Jönnek a látó és tapintó számítógépek

Az új évezred egyik legizgalmasabb kutatási területe az agyvezérelt robotok világa. Roska Tamás informatikai kutató, közösen Leon Chua professzorral – aki több mint egy évtizede létrehozta a Cellular Neural Network (CNN) komputert –, adaptív, azaz alkalmazkodó számítógépet konstruált. Ennek nyomán Hámori József agykutató közreműködésével megkezdődött a neurobiológia eredményeinek számítógépre ültetése. Az Európai Unió által támogatott kutatás többek között a különféle látási viszonyok megkülönböztetésére alkalmas, programozott csip létrehozásával kecsegtet. A két magyar kutató szerint a jövőt azok a bionikus szerkezetek jelentik, amelyekben már aktív érzékelő számítógépek és az emberi agy működését befolyásoló berendezések vannak.

Magyar Nemzet (MN): Mi a szerepe az analogikai CNN számítógépnek az agykutatásban?
Hámori József (H. J.): A Roska Tamás és kollégái által létrehozott analogikai celluláris komputert néhányan hullámszámítógépként emlegetik. Ennek az elemi utasítása nem összeadás, kivonás, szorzás, osztás, hanem egy képen végzett hullámszerű művelet. Azt is lehet mondani, hogy az emberi látórendszer már ki is találta ezt. A CNN úgy dolgozik, mint az egész agyunk, természetesen elemi szinten. Nekünk, agykutatóknak azért fontos ez az új komputerkonstrukció, mert az agy nem úgy működik, mint a digitális számítógépek, hanem úgynevezett mértékkóddal. Ez azt jelenti, hogy a szomszédos elemek – ez esetben idegsejtek – egymással különbözőképpen kommunikálnak. Azaz, alacsony vagy magas szinten ingerlik, esetleg gátolják egymást. Ezt nevezik analóg jellegű információtovábbításnak. A CNN éppen ilyen módon, egymással öszszekötött elemekből alakítja ki azt a rendszert, amely sok mindenben hasonlít például a látórendszerhez.
MN: A kilencvenes évek elején közösen létrehozott doktori iskolájuk keretében már meghatározták azokat alaputasításokat, amelyek lefordítják az idegrendszer működését, az anatómiát és a fiziológiát a CNN-programok nyelvezetére. Most milyen közös kutatásokat folytatnak?
Roska Tamás (R. T.): Az újabb közös munkáink az úgynevezett tartalomfüggő látással kapcsolatosak. Ez azt jelenti, hogy ha egyetlen kis fotoreceptor (fényérzékelő) egy adott területen egy kontúrt lát, akkor másképpen áll be, mint egyenletes fényeloszlás esetén. Az elsőre példa lehet, ha a háttér az égbolt, a másodikra pedig egy előtte repülő madár. Ha a háttér előtt nem repül semmi, akkor az említett receptor másképp áll be. Ha a televíziósok felvételt készítenek, a viszonylagosan egyenletes megvilágítást is biztosítaniuk kell, mert a kamerákban lévő elektronikus érzékelők összes képeleme ugyanarra az érzékenységre van beállítva. A szemünk nem így működik. Itt a megvilágítás függvényében minden egyes kis érzékelő sejt más „üzemmódot” választ. Egyszerűbben szólva: minden sejt környezetében van egy kis fénymérő, amely annak megfelelően állítja be a fényérzékenységet, hogy mit mér.
MN: Hogyan lehet létrehozni a látó számítógépeket?
R. T.: Az Európai Unió által támogatott új kutatási munkánkban, amelyen a sevillai kollégáinkkal és több más európai kutatócsoporttal dolgozunk, éppen most próbálunk egy programozott csipet létrehozni, amelyben minden egyes kis fényérzékelőnek a beállítása attól függ, hogy mekkora a helyi megvilágítás, illetve mit lát. Hasonlóan a látórendszerünk párhuzamos működéséhez, az említett csipek is egyszerre lesznek képesek a különféle látási viszonyok megkülönböztetésére. Amikor egy csipre ráteszünk 16 ezer processzort (kis számítógépet), akkor ott minden egyes minikomputer a maga fényérzékelő elemével önálló életet él ugyan, de a szomszédaival is össze van kötve.
