01 Ιούλ 2010

Πόσα bytes μπορεί να αποθηκεύσει η ανθρώπινη μνήμη;

Το παρακάτω άρθρο αποτελεί ελεύθερη μετάφραση ενός κειμένου του Δρ. Ralph C. Merkle[1] , με θέμα τις δυνατότητες απομνημόνευσης του ανθρώπινου εγκέφαλου. Εάν και το άρθρο είναι αρκετά παλιό (γράφτηκε 20 χρόνια πριν), πιστεύω πως αξίζει να το διαβάσει κανείς για δύο κυρίως λόγους. Ο πρώτος και κύριος λόγος είναι για να δούμε τον τρόπο σκέψης των νευροεπιστημόνων των προηγούμενων δεκαετιών, οι οποίοι έθεσαν τα θεμέλια για την ανάπτυξη της ρομποτικής και της τεχνητής νοημοσύνης η οποία μόλις τώρα άρχισε να κάνει κάποια αποφασιστικά πρώτα βήματα. Ο δεύτερος είναι η αξία των πληροφοριών που μας μεταφέρει ο Merkle, καθώς πολλές από αυτές ισχύουν ακόμη και σήμερα.

Το άρθρο αυτό δημοσιεύτηκε στο Foresight Update, τον Οκτώβριο του 1988.

Ένα όλο και πιο συχνό φαινόμενο είναι η σύγκριση του ανθρώπινου εγκέφαλου με τους υπολογιστές, και της ανθρώπινης σκέψης με τα προγράμματα υπολογιστών. Κάποτε αυτό θεωρούνταν απλώς μια ποιητική μεταφορά. Πλέον όμως, η άποψη αυτή υποστηρίζεται από τους περισσότερους φιλοσόφους της ανθρώπινης συνείδησης και τους περισσότερους ερευνητές στον τομέα της τεχνητής νοημοσύνης. Αν θεωρήσουμε ακριβή αυτή η σύγκριση, τότε θα έπρεπε -όπως ακριβώς μπορούμε να ρωτήσουμε πόσα ΜΒ RAM έχει ένας υπολογιστής- να είμαστε σε θέση να πούμε πόσα MB (ή gigabytes, ή terabytes κτλ) μνήμης έχει ο ανθρώπινος εγκέφαλος.

Πολλές προσπάθειες προσέγγισης αυτού του αριθμού που έχουν ήδη εμφανιστεί στη διεθνή βιβλιογραφία βασίζονται στις εκτιμήσεις για τις «hardware» δυνατότητες του ανθρωπίνου εγκεφάλου. Σύμφωνα με μια εκτίμηση του Von Neumann οι νευρώνες του εγκεφάλου μας σε όλη μας τη ζωή πυροδοτούν περίπου 1020 φορές (ας πούμε αυτές τις πυροδοτήσεις bits). Ο αριθμός αυτός σίγουρα είναι πολύ μεγάλος και δεν ανταποκρίνεται στην πραγματικότητα. Μια άλλη μέθοδος που χρησιμοποιήθηκε για να προσεγγισθεί το μέγεθος της ανθρώπινης μνήμης είναι ο υπολογισμός του συνολικού αριθμού των συνάψεων στον εγκέφαλο. Φυσικά στη συνέχεια θα πρέπει να υποθέσουμε ότι κάθε σύναψη συγκρατεί ορισμένα bits πληροφοριών. Βάσει των υπολογισμών μας έως τώρα, ο συνολικός αριθμός των συνάψεων στον ανθρώπινο εγκέφαλο είναι κάπου μεταξύ 1013 και 1015.

Ένα βασικό πρόβλημα με αυτές τις προσεγγίσεις είναι ότι στηρίζονται σε μάλλον κακές εκτιμήσεις για το hardware του εγκεφάλου. Δεν γνωρίζουμε αρκετά πράγματα για τον εγκέφαλο και οι εκτιμήσεις αυτές είναι μάλλον ασαφείς. Το γεγονός και μόνον ότι υπάρχει ένας μεγάλος αριθμός συνάψεων δεν σημαίνει ότι όλες συμβάλλουν στην χωρητικότητα της μνήμης. Αυτό το πρόβλημα καθιστά το έργο του Thomas K. Landauer πολύ ενδιαφέρον, καθώς στην έρευνά του πάνω στην ανθρώπινη μνήμη απέφυγε εντελώς τις εικασίες βάσει της φυσιολογίας του εγκεφάλου και εστίασε κυρίως στη μέτρηση της πραγματικής λειτουργικής ικανότητας της ανθρώπινης μνήμης[2] .

