Владимир Губайловский: Искусственный интеллект и мозг человека

Владимир Губайловский

Продолжаем знакомить читателей с книгами, вошедшими в длинный список премии «Просветитель» 2020 года. 17 сентября станут известны восемь книг, которые продолжат борьбу за премию.

Издательство «Наука» представляет книгу Владимира Губайловского «Искусственный интеллект и мозг человека».

Книга посвящена исследованиям мозга и его цифровому моделированию. Ее главная тема — память человека: как мозг получает и сохраняет информацию, как накапливаются знания и воспоминания, почему для эффективной работы мозга важно не только помнить, но и забывать. Другая значимая тема — это «компьютерная метафора»: мозг как биологический компьютер. В моделировании процессов, происходящих в мозге, достигнуты серьезные результаты. И наконец, в книге говорится о сознании человека, о его «Я». Эта тема напрямую касается философии и проблемы свободы воли. При изложении материала автор опирался на результаты современных исследований.

Предлагаем прочитать одну из глав книги.

О природе памяти

Мы помним не дни, а моменты.[1]

Чезаре Павезе

1

В фантастическом фильме «Шестой день» (2000 г., режиссер Роджер Споттисвуд, в главной роли — Арнольд Шварценеггер) делается сильное допущение: человек — это биологическая машина, полностью аналогичная компьютеру. Человек состоит из тела (hardware) и памяти (software). Тело однозначно восстанавливается по ДНК, а память можно в любой момент времени сохранить на внешнем носителе (в фильме память сканируют специальным устройство через глаза). Если мы восстановим тело (быстро вырастим в специальном растворе), мы можем закачать в мозг последнюю сохраненную версию памяти. Тогда личность человека будет полностью восстановлена на тот момент времени, когда был сделан последний скан памяти.

Зададимся вопросами, которые имеют непосредственное отношение к природе памяти. Можно ли сделать скан памяти человека? Авторы фильма говорят: «Да, за секунды». Можно ли загрузить память в мозг человека? Авторы фильма утверждают: «Да, почти мгновенно». Давайте разберемся, как же обстоят дела в реальности[2].

2

Расскажем о главном герое этого раздела (да и всей книги) — нейроне. Нейронами называют клетки нервной системы. Они могут быть малыми и большими — от нескольких микрон до сотни (а это уже десятые доли миллиметра — такие нейроны видно невооруженным глазом). Они бывают зернистые, сферические, пирамидальные (пирамидальные — самые большие и, вероятно, самые важные). У нейрона есть тело (сома), где находится ядро, есть дендриты («входы») — нервные окончания, по которым в нейрон поступают сигналы извне — от внешнего мира или от других нейронов, и есть аксон («выход»). Аксон, как правило, один, хотя он может ветвиться на конце. Число дендритных ветвей может достигать сотен тысяч.

Нейроны соединяются между собой с помощью синапсов. Синапсы бывают электрические и химические. Электрические синапсы — это прямые контакты между нейронами. В этом случае электрический сигнал распространяется по нейронам довольно быстро (гораздо быстрее, чем через химические синапсы), поэтому электрические синапсы, как правило, участвуют в передаче возбуждений, они нужны там, где необходима скорость: обжегся — отдернул руку. Электрических синапсов в центральной нервной системе человека сравнительно немного.

Главный вид синапса, на котором мы остановимся подробнее, — химический. Между аксоном одного нейрона и дендритом другого есть щель. Наличие щели позволяет нейронам пропускать или не пропускать сигнал, устанавливать соединение или его разрывать. Соединение происходит с помощью нейромедиатора — вещества, которое аксон порциями выбрасывает в синаптическую щель и которое принимает рецептор дендрита.

Работает машинка так. На вход нейрона через дендриты поступает множество химических сигналов — аксоны других нейронов выбрасывают нейромедиаторы в синапсические щели. Это входные данные. Нейрон анализирует эти данные и решает: формировать ему потенциал действия или погодить. Информация на входе весьма разнообразна — одни аксоны передают возбуждающие медиаторы, другие «молчат», третьи передают тормозящие медиаторы. Анализ, который проводит нейрон, зависит не только от входных данных, но от его собственной структуры — например, наличия некоторых важных белков.

Нейроны и синапсы. Химический синапс

1 — тело нейрона; 2 — дендриты; 3 — аксон; 4 — электрические импульсы, передаваемые нейроном. На вставке: 5 — молекулы нейротрансмиттеров; 6 — синаптическая щель; 7 — постсинаптический рецептор

Нейрон в рабочем состоянии — это заряженный конденсатор. На внешнем слое мембраны концентрируются положительные ионы (ионы натрия — Na+), на внутреннем слое возникает отрицательный заряд. Если нейрон решает действовать, то открываются натриевые канальцы, ионы проникают внутрь и начинается деполяризация — заряды нейтрализуются.

