteit: een staat tussen orde en chaos met een maximale efficiëntie.
Experimenten zouden hebben uitgewezen dat dit hersenachtige dradenpatroon wel wat in zijn mars heeft. Het schijnt al te kunnen leren en logische (de logica volgende) bewerkingen te kunnen uitvoeren. Het kan signalen van ruis onderscheiden, dat is handig voor spraakherkenning en andere lastige klussen voor een computer. De kunstmatige ‘hersens’ zouden er zo maar opeens kunnen zijn.

Dat is natuurlijk ook wel nodig als we het reken- en denkvermogen van onze rekentuigen willen blijven vergroten. “De wet van Moore is dood”, stelt Alex Nugent van het bedrijf Knowm, dat zich richt op de ontwikkeling van hersenachtige systemen. “Transistoren worden niet meer kleiner.” Of dat echt zo is valt nog te bezien, maar duidelijk is dat er een nieuwe trucendoos gevonden moet worden om die wet recht te doen. Knowm doet overigens niet mee aan het onderzoeksproject. Nugent is wel, zoals Amerikanen vaak zeggen, opgewonden over wat ze in Los Angeles doen. “De ouderwetse computer is een miljard maal minder doelmatig.”

Kunstmatige zilversynapsen

Masakazu Aono, de uitvinder van de eenatoomsschakelaar (?), die gebruikt worden in de zilveren ‘hersens’ als synapsen (afb: NIMS)

Energetisch rendement was niet het eerste waar Gimzewski tien jaar geleden met het zilverdraadproject begon, eerder verveling. Hij had twintig jaar met rastertunnelmicroscopen ‘geloerd’ naar de elektronica op atomaire schaal. “Ik was die volmaaktheid een beetje zat en moe van steeds maar kleiner.” In 2007 pakte hij met beide handen een uitnodiging aan om schakelaars die bestaan uit enkele atomen te bestuderen. Die eenatoomschakelaars waren in Japan ontwikkeld door Masakazu Aono. Die schakelaar bestaat uit zilversulfidemolecuul (nou ja, molecuul zilversulfide) gesandwiched tussen metallisch zilver (eenatoomschakelaar is dan niet de juiste betiteling;as).
Als daar spanning over komt te staan dan worden de positief geladen zilverionen uit het zilversulfide verdreven naar de zilverlaag waar ze veranderen in metallisch zilver. Er ontstaan zilverdraden door het zilversulfide heen, waardoor de schakelaar stroomgeleidend wordt. Als het proces wordt omgekeerd wordt de (elektrische) verbinding weer uitgeschakeld.
Toen Aono en zijn medewerkers die schakelaar hadden ontwikkeld, ontdekten ze onregelmatigheden. Hoe vaker de schakelaar werd gebruikt, hoe makkelijker die was om te zetten. Als de schakelaar een tijdje niet werd gebruikt, schakelde die zich vanzelf uit. Het leek er op alsof de schakelaar zich zijn eigen geschiedenis herinnerde. Ze bleken ook onderling te wisselwerken. Als er een werd aangezet verhinderde dat schakeling van nabijgelegen schakelaars of leidde tot het uitzetten van buurschakelaars.

De Japanse onderzoekers zagen meteen interessante mogelijkheden. Gimzewski en Stieg, die net bij Gimzewkski was gepromoveerd, dachten meteen aan kunstmatige synapsen. Tijdens een van hun talloze bezoeken aan Japan kregen ze een idee: “Waarom bouwen we ze niet in in een structuur die lijkt op de hersenschors van een zoogdier”, zegt Stieg.
Dat is makkeljker gezegd dan gedaan. Stieg en promovendus Audrius Avizienis ontwikkelden een methode om een zilveren ‘hersenschors’ te maken. Ze goten zilvernitraat op koperen bollen waarop een fijn netwerk van zilverdraden groeide. Vervolgens bewerkten ze dat met zwavelgas om een zilversulfidelaag tussen de zilveren draden te vormen, net zoals Aono en de zijnen had gedaan met zijn ‘eenatoomschakelaars’.

Zelforganisatie

Weinigen hadden fiducie in wat Gimzewski en Stieg probeerden. Sommigen zeiden dat de zilveren ‘hersens’ een statische activiteit zouden vertonen en het daarbij laten. Anderen voorspelden juist dat de ‘hersens’ op hol zouden slaan en zouden smelten. Dat deed hun zilveren systeem niet. Het tweetal beloerde hun ‘hersens’ met een infraroodcamera. De stroom veranderde steeds van route. De activiteit in hun netwerk was ook niet gelocaliseerd maar juist verdeeld, net als in de echte hersens. Dat zag er bemoedigend uit.

