1957年に亡くなった時、ジョン・フォン・ノイマン(JVN)は深い知的転換の真っ只中にありました。現代のデジタルコンピュータを定義する「フォン・ノイマンアーキテクチャ」(計算とメモリの分離)で有名ですが、晩年は人工コンピュータと生物学的脳の根本的な違いの理解に捧げられました。 彼はこの統合を完成させる前に亡くなりましたが、未完成の原稿や講義(特にシリマン講義)は計算神経科学とフォールトトレラントコンピューティングの基礎を築きました。 JVNは1956年にイェール大学で名誉あるシリマン講義を行う予定でしたが、体調が悪くて発表できませんでした。未完成の原稿は死後に『The Computer and the Brain』(1958年)として出版されました。この作品はこのテーマにおける彼の最も重要な業績として今も残っています。 この著作では、彼は当時のデジタルコンピュータ(EDVACやENIACなど)と人間の神経系を厳密に比較分析しました。 * 脳の「混合」性質:JVNは脳は純粋にデジタルではないと主張しました。ニューロンの発火は二進現象(全か無か)ですが、そのパルスのタイミングと周波数はアナログです。彼は、脳はデジタルとアナログのハイブリッドコードを使っており、情報は単なるオン/オフ状態だけでなく、パルスの速度(周波数変調)によって伝えられると結論づけました。 * 精度と信頼性:彼はデジタルコンピュータは脆いと指摘しました。たった一つのエラーでシステムがクラッシュすることがあります。しかし脳は頑丈です。この装置は高精度は低い(ニューロンは真空管に比べてノイズが多く精度が低い)が、高い信頼性を達成しています。 * 並列性:彼は、コンピュータが非常に高速で直列的に(1命令ずつ)動作する一方で、脳は比較的低速で大量に並列に動作することを特定しました。これは、現在「大規模並列処理(Massively Parallel Processing)」と呼ばれるものの初期の正式な認識の一つでした。 JVNのニューラルネットワーク理論への最も重要な貢献の一つは、1956年の論文『Probabilistic Logics and the Synthesis of Reliable Organisms from Unreliable Components』です。 彼は生物学の中心的なパラドックスに魅了されました。すなわち、個々の構成要素(ニューロン)が誤りや死に起こりやすい中で、生物体はどのように複雑で信頼できる機能を果たすのか、ということです。 * 問題点:標準的な論理ゲート(AND/ORなど)では、ある部品が故障すると出力が誤りになります。数十億のニューロンを持つ脳では、部品は常に故障しますが、「システム」は健全で機能的です。 * 解決策(多重化):JVNは、単線を「束」の配線に、単一論理ゲートを「オルガン」に置き換えて信号を平均化する数学モデルを提案しました。 * 多数派論理:彼は多数決論理の概念を導入しました。もし信号を運ぶ100本のワイヤーの束があり、そのうち70本が「1」、30本が「0」と表示されている場合(ノイズや誤差のため)、システムはその信号を「1」と解釈します。これは数学的に、基盤となるコンポーネントが信頼性がなくても任意に高い信頼性を持つシステムを構築できることを証明しました。 JVNはセルラーオートマトン(CA)の父でもあり、これはセルのグリッドが隣接するセルの状態に応じて変化する離散計算モデルです。これは彼が生命と生殖の論理を数学的に抽象化しようとした試みでした。 * ユニバーサル・コンストラクター:彼は自己複製可能なセルラーオートマトンのパターン、すなわちユニバーサル・コンストラクターを設計したことで有名です。これはグリッドに埋め込まれた理論上の機械で、命令の「テープ」を読み取って自身のコピーを作成することができました。 * 生物学的類推:驚くべきことに、彼はDNAの構造発見以前にこの構造を提案していました。彼は自己生殖が機能するためには、生物が自分自身の「記述」(ソフトウェア/DNA)と、その記述をコピーする「メカニズム」(ハードウェア/RNA、タンパク質)を含まなければならないと予測しました。彼は自己複製の問題を純粋な化学的問題ではなく、論理的かつ計算的な問題として扱いました。