H. J.: Ebben nagyon hasonlít a retinához, ahol a különböző nagy sejtes elemek nagyon bonyolult módon, de egymással állandó kapcsolatban alakítják ki azt a mintát, amely aztán elektromos jelként megy tovább a kéreg alatti központba, onnan pedig a látókéregbe.
MN: Van-e különbség az ember és az állatok érzékelő funkciói között?
H. J.: Sokan nem tudják, hogy az emberre négy, igazán jellegzetes dolog jellemző, amelyek megkülönböztetik a többi élőlénytől: az első a beszéd, a második a kreativitás, a harmadik a muzikalitás, a negyedik, hogy azt látja az ember, amit megtanult látni! Ha valami nincs benne az úgynevezett látáslexikonunkban, afölött elsiklunk. Az érzékelési folyamat – nemcsak a látó-, hanem a hallórendszer is – teljesen automatikus. Akkor lesz tudatos, ha összehasonlítjuk azzal, ami már bennünk van, ami az agykéregben lokalizálódott.
Egy Penfield nevű kanadai idegsebész vizsgálatai szerint arra tudunk emlékezni, ami az agyban raktározódik. Egy kísérlete során, mielőtt még hozzálátott volna az agysebészi munkához, gyengeáram segítségével ingerelte azt az agykérget, amely közel van a beszédkéreghez. Ha az ébren lévő páciens például grammatikai hibákat vétett, Penfield tudta, hogy közel jár a beszédkéreghez. Ezzel a módszerrel sikerült sokféle emlékképet is előhívnia. Olyan emlékeket meséltek el neki, amelyek a vizsgált személy öt-hat éves korában történtek, és amelyekre már egyáltalán nem emlékezett. Azaz: elektromos ingerléssel az úgynevezett tudati mélyrétegből teljes élességgel sikerült felidézni a történteket. Ez azt jelenti, hogy rétegszerűen nagyon sok mindent memorizálunk, rögzítünk, csak ezeknek egyrészt probléma az előhívása, másrészt ennek során az emlékek deformálódhatnak is. A látás tehát tanulási folyamat eredménye, amely azzal a képlékenységgel kapcsolatos, amelyet a CNN-nel is megpróbálunk létrehozni. A képlékenység azt jelenti, hogy a CNN feldolgoz bizonyos jeleket, és alkalmazkodik különböző szempontokhoz.
MN: Hogyan tudják az agykutatás, a neurobiológia eredményeit programozott számítógépre átültetni?
R. T.: Mi tervezők, képesek vagyunk bizonyos funkciók átültetésére. Az új komputereket most adaptív, azaz alkalmazkodó CNN számítógépeknek nevezzük. Mintának, prototípusnak tekintjük azt a folyamatot, amelyben adaptálódik egy sejt, azaz tanul. Természetesen nem gondolkodó gépekről van szó, hanem arról, hogy azokat az elemi algoritmikus lépéseket építjük beléjük, amelyeket mi, emberek tanultunk meg a természet működéséből vagy valamilyen logikai úton. Az évek során Hámori professzor úrtól megtanultam, hogy nem a szemünkkel látunk, hanem valahol hátul az agyban. Azaz a mesterséges látórendszerben a kamera nem lát, hanem csak érzékel. Mi megpróbáljuk utánozni azokat az elemi folyamatokat, amelyeket a teljes látórendszerben megtanultunk.


MN: Hogyan kell elképzelni az utánzást?