Сигнал деполяризации бежит по аксону до конца и дает команду выбросить нейромедиатор в синапсическую щель, т. е. передать сигнал дендритам следующего нейрона. После этого нейрон некоторое время «заряжается». В этом ему активно помогают окружающие его глиальные клетки, которые всё время о нейроне заботятся — кормят глюкозой, защищают от опасностей, например, от микроорганизмов. После зарядки нейрон снова готов к действию. Таким образом нейроны образуют пути, по которым передаются химические сигналы.

3

Искусственная нейронная сеть, которая наиболее точно воспроизводит физиологию нейронной сети мозга, называется импульсной нейронной сетью (Spiking Neural Network). В такой модели нейроны обмениваются короткими импульсами (сигналами) длительностью 1–2 мс. Есть надежда, что эта модель поможет нам многое понять в работe мозга. Но трудности, которые предстоит преодолеть ученым, имеют принципиальный характер: нужны новые методы наблюдения и за состояниями мозга, и за процессами, которые в нем происходят.

Нейробиологи Б. Баарс и Н. Гейдж пишут: «Современные методы визуализации мозга могут выявить активную нейронную сигнализацию, но не синаптические связи, кодирующие длительное обучение. Поэтому результаты регистрации активности мозга выглядят так же, как снимок потока движения машин в городе из космоса. Мы легко можем каждый день видеть свет от автомобильных фар, движущийся в разные стороны. Но с нашими текущими приборами трудно наблюдать за медленными процессами строительства новых дорог, автомагистралей и автостоянок, делающих возможным движение машин. Тем не менее вся эта система зависит от физического расположения улиц и дорог, которое можно считать своего рода постоянной памятью города. Внешний наблюдатель способен многое узнать исходя из схемы движения машин в городе: один район может быть финансовым центром, в другом районе находится аэропорт. Но по выходным дням движение транспортных потоков наверняка изменится. В плохую погоду больше людей останутся дома. В зависимости от неизвестных условий движение машин может происходить по другим маршрутам, однако всё равно будут использоваться постоянно существующие улицы и дороги. Просто наблюдение за прохождением сигнала обнаруживает лишь часть тех процессов, которые протекают в мозге. Таким образом, знание схемы соединения и силы взаимодействия — улицы и магистрали — является неотъемлемой частью головоломки, которую всё еще трудно понять»[3].

4

Когда человек рождается, у него уже есть мозг. И этот мозг уже очень многое «знает». Это не tabula rasa, как полагали, например, Джон Локк и другие философы. Строение мозга определяется генетически, и его топология остается в своей основе неизменной. Структура мозга — его главные области и некоторые проводящие пути — уже сформированы. Структура будет усложняться, упрощаться, меняться, но основа, с которой человек родился, генетически предопределена.

Нейроны могут подрастать и становиться мощнее. Например, у лондонских таксистов, которые должны хорошо себе представлять 25 000 нерегулярно проложенных улиц и множество перекрестков, значимо увеличен объем гиппокампа — зоны мозга, ответственной за пространственное мышление[4]. И главная перестройка происходит в системах связей нейронов — синапсах. Например, при обучении мышей было отмечено нарастание шипиков на дендритах, т. е. появились новые синаптические связи[5]. Сам нейрон может изменяться за счет появления полимеризованных белков, которые становятся своего рода «метками» информации[6]. Нейроны меняют частоту импульсов, синапсы — пропускную способность.

Таким образом возникают новые, быстро проводящие сигнал нейронные контуры. Так и реализуется долговременная память. Она распределена по всему мозгу, но представляет собой не нули и единички — намагниченные домены на пластине жесткого диска или проколы на плоскости CD, а долговременные структурные перестройки нейронной сети. Дендритные шипики, если обучение заканчивается, могут рассасываться — это забывание.

Некоторые образы (слова, геометрические фигуры), сохраненные в мозге, мы уже можем распознать с помощью томографа, но мы не знаем, как из отдельных нейронов и нейронных сетей складывается картина нашего мышления. Авторы статьи «Проект получения карты активности мозга и проблема функциональной связанности мозга»[7] приводят слова американского физика Филипа Уоррена Андерсона, который в книге «Большее есть другое» («More is different») писал: «Поведение больших и сложных объединений элементарных частиц нельзя понять, просто экстраполируя свойства малого количества частиц, напротив, на каждом уровне сложности возникают совершенно новые свойства».

