Sinir Ağları – Yapay ve Gerçek

Yapay sinir ağlarını duymuşsunuzdur. Makine öğrenmesinin bir alt dalı. Kısaca: matematiksel bir yapı oluşturuyorsunuz, girdi ve çıktı katmanlarını ayarlıyorsunuz ve bu ikisi arasında bir veya daha fazla sayıda gizli katman daha yerleştiriyorsunuz. Sonra doğru çıktısını bildiğiniz çok sayıda örneğin girdisini verip yapının içerisindeki katmanları ve bu katmanların arasındaki bağlantıları dilediği gibi ayarlamasına izin veriyorsunuz; yani aslında ona bir şeyleri öğretiyorsunuz. İlk girdiyi algıladığında katmanlardaki yapay nöronların ve bağlantıların değerlerini rastgele atayarak bir çıktı üretiyor. Doğru çıktıyı verdiğimizde kendi sonucu ile karşılaştırıp geriye doğru nöronlarının ve bağlantılarının değerlerini düzeltiyor. Bunu binlerce girdi ve çıktı ile tekrarlıyor. Her seferinde değerlerini yeniden değiştirip düzenliyor. Bir yığın fotoğrafı girdi olarak verip hangilerinin köpek fotoğrafı olduğunu söylersek oluşturduğumuz bu yapı daha sonra girdi olarak aldığı fotoğrafın köpek fotoğrafı olup olmadığını belirli bir güven seviyesinde söyleyebiliyor. Çıktısının ne olduğunu bildiğimiz ne kadar çok girdi gösterirsek o kadar iyi öğreniyor bu yapılar.

Ama işin ilginç yanı şu, aradaki katmanları ve bağlantıları matematiksel olarak anlayabilsek de bu yapay sinir ağının nasıl bir öğrenme sürecinden geçtiğini tam olarak anlayamıyoruz. Yani belirli nöronlarının belirli şeyleri belirlemekte işe yaradığını anlayabiliyoruz ama yapının bütününün davranışını anlayamıyoruz. Ne yaptığını görebiliyoruz belki ama neden öyle yaptığını ve nasıl o sonuca vardığını bilmiyoruz. Bu yüzden de biraz ürkütücü.

Buna en güzel örneklerden birini geçenlerde duydum. Bir yapay sinir ağına videolardaki insanların dudaklarını okumayı öğretiyorlar. Yani, videodaki kişinin sadece görüntüsüne girdi, hangi sesleri (bir cümle mesela) çıkardığı bilgisine de çıktı dersek, bilinen girdilerle çıktıları kullanarak bu ağı eğitmişler. Sonuçlar muhteşem; sadece videoyu gören sinir ağı üzerine hiçbir şekilde duymadığı sesi tam da olması gerektiği gibi yerleştirebiliyor. Bu teknolojinin şahane faydalarını ve olağanüstü korkunç, zararlı kullanımlarını yazıyı okuduktan sonra düşünüp dehşete düşebilirsiniz, biz şimdilik konumuza odaklanalım. Araştırmacılar sinir ağının videodaki insanların yüzlerinin tam olarak nerelerinden faydalanarak bu sonuçları ürettiğini anlamak için yapıyı incelediklerinde şaşırtıcı bir şey fark ediyorlar. Sinir ağı sadece dudağın detaylarından değil kaşların orta kısmının ve alnın hareketlerinden de faydalandığı ortaya çıkıyor. Duyma engelliler dudak okuyorlar ve biz onların dudağın hareketlerine odaklandıklarını düşünüyor, biliyoruz. Eminim büyük çoğunluğumuz dudak okuma deyince dudak dışındaki yüz detaylarından faydalanılacağını aklımıza getirmeyiz. İşin garip yanı dudak okumayı bilen insanlar bile belki bunun farkında olmadan dudak dışındaki detaylardan faydalanıyor olabilirler.

Hem burası bir koşu blogu olduğu hem de ben bu konuda uzman olmadığım için sizlere yapay zeka ya da yapay sinir ağı anlatmayacağım tabii ki. Eğer yapay zeka konusuna merakınız var ve nereden başlayacağınızı bilmiyorsanız size Boğaziçi Üniversitesi Bilgisayar Mühendisliği Bölümü öğretim üyesi Cem Say’ın “50 Soruda Yapay Zeka” kitabını öneririm. Yapay sinir ağlarının nasıl çalıştığını detaylı görmek isterseniz de şu harika videoyu öneririm (ne yazık ki İngilizce). Ben artık konuyu farklı bir yöne çekmeyi düşünüyorum.

