John von Neumann e il confine tra mente e algoritmi : il cervello funziona davvero come un computer

Uno dei padri dell’informatica moderna studiò le analogie tra sistema nervoso e calcolatori, arrivando però a una conclusione sorprendente : il cervello non sembra semplicemente una macchina digitale

Una distinzione che nell’era dell’intelligenza artificiale diventa ancora più importante

Quando cerchiamo di spiegare il funzionamento del cervello utilizziamo continuamente il linguaggio dell’informatica. Parliamo di memoria, elaborazione delle informazioni, codifica, segnali, circuiti e capacità di calcolo. La metafora è diventata così familiare che spesso finiamo per dimenticare che si tratta, appunto, di una metafora.

Ma il cervello funziona davvero come un computer ? La domanda diventa particolarmente interessante se posta attraverso il pensiero di John von Neumann, uno dei più grandi matematici del Novecento e una figura fondamentale nella storia dell’informatica. Il suo nome è associato all’organizzazione dei calcolatori nella quale dati e istruzioni vengono conservati in memoria e utilizzati da un’unità di elaborazione, un modello che ha influenzato profondamente lo sviluppo dei computer.

Eppure proprio von Neumann, quando rivolse la propria attenzione al cervello umano, comprese che l’analogia tra sistema nervoso e calcolatore aveva limiti profondi. Nel suo ultimo lavoro, The Computer and the Brain, pubblicato postumo nel 1958, affrontò direttamente il confronto tra macchine di calcolo e cervello. La conclusione non fu che il secondo fosse semplicemente una versione biologica delle prime. Al contrario, von Neumann individuò caratteristiche che suggerivano modalità di funzionamento profondamente differenti.

Il computer come metafora della mente

L’analogia è certamente potente. Tanto il cervello quanto un computer ricevono informazioni, le trasformano, conservano dati e producono risultati. Da questo punto di vista è comprensibile che la nascita dell’informatica abbia fornito nuovi strumenti concettuali per studiare la mente.

Ma le somiglianze funzionali non implicano necessariamente un’identità dei meccanismi. I computer digitali tradizionali operano attraverso rappresentazioni discrete e procedure estremamente precise. Il cervello, invece, è costituito da cellule viventi che comunicano mediante fenomeni elettrici e chimici, all’interno di un sistema dinamico nel quale miliardi di neuroni interagiscono continuamente.

Von Neumann osservò una caratteristica apparentemente digitale del sistema nervoso: l’impulso nervoso presenta un comportamento che può ricordare una logica del tipo acceso-spento. Ma comprese anche che questa analogia non era sufficiente. Nel sistema nervoso sono presenti infatti fenomeni digitali e analogici che possono alternarsi e interagire. La descrizione del cervello come semplice macchina digitale diventa quindi rapidamente insufficiente.

Un cervello lento che produce risultati straordinari

Una delle differenze più interessanti riguarda la velocità. Il singolo neurone è relativamente lento se confrontato con gli elementi elettronici utilizzati nei calcolatori. Eppure il cervello riesce a svolgere compiti straordinariamente complessi: riconoscere immediatamente un volto, comprendere una frase ambigua, orientarsi nello spazio, imparare dall’esperienza o coordinare simultaneamente percezione e movimento.

Il motivo è anche nella sua organizzazione. Il cervello non appare strutturato come una macchina che esegue semplicemente una lunga successione ordinata di operazioni. Enormi quantità di processi avvengono contemporaneamente attraverso reti distribuite.

Questa caratteristica mostra un punto fondamentale: la velocità dei singoli componenti non determina da sola l’intelligenza di un sistema. Un elemento può essere relativamente lento, ma una diversa architettura complessiva può permettere al sistema di raggiungere risultati sorprendenti.

Precisione contro affidabilità

Esiste poi un’altra differenza ancora più profonda. Un computer è costruito per eseguire operazioni con elevata precisione. Un errore apparentemente insignificante può compromettere un calcolo o l’esecuzione di un programma.

Il cervello biologico lavora invece con componenti molto meno precisi e soggetti a variabilità. E tuttavia il sistema nel suo complesso possiede una notevole capacità di funzionare nonostante rumore, imperfezioni e perdita di singoli elementi.

Von Neumann intuì che il sistema nervoso sembra sacrificare parte della precisione dei singoli processi ottenendo in cambio altre proprietà. Il problema diventa allora affascinante: come può una struttura composta da elementi relativamente imprecisi produrre un comportamento complessivamente così affidabile ? È una domanda che anticipa molte questioni oggi centrali nelle neuroscienze, nell’informatica e nello sviluppo delle reti neurali artificiali.

