Tekoäly ja termodynamiikka

Nyt seuraa hieman vaikeaselkoinen kirjoitus. Ei voi mitään, jos tapaan hyvän idean, se pitää panna paperille, tavalla tai toisella. Ja nyt ei ole helposti saatavilla muuta sopivaa kanavaa kuin tämä blogi. En nimittäin halua kehitellä ideaa kokonaiseksi kirjaksi, ei sitä kukaan jaksaisi lukea. Ja tiukan tieteellisen standardin täyttävä artikkeli olisi turhan suuritöinen. Ehkä ”Tieteessä tapahtuu” lehti, joka kirjoittaa siitä mistä nimi kertoo mutta yleistajusesti, voisi aikanaan vastaanottaa aiheesta kirjoituksen.

Ja kerron tähän alkuun myös sen, etten unohda, että idea ei ole omani vaan biologin ja kirjailijan Tiina Raevaaran ja brittiläisen matemaatikon Dorje C. Brodyn. En kerro ideaa heti, vaan rakennan ensin aasinsillan. Siitä tulee valitettavasti varsin pitkä aasinsilta.

Asiaan! Aloitetaan siitä, mitä on termodynamiikka. Ei tarvitse googlata, se on fysikaalinen tiede, suomeksi se on nimeltään lämpöoppi. Ja nyt tulee ensimmäinen selityksen paikka, sillä tässä kohdassa pitää kysyä, ”mitä lämpö on”. Niin, luulemme sen toki tietävämme jo oman kokemusmaailman kautta. Aivan niin kuin uskomme tietävämme, ”mitä aika on”. Mutta ihan oikeasti: lämpö on kyllä jotain muuta kuin havaintopsykologiaa! Sitä mitenkään halventamatta.

Wikipedian hieman horjahteleva selitys kertoo että termodynamiikka käsittelee eri energimuotojen välisiä muutoksia. Suunnilleen sitä se varmaan on, mutta mitä sitten on energia? Sekään ei ole ollenkaan selvää, vaikka nykyään sanotaan, että se on kaiken perusta. Maailma kun koostuu modernin fysiikan mukaan aineesta ja energiasta, ja ne voivat muuttua toisikseen. Mutta on outoa, että pitkälle 1800-luvulle energia oli tuntematon asia, paremmin tunnettiin liikemäärä, jota soviteltiin fysiikan perussuureeksi. On ehkä jopa hassua, että energiaa ja siis myös termodynamiikkaa eivät keksineet teoreettiset fyysikot, matemaatikot tai filosofit vaan käytännön miehet: insinöörit ja fyysikot, jotka koettivat parantaa höyrykoneiden toimintaa.

Tässä tulee helppo muistisääntö, joka samalla valaisee energian olemusta. Se tulee kielten maailmasta. Se on yhdyssana en-ergia, missä kreikan ergeia tarkoittaa aktiivisuutta tai työtä (kuten sanassa ergonomia; ergo sattuu olemaan myös latinan apusana ”siis”). Energia on siis työn mahdollistaja, kyky tehdä työtä. Ja työ on tässä maailmassa hyvin yleinen ja tärkeä asia. Työ ei tarkoita pelkästään esineiden nostoa ja siirtämistä. Aineen muokkauksessa tarvitan työtä, samoin sitä kuluu nesteiden ja kaasujen pumppaamseen. Sähkö on energiaa, sillä voimme syöttää sitä sähkömoottoriin, joka alkaa tehdä työtä puolestamme. Valo on energiaa, sitä voidaan ottaa talteen aurinkopaneeleilla ja muuttaa sähköksi. Kemialliset prosessit voivat kuluttaa tai tuottaa energiaa. Poltamme puuta tuottaaksemme lämpöä, ja tankkaamme autoihin kemiallista energiaa vapauttavaa polttoainetta tai sähköä. Elintoimintamme perustuvat energian muutoksiin. Saamme kemiallisesti sitoutunutta energiaa ravinnosta, ja elimistömme alkaa tehdä energian munnoksia. Saamme kehomme lämpöä, ja käytämme sitä lihaksissamme – vaikka tekemällä työtä.

Kirjoitin edelle pitkän luettelon. Se havainnolistaa sitä, että jokseenkin kaikki, mitä maailmassamme tapahtuu, perustuu erilaisiin energian muunnoksiin. Ja termodynamiikka on tiede, joka tutkii ja mallittaa näitä energiatilojen muutoaksia ja niiden suuren mittakaavan seurauksia. Termodynamiikka on löytänyt yleisiä maailmaa koskevia säännönmukaisuuksia. Energiaprosessit ovat luonteeltaan energiatilojen muutoksia. Energia siirtyy niissä aina korkeasta kohti matalaa. Esimerkiksi höyrykoneen kattilassa poltetaan hiiltä, ja kattilaan kehttyy korkea energia eli lämpötila. Tuo energia siirtyy höyryn välityksellä viileään ulkoilmaan, ja ikäänkuin sivutuotteena höyrykone tekee mekaanista työtä.

