Человеческий мозг и компьютер. Что называют мозгом компьютера

Прошлое столетие ознаменовало сильнейший скачок развития человечества. Пройдя нелегкий путь от букваря до интернета, люди так и не смогли разгадать главную загадку, терзающую умы великих на протяжении не одной сотни лет, а именно, как работает и на что способен человеческий мозг?

До сих пор этот орган остается самым плохо изученным, а ведь именно он сделал человека тем, кем он сейчас является – высшей ступенью эволюции. Мозг, продолжая хранить свои секреты и тайны, продолжает определять деятельность и сознание человека на каждом этапе его жизни. Разгадать все возможности, на которые он способен, не в силах пока ни один современный ученый. Именно поэтому вокруг одного из главнейших органов нашего организма сконцентрировано большое количество мифов и ничем не обоснованных гипотез. Это может свидетельствовать только о том, что скрытый потенциал человеческого мозга только предстоит изучить, а пока его способности выходят за грани уже устоявшихся представлений о его работе.

Фото: Pixabay/geralt

Устройство мозга

Данный орган состоит из огромного количества связей, создающих устойчивое взаимодействие клеток и отростков. Ученые предполагают, что, если эту связь представить в виде прямой линии, ее длина восьмикратно превысит дистанцию к Луне.

Массовая доля этого органа в общей массе тела составляет не более 2%, а его вес варьируется в пределах 1019-1960 грамм. С момента рождения и до последнего вздоха человека он ведет непрерывную деятельность. Поэтому ему необходимо поглощать 21% всего кислорода, постоянно поступающего в организм человека. Ученые составили примерную картину усваивания мозгом информации: его память может вмещать в себе от 3 до 100 терабайт, в то время как память современного компьютера в данный момент совершенствуется до объема 20 терабайт.

Самые распространённые мифы о биологическом компьютере человека

Нейронные ткани мозга на протяжение жизнедеятельности организма погибают, а новые – не образуются. Это заблуждение, абсурдность которого доказала Элизабет Гуд. Нервная ткань и нейроны постоянно обновляются, и на смену умершим приходят новые соединения. Исследования подтвердили, что в очагах клеток, уничтоженных инсультом, организм человека способен «наращивать» новый материал.

Мозг человека раскрыт только на 5-10%, все остальные возможности не задействованы. Некоторые ученые объясняли это тем, что природа, создав такой сложный и развитой механизм, придумала для него защитную систему, оградив орган от излишней нагрузки. Это не так. Достоверно известно, что мозг во время любой деятельности человека задействован на все 100%, просто в момент совершения каких-либо действий реагируют отдельные его части поочередно.

Сверхспособности. Чем может удивить человеческий разум?

Некоторые люди, внешне не показывающие признаки наличия невероятных способностей, могут обладать поистине невероятными возможностями. Проявляются они не у каждого, но ученые утверждают, что регулярные усиленные тренировки мозга способны развить сперхспособности. Хотя секрет «отбора» людей, которые могут обладать правом называться гением, не раскрыт до сих пор. Кто-то умеет грамотно выходить из затруднительных ситуаций, кто-то на подсознательном уровне предчувствует приближающуюся опасность. Но более интересными с точки зрения науки являются следующие сверхспособности:

Возможность выполнения математических операций любой сложности без помощи калькулятора и расчетов на бумаге;
Возможность создавать гениальные творения;
Фотографическая память;
Скоростное чтение;
Экстрасенсорные способности.

Удивительные случаи раскрытия уникальных способностей человеческого мозга

За всю историю существования людей появилось большое количество историй, подтверждающих тот факт, что мозг человека может иметь скрытые способности, адаптироваться к изменению ситуации и перекладывать определенные функции с пострадавшего отдела на здоровую часть.

Сонарное зрение . Такая способность вырабатывается обычно после потери зрения. Дэниэл Киш сумел освоить технику эхолокации, присущую летучим мышам. Издаваемые им звуки, например, щелчок языком или пальцами, помогают ему ходить без трости.

Мнемоника – уникальная техника, позволяющая воспринимать и запоминать любой объем информации, независимо от ее характера. Многие люди осваивают ее в зрелом возрасте, а у американца Кима Пика — это врожденный дар.