5

Сегодня мы можем судить о работе всего мозга, анализируя реакции человека, например, так поступает психоаналитик. Можем наблюдать активность больших регионов мозга, состоящих из многих миллионов нейронов. Эту возможность нам предоставляют такие современные методы, как fMRT — функциональная магниторезонансная томография. Томограф наблюдает потоки крови (тот самый свет от автомобильных фар, о котором говорили Баарс и Гейдж), и мы знаем, что области мозга, которые в данный момент наиболее активны, нуждаются в более интенсивном кровоснабжении, — по такой косвенной информации можно судить о работе мозга. Мы, наконец, можем ввести напрямую в мозг пучки электродов и регистрировать активность отдельных нейронов[8] или «подсветить» (с помощью флуоресцентных белков) группы нейронов и наблюдать их в микроскоп, предельное количество нейронов в таких экспериментах — около тысячи (это из 90 млрд).

Попробуйте посмотреть на страницу книги с расстояния 2–3 м. Что вы видите? Рисунок абзацев. Смену светлых и темных пятен. Вероятно, с такого расстояния можно отличить стихи от прозы, но тоже не всегда. Смысл текста нам останется недоступен. Примерно такую весьма приблизительную картину нам и дает fMRT. Теперь представим ту же страницу, но с которой почти все буквы стерты и остались только небольшие пятна краски, каждое из которых входило в какую-то букву. Некоторые буквы мы при определенном усилии даже сможем прочесть. Но точно так же мы ничего не узнаем о самом тексте. Это картинка, которую нам дает наблюдение тысячи нейронов.

Но нас-то интересует смысл написанного, т. е. некоторое среднее разрешение, а вот оно в исследовании мозга пока отсутствует.

Инициаторы проекта BRAIN Initiative[9] сформулировали задачу так: мы хотим получить, во-первых, полную карту спокойного мозга, т. е. каждую связь каждого нейрона; во-вторых, полную карту активного мозга, т. е. отслеживать в реальном времени (на экране монитора), как возникают, распространяются и гаснут возбуждения, как нейроны образуют активные подсистемы. До решения этой задачи пока далеко.

Мозг представляет собой сложносвязанную систему, и его деятельность необъяснима, если мы будем анализировать только работу отдельных клеток и экстраполировать полученные результаты на весь мозг. При объединении нейронов возникают совершенно новые качества и свойства (об этом и говорит Андерсон). Такие системы называются эмерджентными (от англ. emergent — возникать). Мозг — эмерджентная система.

Когда человек страдает психическим расстройством (аутизмом или шизофренией), у него, как правило, всё в порядке с кровоснабжением клеток мозга (это мы видим с помощью fMRT) и вроде бы нормально работают отдельные нейроны. Но в мозге нарушен характер связей. Что-то идет не так, когда нейроны должны работать согласованно. Пока мы не поймем, в чем смысл согласования и как из отдельных нейронов формируются активные в данный момент подсистемы, мы ничем не поможем людям, страдающим этими заболеваниями.

И нет никакой уверенности, что мы получим удовлетворительный результат. Когда-то психологи и нейрофизиологи говорили: возможно, мы строим дороги навстречу друг другу с разных берегов одного континента, и однажды мы встретимся, но, может быть, мы строим наши дороги на разных континентах.

6

Возьмем пример из далекой области — предсказание погоды. Зимой мы можем предсказать, что весной будет теплее, на основании сложных расчетов, которые учитывают движение атмосферных потоков, изменение уровня солнечной радиации, влажности и еще множества измеренных по всей поверхности Земли параметров, а можем просто заглянуть в многолетнюю статистику (даже в этом нет необходимости, мы все вроде бы знаем, что весной теплее, чем зимой). Второй способ проще, хотя он и неточный: год на год не приходится, холода могут затянуться чуть не до лета. Но беда в том, что, проведя сложнейшие расчеты, мы не сможем повысить точность прогноза: система погоды принципиально неустойчива и зависит от случайных отклонений, которые мы учесть не в состоянии и никогда полностью учитывать не научимся.

Не исключено, что с мозгом ситуация сходная: мы можем примерно оценить, какая область мозга возбуждается, когда человек думает о доме, а какая — когда он думает о еде. Но будет ли наш прогноз точнее, если мы учтем изменения, происходящие во всех нейронных контурах или даже буквально в каждом нейроне? Это неизвестно. Мозг — не только сложнейшая система, но, по-видимому, еще и система недетерминированная.

Мозг высокоизбыточен и потому очень устойчив к возмущениям: разрывы одних связей не приводят к потере целости всей сети, их компенсируют другие. В отличие от компьютера, который представляет собой довольно хрупкую систему.