Maailmassamme on siis suuri määrä erilaisia energiatiloja, ja nämä tilat tasoittuvat vähitellen erilaisissa energian muuttumisprosesseissa. Näiden tilojen yhteinen kokonaisenergian määrä ei muutu, se on eräs termodynamiikan laki. Sen sijaan tilojen väliset erot pyrkivät tasoittumaan, juuri se pitää maailmamme toimivana ja dynaamisena. Nuo energiatilat ovat järjestyneet korkeamman ja matalamman energian rakenteiksi. Vähitellen erot tasaantuvat, ja se tarkoittaa epäjärjestyksen lisääntymistä. Termistä epäjärjestystä sanotaan entropiaksi, ja eräs termodynamiikan laki sanookin, että entropia pyrkii lisääntymään.

Nyt filosofisesti ajatteleva lukija voisi kysyä, mitä tästä seuraa? Kun kaikki erot ovat lakanneet, energiaprosessit pysähtyvät, ja maailma kuolee, eli mitään liikettä ja muutosta ei enää tapahdu. Termodynamiikan lait koskevat kuitenkin vain eristettyjä eli suljettuja järjestelmiä. Tarkkaan ottaen linnunradan planeetat eivät ole termodynaamisesti suljettuja, sillä tähtien sisällä tapahtuvat ydinreaktiot tuottavat säteilyn kautta jatkuvaa energiavirtaa planeettojen pinnalle, ja se ylläpitää niiden dynamiikkaa, eli Maan tapauksessa se saa myös elämän jatkumaan. Tämä on tärkeä näkökohta, ja siihen palataan ehkä vielä aivan kirjoituksen lopussa.

Mutta nyt pitäisi jo päästä otsikon lupaamaan tekoälyyn. Tekoäly on jotain, mitä tietokoneet tekevät. Ja tietokoneet käsittelevät tietoa eli dataa. Tieto tallennetaan tietokoneiden muistilaitteen tallennusyksiköihin energiatiloina, ja näitä tiloja sanotaan biteiksi. Tallennusyksiköt voivat olla mikropiirien muistisoluja, tai magnetoituvan tai optisen materiaalin alueita. Kun tietoa tallennetaan, nuo bitit asetellaan tiettyyn järjestykseen. Näiden energiatilojen muutteluun eli tiedonkäsiyttelyyn tarvitaan siis aina energiaa. 

Tiedämme, että tietokoneiden energiatehokkuus on vuosikymmenien ajan parantunut, niin että nykyaikainen älypuhelin, joka on myös tietokone, on laskentanopedeltaan ja tiedonkäsittelyn energiatehokkuudeltaan valtavasti parempi kuin 1960-luvun tonnien painoiset tietokonejärkäleet. Tuo tehokkuus on saavutettu pienentämällä sitä energiamäärää, joka tarvitaan tietobitin tallentamiseen. Ja se on saavutettu tekemällä tietoa tallentavat muistisolut aina vain pienemmiksi. Nykyisin niiden koko alkaa lähestyä mikronin tuhannesosia. Pienentämisellä on kuitenkin rajansa, sillä molekyylien lämpövärähtely alkaa jo heilutella bittejä. Ilmiötä sanotaan termiseksi kohinaksi. Sitä voitaisiin pienentää jäähdyttämällä tietokoneet hyvin kylmiksi – mutta koska jäähdyttäminen on hankalaa ja kuluttaa paljon energiaa, menetelmää ei yleensä kannata käyttää.

Vähitellen alamme lähestyä tekoälyä. Nykyiset ja paljon keskustelua herättävät tekoälyjärjestelmät perustuvat hyvin surten tietomäärien käsittelyyn. Niin, oikeastaan vasta internetin sisältämät valtavat tietomassat ovat tehneet ne mahdollisiksi. Siksi tekoälyä tarjoavat serverit ovat valtavia energiasyöppöjä. Ja erityisen paljon dataa ja energiaa tarviaan niiden ohjelmoinnissa eli opetusvaiheessa.

On vielä eräs asia, joka tekoälystä puhuttaessa on syytä tuntea – vaikka asa onkin varsin syvällinen ja vaikea. Sen nimi kuulostaa todella vaikuttavalta: informaatioteoria. Matemaattisen informaatioteorian esitteli noin vuonna 1948 amerikkalainen matemaatikko Claude Shannon (1916– 2001). Tässä teoriassa informaation mitan perusyksikköä sanotaan bitiksi. Yksi bitti tarkoittaa valintaa kahden vaihtoehdon välillä. Monimutkaisemmat valinnat ovat mahdollisia käyttämällä enemmän bittejä. Biteistä rakentuu näin mutkikkaampaa tietoa, joka käytännössä voi olla kirjoitusta, puhetta, kuvia tai videoita. Informaatioateoriaa hyödynnetään signaalien koodauksessa. Tiedon siirrossa voi esiintyä häiriöitä, ja tiedon tallennuslaitteessa voi olla viallisia talennusyksiköitä. Koodaus tarkoittaa, että informaatioon eli bittien joukkoon lisätään ylimääräisiä bittejä, tämän bittien ylimäärän eli redundanssin avulla virheet voidaan joko korjata tai ainankin havaita. Jokaiseen käytännössä esiintyvään informaationa käsittelytapaan, siirtoon tai tallentamiseen, liittyy virheiden mahdollisuus, ja niille vodaan suunnitella parhaiten soveltuva koodaustapa.