Дар предвиденья . Некоторые люди уверяют, что способны видеть будущее. На данный момент этот факт полностью не доказан, но истории известно немало людей, которых такая способность прославила на весь мир.

Феномены, на которые способен человеческий мозг

Карлос Родригез в 14 лет после аварии потерял более 59% мозга, но при этом до сих пор живет совершенно обычной жизнью.

Яков Циперович после клинической смерти и недельного пребывания в коматозном состоянии перестал спать, мало ест и не стареет. С этого момента прошло уже три десятка лет, а он по-прежнему молод.

Фениас Гейдж в середине 19го века получил ужасную травму. Сквозь его голову прошел толстый лом, лишив его доброй части мозга. Медицина тех лет не была достаточна продвинута, и врачи предвещали ему скорую смерть. Однако мужчина не только не умер, но и сохранил память и ясность сознания.

Человеческий мозг, как и его тело, необходимо подвергать постоянным тренировка. Это могут быть как сложные, специально разработанные программы, так и чтение книг, разгадывание ребусов и логических задач. При этом не следует забывать про насыщение данного органа питательными элементами. К примеру, усилитель мозговой активности HeadBooster http://hudeemz.com/headbooster обладает большим количеством таковых. Но все же, только постоянные тренировки позволяют мозгу постоянно развиваться и увеличивать свои возможности.

Процессоры для персональных компьютеров подразделяются на несколько критериев:

производитель;
семейство;
модель внутри семейства.

Выбор процессора начинается с выбора производителя. Основными производителями процессоров считаются две компании: Intel и AMD. К выбору процессора надо подходить стратегически, т.к. процессоры и соответственно платформы взаимно не совместимы. То есть процессор одного семейства нельзя заменить процессором другого семейства одной и той же фирмы – придется менять всю платформу.

Архитектура процессора

Законы конкуренции привели к тому, что внимание разработчиков было направлено на поиск повышения производительности. Было найдено два новых направления:

расширение разрядности существующих 32-битных процессоров до 64 бит;интеграция в процессор двух и более ядер, которые занимаются непосредственно вычислениями.

Разрядность процессора – длина одновременно обрабатывающих данных (в битах).

Ядро процессора – совокупность арифметическо-логических устройств, блоков управления и кэш-памяти, выполненная в рамках единой микроархитектуры процессора.

Рабочая частота – частота переключения транзисторов в ядре процессора. Получается умножением тактовой частоты системной шины на коэффициент, заданный специальным блоком процессора.

Тактовая частота – опорная частота, генерируемая специальным устройством системной шины. Используется для синхронизации процессора и шины.

Современные процессоры имеют архитектуру «неймановского» типа:

арифметическо-логическое устройство;блок управления;блок памяти;устройство ввода-вывода.

Ядро процессора

Главным элементом процессора, выполняющим обработку данных является арифметическо-логическое устройство (АЛУ). Процессор имеет специальные ячейки памяти, которые называются регистры. В них хранятся и поступают данные с огромной скоростью. По мере обработки данные из регистра поступают и возвращаются.

Все современные микропроцессоры являются синхронными, то есть меняют состояние элементов в момент поступления тактовых импульсов. В каждом цикле есть сигнал, который переключает определенные триггеры. Например, в регистры данные загружаются лишь по фронту импульса, а считываются только по спаду. Именно поэтому АЛУ может в течение одного цикла и считать, и записать данные в регистр.

Блок управления, АЛУ и кэш-память образуют ядро процессора.

Системная шина

Как данные, так и команды для их обработки процессор получает из ячеек оперативной памяти по системной шине. В составе системной шины различают: шину данных, адресную шину, шину управления. По шине данных в регистры процессора копируются данные из ячеек памяти. По адресной шине процессор выбирает, начиная с какой именно ячейки он должен получить данные. По шине управления процессор получает из оперативной памяти команды для обработки данных.

Кэш-память

Внутри процессора все операции происходят в десятки раз быстрее, чем при обмене данными с оперативной памятью. Это означает, что чем реже процессор обращается к памяти за данными и командами, тем быстрее он способен работать. Чтобы сократить количество обращений, в процессор встраивают сравнительно небольшой блок сверхоперативной памяти, способной работать на частоте ядра. Этот блок памяти называют кэш-памятью.

