Hjernens fysik

Benny Lautrup
Niels Bohr Institutet

Oktober, 2002

Fysikken beskæftiger sig med verdens materielle beskaffenhed. I de sidste tre århundreder har den afdækket de fundamentale lovmæssigheder, der styrer stoffet og dets vekselvirkninger fra de mindste til de største afstande. Fysikkens verdenssyn er i bund og grund materialistisk, fordi der ikke er evidens for, at verden består af andet end stof i vekselvirkning med stof. I begyndelsen af det 20. århundrede blev det endda klart, at vekselvirkningerne selv er af stoflig karakter, omend en lidt anden type stof end det, vi selv er lavet af. Elektromagnetiske vekselvirkninger i form af radiobølger og lys bærer både energi, som kan varme os, og impuls, som kan flytte os. Det sidste er vi dog ikke så bekendt med, men strålingstrykket er faktisk blevet foreslået som drivkraft for rumskibe.

Så når fysikeren ser på menneskehjernens funktion, er det en grundlæggende arbejdshypotese [1], at dens aktivitet ``blot'' består i materielle processer, uanset hvor subtile tankegange, imponerende bygningsværker, eller skønne kunster den kan skabe. I det 19. århundrede mente vitalisterne, at stof kun blev levende, når en bestemt livsånde blev blæst ind i det, men den holdning er nu næsten uddød. Til gengæld overlever den holdning, at en immateriel sjæl er nødvendig for at få stof til at blive tænkende, i bedste velgående. Men der er på, trods af dyrenes og specielt menneskets mentale formåen, absolut ingen evidens for, at det skulle være tilfældet.

Alt tyder på, at levende og tænkende stof kun adskiller sig fra andet stof ved at have en anderledes form for organisation. Mange vægrer sig ved at tro, at det nogensinde skulle blive muligt at forstå livets og tankens fysiske principper til bunds, men på baggrund af vores nuværende kendskab til naturen er det svært at opretholde en sådan indstilling. Livet og tanken opstår nemlig på skalaer, der er klemt inde mellem meget velforståede områder af naturen, og alt tyder på, at der bliver mindre og mindre plads tilbage til det ukendte.

Det atomare niveau er efter knap hundrede års intens forskning overordentlig velforstået. Atomerne er (kvante)mekaniske objekter, hvis egenskaber og opførsel i al væsentlighed styres af elektromagnetiske kræfter. Molekylerne - også livets lange molekyler - holdes også sammen af elektromagnetiske kræfter mellem atomerne. Livet er derfor i bund og grund et elektromekanisk fænomen. Alt hvad vi gør ved vore omgivelser og ved hinanden, fra det ondeste terrorangreb til det blideste kys, er i bund og grund elektromagnetiske vekselvirkninger.

Hvad vi endnu ikke forstår i detalje, er det gab i skalaerne mellem ti nanometer og en mikrometer, hvor biomolekylernes samspil fører til det fænomen, vi kalder liv. Men biokemikerne og biofysikerne er godt på vej ind i dette område, så at sige ``nedefra''. Oppefra trænger biologerne med deres indgående kendskab til organismernes struktur og til cellernes opbygning langsomt men sikkert ned mod biofysikerne og biokemikerne. Der er ingen grund til at tro, at de to forskningsretninger ikke en dag vil lukke gabet og mødes som tunnelarbejderne under Storebælt.

På samme måde er tanken klemt inde mellem den cellulære neurovidenskab med mikroskoper og sonder på den ene side og den makroskopiske neurobiologi med alle dens skannere på den anden. De endnu ukendte komplekse materielle processer, der ligger bag tanken, foregår hovedsagelig i skalaområdet fra ti mikrometer til nogle millimeter, men før eller senere bliver også dette gab lukket.

Nu skal man ikke forestille sig, at videnskaben kommer til at forstå det individuelle menneskes ``sjæl''. Et menneskes personlighed formes gennem livet i en evolutionær proces, der ligesom den biologiske evolution er fuld af indefrosne tilfældigheder. Lige så lidt som de samme arter ville befolke planeten, hvis vi startede evolutionen forfra, vil den samme personlighed opstå igen, hvis man blev ``genfødt''. Vores sind er lige så individuelt som vores krop.

Hvis livet og tanken er processer i komplekst biologisk maskineri, er det på sin plads at spørge, om hvorvidt de maskiner, mennesket selv frembringer, er sammenlignelige med de biologiske. De senere års voldsomme udvikling i bioteknologi og specielt nanoteknologi peger på, at forskellen måske ikke er så stor, som mange gerne ville have. Det er muligt, at vi en dag vil se egentlige hybridformer af maskiner mellem bio- og nano-teknik.

Specielt har computerteknologien forsynet os med maskiner, der dag for dag bliver kraftigere. Hukommelse, både på chip og disk, er vokset ud over alt, hvad vi kunne håbe på, og processorhastigheden fordobles stadig på mindre end halvandet år. Den fysiske grænse for den nuværende silicium-teknologi ser endnu ikke ud til at være nået, og i kulissen venter nye teknologier på at afløse den.

Hvad kræver det af computerkraft at simulere en menneskehjerne i realtid? Vi kan gøre et overslag ud fra nervesystemets størrelse og den hastighed, hvormed nerveceller kan udsende impulser. I hjernen findes der omkring 100 milliarder nerveceller, der hver kommunikerer med omkring 10 tusinde andre. Det giver i alt en million milliarder forbindelser, kaldet synapser, i et netværk med en samlet ledningsføring på omkring en million kilometer. Det er i synapserne, vores permanente hukommelse bor. Gennem hver synapse kan der maksimalt sendes tusind nerveimpulser per sekund. Skulle vi simulere hjernen, måtte vores program altså opdatere hver eneste synapse tusind gange i sekundet, og det kræver mindst en milliard milliarder operationer per sekund.