Myönnän, että edellä annettu kuvaus informaation mittaamisesta ja koodaamisesta ei välttämättä aukea asiaa tuntemattoman silmille. Ehkä se antaa kuitenkin jonkinlaisen vihjeen, millaisesta ajattelutavasta on kysymys. Lisään vielä muutaman asian. Informaatioksi sanotaan sitä, että signaalin siirto- tai tallennusyksiköiden energiatilat on järjestelty tietyllä tavalla. Informaatio tarkoittaa siis järjestystä. Ja tässä on yhteys termodynamiikkaan: dynaamisessa maailmassamme energiatilat ovat järjestäytyneet tietyllä tavalla. Termodynaamisissa prosesseissa järjestys vähenee, tai pysyy enintään ennallaan. Lyhyt muistisääntö: järjestys = informaatio, epäjärjestys, kaaos=entropia.

Nyt pääsemme semanttiseen informaatioteoriaan: se käsittelle tiedon semantiikkaa eli tiedon merkitystä ihmiselle. Kaikki tieto ei ole yhtä kiinnostavaa. Usein käytetty esimerkki on kaksi uutista: ”koira puri miestä”, ja ”mies puri koiraa”. Edellinen ei ole kauhean kiinnostavaa, mutta jälkimmäinen on tosi silmiinpistävää. Jälkimmäinen tapaus sisältää kuulijan kannalta enemmän informaatiota. Se on myös epätodennäköinen. Saamme semanttiselle informaatiolle mitan: mitä epätodennäköisempi joku viesti on, sitä suurempi on sen informaatioarvo. (Totean vielä, että signaalin todennäköisyys on tärkeä käsite myös matemaattisessa informaatio- ja koodausteoriassa, mutta en selosta sitä enempää).

On selvää, että ihmiset tulkitsevat viestejä eri tavoin, informaation tulkinta on subjektiivista. Siksi semanttisessa informaatioteoriassa ei voida määritellä tarkkoja sääntöjä tai laskukaavoja informaation määrälle. Se on kuitenkin hyvin tärkeä ja suuntaa-antava ajattelutapa.

No niin, lopulta aasinsilta on valmis. Nyt voin kertoa sen tekoälyyn liittyvän ajatuksen, johon alussa viittasin. Nykyisin runsasta keskustelua herättävät tekoälyjärjestelmät perustuvat niin sanottuihin keinotekoisiin oppiviin hermoverkkoihin, tai oikeastaan sellaisia jäljitteleviin ohjelmiin. Kuulostaa oudolta ja jopa uhkaavalta, mutta asia on loppujen lopuksi yksinkertainen. Nuo ohjelmat laativat oikeastaan vain tilastollisia yhteenvetoja siitä materaalista, jolla ne on opetettu. Tekoälylle esitetään joku kysymys tai tehtävä, ja se tuottaa vastauksen, joka parhaiten sopii yhteen sen käyttämän aineiston kanssa. Asia on käytännössä mutkikkaampi, mutta lopputulos on sama: jollain kriteereillä tuotettu vedos opetusmateriaalista. 

On ilmeistä, että tekoälyllä tullaan jatkossa tuottamaan yhä suurempi osa sitä informaatiovirtaa, josta yhä enemmän ollaan riipuvia. On helppoa havaita, että tekoälystä on tullut termodynaaminen prosessi, ja se taas jatkuvasti kasvattaa entropiaa – eli pienentää informaatiosisältöä. Toinen havainto on, että sosiaalinen media näyttää toimivan samaan tapaan - eli sen sisältöä tuotetaan suuressa määrin siinä jo olevasta sisällöstä. Toisin sanoen, eri alustoilla liikkuva informaatio, joka on tärkeä osa ihmiskunnan kulttuurivarantoa, lisääntyy tulevaisuudessa määrällisesti, mutta sen semanttinen merkitys ja arvo kuihtuvat.

Erä mahdoillinen skenaario on, että tekoäly tuottaa näennäisen informaation vallankumouksen, joka pitkän päälle kuihduttaa merkityksensä ja jopa itsensä. Käytännössä siis kukaan ei enää ottaisi vakavasti tekoälyn tuottamaa aineistoa. Se saattasi olla jopa onnellinen vaihtoehto

Kolmas asia, joka ei ole ihan sama, on, että tekoälyt hyödyntävät myös henkilökohtaista tietoa, muun muassa kulutuskäyttäytymisestä ja tietosisältöjen kulutuksesta. Sosiaalisen median alustat keräävät tällaista tietoa käyttäjistään. Tietenkään eivät tekoälyt itse sitä tietoa tarvitse, vaan ne tahot, jotka haluavat manipuloida vaikkapa ihmisten ostokäyttäytymistä ja poliittista toimintaa. Tämähän on jo nähty, ja lisää on varmasti tulossa.