При обращении к ячейкам оперативной памяти процессор получает не только те данные, которые требуются немедленно для загрузки в регистры, но и еще что-то «про запас». Этот запас записывается в кэш-память. Если запасенные данные потребуются в следующем цикле, процессор заберет их из кэш-памяти. Если же потребуются иные данные, процессор обратится к оперативной памяти, и содержимое кэша обновится. Как правило, современные процессоры имеют два блока внутренней кэш-памяти. Первый блок (кэш-память первого уровня, 11) обычно разделен на кэш данных и кэш инструкций. Второй блок (кэш-память второго уровня, 12) служит только для хранения данных. В некоторых моделях процессоров (например, Pentium 4 Extreme Edition) используется кэш-память третьего уровня.

Процессорный разъем

Для подключения кэш-памяти, блоков ввода-вывода, тактовых сигналов, питания процессору требуются сотни линий. Поэтому ядро и другие блоки процессора размещают в герметичном корпусе, оснащенном множеством контактных ножек или площадок. Корпус вставляют в процессорный разъем (Зоскет.) на системной плате, а уже от разъема шины идут к другим устройствам компьютера.

Процессорные разъемы принято маркировать по числу контактов, например Socked 775 или Socked 939. Процессоры одного семейства и одной архитектуры могут иметь разные корпуса и разные процессорные разъемы, несовместимые друг с другом. А вот обратная картина (один разъем для процессоров разной архитектуры) встречается очень редко.

Зачем процессорному разъему сотни контактов? В основном - для электропитания. Шина данных в процессоре Pentium 4 насчитывает 64-разряда и требует наличия 64 линий. Шина адреса занимает 36 линий. 124 линии отведено для служебных нужд, а 28 выводов зарезервировано. Все оставшиеся контакты используются для подачи питания. Так, в разъеме Socked 775 линий питания - 523.

Такое количество линий питания объясняется особенностями архитектуры процессоров. Современный процессор насчитывает свыше 150 миллионов транзисторов. Их надо обеспечить током: небольшим, в доли микроампера, но каждый из полутора сотен миллионов транзисторов. В итоге получается, что суммарный ток потребления процессора составляет десятки ампер. Например, максимальный потребляемый ток для процессора Pentium 4 с ядром Prescott равен 119 А. Для сравнения - максимально допустимый ток в бытовой электросети обычно не превышает 16 А.

Илья 817

Центральный процессор или ЦПУ – центральное процессорное устройства (англ. CPU – central processing unit, или центральное обрабатывающее устройство, если дословно) – самый важный компонент любого компьютера, это мозг компьютера. Эго еще часто называют просто микропроцессором или процессором. Какую роль процессор играет в системе компьютера? Ответ на этот вопрос прост – самую главную! Именно процессор выполняет все вычисления и обработку информации.

Цены в интернет-магазинах:

Electrozon

4 990 Р

Микропроцессоры, отличаются один от одного по таким основным характеристикам как тактовая частота, которая измеряется в (МГц и ГГц), и производительность. На сегодняшний день, как правило, используются процессоры, разработанные известными фирмами Intel и AMD.

Как и все другие компоненты компьютера, микропроцессоры тоже прошли стадию развития от самого создания и до сегодняшних дней. И этот процесс бесконечен, пока идет развитие технологий.
Давайте же коротко рассмотрим историю создания и развития микропроцессоров.Так самые первые процессоры были изобретены, еще в далеких 1940-х годах. Тогда для создания процессоров использовали вакуумные лампы, ферритовые сердечники (устройства памяти) и электромеханические реле. Такие процессоры были ненадежные, имели низкое быстродействие. Тогда в средине 1950-х 60-х стало возможно внедрения транзисторов, которые монтировались к современной на то время плате. А со временем стало использование микросхем, которые ускорили быстродействие и надежность тогдашних процессоров.