Den moderne pc udfører omkring en milliard operationer per sekund, så det ville mindst kræve omkring en milliard sådanne computere at simulere hjernen i realtid, og formodentlig mange flere. De største pc-farme består i dag af nogle tusinde maskiner og er altså en million gange langsommere end hjernen. De kan derfor højst simulere en kubikmillimeter hjernevæv, hvilket er mindre end en flues.

Denne beregning giver os også et indblik i spørgsmålet om, hvorvidt maskiner overhovedet kan tænke. De fleste er gennem bekendtskabet med deres pc ganske overbevist om, at computere aldrig kommer til at tænke. Men det er en ganske utilladelig generalisation at slutte fra, hvad en enkelt computer kan gøre, til, hvad en milliard er i stand til. Det er lige så umuligt som at generalisere fra, hvad man kan få for den ene krone, man har på lommen, til hvad man kan købe for en milliard. Eller at generalisere fra to sekunder til 70 år. Eller fra seks individer til hele jordens befolkning. En milliard er bare et så stort tal, at vi ingen fornemmelse har for, hvad det egentlig står for.

Medens de enkelte computeres beregningshastighed i dag ligger langt under hjernens, står det anderledes til med internettet, hvor op mod 100 millioner computere i dag er koblet sammen. Kunne man få dem til at samarbejde med deres fulde kapacitet, ville de have en samlet beregningskraft på omkring en tiendedel af menneskets hjerne. Deres samlede hukommelse er også sammenlignelig med informationsmængden i den menneskelige hjerne. Hvis man tilskriver hver synapse en enkelt byte information, vil hjernen indeholde omkring en million gigabytes. Den samme hukommelse kan opnås med blot 10 megabytes fra hver computer på nettet.

Den egentlige forskel på teknologiens og biologiens regnemaskiner kan bedre forstås gennem antallet af operationer, der udføres for hver bit, der går ind eller ud. Menneskehjernen er domineret af vores vigtigste sans, synet. Den optiske nerve har en million fibre, og der kan derfor maksimalt passere en milliard nerveimpulser per sekund fra øjet ind i hjernen. Til sammenligning kan en moderne computer hente 100 megabit per sekund ned fra nettet gennem en hurtig forbindelse. Så medens computeren udfører 10 operationer for hver bit, den tager ind, vil menneskehjernen derimod udføre en milliard operationer for hver enkelt bit. Hjernens informationsbehandling er altså op mod 100 millioner gange mere ``dybsindig'' end maskinernes.

Hjernen er et komplekst system med mange kollektive, også kaldet emergente, egenskaber. Gennem tiderne har psykologerne karakteriseret den ved en række ``mentale'' egenskaber som bevidsthed, intelligens, hukommelse, matematisk og sproglig begavelse, personlighedstype og så videre. Mange af de psykologiske begreber savner desværre en operationel definition af, hvorledes de måles. Hvorledes måles bevidsthed? Hvor bevidste er vi, når vi sover, sammenlignet med vågen tilstand? Hvor bevidst er en regnorm sammenlignet med en hund?

For intelligensens vedkommende blev der der i begyndelsen af det 20. århundrede udviklet en metode baseret på måling af et batteri af færdigheder, som man forestiller sig korrelerer med det intuitive intelligensbegreb. Det resulterede i begrebet ``generel intelligens'', udtrykt ved et enkelt tal, kaldet Spearman's g-faktor [2]. Det er i dag den accepterede målemetode for intelligens og har en rimelig reproducibilitet og stabilitet, selv om det er velkendt, at individers intelligens kan variere med tiden og deres øvrige tilstand.

Man hører ofte den indvending, at i modsætning til fysikerne, som ved præcist, hvad en elektrons ladning er, ved psykologerne ikke, hvad intelligens er. Men præmissen er simpelthen forkert. Fysikerne har en operationel procedure for, hvorledes ladning måles, og har utallige ideer om, hvorledes den kan bruges. Hvad den egentlig er for en størrelse, er i lighed med intelligens ganske ukendt. Fysikerne har måttet lære at leve med, at naturens dybeste væsen, ``das ding an sich'', formodentlig altid forbliver skjult for os levende og tænkende væsener, der samtidig er både iagttagere og deltagere i universet. Faktisk er der langt større håb for at forstå intelligens på materiel basis, end at forstå en elektron!

Intelligens er belagt med mange tabuer, formentlig fordi det efterhånden er veldokumenteret, at intelligens korrelerer godt med succes i samfundet, for eksempel indkomst. Der er en udbredt - og begrundet - frygt for, at hvis et menneskes mentale formåen reduceres til et enkelt tal, kan det maliciøst bruges til at sætte urimelige klasseskel i samfundet. Det er således politisk ukorrekt at diskutere, hvilken nedre intelligensgrænse, der i dag er for duelighed i det moderne samfund, selv om meget tyder på, at en del af befolkningen udelukkes fra arbejdslivet af den grund. Det er nok vigtigt at gøre sig klart, at både et menneskes krop og sind er et mangedimensionalt system, der ikke fuldgyldigt kan karakteriseres ved et enkelt tal, uanset hvor nemt det er at måle. Det enkelte individs duelighed kan afgøres af helt andre temmelig umålelige faktorer, for eksempel elskværdighed, charme, og andre sociale færdigheder.

References

[1]
Sir Francis Crick: The astonishing hypothesis, Touchstone books, 1995
[2]
Arthur R. Jensen: The g-factor, Praeger, 1998



File translated from TEX by TTH, version 3.00.
On 1 Dec 2002, 19:54.