Ja vielä yksi ajatus, tällä kertaa omani – niin luulisin. Koska olen aikanaan opiskellut säätö- ja systeemiteoriaa, huomasin seuraavan huolen aiheen. Pian yhä suurempi määrä siitä materiaalista, jota infosfäärissä eli internetissä ja mediassa liikkuu, on itse asiassa jo kertaalleen tuotettu tekoälyllä. Säätötekniikassa tällainen ilmiö tunnetaan positiivisena takaisinkytkentänä. Se tarkoittaa käytännössä erilaisia tasapaino-ongelmia. Se voi tarkoittaa että osassa järjestelmää tapahtuu äkillisiä romahduksia, tai voi kehittyä kaoottisia informaation hyökyaaltoja, joiden sisältö ja vaikutus voivat olla arvaamattomia. Infosfääristämme saattaa siis tulla epästabiili.

Alussa pohdittiin, eikö entropian kasvu johda maailmamme termodynaamiseen kuolemaan ja kaiken pysähtymiseen? Näin ei käy, koska Aurinko tuottaa jatkuvasti uutta lämpöä.  Entä eikö vastaavasti informaatio tule kokemaan termodynaamista kuolemaa? Toistaiseksi ihmisten luova toiminta on lisännyt informaatiota kulttuuriimme. Miten käy jatkossa, kuka tietää.

Tohtori Jekyll ja Mr. Gage

Onko jotain outoa tässä otsikossa? Saattaa olla, ja on tarkoituskin, se selviää kohta. Kysymys on siitä, millaista on olla hyvä ihminen, tai oikeanlainen ihminen tai moraalinen ihminen, tai ylipäätään ihminen. Onko se hyvinkin raskasta, ja mistä hyvät ja pahat teot oikein johtuvat? Onko pahuus syntiä, tai onko ihminen väistämättä paha perisynnin takia. Aika raskas paketti tulossa? Synnin voimme tässä kuitenkin unohtaa, sillä olen käsitellyt sitä aihepiiriä varsin perusteellisesti toisessa kirjoituksessa Kaikki synnit. Nyt sanon vain lyhyesti: unohdetaan synti, jostain muusta on kysymys.

Ehkä muistamme kiltin ja hyvän tohtori Jekyllin. Hän on Robert Louis Stevensonin (1850–1894) romaanihenkilö. Jokin tohtoria riivaa, hän ei voi olla levollinen. Onko hänen hyvä käytöksensä pelkkää poseerausta, ehkä hänen hartain toiveensa onkin olla jotain muuta. Hän keksii seerumin, joka tukahduttaa moraaliset tunteet. Juotuaan sitä hän muuttuu aivan toiseksi, jopa hänen ulkomuotonsa muuttuu, hän on nyt ilkeä Mr. Hyde. ”Vihdoinkin vapaa”, hän huudahtaa, ja kiiruhtaa riemuissaan kaupungin iltaan toteuttamaan alhaisia himojaan. Yöllä hän palaa uupuneen laboratorioonsa ja ottaa seerumin vasta-ainetta muuttuakseen taas rauhalliseksi ja ystävälliseksi tohtori Jekylliksi.

Tapauksesta tulee mieleen Phineas Gagen onnettomuus vuonna 1848. Hän työskenteli esimiehenä louhintatyömaalla. Kallioon poratut reiät panostettiin ruudilla, ja Gagen tehtävä oli tampata ruuti tiiviiksi rautatangolla. Ruudin päälle kaadettiin ensin hiekkaa, mutta jonkun virheen takia yhdestä reiästä oli unohtunut hiekka. Räjähdys sinkosi tangon voimalla ulos, se kulki Gagen leuan alta ja silmäkuopan läpi päälaen kautta ulos. Gage istui hölmistyneenä aivonroiskeiden keskellä ja rautatanko löytyi kymmenen metrin päästä. Onneksi lähellä oli lääkäri, joka puhdisti ja sitoi kauhean haavan ja toimitti Gagen sairaalaan.  

Kaikkien ihmeeksi Gage toipui. Lääkärit tutkivat häntä huolella, ja havaitsivat että henkiset kyvyt olivat tallella, hänen älynsä ja muistinsa olivat normaalit ja aistit kunnossa toista menetettyä silmää lukuun ottamatta. Gage palasi työhön, mutta ei pystynyt hoitamaan tehtäviään. Hänen persoonallisuutensa oli muuttunut täysin. Entisestä pidetystä ja ahkerasta työntekijästä oli tullut impulsiivinen, epäluotettava ja aggressiivinen häirikkö. Hän niin sanotusti vaipui pohjalle ja vietti lopun elämäänsä alkoholistien ja pikkurikollisten seurassa.

Gage menetti onnettomuudessa aivojen otsalohkon etuosan. Piileekö siellä ihmisen eettinen harkinta, moraali ja rationaalisuus? Ilmeisesti, ja ehkä myös fiktiivisen tohtori Jekyllin seerumi lamautti tämän aivojen osan. Mutta voidaanko aivokuvauksella määritellä ihmisen persoonallisuus ja luonne? Näin ei näytä olevan. Jonkinlaisia tilastollisia eroja löytyy, mutta älykkyyden, moraalin tai lahjakkuuden sijainti aivoissa on edelleen arvoitus. Jotkin löydöt ovat jopa intuition vastaisia, oli pieni shokki, että superlahjakkuutena pidetyn Albert Einsteinin aivot osoittautuivat merkittävästi keskimääräistä pienemmiksi. 