Цены в интернет-магазинах:

compyou.ru

6 030 Р

В начале 1970-х годов благодаря стремительному развитию технологий стало возможным создание микропроцессора - микросхемы, на кристалле которой располагались все основные блоки и элементы процессора. А уже 15 ноября 1971 году фирма Intel презентовала свой первый в мире 4-разрядный микропроцессор, 4004 который использовался в микрокалькуляторах. Содержал такой процессор 2300 транзисторов, а тактовая частота составляла 92,6 кГц, и стоил он 300 долларов!

На смену уже устаревшему 4-разрядному процессору пришли более современные 8-разрядные Intel 8080 и 16-разрядный 8086 (включавший в себя 29 тысяч транзисторов и работал на частоте 4,77 МГц), заложившие основы архитектуры всех современных настольных процессоров.Первый же персональный компьютер от IBM бил оснащен 8-разрядным процессором i8088 (из 8-розрядной шиной).
В 1982 году, компания Intel представила новый i80286 с тактовой частотой (до 20МГц) и содержал уже около 134 тис. транзисторов.А далее уже починается гонка за первенство на рынке процессоров между компаниями Intel и AMD, которая и дала толчок к очень быстрому и стремительному развитию технологий. Но это уже другая история.

Рассказать друзьям

Представьте себе экспериментальный нанонаркотик, который способен связывать сознания разных людей. Представьте, как группа предприимчивых нейробиологов и инженеров открывает новый способ использования этого наркотика – запустить операционную систему прямо внутри мозга. Тогда люди смогут телепатически общаться между собой, используя мысленный чат, и даже манипулировать телами других людей, подчиняя себе действия их мозга. И несмотря на то, что это сюжет научно-фантастической книги Рамеза Наама «Нексус», описанное им будущее технологий уже не кажется таким далеким.

Как подсоединить мозг к планшету и помочь парализованным больным общаться

Для пациента T6 2014 стал самым счастливым годом жизни. Это был год, когда она смогла управлять планшетным компьютером Nexus с помощью электромагнитного излучения своего мозга и буквально перенестись из эры 1980-х с их диско-ориентированными системами (Disk Operating System, DOS) в новых век андроидной ОС.

T6 - женщина 50 лет, страдающая боковым амиотрофическим склерозом, известным также как болезнь Лу Герига, которая вызывает прогрессирующее повреждение двигательных нейронов и паралич всех органов тела. T6 парализована почти полностью от шеи и вниз. До 2014 года она абсолютно не могла взаимодействовать с внешним миром.

Паралич может наступить и от повреждений костного мозга, инсульта или нейродегенеративных заболеваний, которые блокируют способность говорить, писать и вообще как-либо общаться с окружающими.

Эра интерфейсов, связывающих мозг и машину, расцвела два десятилетия назад, в процессе создания ассистивных устройств, которые бы помогли таким пациентам. Результат был фантастическим: слежение за взглядом (eye-tracking) и слежение за положением головы пользователя системы (head-tracking) позволили отслеживать движения глаз и использовать их как выходные данные для управления курсором мыши на экране компьютера. Иногда пользователь мог даже кликать по ссылке, фиксируя свой взгляд на одной точке экрана. Это называется »время задержки».

Тем не менее, системы eye-tracking были тяжелы для глаз пользователя и слишком дороги. Тогда появилась технология нейронного протезирования, когда устраняется посредник в виде сенсорного органа и мозг связывается с компьютером напрямую. В мозг пациента вживляется микрочип, и нейросигналы, связанные с желанием или намерением, могут быть расшифрованы с помощью сложных алгоритмов в режиме реального времени и использованы для контроля курсора на интерфейсе компьютера.

Два года назад, пациентке T6 имплантировали в левую сторону мозга, отвечающую за движение, 100-канальную электродную установку. Параллельно Стэнфордская лаборатория работала над созданием прототипа протеза, позволяющего парализованным печатать слова на специально разработанной клавиатуре, просто думая об этих словах. Устройство работало следующим образом: встроенные в мозг электроды записывали мозговую активность пациентки в момент, когда она смотрела на нужную букву на экране, передавали эту информацию на нейропротез, интерпретирующий затем сигналы и превращающий их в непрерывное управление курсором и щелчками на экране.