R. T.: Első lépésként az egy tranzisztorból álló optikai érzékelőeszközt úgy kell beállítani, hogy a megvilágítástól függően legyen érzékeny a fényre. Ezután a kis érzékelő mögé odahelyezzük azt a számítógépet, amely kiszámolja, mekkora a megvilágítás, van-e valamilyen kontúr vagy mozgás. A komputer rögtön aszerint állítja be a fotoérzékelőt, hogy mit látott. Következő fontos dolog a mozgás léte és irányultsága. Itt egy neurológiai kísérlet tanulságaiból lefordítjuk a számítógép nyelvére azt az idegsejtösszeköttetés-mintázatot, amelynek alapján észreveheti, hogy egy adott nagyságú test melyik irányba mozog. Tehát van a fotoérzékelő tranzisztor, és mögötte képelemenként ott található egy 16 ezer processzoros csip. Minden kis számítógépben jelen van az érzékelő, és mint említettem, a kis komputerek összeköttetésben állnak a szomszédaikkal. Érzékelik, hogy valami nagy vagy kicsi, jobban vagy kevésbé van megvilágítva. Miután mindezt érzékelték, elemezték, felismerhetik az adott tárgyat. Ez már részben képi elemeket tartalmaz, amelyekből fel lehet ismerni például egy emberi arcot.
MN: A CNN helyettesítheti az emberi szemet?
R. T.: A számítógép elemi, geometriai dolgokat ismer fel. Mi emberek viszont nemcsak a szemünkkel, az agyunkkal, hanem a teljes tanult intellektusunkkal látunk. Ezt nem lehet a számítógéppel reprodukálni, mert annyiféleképpen látunk, amennyien vagyunk.
H. J.: Az ember nem komputer, mert van egy története, azaz a történelem során rengeteg tapasztalatot szerez, és állandóan változik. Nagy baj lenne, ha a komputerek is folyton változnának, mert akkor nem lehetne őket programozni. Ugyanakkor a CNN javára írandó az emberi látással szemben az, hogy a programozástól függően mindent képes látni. Talán furcsának tűnik, de mi a környezetünkből összességében húsz százalékot észlelünk, a többit nem vesszük figyelembe. A CNN 100 százalékot fog látni, amit a programozástól függően át lehet majd helyezni valamilyen robotba, amely ennek következtében jóval pontosabban működik, mintha ember végezné ugyanazt a munkát.
MN: A robotika mely területein várható áttörés a közeljövőben?
R. T.: Egy nemzetközi kutatási projekt a tapintással foglalkozik. Csak az ember képes arra, hogy fellapozzon egy könyvet, viszont előbb-utóbb egy kis számítógéppel egy mesterséges szerkezetet hozunk létre, amely megpróbálja utánozni a tapintás legegyszerűbb funkcióit.
H. J.: Az általunk tervezett tapintószerkezetben nyomás- és vibrációérzékelés is van. A szerkezetet egy nálunk dolgozó PsD hallgató elvei szerint szeretnénk majd megalkotni. Ma már az ujjak és a kéz funkcióit idegélettani szempontból jól feltérképezték. A CNN-nek kell majd a mesterséges tapintószerkezetből bejövő jeleket feldolgozni és továbbítani.
R. T.: Az érzékelőszerveinket attól függően mozgatjuk, hogy mi az, amit tapintunk. Ezért beszélünk érzékelő számítógépekről. Az új európai uniós program megfogalmazása szerint érzékelő, aktiváló rendszerekről van szó. Ez az a titok, amelynek egy kis részletét fellebbentve szeretnénk a mi analogikai CNN számítógépeinkből érzékelő-beavatkozó komputereket csinálni.
MN: Önök idén júniusban részt vettek a brüsszeli bionikai konferencián, ahol megegyezés született egy közös euroatlanti programról…
H. J.: A neurorobotika terén olyan kooperációs megállapodás született a konferencián, amely szerint felgyorsítjuk a kutatásokat. Ezek természetesen nem csak a tapintásra vonatkoznak. Fölfedezték például azt is, hogy a mozgatókéreg hajtja végre azt a programot, amelyet két másik területen az agykéreg előtte kidolgozott. Egy pohár megpillantásakor elhatározom, hogy szeretném felemelni, és a benne lévő vizet meginni. Ezt megtervezi a kéreg egyik része, és átteszi a mozgatókéregre, amely végrehajtja. Ha erről a két területről, illetve a mozgatókéregről elvezetik az elektromos kisülések mintázatát egy komputerbe, amely folyamatosan feldolgozza és továbbítja az integrált jelet egy mechanikus rendszerbe, ugyanúgy lehet emberi akarattal művégtagokat működtetni, mintha az agykéreg tenné ezt a valódi kézzel.