Ο Landauer εργάζεται στον οργανισμό Bell Communications Research, ο οποίος είναι στενά συνδεδεμένος με τα Bell Labs, εκεί όπου ξεκίνησε η σύγχρονη μελέτη της θεωρίας πληροφοριών από τον C.E. Shannon, με σκοπό την ανάλυση των πληροφοριών που μεταφέρονται μέσω των τηλεφωνικών γραμμών (ένα θέμα εξαιρετικού ενδιαφέροντος για κάθε τηλεφωνική εταιρεία). Ο Landauer, χρησιμοποιώντας τα μέσα που είχε διαθέσιμα, θεώρησε την ανθρώπινη μνήμη ως μια εξαιρετική «τηλεφωνική γραμμή» μέσω της οποίας μεταφέρονται πληροφορίες από το παρελθόν στο μέλλον. Οι δυνατότητες αυτής της «τηλεφωνικής γραμμής» μπορούν να καθοριστούν αρχικά με τη μέτρηση των πληροφοριών που εισέρχονται και εξέρχονται από και προς το σύστημα, και στη συνέχεια, εφαρμόζοντας τις πιο σύγχρονες θεωρίες της πληροφορίας.

Ο Landauer παρακολούθησε και έκανε ποσοτική ανάλυση σε πειράματα του ίδιου ή άλλων ερευνητών, στα οποία τα υποκείμενα κλήθηκαν να διαβάσουν κείμενο, να δουν φωτογραφίες και να ακούσουν λέξεις, σύντομα μουσικά αποσπάσματα, προτάσεις και ασυνάρτητες συλλαβές. Αφού τα υποκείμενα διάβασαν ή άκουσαν τα ερεθίσματα, μετά από ένα χρονικό διάστημα που κυμαινόταν από λίγα λεπτά έως λίγες ημέρες, κλήθηκαν για να ελεγχθεί πόσες πληροφορίες είχαν συγκρατήσει. Ο έλεγχος δεν περιοριζόταν απλά σε ανοιχτές ερωτήσεις τύπου «Τι θυμάσαι από αυτά που διάβασες/άκουσες;». Αντίθετα, συχνά χρησιμοποιούνταν ερωτήσεις τύπου σωστού / λάθους ή ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής, στην οποία ακόμη μια ασαφή ανάμνηση των πληροφοριών μπορούσε να οδηγήσει στην επιλογή της σωστής απάντησης. Σε πολλές από αυτές τις έρευνες, μετρήθηκαν οι διαφορές στις απαντήσεις μεταξύ μιας ομάδας που είχε μελετήσει το υλικό προς απομνημόνευση και μιας άλλης που δεν είχε δει ποτέ της το υλικό αυτό. Η διαφορά στη βαθμολογία μεταξύ των δύο ομάδων χρησιμοποιήθηκε για τον υπολογισμό των πληροφοριών που πράγματι απομνημονεύτηκαν (έτσι ελέγχθηκε ο αριθμός των σωστών απαντήσεων που θα μπορούσε να μαντέψει κάποιος χωρίς να έχει δει ποτέ το υλικό πτος απομνημόνευση). Καθώς τα πειράματα έγιναν από πολλούς διαφορετικούς πειραματιστές υπό πολλές διαφορετικές συνθήκες, η τελική συνοπτική ανάλυσή τους μπορεί να μας δώσει κάποιες αξιόπιστες απαντήσεις. Για τον υπολογισμό της ταχύτητας απομνημόνευσης, ο τελικός αριθμός bits που απομνημονεύτηκαν διαιρέθηκε με τον χρόνο που δόθηκε για την μελέτη και την απομνημόνευση του υλικού.

Το αξιοσημείωτο αποτέλεσμα αυτής της συγκριτικής μελέτης ήταν ότι τα υποκείμενα μπορούσαν να απομνημονεύσουν σχεδόν δύο bits ανά δευτερόλεπτο κάτω από όλες τις πειραματικές συνθήκες. Οπτική, λεκτική, μουσική, ή οτιδήποτε άλλο – δύο bits ανά δευτερόλεπτο. Εάν ανάγουμε τα αποτελέσματα για να δούμε πόσα bits θα μπορούσαμε να απομνημονεύσουμε σε όλη μας τη ζωή, βλέπουμε πως ο αριθμός αυτός φτάνει τα 10 9 bits, τα οποία ισούνται με μερικές εκατοντάδες megabytes.