Il linguaggio del cervello

Von Neumann arrivò progressivamente a una conclusione ancora più radicale. Il sistema nervoso non sembrava utilizzare semplicemente lo stesso linguaggio logico e matematico dei computer costruiti dall’uomo.

Nel cervello assumono grande importanza frequenze, distribuzioni e proprietà statistiche dei segnali. The Computer and the Brain arriva così a dedicare alcune delle sue sezioni finali alla natura non semplicemente digitale, ma statistica, delle rappresentazioni utilizzate dal sistema nervoso e alla possibilità che il «linguaggio del cervello» sia differente dal linguaggio della matematica impiegato nei calcolatori.

È un’intuizione straordinariamente importante proprio perché proviene da uno degli uomini che più contribuirono allo sviluppo dell’informatica. Von Neumann non utilizzò il computer come una risposta definitiva al mistero della mente. Lo utilizzò come termine di confronto per comprendere meglio quanto il cervello potesse essere diverso.

Dalla metafora del computer all’intelligenza artificiale

Settanta anni dopo, il problema è diventato ancora più attuale. Le reti neurali artificiali si ispirano, molto liberamente, all’organizzazione dei sistemi biologici, ma non sono copie digitali del cervello. I moderni sistemi di intelligenza artificiale possono riconoscere immagini, elaborare linguaggio, individuare regolarità in enormi quantità di dati e generare contenuti complessi.

Questi risultati possono rafforzare l’impressione che mente e calcolo siano sostanzialmente la stessa cosa. Ma occorre distinguere almeno due domande. La prima riguarda le funzioni: una macchina può svolgere compiti che richiedono capacità cognitive quando vengono eseguiti dagli esseri umani ? La risposta è ormai chiaramente sì per un numero crescente di attività.

La seconda è molto più difficile: il fatto che una macchina possa riprodurre determinate prestazioni significa che il cervello realizzi quelle stesse prestazioni attraverso processi equivalenti ? Non necessariamente. Un aeroplano vola, ma non vola nello stesso modo di un’aquila. Analogamente, un sistema artificiale potrebbe ottenere risultati simili a quelli della mente umana utilizzando principi completamente differenti.

Calcolo, mente e coscienza

Da qui emerge una questione ancora più profonda. Anche ammettendo che numerose funzioni cerebrali possano essere descritte in termini computazionali, questo significa che la mente sia interamente riducibile al calcolo?

Il problema diventa particolarmente evidente quando consideriamo la coscienza. Possiamo descrivere l’elaborazione di uno stimolo visivo, studiare l’attività dei neuroni e costruire sistemi artificiali capaci di riconoscere un’immagine. Rimane però la domanda su che cosa significhi avere l’esperienza soggettiva di vedere quell’immagine.

Informazione, elaborazione e coscienza sono necessariamente aspetti dello stesso fenomeno ? Non abbiamo ancora una risposta definitiva. Il confronto avviato da von Neumann invita proprio alla prudenza: la possibilità di descrivere alcuni aspetti del cervello attraverso concetti informatici non dimostra automaticamente che l’intera realtà mentale sia assimilabile a quella di un computer.

Il confine tra mente e macchina

La lezione più attuale di John von Neumann potrebbe quindi essere proprio questa. Uno dei protagonisti della nascita del computer moderno non considerava il cervello semplicemente come un calcolatore biologico imperfetto. Studiandolo, incontrò un sistema capace di integrare processi digitali e analogici, operare attraverso dinamiche statistiche e raggiungere risultati straordinari utilizzando componenti relativamente lenti e poco precisi.

La metafora informatica rimane utilissima. Ma una metafora diventa pericolosa quando viene scambiata per la realtà che cerca di descrivere. Nell’era dell’intelligenza artificiale la domanda posta implicitamente dal lavoro di von Neumann diventa allora ancora più importante: stiamo costruendo macchine sempre più simili alla mente oppure stiamo scoprendo che l’intelligenza può esistere attraverso forme di elaborazione profondamente diverse?

E dietro questa domanda ne rimane un’altra, ancora più difficile: se riuscissimo un giorno a riprodurre tutte le capacità cognitive del cervello, avremmo riprodotto anche la mente e la coscienza, oppure avremmo soltanto costruito una macchina straordinariamente capace di imitarne le funzioni ? Il confine tra mente e macchina continua a passare proprio da qui.

Immagine : John Von Neumann, credit Los Alamos National Laboratory.