Однако этот процесс был чрезвычайно медленным. Стало понятно, что на выходе получится устройство, работающее без непосредственного физического соединения с компьютером через электроды. Сам интерфейс тоже должен был выглядеть интереснее, чем в 80-х. Команда клинического института BrainGate, занимающаяся этими исследованиями, поняла, что их система «указания и щелчка» была похожа на нажатие пальцем на сенсорный экран. И поскольку сенсорными планшетами большинство из нас пользуется каждый день, то рынок их огромен. Достаточно просто выбрать и купить любой из них.

Парализованная пациентка T6 смогла «нажимать» на экран планшета Nexus 9. Нейропротез связывался с планшетом через протокол Bluetooth, то есть как беспроводная мышь.

Сейчас команда работает над продлением работоспособности имплантата на срок всей жизни, а также разрабатывает системы других двигательных маневров, таких как «выделить и перетащить» и мультисенсорные движения. Кроме того, BrainGate планируют расширить свою программу на другие операционные системы.

Компьютерный чип из живых клеток мозга

Несколько лет назад исследователи из Германии и Японии смогли симулировать 1 процент активности человеческого мозга за одну секунду. Это стало возможным только благодаря вычислительной мощности одного из самых сильных в мире суперкомпьютеров.

Но человеческий мозг до сих пор остается самым мощным, низко энергозатратным и эффективным компьютером. Что если бы можно было использовать силу этого компьютера для питания машин будущих поколений?

Как бы дико это не звучало, нейробиолог Ош Агаби запустил проект «Конику» (Koniku) как раз для реализации этой цели. Он создал прототип 64-нейронной кремниевой микросхемы. Первым приложением этой разработки стал дрон, который может «чуять» запах взрывчатых веществ.

Одой из самых чутких обонятельных способностей отличаются пчелы. На самом деле, они даже перемещаются в пространстве по запаху. Агаби создал дрон, который не уступает пчелиной способности распознавать и интерпретировать запахи. Он может быть использован не только для военных целей и обнаружении бомб, но и для исследования сельхозугодий, нефтеперерабатывающих заводов - всех мест, где уровень здоровья и безопасности может быть измерен по запаху.

В процессе разработки Агаби и его команда решали три основные проблемы: структурировать нейроны так же, как они структурированы в мозге, прочитать и записать информацию в каждый отдельный нейрон и создать стабильную среду.

Технология индуцированной дифференцировки плюрипотентной клетки - метод, когда зрелая клетка, например, кожи, генетически встроена в исходную стволовую клетку, позволяет любой клетке превратиться в нейрон. Но как и любым электронным компонентам, живым нейронам нужна специальная среда обитания.

Поэтому нейроны были помещены в оболочки с управляемой средой, для регулировки уровня температуры и водорода внутри, а также для подачи им питания. Кроме того, такая оболочка позволяет контролировать взаимодействие нейронов между собой.

Электроды под оболочкой позволяют считывать или записывать информацию на нейроны. Агаби описывает этот процесс так:

«Мы заключаем электроды в оболочку из ДНК и обогащенных протеинов, которая стимулирует нейроны формировать искусственную тесную связь с этими проводниками. Так, мы можем считывать информацию с нейронов или, наоборот, посылать информацию на нейроны тем же способом или посредством света или химических процессов».

Агаби верит, что будущее технологий - за раскрытием возможностей так называемого wetware - человеческого мозга в корреляции с машинным процессом.

«Нет практических границ для того, какими большими мы сделаем наши будущие устройства или как по-разному мы может моделировать мозг. Биология - это единственная граница».

Дальнейшие планы «Конику» включат разработку чипов:

с 500 нейронами, который будет управлять машиной без водителя;
с 10 000 нейронами - будет способен обрабатывать и распознавать изображения так, как это делает человеческий глаз;
с 100 000 нейронами - создаст робота с мультисенсорным входом, который будет практически неотличим от человека по перцептивным свойствам;
с миллионом нейронов - даст нам компьютер, который будет думать сам за себя.

Чип памяти, встроенный в мозг

Каждый год сотни миллионов людей испытывают сложности из-за потери памяти. Причины этому разные: повреждения мозга, которые преследуют ветеранов и футбольных игроков, инсульты или болезнь Альцгеймера, проявляющиеся в старости, или просто старение мозга, которое ожидает всех нас. Доктор Теодор Бергер, биомедицинский инженер Университета Южной Калифорнии, на средства Агенства по перспективным оборонным исследованиям Министерства обороны США DARPA, тестирует расширяющий память имплантат, который имитирует обработку сигнала в момент, когда нейроны отказываются работать с новыми долгосрочными воспоминаниями.