Herfst 2010, toen Avizienis en een medepromovendus de (ook elektrische) spanning opvoerden, zagen ze dat de uitgangsspanning ging fluctueren; naar het leek vrij ordeloos, alsof de draadjes tot leven waren gekomen. Dat zag er goed uit!
Toen de promovendus later door de meetgegevens ging, ontdekte hij dat het netwerk een korte tijd op hetzelfde activiteitsniveau bleef, veel vaker dan voor langere periodes. Ook, zo bleek later, waren kleine activiteitscentra normaler dan grote. Wat was daar aan de hand? Er gebeurde iets dat de wetten van de machten volgde. Daarbij verandert de ene variabele als een macht van een ander. Die wetten passen bij systemen waarbij langdurende gebeurtenissen veel zeldzamer zijn dan kortdurende, maar wel vaker dan verwacht mag worden op basis van de kansverdeling.
De in 2002 overleden natuurkundige Per Bak stelde als eerste die wetten voor als kenmerk van alle soorten complexe, dynamische systemen die de ruimte en de tijd hebben. Machtenwetgedrag, stelde Bak, geeft aan dat een systeem werkt op een dynamisch optimaal punt tussen orde en chaos, een staat van criticaliteit, waarbij alle delen wisselwerken en verbonden zijn voor een optimaal rendement.

Machtenwet

Zoals Bak voorspelde doet dit machtenwetgedrag zich voor
in het menselijke brein. In 2003 zag de neurowetenschapper Dietmar Plenz dat groepjes zenuwcellen elkaar activeren. Dat leidt vaak tot een dominoeffect in het hele systeem. Plenz vond dat de grootte van deze cascades voldeed aan de machtenwetverdeling. De hersens bleken de verspreiding van de activiteit te maximaliseren zonder dat dat proces uit de hand loopt.
Dat ook de zilveren ‘hersens’ machtenwetgedrag vertonen is mooi, stelt Plenz. Dat zou betekenen dat, net als in de hersens, er een subtiel evenwicht is tussen activiteit en afremming en dat alle delen met elkaar wisselwerken. De activiteit ‘overvraagt’ het netwerk niet, maar verdwijnt ook niet.

Gimzewski en Stieg ontdekten later nog een overeenkomst tussen de echte hersens en het zilverwerk. Net als bij de hersens van slapenden zijn er minder korte activeringscascades dan bij wakenden. Bij de zilveren ‘hersens’ is slapen en waken gerelateerd aan de hoeveelheid spanning die aan het systeem wordt toegevoegd. Een lage spanning lijkt op een slaaptoestand.

Leuk en aardig, maar kunnen de zilveren ‘hersens’ ook wat de verzameling levende hersencellen kan? Dat lijkt er op, al is het Californische kunsthersensysteem nog ver verwijderd van wat een normale computer kan en dus helemaal ver weg van wat echte hersens presteren. Er zou nieuwe programmatuur moeten worden ontwikkeld. Die is er niet.  Het tweetal maakt gebruik van het feit dat het zilveren netwerk een ingangssignaal op verschillende wijzen kan vervormen, afhankelijk van waar de spanning wordt gemeten. Die eigenschap zou dienstig kunnen zijn voor spraak- en beeldherkenning, omdat de zilveren ‘hersens’ ruis van betekenisvol signaal kan scheiden.

Gimzewski: “We programmeren het systeem niet, maar we kiezen de beste methode om informatie te coderen, zodat het netwerk zich gedraagt op een interessante en bruikbare manier.” In een recent onderzoek ‘leerden’ de onderzoekers het netwerk om eenvoudige, logische bewerkingen uit te voeren. Ook leerden ze het systeem een geheugenproef met een doolhof tot een goed einde te brengen, waar ook ratten mee worden lastiggevallen. Het netwerk koos uiteindelijk in 94% van de keren de goede richting.

De eerste wankele schreden

Voorlopig is het allemaal nog niet bepaald baanbrekend. Het zijn de eerste wankele schreden van een eenjarige. Nugent verwacht nog niet veel van de zilveren ‘hersens’ de komende jaren, maar de mogelijkheden zijn volgens hem gigantisch. Als de zilveren ‘hersens’ eens zo effectief zullen zijn als de ki-algortimes op de huidige computers, dan voorziet Nugent dat die dat doen voor eenmiljardste van het vermogen dat de huidige computers verseisen.
Het UCLA-project zou ook hebben bewezen dat, onder de juiste omstandigheden, ki-systemen zijn te maken door zelforganisatie, zonder dat er iets ontworpen of moeizaam geproduceerd hoeft te worden. “Als de elektronen er doorheen stromen dan ontstaat er een grote dans. Er ontstaan telkens nieuwe structuren. De energie verdwijnt niet. Het systeem deed het helemaal zelf”, zegt ex-DARPA-medewerker Todd Hylton, die met het Californische tweetal heeft samengewerkt.

Gimzewski denkt dat de zilveren ‘hersens’ of systemen die daar op lijken beter kunnen voorspellen dan de traditionele rekentuigen. “We gebruiken een complex systeem om ingewikkelde verschijnselen te leren begrijpen.”
Eerder dit jaar op een bijeenkomst van de Amerikaanse chemische vereniging ACS hebben de UCLA-onderzoekers de resultaten gepresenteerd van een proef waarbij ze het netwerk voedden met de eerste drie jaar van een gegevensverzameling van zes jaar van het autoverkeer in Los Angeles. Ze deden dat in de vorm van stroomstootjes die het aantal auto’s per uur aangaven. Na honderd leerrondes voorspelde het netwerk de juiste statistische ontwikkeling van de tweede helft vrij goed. Misschien doet hij het ook zo goed bij het voorspellen van aandelenkoersen, grapt Gimzewski. “Ik wil mijn studenten interesseren voor netwerken eenatoomsschakelaars voor die me rijk hebben gemaakt.” Errug leuk.

Bron: Quanta Magazine/Wire