Yapay sinir ağları tahmin edebileceğiniz gibi sinir ağlarının babası olan beyinden ilham alınarak ortaya çıkarıldı. Özellikle insan beyni hem bütünüyle devasa bir sinir ağı hem de içinde yüzlerce binlerce küçük sinir ağı yapısı barındırıyor. Hem tümünü hem de bu parçaları ele alarak davranışı düşünebiliriz ama ben blogun konusuna da uygun olarak özel bir sinir ağını düşünüyorum. Biliyorsunuz biz insanlarda yorulmanın çevresel değil ama merkezi olan şeklinin açıklaması olarak ortaya atılan bir hipotez var: Merkezi Yönetici (Central Governer). Bu konuda yıllar önce bir yazı yazmıştım, eğer bu kavram hakkında çok bilginiz yoksa önce o yazıyı okumanızı öneririm. Kısaca anımsatmak gerekirse: Beynin birincil görevi, sorumlu olduğu vücudu hayatta tutmaktır. Vücudu “homeostasis” denilen bir denge durumunda bulundurmak zorundadır. Beyin, bu denge durumunu tehdit edecek her şeye karşı gerekli önlemleri alır. Egzersiz sırasında aşırı yüklenme vücutta belirli değişikliklere neden olur. Her türlü değişiklikten haberdar olan beyin gidişatın denge durumunu tehdit edecek yönde olduğuna kanaat getirdiğinde vücudu yavaşlamaya zorlar. Merkezi bir yönetimin kış için saklanan erzakların kışın sonunu getirmeye yetmeyeceğine karar verip erzak dağıtımını yavaşlatması gibi düşünebilir. Zaten bu nedenle de bu teoriye “merkezi yönetici” anlamına gelen “central governor” deniyor. Örnek üzerinden devam edersek, aslında erzaklar yetişecek dahi olsa yetişmemesi riskini almak istemeyen merkezi yönetici insanlara daha az erzak vermeye karar verir. Yani elde yeteri kadar yiyecek olsa da yokmuş gibi davranabilir.

Uzun zamandır beynin bu merkezi yöneticisinin nasıl işlediği araştırılıyor. Vücuttan sürekli yüzlerce, hatta belki binlerce veri bu yöneticiye gidiyor. Hareket için gerekli maddelerden ne kadar kaldığı ya da atık olarak üretilen ve uzaklaştırılması gereken maddelerin ne kadar çoğaldığı bilgisi ve sadece miktarı değil bu maddelerin azalma ya da artış hızı bilgileri de yöneticiye iletiliyor. Çevresel tüm bilgiler ve hatta moral ve motivasyon verileri, bitiş çizgisine ne kadar kaldığı bilgisi mesela. Aktivitenin yoğunluğunu etkileyen aklınıza gelebilecek her türlü (ve belki daha da fazla) bilgi buraya akıyor ve yöneticiye girdi oluyor. Yönetici de tüm bu girdileri değerlendirip aktiviteye ne yoğunlukta devam edileceğine karar veriyor ve çıktı olarak vücuda yolluyor. Tam da bizim yapay sinir ağları gibi değil mi? Asıl beni heyecanlandıran benzerlik içeride ne olup bittiğini anlamıyor oluşumuz. Bir yığın veri giriyor ve sıfırla bir arasında bir değer çıkıyor. Sıfır çıkarsa olduğumuz yere yığılıp kalıyoruz, parmağımızı bile kıpırdatamıyoruz. Bir çıkarsa, son hız aktiviteye devam edebiliyoruz. Aradaki değerleri tahmin edersiniz.