Kerrataan. Kyvykkyys tai persoonallisuus, puhumattakaan moraalisista ominaisuuksista eivät erotu aivojen rakenteessa. Einsteinin saavutukset fysiikan alalla johtunevat synnynnäisestä kyvykkyydestä, mutta myös sattumasta ja henkilöhistoriasta. Hän oli oikeissa paikoissa oikeaan aikaan, ja tapasi oikeita ihmisiä. 

Palataan Stevensoniin. Mahdollisesti hän oli kuullut Phineas Gagen tapauksesta ja saanut siitä idean kirjaansa. Entä millainen oli hänen henkilöhistoriansa? Hän oli saanut ankaran uskonnollisen kalvinistisen kasvatuksen. Myös siihen tuo kertomus viittaa. Stevenson kuitenkin menetti jo nuorena uskonnollisen vakaumuksensa.

Uskontososiologit ovat pohtineet moraalin ja uskonnon yhteyksiä. En tiedä miten asiaa on tutkittu, mahdollisesti on kyselty ratkaisuja erilaisiin moraalisiin pulmatilanteisiin. Ja tulokset ovat nytkin intuition vastaisia. Uskonnollisilla ihmisillä moraalilla näyttää olevan verrokkiryhmiä vähemmän vaikutusta valintoihin. Oma psykologian tuntemukseni antaa erään selityksen. Vaikeat valintatilanteet ovat kognitiivisesti kuormittavia. Mahdollisesti moraalista harkintaa delegoidaan: vakaumus helpottaa ja nopeuttaa kiusallisilta tuntuvia valintoja. 

Palataan Robert Louis Stevensoniin. Hän eli vaiheikkaan ja jopa romanttisen elämän, ja asui lopulta Samoan saarilla, joiden asukkaisiin hän solmi hyvin lämpimät suhteet. Itse pidän häntä hyvin moraalisena ihmisenä, joka inhosi erityisesti brittiläistä kolonialismia. Annan nyt lukuvihjeen. Aarresaari on  hyvä, koukuttava ja varmaan tämänkin päivän nuorisoa kiehtova kirja. Mutta varttuneemmalle lukijalle suosittelen novellia Falesan ranta. Stevenson piti sitä itse parhaana novellinaan. Vasta tämän kertomuksen luettuaan voi ymmärtää, mistä oikeasti on kysymys Puccinin kuuluisassa oopperassa Madama Butterfly.

Kohosen algoritmi löytynyt - aivoista!

Teuvo Kohonen (1934-2021) oli tekniikan tohtori, akatemiatutkija ja akateemikko. Hän suuntautui urallaan neurolaskennan tutkimukseen. Hän oli maailman tunnetuimpia keinotekoisten neuroverkkojen tutkijoita. 

Tapasin Teuvo Kohosen 1980-luvun alkupuolella. Olin siirtynyt työskentelemään VTT:n tietokonetekniikan laboratorioon, ja tehtäväkseni tuli kehittää tietokoneiden toimintaperiaatteita. Eräs sen aikaisten (ja myös nykyisten) tietokoneiden tehokkuutta rajoittava ongelma on niin sanottu von-Neumann pullonkaula (John von Neumann oli eräs alan varhaisia pioneereja). Kaikki tietokoneet käsittelevät tietoa, eli ammattikielellä dataa. Tietokoneen keskusyksikkö eli prosessori hakee datan pikku pala kerralla erillisestä muistiyksiköstä. Mutta jotta dataa voidaan hakea, pitää tietää, mistä kohdasta muistia, eli mistä osoitteesta data noudetaan. Siksi tietokoneissa käytetään erilaisia menettelyjä pitämään kirjaa datan sijainnista ja kehittämään hakuosoitteita. Ja tämä on hankalaa ja tehotonta.

Olisi paljon helpompaa, jos data voitaisiin poimia suoraan muistista jonkinlaisen sisältövihjeen perusteella. Tällaista muistia sanotaan sisältöhakuiseksi (content accessible memory). Kun aloin tutkia tällaisia muisteja, kävi pian ilmi, että Teuvo Kohonen oli kirjoittanut useita artikkeleita ja jopa kirjoja tällaisista muisteista. Otinkin häneen yhteyttä, ja pian minulle selvisi, että ongelma on varsin vaikea (ei se ole vieläkään ratkennut). Pohdin myös siirtymistä hänen tutkimusryhmäänsä, mutta se ei toteutunut. 

Kohonen tutki myös keinotekoisia hermoverkkoja (ANN, artificial neural networks). Ne olivat myös minulle tuttuja, jollain lailla asiat liittyvät toisiinsa. Nämä verkot ovat yksinkertaisista laskentasoluista koottuja rakenteita, jotka ainakin periaatteessa voisivat käsitellä tehokkaasti tietoa. Kukin verkon solu sekä tallentaa tietoa että suorittaa yksinkertaista laskentaa. Omien aivojemme hermosolut ovat ilmeisest tämän kaltaisia, ja siksi minua ja Kohosta yhdisti myös kiinnostus aivojen tutkimiseen.