Чтобы устройство заработало, ученые должны понять, как работает память. Гиппокамп - это область мозга, которая отвечает за трансформацию краткосрочных воспоминаний в долгосрочные. Как он это делает? И возможно ли симулировать его деятельность в рамках компьютерного чипа?

«По существу, память - это серия электрических импульсов, которые возникают с течением времени и которые генерируются определенным числом нейронов», - объясняет Бергер, - «Это очень важно, так как это значит, что мы можем свести этот процесс к математическому уравнению и поместить его в рамки вычислительного процесса».

Так, нейробиологи начали декодировать поток информации внутри гиппокампа. Ключом к этой дешифровке стал сильный электрический сигнал, который идет от области органа под названием СА3 - «входа» гиппокампа - к СА1 - «выходящему» узлу. Этот сигнал ослабляется у людей с расстройством памяти.

«Если бы мы могли воссоздать его, используя чип, мы бы восстановили или даже увеличили объем памяти», — говорит Бергер.

Но проследить этот путь дешифровки сложно, так как нейроны работают нелинейно. И любой незначительный фактор, замешанный в процессе, может привести к совсем другим результатам.Тем не менее, математика и программирование не стоят на месте, и сегодня могут вместе создать самые сложные вычислительные конструкции со множеством неизвестных и множеством «выходов».

Для начала ученые приучили крыс нажимать тот или иной рычаг, чтобы получить лакомство. В процессе запоминания крысами и превращения этого воспоминания в долгосрочное, исследователи тщательно фиксировали и записывали все трансформации нейронов, и затем по этой математической модели создали компьютерный чип. Далее, они ввели крысам вещество, временно дестабилизирующее их способность запоминать и ввели чип в мозг. Устройство воздействовало на «выходящий» орган СА1, и, вдруг, ученые обнаружили, что воспоминание крыс о том, как добиться лакомства восстановилось.

Следующие тесты были проведены на обезьянах. На этот раз ученые сконцентрировались на префронтальной коре головного мозга, которая получает и модулирует воспоминания, полученные из гиппокампа. Животным была продемонстрирована серия изображений, некоторые из который повторялись. Зафиксировав активность нейронов в момент узнавания ими одной и то же картинки, была создана математическая модель и микросхема, на ее основе. После этого работу префронтальной коры обезьян подавили кокаином и ученые вновь смогли восстановить память.

Когда опыты проводились на людях, Бергер избрал 12 волонтеров, больных эпилепсией, с уже имплантированными электродами в головной мозг, чтобы проследить источник их припадков. Повторяющиеся судороги разрушают ключевые части гиппокампа, необходимые для формирования долгосрочных воспоминаний. Если, к примеру, изучить активность мозга в момент припадков, можно будет восстановить воспоминание.

Точно также, как и в предыдущих экспериментах, был зафиксирован специальный человеческий «код памяти», который впоследствии сможет предсказать паттерн активности в клетках СА1, основываясь на данных, хранящихся или возникающих в СА3. В сравнении с «настоящей» мозговой активностью, такой чип работает с точностью около 80%.

Пока рано говорить о конкретных результатах после опытов на людях. В отличие от моторного кортекса головного мозга, где каждый отдел отвечает за определенный орган, гиппокамп организован хаотично. Также пока рано говорить, сможет ли такой имплантат вернуть память тем, кто страдает от повреждений «выходящего» участка гиппокампа.

Проблемный остается вопрос геерализации алгоритма для такого чипа, так как экспериментальный прототип был создан на индивидуальных данных конкретных пациентов. Что, если код памяти разный для всех, в зависимости от типа входящих данных, которые он получает? Бергер напоминает, что и мозг ограничен своей биофизикой:

«Есть только такое количество способов, которыми электрические сигналы в гиппокампе могут быть обработаны, которое несмотря на свое множество, тем не менее ограничено и конечно», — говорит ученый.