Φυσικά αυτές οι εκτιμήσεις είναι ακριβείς μονάχα υπό αυστηρές παραδοχές. O Landauer δηλώνει: «Χρειαζόμαστε πιο ακριβείς απαντήσεις σε αυτό το επίπεδο, εάν θέλουμε να σκεφτεί για ερωτήματα όπως: Τι είδους ικανότητες αποθήκευσης και ανάκτησης θα υπολογιστές πρέπει να μιμούνται τα ανθρώπινα επιδόσεις; Ποια να είναι η φυσική υπόσταση των στοιχείων αποθήκευσης πληροφοριών στον ανθρώπινο εγκέφαλο: μόρια, συνάψεις μεταξύ νευρώνων, νευρικά κύτταρα, ή νευρωνικά κυκλώματα; Τι είδους μέθοδοι κωδικοποίησης και αποθήκευσης είναι λογικό να υποθέσουμε ότι απαιτούνται για την νευρωνική υποστήριξη της ανθρώπινης μνήμης; Κατά τη μοντελοποίηση της ανθρώπινης νοημοσύνης, τι μέγεθος της μνήμης θα χρειαστούμε; Πόσες πληροφορίες θα πρέπει να ξέρει ένα ρομπότ για να είναι όσο το δυνατόν πιο ανθρώπινο;»

Το πιο ενδιαφέρον στοιχείο της εκτίμησης του Landauer είναι το μικρό της μεγέθους. Ίσως πιο ενδιαφέρουσα είναι η γενικότερη τάση: από τις πρώιμες και υπεραισιόδοξες εκτιμήσεις του Von Neumann και τις εκτιμήσεις βάσει του αριθμού των νευρικών συνάψεων έως τους πιο μέτριοπαθείς αριθμούς βάσει θεωρητικών πληροφοριακών μοντέλων. Ενώ ο Landauer δεν υπολόγισε τα πάντα (δεν υπολόγισε, για παράδειγμα, το bit rate κατά τη διάρκεια εκμάθησης ικανοτήτων όπως π.χ. η οδήγηση ενός ποδηλάτου, ούτε κάνει κάποιες εκτιμήσεις για το μέγεθος της «εργαζόμενης μνήμης»), η γενικότερη εκτίμηση που έκανε για την χωρητικότητα της ανθρώπινης μνήμης υποδεικνύει ότι οι δυνατότητες του ανθρώπινου εγκεφάλου είναι πιο προσιτές από ό,τι είχαμε σκεφτεί. Ενώ αυτή η σκέψη μπορεί να είναι ένα πλήγμα για το εγώ μας, αποτελεί και έναυσμα για να δημιουργήσουμε μια συσκευή με τις δεξιότητες και τις ικανότητες ενός ανθρώπου, ίσως με πιο προηγμένο hardware από αυτό που είναι διαθέσιμο σήμερα. Αρκεί φυσικά να ξέραμε και τον σωστό τρόπο οργάνωσης αυτού του hardware .

Εισαγωγική Εικόνα

Author: Δημήτρης Αγοραστός

Ψυχολόγος και κάτοχος μεταπτυχιακού διπλώματος στις νευροσυμπεριφορικές επιστήμες. Ολοκληρώνει το μεταπτυχιακό του στη Σχολική Ψυχολογία. Έχει ασχοληθεί ερευνητικά με θέματα όπως την έκφραση των ανθρωπίνων συναισθημάτων, την ενσυναίσθηση, την ανάπτυξη μαθησιακών διαταραχών και την διασύνδεση υπολογιστή-εγκεφάλου για τετραπληγικούς ασθενείς. Έχει ασχοληθεί επαγγελματικά και εθελοντικά με την ψυχοκοινωνική υποστήριξη ευάλωτων κοινωνικών ομάδων. Είναι ο διαχειριστής και ο κύριος αρθρογράφος του Ψυχολογείν.

Περισσότερες Πληροφορίες / Βιβλιογραφία

  1. Ralph C. Merkle: How Many Bytes in Human Memory? []
  2. Thomas K. Landauer (1986). «How Much Do People Remember? Some Estimates of the Quantity of Learned Information in Long-term Memory». Cognitive Science 10, 477-493 []