Computación neuromórfica: el salto de la inteligencia artificial a la inteligencia natural de las máquinas

Por Óscar Herreras (CSIC)*

Todos hemos oído hablar de la inteligencia artificial (IA) y de cómo poco a poco se expande a todos los sectores sociales, desde el control de calidad en cadenas de montaje o la regulación del tráfico en una gran ciudad, hasta el diagnóstico de patologías médicas o la producción de obras artístico-culturales, por muy estrafalarias que nos puedan parecer. No se nos escapa que el término “artificial” implica que las capacidades de una IA están construidas a partir de elementos manufacturados por el ser humano. Pero, ¿y el término “inteligencia”? Sin entrar en el inacabable (y divertido) debate de qué es o qué entendemos por inteligencia, es curiosa la sucesión de manifestaciones desde muchos ámbitos que niegan a las máquinas y dispositivos con IA, incluso futuras, una identidad equivalente a la de una persona. Conste que, como animal limitado que soy, comparto algunos de los temores y reservas detrás de esta actitud negacionista.

No obstante, ¿y si pudiéramos diseñar y construir dispositivos que ‘funcionen’ con una inteligencia inequívocamente natural? ¿Nos atreveríamos a decir entonces que estos dispositivos solo emulan las capacidades del intelecto humano? ¿Es posible replicar en un dispositivo artificial la intricada estructura de los circuitos cerebrales que hacen posible las capacidades cognitivas de los animales? Repasemos las claves que la neurociencia ha encontrado en las últimas décadas para explicar esto.

En primer lugar, al contrario que en un cerebro electrónico estándar, en el que la información se almacena en unidades independientes del procesador (discos, ‘la nube’, etc), los animales guardamos la información relevante obtenida en nuestra experiencia diaria alterando los circuitos cerebrales. A este proceso lo denominamos plasticidad neuronal, como detallábamos en esta otra entrada del blog. Así, las conexiones entre los miles de millones de neuronas que forman los circuitos corticales no son permanentes, pues se modifican cuando ocurren determinados patrones de actividad eléctrica generados por la experiencia sensorial o cognitiva. No tenemos unidades separadas de almacén y procesamiento, los circuitos en sí mismos son ambas cosas a la vez. Circuito diferente, persona diferente.

Esta es la teoría. Pero, ¿cómo la llevamos a la práctica en una máquina? Aquí viene otra clave fundamental. En los animales, la modificación de circuitos consiste en establecer nuevos contactos (nuevas sinapsis) o cambiar la fuerza de los ya existentes. Esto nos permite incorporar nuevos datos a, por ejemplo, asociaciones de objetos o conceptos (ideas) que ya tuviéramos, o establecer otras nuevas. La neurociencia ha confirmado estas propiedades repetidamente y ya se pueden replicar en el laboratorio. Muchos ya pensamos que estas claves son suficientes para explicar todas las capacidades cognitivas del cerebro de los mamíferos: la memoria, la imaginación, la lógica, la planificación, etc. Ahora bien, ¿están presentes estas características en los dispositivos actuales de IA?

A lo largo de la historia de la cibernética, los ingenieros sagazmente han puesto un ojo en los descubrimientos neurocientíficos, hasta el punto de que sus principales hitos han surgido tras replicar algún nuevo hallazgo sobre la estructura o el funcionamiento del sistema nervioso: no es mala idea tratar de emular la “máquina” pensante más compleja y potente. Lo cierto es que, al menos en el plano conceptual, existe un fuerte paralelismo entre la manera en la que un cerebro y un dispositivo IA aprenden: ambos cambian algunos de sus elementos para almacenar información o resolver un problema. La diferencia, como esbozaba antes, estriba en que en una IA los circuitos electrónicos impresos que unen sus partes no varían, la información no está en sus conexiones, se guardan en una lista (software) de una unidad separada. Vemos que la solución biológica es mucho más eficiente, la propia estructura cambiante de los circuitos nerviosos contiene tanto nuestra historia vital como nuestras capacidades.

Para emular esta extraordinaria solución biológica, en el programa Europeo de Investigación Human Brain Project (HBP), en el que participan decenas de grupos experimentales y teóricos de diferentes países, existen varios subproyectos que desarrollan lo que se denomina computación neuromórfica. En pocas palabras, están desarrollando ordenadores con una arquitectura de circuitos mutable. Los datos nuevos o las capacidades nuevas no se guardan en forma de unos y ceros en una unidad separada, sino en el propio mapa de conexiones. Estos ordenadores cambian la conectividad de sus circuitos a medida que aprenden a ejecutar eficientemente una tarea, y lo curioso es que el número de cambios puede ser tal que averiguar cuál es su mapa de conexiones después del aprendizaje plantea ya los mismos problemas a un investigador que un cerebro real. Esos cambios en el aprendizaje son tantos y tan complejos que mantener un listado de las nuevas conexiones sería ineficiente a medida que aumente el tamaño y las tareas de estos computadores neuromórficos.

Materiales con memoria

La capacidad de aprender que nos proporciona la plasticidad de las sinapsis no ha sido fácil de emular en los contactos eléctricos de un circuito impreso. Hemos tenido que esperar a la aparición en la década pasada de materiales con propiedades eléctricas extraordinarias para dar solución al último gran problema. Estos materiales, como el dióxido de titanio, pueden variar su resistencia eléctrica dependiendo de la corriente que ha pasado por ellos anteriormente. Se les denomina memristores (resistencias con memoria), y regulan la cantidad de corriente que dejan pasar dependiendo de su historia previa, esto es, de la corriente que ya circuló por ellos en el pasado, replicando fielmente el papel y funcionamiento de las sinapsis cambiantes entre neuronas. Ya no es necesario mantener los cambios (la experiencia) en una unidad separada. Recuerden, no se pierde la unidad de almacén de información, el circuito es la información.

La prueba de concepto ya ha sido publicada recientemente en la revista Scientific Reports En este artículo, el equipo investigador ha sido capaz de realizar conexiones entre una neurona electrónica y una neurona real utilizando dos de estas sinapsis de dióxido de titanio capaces de aprender. Ya no es necesario guardar los cambios en ninguna parte, todo es estructura cambiante, como en un cerebro real. En ordenadores neuromórficos con sinapsis variables todo es artificial menos, quizá, su funcionamiento. ¿Podemos decir que este tipo de ordenadores ha dado el salto de una IA a una inteligencia natural (IN)? Las diferencias entre la tecnología y la biología ciertamente se estrechan. A estas alturas, yo no sabría decir si el cerebro ‘piensa’ como una máquina o la máquina lo hace como un cerebro

* Óscar Herreras es investigador del Instituto Cajal del CSIC.

 

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