Yapay sinir ağlarını bilinen girdi ve çıktılarla biz eğitiyoruz, peki ya bizim merkezi yöneticinin eğitimi? Kendimce benzerlikler kurup, fikir yürütmeye çalışıyorum. Bence o da evrimsel süreçte bin yıllardır eğitiliyor ve genetik olarak ufak değişikliklerle atadan yeni nesle aktarılıyor. Merkezi yöneticisi optimum çalışmayanlar yeteri kadar hayatta kalıp iyi çalışmayan yöneticilerini sonraki nesillere aktaramıyorlar. Çevresel koşullara en uygun, en optimize çalışanlarsa aktarılıyor ve gelişmeye devam ediyor. Bizdeki sinir ağının gizli katmanları ve bu katmanlar arasındaki bağlantılarının katsayıları da anne ve babalarımızdan karışarak geliyor. Dolayısıyla tüm insanlarda belirli bir aralıkta dağılım gösterse de bu katsayılar/değerler insandan insana değişiklik gösteriyor. Yaptığımız antrenmanlarla doğuştan edindiğimiz bu sinir ağını geliştiriyor daha da optimize çalışır hale getiriyoruz.

Bazen maraton yarışlarının sonlarına doğru tamamen tükenen atletlere tanıklık ediyoruz. Bunlardan en ünlüsü Gabriela Andersen-Schiess. Los Angeles’te düzenlenen 1984 Olimpiyatı’nda koşulan kadınlar maraton yarışı sırasında (ki kadınların maraton koştuğu ilk olimpiyat bu) hava çok sıcakmış. O zamanki kurallara göre sadece 5 su istasyonu var ve koşucular başka hiçbir noktada yardım alamıyorlar. O zaman 39 yaşında olan Schiess son istasyonu kaçırıyor ve inanılmaz sıcak altında son hız ilerliyor. Stadyuma girdiğinde artık koşamaz durumda. Hatta kendinde olup olmadığı bile anlaşılmıyor. Düz yürüyemiyor, bir sarhoş gibi sağa sola yalpalıyor. Yardıma koşanları reddedip uzaklaştırıyor. Devamını videodan izleyin. Tüyleri diken diken eden dakikalar. Bir yandan azmiyle motive edici, bir yandan da zavallı görünümüyle anlamayanları maratondan soğutan sahneler. Ama görünen o ki ya Schiess’in merkezi yöneticisi çok iyi ayarlara sahip değil ya da bazı insanlar merkezi yöneticiyi sonuna kadar bastırabiliyor. (Kısa video)

Bir başka ünlü örnek de 1997’de bir Ironman bitişinde Sian Welch ve Wendy Ingraham’ın aynı anda tamamen tükendikleri şu anlar.

Ben önemli bir gelişmeyi kaçırmadıysam hala beynin neleri dikkate alarak nasıl bir yöntemle performansı limitlediği ya da en üst zorlanmaya göz yumduğu bulunamadı. İnsan beyni söz konusu olduğunda bu aslında çok da şaşırtıcı değil. Birçok şeyi nasıl yaptığımızı bilmiyoruz. Ama konu merkezi yönetici olunca iş rekorlara, madalyalara, ödüllere, kendini aşmalara ve öte yandan belki de ölüme doğru gittiğinden beynin yaptığı diğer birçok şeyden -belki ben de dayanıklılık sporları ile uğraştığımdan benim için- hem daha ürkütücü hem de daha merak uyandırıcı. İçeride neler olup bittiğini bilmesek de merkezi yöneticimizle mücadele etmeye devam ediyoruz. İnsan türü olarak zaten optimizasyon, merkezi yönetici konusunda da çevreye uyum anlamında devam ediyor, edecek. Bireysel olarak bizler de neredeyse yaptığımız her zorlayıcı antrenmanla kendi merkezi yöneticimizi daha esnek olmaya zorluyoruz. Yorulduktan ve yavaşlamaya başladıktan sonra bir süre daha performansımızı olabildiğince üst seviyede sürdürmeye çalışarak ya da tükendiğimizi düşündüğümüz bir interval antrenmanının en sonunda kendimizi bir tekrara daha zorlayarak yapıyoruz bunu. Kendi yöneticimizi daha fazlasına izin verecek şekilde zorlamaya nereye kadar devam etmeliyiz tam olarak bilmiyorum ama bize öğretilen genel ya da bizim için özel olarak var olduğuna inandığımız sınırların biraz ötesine geçmeye çalışmak en kötü ihtimalle gerçek sınırlarımızı öğrenmemizi sağlar. İyi ihtimalde ise kendi hakkımızda bildiklerimizin/inandıklarımızın yanlışlığını görmüş oluruz. Bunu yaparken vücudumuzu ve zihnimizi iyi tanımalı ve ne zaman nereye kadar zorlayacağımıza doğru karar vermeliyiz.