February 9th, 2017

Microchips, Donkey Kong en het brein

Hersenwetenschappers willen begrijpen hoe het brein doet wat het doet. Door grote hoeveelheden data te verzamelen hopen ze de neurale mechanismes achter waarneming, bewustzijn en geheugen te achterhalen. Maar een recent artikel betwijfelt of méér informatie ook leidt tot echt begrijpen hoe zaken werken. Dit illustreerden de onderzoekers aan de hand van een microprocessor en het spelletje Donkey Kong.

Wanneer je wil weten wat een bepaald hersengebied precies doet, kun je bijvoorbeeld een beschadigd brein vergelijken met een gezond stel hersenen. Wanneer iemand na een hersenbloeding veel moeite heeft met praten en je ontdekt dat het gebied van Broca beschadigd is, kun je daaruit afleiden wat de functie van dat stukje brein is. Verder kun je met behulp van moderne onderzoekstechnieken meten welke hersengebieden in hun activiteit correleren met een bepaald gedrag. Op deze manier proberen wetenschappers uiteindelijk te ontrafelen hoe het brein precies doet wat het doet. Hersenwetenschappers verzamelen samen gigantische hoeveelheden data, en analyseren dit met behulp van vernuftige statistische technieken. Maar leren dit soort benadering ons wel écht iets over de neurale mechanismen die ons maken wie we zijn?

Twee Amerikaanse onderzoekers besloten dit eens uit te zoeken. In plaats van weer het brein te meten, bekeken ze een kleine computerprocessor. Het voordeel van zo’n chip is dat je niet alleen de output kunt meten, maar dat je ook precies weet wat er in die chip gebeurt. Op die manier kun je de geanalyseerde gegevens vergelijken met wat er werkelijk is gebeurd in de chip, en zien of je conclusies dus wel kloppen.

De proefpersoon heette MOS 6502, een 8-bit processor die in veel oude computers zoals de Atari en Commodore 64 terug te vinden is. Omdat deze chip relatief eenvoudig is met haar 3510 transistors, zijn enkele computernerds er in geslaagd om het apparaatje volledig digitaal na te maken. Zo kunnen ze precies modelleren wat er in elke transistor en elk stroomdraadje gebeurt terwijl er op het virtuele apparaatje een klassiek spelletje zoals Donkey Kong, Space Invaders of Pitfall draait.

Digitaal vandalisme

De onderzoekers konden nu wat virtuele schade aan de processer aanbrengen om te zien wat het effect was op de spelletjes. Kun je aan de hand van een specifieke beschadiging van de chip nu eenvoudig conclusies trekken over wat dit deel van de processor precies doet?

Nou, niet direct. De onderzoekers zagen onder andere dat wanneer ze een bepaald groepje digitale transistoren vernielden, het spelletje Donkey Kong niet meer wilde opstarten. Echter, de twee andere games leken nergens last van te hebben. Is de conclusie dan dat die specifieke transistoren Donkey Kong als hoofdfunctie hebben? Dat lijkt onlogisch. Waarschijnlijker is dat ze onderdeel uitmaken van een basaal proces dat nodig is voor sommige soorten software, maar niet voor alle.

De onderzoekers ontdekten verder ook dat de activiteit van bepaalde transistoren nauwkeurig de helderheid van een prominente pixel in beeld voorspelde. Toch was dit verband illusoir, want de onderzoekers wisten immers dat de transistors niet direct betrokken zijn bij het tekenen van de pixels. Ze zijn daar slechts indirect bij betrokken, omdat ze gebruikt worden door een deel van het programma dat uiteindelijk de pixels inkleurt.

Dit zijn maar twee voorbeelden van de problemen waar de onderzoekers tegenaan liepen. Grote hoeveelheiden data die uit de processor kwamen werden in knappe analyse-algoritmes gegoten, die op hun beurt bijzonder interessante kijkjes leken te geven in de werking van de chip. Helaas, de onderzoekers wisten dat deze resultaten niet overeenkwamen met wat er wérkelijk in de processor gebeurt.

Problematisch om conclusies te trekken

De neurowetenschappelijke technieken die de onderzoekers gebruikten bleken niet tot nauwelijks in staat om veel mechanismen van de processor te achterhalen. Een dergelijke chip bestaat uit vrij simpele elektrische schakelaartjes, die met elkaar in verbinding staan. Zo kunnen ze samen logische operaties uitvoeren. Die logische operatoren vormen weer hogere verbindingen die weer net iets complexere zaken doen, enzovoorts. Uiteindelijk zorgt een processor zo voor het spelletje op het beeldscherm. Het probleem dat deze studie naar voren brengt is eentje waar de neurowetenschappers ook tegenaan lopen: het is ongelooflijk complex om vanuit dergelijke simpele basismechanismen te verklaren hoe het eindresultaat wordt aangestuurd. Of dat nu een spelletje Donkey Kong op je scherm is, of een denkend bewust wezen zoals de mens.

Toch willen de onderzoekers hier niet mee zeggen dat neurowetenschappen een zinloos tijdverdrijf is. Integendeel, er is ontzettend veel vooruitgang geboekt op verschillende terreinen binnen het hersenonderzoek. Daarnaast is een computerchip iets totaal anders dan het brein, ook al vinden veel mensen het aardig om computers als analogie van hersenen te gebruiken. Het kernargument van deze studie is dat het verzamelen van meer en meer data niet automatisch betekent dat je het brein beter gaat begrijpen. Iets wat niet onbelangrijk is om te onthouden in dit datatijdperk.

 

Deze studie werd onlangs gepubliceerd in PLOS Computational Biology.

Auteur: Job van den Hurk
Tagged:
Laat een reactie achter

Please wait... loading