Teuvo Kohonen oli tehnyt tärkeän keksinnön. Hänen keksimässään verkossa kukin laskentasolu suorittaa itsekseen hyvin yksinkertaista algoritmia. Osoittautui, että kun tällaiseen verkkoon syötetään dataa, verkko jäsentää datan ja tallentaa sen kaksiulotteisen kartan muotoon siten, että kullakin alueella datassa on keskenään samanlasia piirteitä. Tällaista karttaa sanotaan itseorganisoituvaksi kartaksi (eli self organizing map, SOM, tai Kohonen map /Kohonenkarte). Keksintö oli sensaatiomainen ja herätti paljon huomiota, vaikka välittömiä teknisiä läpimurtoja siitä ei seurannut. 

Kului vuosia ja vuosikymmeniä, SOM kartat jäivät elämään tieteellisenä maamerkkinä ja legendana, mutta ne eivät saaneet suoraa jatkoa. Muutama vuosi sitten viimeistelin kirjaani Robottipuisto. Tiedekirjan kirjoittaminen merkitsee, paitsi oman tietovaraston penkomista ja jäsentelyä, myös sitä, että pitää jatkuvasti lukea uusimpia alan julkaisuja. Ehkä oma tieto onkin vanhentunut, tai ehkä alalla on tehty uusia löytöjä, joista ei vielä ole selvillä. Niinpä sitten tuossa työssä törmäsin käsitteeseen ”Mountcastlen algoritmi”. Heikko tuttuuden tunne syttyi jossain aivojeni lokerossa. Vähitellen tuo tunne muuttui yhä vahvemmaksi, asiaa piti tutkia tarkemmin, ja pian uusi löytö asettui paikoillaan. Kerron nyt, mistä on kysymys.

Vernon Mountcastle (1918–2015) oli amerikkalainen neurotieteilijä, joka loi uransa Johns Hopkins yliopistossa Baltimoressa. Hän oli maailman kuuluisimpia aivotutkijoita. Hän kirjoitti äärettömän tärkeän julkaisun jo vuonna 1957. Silti kuulin hänestä ja hänen työstään vasta muutamia vuosia sitten. Tällaista elämä joskus on.

Mountcastle tutki ihmisen aivokuorta. Ihmisen aivokuori (eli cortex eli neocortex) on kooltaan noin 50*50 cm ja noin 1,5-5 mm paksuinen. Se on rypistynyt kaksijakoisen puolipallon muotoiseksi kappaleeksi, niin että se mahtuu hyvin päähämme. Tuon rakenteen alla sijaitsevat kehityksellisesti vanhemmat aivojen osat. Aivokuoressa on tiheästi pakattuja harmaita hermosoluja, ja sen alla on runsaasti valkeaa ainetta. Valkoinen aine koostuu hermosäikeistä, jotka muodostavat solujen väliset kytkennät. Saman tapainen aivorakenne tavataan monilla mutkikkailla eläimillä, mutta ihmisellä se on erityisen hallitseva.

Aivokuoressa erottuu tyypillisesti 6 solukerrosta, ja on havaittu, että solut ovat voimakkaasti kytkeytyneet toisiinsa pystysuunnassa, eli kohtisuorassa aivokuoren pintaa vastaan. Mountcastlen mukaan solut muodostavat pystysuoria laskentapylväitä tai -kanavia, jotka kaikki suorittavat samanlaista laskenta-algoritmia. Aivokuori on kaikkialla samankaltainen riippumatta siitä, mitä tuo kuoren alue tekee. Se on hyvin oppiva rakenne, joka on mukautunut suorittamaan kullakin aivoalueella tarpeellista toimintaa, oli se sitten näkemistä, kuulemista tai jotain mutkikkaampaa. Tällainen rakenne on hyvin joustava, esimerkiksi ihminen usein toipuu aivovammoista, kun lähialueen solut oppivat korvaamaan vahingoittuneen alueen toimintoja. 

Entä mitä tuo algoritmi tekee. Tämän olen ymmärtänyt jo aikaisemmin toisen kuuluisan aivotutkijan, portugalilaisen Antonio Damasion (s.1944) työn kautta. Aivokuoren algoritmit tekevät yleistyksiä. Ne yhdistävät eri aistinelimien (tai muiden lähteiden) signaaleja sellaisiksi muistirakenteiksi, jotka ovat riippumattomia aistilajeista, yleisiksi muistihahmoiksi. Muistikuvamme ovat tällaisia, vaikka niihin voi liittyä heikkoja kuva-, tai äänihahmoja. Ne on kuitenkin rekonstruoitu, meillä ei ole tarkkaa valokuva- tai videomuistia. 

Entä miten tämä liittyy Teuvo Kohosen SOM-verkkoihin? Siten, että aivokuoren laskentakanavien suorittama ns. Mountcastlen algoritmi on yleiseltä idealtaan hyvin samanlainen kuin SOM-verkon soluen algoritmi. Yhteys on siis periaatteellinen, anatomista tai algoritmitason samankaltaisuutta ei tietenkään ole. 