R. T.: Az említett transzatlanti bionikai kutatási tervnek a kidolgozása során másik izgalmas terület volt az agyvezérelt robotok világa. Arizonában Daryl Kipke professzor vezetésével éppen ezekben a hetekben végzik azt a kísérletet, amelynek során egy majom motoros (mozgató-) kérgéből számítógépen keresztül érzékelt jeleket egy antennával vezetnek el egy robotkézhez, amelybe belehelyeznek egy banánt. A kérdés az, hogy az állat szándéka szerint a robotkéz odaviszi-e a banánt a szájához. A majom keze és a műkéz egyébként ugyanazokat a mozdulatokat végzi, ami azt bizonyítja, hogy ezzel a módszerrel tökéletesen lehet szimulálni egy valódi végtag működését.
H. J.: Az epilepszia is szóba került a tanácskozáson. Ez a betegség az emberiségnek mintegy fél százalékát sújtja. Kiderült, hogy a nagy rohamokat megelőzi egy előjelzés. Ha néhány tucat elektródát beültetnek az agy olyan gócterületeire, amelyek a roham idején aktivizálódhatnak, akkor a rendszer automatikusan odapumpálja a megfelelő gyógyszert, és megakadályozza a rohamot. Ebbe a kutatásba is bekapcsolódott egy doktorandusz hallgatónk egy frankfurti kutatócsoportban.
MN: Hogyan kapcsolódik ehhez a kísérlethez a CNN?
R. T.: Az a kérdés, hogy az itt jelentkező pár tucat jelből – amelyet az illető agyából kivezetnek –, hogyan lehet következtetni a várható rohamra.
Ronald Tetzlaf frankfurti professzorral – aki nemrégiben Budapesten töltött négy hónapot – azt vizsgáltuk, hogyan lehet átfordítani az említett jeleket egy CNN számítógép bemenetére. Egy olyan programot dolgozunk ki, amelynek a segítségével néhány perces előrejelzést lehet biztosítani. A CNN számítógép kis méretei miatt erre alkalmas lehet. Egyes kutatók azt is tervezik, hogy azokban az esetekben, amelyekben a gyógyszeres adagolás nem segít, az érzékelőkön keresztül olyan elektromos jeleket továbbítanak az agyba, amelyek megakadályozzák a görcsképző hullám kialakulását. Ez az újfajta alkalmazási mód azonban megoldásra váró etikai kérdéseket vet fel, hiszen a technika közvetlenül beavatkozna az emberi agyműködésbe.
MN: Volt-e hatása a brüsszeli tervnek a magyar tudományos életre?
R. T.: Mi, akik részesei voltunk az említett kutatási terv kidolgozásának, nem álltunk meg a brüsszeli határoknál. Itthon javaslatot tettünk a magyarországi infobionikai kutatóközpont létrehozására, amely a tudománypolitikában is újnak számítana. A Tudománypolitikai Kollégium előtt van a javaslatunk, amelynek az a lényege, hogy a vidéki és budapesti egyetemek, neurobiológiai és számítástechnikai kutatóintézetek közösen vegyenek részt egy-egy adott probléma megoldásában. Ha a tervünk beválik, ez az intézmény lehet az európai központokkal való későbbi együttműködés kiindulópontja.
A Cellular Neural Network (CNN) kétdimenziós rácshálózaton elhelyezett számítógépek tömbjét jelenti, amelynél minden egyes kis komputer a környezetével is kapcsolatban áll. Az ilyen mikroszámítógépek kicsik és egyszerűek, analóg és logikai jeleket is képesek feldolgozni. A méretük hatvanszor hatvan mikrométer, a szilíciumfelületük mintegy négyszázszor kisebb, mint az eddig gyártott hasonló digitális processzoroké. A bionika a biológia által inspirált információs techonlógiát jelent.