人工ネットワークと生物学的ネットワーク

人工ネットワークと生物学的ネットワーク: 2 つのシステム、1 つの共通アーキテクチャ

コンピュータ ネットワークと人間の脳のニューラル ネットワークは非常に異なるシステムであるように見えますが、同様のモジュール式の階層構造を共有しています。

1 つは情報転送を最適化するために人工的に構築され、もう 1 つは信号を処理して意思決定を行うために選択されています。

これら 2 つのネットワーク、コンピューターとニューラルは、その構成と機能において驚くべき類似点を持っています。これら 2 つの複雑なシステム間の構造的および機能的な相関関係は、一方を理解することで他方に光を当てることができることを意味します。

物理層 → 一次感覚野と運動野

物理層 (OSI モデルのレベル 1: オープン システム相互接続) は、データを解釈することなく、電気信号、光信号、または無線信号の生の伝送を管理します。同様に、脳の一次感覚野と運動野は生の信号を処理します。感覚野 (体性感覚野など) は受容体 (皮膚、目、耳) から直接神経インパルスを受け取りますが、運動野は活動電位の形で筋肉の指令を送ります。これらの領域は、物理層がネットワークと外部 (環境) の間のインターフェイスであるのと同様に、「低レベル」インターフェイスとして機能します。

• 機能的相関: 軸索は脳のイーサネット ケーブルであり、WiFi とシナプスを形成します。これは、数百万年の進化によって最適化されたアーキテクチャです。

データリンク層 → 視床および小脳

データ リンク層 (レイヤー 2) は、エラー チェック、MAC アドレス指定、およびフレーム管理を提供し、隣接するノード間の信頼性の高い伝送を保証します。脳では、視床が感覚信号をフィルタリングして正しい皮質領域にルーティングすることで同様の役割を果たしますが、小脳は誤り訂正 (CRC) や再送信 (ACK/NACK) プロトコルなどの動きを最適化して修正します。これらは連携して正確な規制システムを形成し、情報処理における「衝突」を回避します。

• 機能的相関: 視床は脳のスイッチ、小脳は TCP プロトコルであり、これらが連携してエラーのない「ニューラル ネットワーク」を保証します。

ネットワーク層 → 後頭頂皮質と海馬

ネットワーク層 (層 3) は、論理ルーティング (IP アドレス) とネットワーク間の伝送を管理します。この機能は、行動を導くために空間情報と感覚情報を統合する後頭頂皮質と、ナビゲーションと空間記憶に不可欠な海馬（認知的な「ルーティングテーブル」のような）に反映されています。これらの構造は、ルーターがパケットの最適なパスを選択するのと同じように、情報が「どこに」「どのように」流れるかを決定します。

• 機能的相関関係: 後頭頂皮質は脳のルーター、海馬はそのルーティング テーブルであり、ネットワーク層がデータに対して行うのと同じように、これらが連携して物理空間における私たちの動きを最適化します。

輸送層→大脳辺縁系

トランスポート層 (TCP/UDP などの層 4) は、通信 (フロー制御、セグメンテーション、再構成) の信頼性を保証します。大脳辺縁系（扁桃体、視床下部など）は、感情的および動機付けの「つながり」を調節する上で同様の機能を果たします。たとえば、扁桃体は危険信号を優先します (TCP が ACK を優先するように) 一方で、視床下部は輻輳制御と同様に内部バランス (恒常性) を維持します。

• 機能的相関関係: 大脳辺縁系は脳の「TCP/UDP プロトコル」です。大脳辺縁系は、記憶の信頼性の高い伝達 (海馬)、アラートの優先順位付け (扁桃体)、および生の生命信号の送信 (視床下部) を保証します。

セッション層→前頭前野

セッション層 (層 5) は、アプリケーション間の対話 (認証など) を確立、維持、同期します。前頭前皮質は、複雑な相互作用を管理することによってこの役割を果たします。タスクの開始と監督（セッションの開始/終了など）、気が散るのを抑制する（対立管理）、一連の行動を計画する（同期化）などです。セッション層がネットワーク交換を調整するのと同じように、認知プロセスの「モデレーター」です。

• 機能的相関: 前頭前皮質は脳の「セッション マネージャー」です。行動を認証し、コンテキストを維持し、内部/外部の対話を調整します。

プレゼンテーション層→側頭葉皮質

プレゼンテーション層 (層 6) は、アプリケーション (JPEG、mp3、SSL など) が理解できるようにデータを変換、暗号化、フォーマットします。側頭皮質（特に聴覚および視覚連合野）も同様の働きをします。つまり、感覚刺激（音声、物体）に意味（言葉、顔の認識）を与えることで、それらを解釈します。この層は、生の信号とその抽象表現の間のブリッジです。

• 機能相関: 側頭葉皮質は脳の「解読エンジン」です。プレゼンテーション層が生データを使用可能な情報に変換するのと同じように、側頭葉皮質は生の信号を意味のある認識に変換します。

アプリケーション層 → 多峰性連合皮質

最後に、アプリケーション層 (層 7) は、高レベルの機能 (HTTP、FTP、メッセージング) に対応します。脳では、多峰性連合皮質（頭頂側頭皮質など）がさまざまな情報（視覚、聴覚、記憶）を統合して、複雑な行動（言語、推論）を生み出します。これは、アプリケーションがデータを使用可能なサービスに変換するのと同じように、情報が行動や意識的な思考になるレベルです。

• 機能相関: 連合皮質は脳の「ウェブブラウザ」です。アプリケーション層がデータを使用可能なサービスに変換するのと同じように、連合皮質はすべての情報を統合し、それを意識的な行動や思考に変換します。

このことから何が推測できるでしょうか?

脳は、情報を効率的に処理するための何百万年もの自然選択の産物です。私たちのテクノロジーがこれらの原則を間接的に借用している場合、複雑なシステムの組織化の原則の普遍性がわかります。

複雑さを管理するには、生物学的であれ人工的であれ、効果的なシステムはタスクを特殊なレイヤーに分割し、同時にそれらのスムーズな統合を確保して普遍的に堅牢にする必要があります。

私たちの技術組織は私たちの脳を反映しているのでしょうか?

コンピューター ネットワークのアーキテクチャ (OSI モデルなど) と人間の脳のアーキテクチャの間の驚くべき類似点は、興味深い疑問を引き起こします。つまり、私たちは技術システムを設計するために無意識のうちに自分自身の生物学をコピーしたのでしょうか?

これにより、コンピューターモデルを通じて生物をより深く理解し、脳からインスピレーションを得てよりインテリジェントなテクノロジーを設計し、生物学、物理学、コンピューターサイエンスの間の理論を統合するための展望が開かれます。