En tiedä, onko kukaan koskaan huomannut tätä Mountcastlen, Damasion ja Kohosen töiden yhteyttä. No, tässä se nyt on, nauttikaa!

Olemmeko koskaan olleet kansallisia?

Mitä tuo sana oikeastaan edes tarkoittaa? Ja miksi kansallisuus ylipäänsä olisi jotain erityistä? Ehkä siinä on kuitenkin jotain kiinnostavaa. Katsotaan asiaa tarkemmin Suomen historian valossa.

Suomen väestöhistorialla on luonnollinen alkupiste, eli jääkauden päättyminen noin kymmenen tuhatta vuotta sitten. Ilmasto oli lauhkea ja kostea, maa oli lehtipuumetsien peitossa. Metsissä oli riistaa ja vesissä kaloja. Väkeä alkoi siirtyä tänne idästä ja etelästä. Emme heistä paljoa tiedä, emme edes sitä, mitä kieltä he puhuivat. Mutta ihmiset liikkuivat ja kävivät kauppaa, ja hankittiin harvinaisempia tavaroita, jotka saattoivat tulle hyvinkin kaukaa. Täällä kylmässä pohjoisessa luonnontalouden tuottavuus on ollut heikko: se ei tee mahdolliseksi suurta väestöntiheyttä. Koska talous ei tuottanut juurikaan ylijäämää, ei ollut tarvetta kehittää suuria erikoistumiseen ja työnjakoon perustuvia yhteiskuntia. Vähitellen olemme tosin oppineet uusia taitoja: keramiikkaa ja metalliesineiden valmistusta. Juuri säilyneiden esineiden ansiosta tiedämme edes jotain menneistä ajoista. Ja aivan ilmeisesti, jossain vaiheessa tänne tuli idästä ja etelästä suomalais-ugrilaista kieltä, eli saamea ja kantasuomea puhuvia.

Suomen länsipuolella alkoi vaurastua Ruotsi: sen luonnonolosuhteet olivat suotuisammat ja sillä oli tiiviitä kauppasuhteita eurooppalaisiin kansoihin. Sivistys alkoi hiipiä itään päin kolonialismin muodossa, ja sitä perusteltiin uskonnolla, sehän on myöhemmistäkin ajoista tuttua. Noin vuodesta 1000 maahamme suuntautui lännestä käsin ”ristiretkiä”. Ei aina rauhallisesti, niinkuin piispa Henrikin surmavirret kertovat. Tällaista henkilöä ei tosin ole ollut olemassa, mutta aseellisista konflikteista tällaiset tarinat kuitenkin vihjaavat. Idässä alkoi voimistua myös Venäjä. Se ammensi voimaansa Etelä-Venäjän hedelmällisestä maaperästä, mutta sitä kehitti ja yhtenäisti myös Bysantista periytyvä vahva uskonnollinen kulttuuri. Idästä ei ristiretkiä Suomeen tehty, pikemminkin ruotsalaiset ulottivat retkensä myös Karjalaan ja Novgorodiin. Tuolta ajalta on ensimmäinen rauhansopimuksemme, Pähkinäsaaren rauha.

Tällaisessa raossa suomalaiset siis asustivat pari ensimmäistä vuosituhatta. Tuhatluvulta lähtien Ruotsi kävi suorastaan uskomattoman määrän sotia, käytännössä kaikkia naapureitaan vastaan (Suomihan ei ollut maa, vaan osa Ruotsia – ja sen sotia). Vuosituhannen ensimmäisten 500 vuoden aikana käytiin noin sata sotaa, ja seuraavien 500 vuoden aikana vielä noin 50 sotaa. Menin hiukan laskuissa sekasisin, mutta kyllä ne luvut tuon suuntaisia ovat. 

Oliko Ruotsi kansallismielinen valtio? Vaikea sanoa, sillä tuossa kaikessa ei ollut kysymys kansan ajattelusta, vaan kuninkaiden ja heidän kaltaistensa ajattelusta. Kuninkaan tehtävä on käydä sotia, ja tätä periaatetta noudatettiin tunnollisesti. 1700-luvun lopulla suomalaiset, keskenään ruotsia puhuvat päälliköt, jotka olivat tyytymättömiä kuninkaaseen, juonittelivat liittääkseen Suomen Venäjään. Ei sekään tunnu kansallismielisyydeltä, pikemminkin se oli urasuunnittelua. Suomi syntyikin sitten ilman suoranaista vapautusliikettä, aluepoliittisena operaationa. Ruotsi kun oli mukana Venäjän vastaisessa liittoutumassa ja hävisi sodan. Venäjä otti sitten Suomen alueen haltuunsa, sotien heikentämä Ruotsi ei voinut sille asialle juuri mitään. 

Ehkä kansallismielisyyden tärkein voimanlähde onkin kieli. Suomi oli 1800-luvulla varsin erikoinen paikka. Valtaapitävät eli virkamiehet ja papisto puhuivat keskenään ruotsia, mutta se oli mitättömän pieni väestön osa. Pääosa kansaa puhui kieltä, joka oli sekä venäläisille että ruotsalaisille jotain melko käsittämätöntä. Toisaalta Ruotsin sota- ja talousrasitteista vapautunut Suomi kehittyi nopeasti, sen väestökin kaksinkertaistui 1800-luvulla.  

Pitkä rauhan kausi ei sulkenut rajoja, vaan maahan virtasi ulkomaisia vaikutteita lännestä ja myös idästä – kokihan myös Venäjä taloudellisen, sivistyksellisen ja teollisen nousun. Uuden ajan ihmeet: rautatatiet, sähkölennätin, puhelin-ja sähköverkko rakennettiin ikäänkuin osana Venäjän modernisaatiota. Samalla ne tarjosivat työtä ja haasteita suomalaiselle työväelle ja vähitellen kasvavalle sivistyneistölle. 

Kansallisaatteelle ratkaisevaksi nousi kielikysymys. Voidaanko kansan suuri enemmistö sulkea edistyksen ulkopuolelle? Tärkeät sivistysvaikuttajat puhuivat suomenkielen puolesta, syntyi fennomaaninen liike, joka halusi nostaa suomen tasavertaiseksi kieleksi. Oikeus, kohtuus ja moraali tuntuivat olevan heidän puolellaan, ja osa ruotsinkielistä sivistyneistöäkin liittyi fennomaaneihin. Se alkoi jopa opetella suomen kieltä. Venäjä tuki aluksi fennomaaneja vieroittaakseen suomalaiset Ruotsista. Sitten se säikähti ja aloitti sortotoimet. Kielikysymys politisoitui nopeasti kansalliseksi vapautusliikkeeksi, ja loppu onkin niin sanotusti historiaa.  

Joten kansallisajattelun välineeksi otettiin kieli. Tosin oppineet olivat jo paljon aiemmin alkaneet edistää suomenkielen asemaa uskonnollisista syistä. Uusi reformoitu oppi edellytti, että tavallinen kansa pystyisi itse tutkiskelemaan raamattua ja hartauskirjoja. Eikä se onnistu ilman omalla kielellä tuotettuja kirjoja. Niinpä Mikael Agricola alkoi jo 1500-luvulla kääntää suomeksi ja painattaa kirjallisuutta - ja toki piti tehdä myös aapiskirja. Samalla hänen piti keksiä kieleemme uusia sanoja asioille, joille vanhassa agraarisessa yhteisössä ei aiemmin ollut käyttöä. Vaikkapa hallitus, jalopeura, isänmaa tai omatunto. 

Nopeasti kehittyvässä 1800-luvun yhteiskunnassa menestymisen mahdollisuudet kasaantuivat nimenomaan ruotsinkielisille, suomea puhuva väestö jäi yhä ahtaammalle. Ymmärrettiin, että nimenomaan kieli oli ratkaisun väline. Tarvittiin riittävän yhtenäinen kirjoitettu kieli ja kirjallisuutta - ja sanomalehdistö. Mutta ei tätä ajatusta välttämättä täällä keksitty. Saksa oli 1800-luvulla jakautuneena keskenään nahisteleviin pikkuvaltioihin, ja yhtenäisyyttä pyrittiin luomaan kielen kautta. Jacob ja Wilhelm Grimm alkoivat kerätä kansanperinnettä, osia siitä tunnemme nykyisin ”Grimmin satuina”. Ja kun tuo hanke onnistui niin hyvin, veljekset saivat tehtäväkseen kerätä suuren saksan kielen sanakirjan, Deutsches Wörterbuch. Tuo hanke olikin vaikeampi, se kesti vuosikymmeniä.

Suomessa alettiin astella samoja polkuja. Syntyi suuri innostus kansanrunouden keruuseen: Lönnrot ja kumppanit retkeilivät erityisesti Karjalassa, joka oli hyvin säästynyt ruotsalaisvaikutteilta. Suuri sanakirjahanke ei heti käynnistynyt, suppeita sanakirjoja kun oli jo tehty. Sen sijaan mentiin pidemmälle. Ranskan encyclopedian esikuvan mukaan tuotettiin tietosanakirjoja. Ja ilmestyi myös hienot tietokirjasarjat Maamme kirja ja Oma maa. Kirjallisuuden alalla fennomaanit tukivat Aleksis Kiveä - ja kas kummaa, keskeinen teema Seitsemässä veljeksessä on lukemaan oppiminen. Se teki lopulta metsäläisistä kansalaisia! Hyvin vertauskuvallista.

Tarkastellaan vielä tuon alan kuvataiteita. Myös sillä alalla koettiin kansallinen herääminen. Tuota aikaa 1800-luvun lopulla sanotaan taiteemme kultakaudeksi – vaikka aika oli oikeastaan koko Suomelle eräänlaista kulta-aikaa. Kun tuon ajan taidetta tarkastellaan jälkiviisauden silmin, havaitaan, että taiteilijat noudattivat varsin uskollisesti tuon alan eurooppalaisia taidesuuntauksia – toki maustettuna kansallisilla aiheilla.

Eräänlainen johtopäätös voidaan tehdä. Kansallisuus näyttää olevan olennaisesti myös kansainvälisyyden löytämistä. Ja onhan sekin hieno asia!