Компьютер (с хорошей точностью) — система детерминированная: если при одном и том же состоянии машины мы совершим одни и те же действия, результат будет один и тот же. Так ли это с мозгом? Скорее всего, нет. Возможно, при одних и тех же начальных условиях результаты будут близкие, но почти наверняка они не будут совпадать точно.

Мозг умеет плодотворно ошибаться. А ошибки — это ведь источник открытий: «И случай, Бог-изобретатель». Именно случайные отклонения часто и приводят к «странным сближениям» и новым знаниям. А устойчивость к ошибкам позволяет системе оставаться работоспособной в случае сбоя. Сбой в компьютере в некоторых случаях приводит к его перегрузке. Мозг не может себе позволить такую роскошь.

7

Но попробуем ответить на вопросы, заданные в фильме «Шестой день». Можем ли мы «выгрузить» память из мозга? Хотя бы в принципе? Если мы «снимем» статическую картину, это даст нам весьма немного. Память — это не состояние, а процесс. Когда мы видим фотографию летящей стрелы, мы не знаем, ни с какой скоростью она летит, ни куда направлена. Даже если мы будем регистрировать все изменения, происходящие в мозге, большой период времени (например, за сутки или даже за месяц — об объеме памяти, который нужен для хранения такого моря информации, мы говорить не будем), мы не сможем установить характер и тип обучения и опыта, который привел к тому состоянию мозга, который мы зарегистрировали. Выход один: фиксировать все изменения в течение жизни прямо с внутриутробного развития, когда мозг только начинает формироваться.

Карта памяти — это фиксированная картина, которую образует бесконечное (потенциально) разнообразие внешних воздействий (причин). Воспоминание — это процесс, который точно так же, как и восприятие, может приводить к перестройке мозга, и результат воспоминания далеко не однозначен. Он, например, зависит от случайной встречи или знакомого запаха, который неожиданно катализирует процесс припоминания.

Тем более мы не сможем «закачать» информацию в память — просто потому, что это требует последовательной, очень сложной (и опять-таки недетерминированной) физической перестройки мозга: выращивания дендридных шипиков, изменения нейронов, усиления или ослабления синаптических связей. Память — это результат всего опыта жизни, это картина, которая складывается постепенно в реальном времени. Можно ли этот процесс ускорить? Это совершенно не очевидно. Вероятнее всего, нет.

Так что допущение, сделанное авторами фильма «Шестой день», нереально. Но есть идеи, как все-таки сохранить память человека на чипе, хотя бы частично. Мы эти идеи еще обсудим.

Ранее в рубрике «Медленное чтение» были представлены следующие книги, вошедшие в длинный список премии «Просветитель» 2020 года.

1. Воскобойников Олег. Средневековье крупным планом. — М.: Бомбора, 2020.
2. Егоров Виталий. Люди на Луне: Главные ответы. — М.: Альпина нон-фикшн, 2020.
3. Космарский Артем. Третий рейх. 16 историй о жизни и смерти. — М.: Аванта, 2020.
4. Кукушкин Николай. Хлопок одной ладонью. Как неживая природа породила человеческий разум. — М.: Альпина нон-фикшн, 2020.
5. Лосева Полина. Против часовой стрелки. Что такое старение и как с ним бороться. — М.: Альпина нон-фикшн, 2020.
6. Никифорович Григорий. От оргазма до бессмертия. Записки драг-дизайнера. — Минск: Дискурс, 2019
7. Соколов Александр. Странная обезьяна. Куда делась шерсть и почему люди разного цвета. — М.: Альпина нон-фикшн
8. Попов Сергей. Все формулы мира. — М.: Альпина нон-фикшн, 2019.
9. Радаев Вадим. Миллениалы. Как меняется российское общество. — М. Издательский дом Высшей школы экономики, 2020.
10. Ревзин Григорий. Как устроен город. — М.: Strelka Press, 2019.
11. Чупринин Сергей. Оттепель: События. Март 1953 — август 1968 года. — М.: Новое литературное обозрение, 2020.
12. Яблоков Илья. Русская культура заговора. — М.: Альпина нон-фикшн, 2020.

---

[1] Non si ricordano i giorni, si ricordano gli attimi. Cesare Pavese.

[2] О природе памяти рассказывается во многих научно-популярных книгах, монографиях и учебниках, в том числе: Баарс Б., Гейдж Н. Мозг, познание, разум: Введение в когнитивные нейронауки. В 2 ч. М.: БИНОМ, 2014. Ч. 2; Марков А. Эволюция человека. Т. 2. Обезьяны, нейроны и душа. М.: Астрель; Corpus, 2011. Особенно глава «Душевная механика»; Кандель Э. В поисках памяти / Пер. с англ. М.: Астрель; Corpus, 2012. Это книга человека, которому мы во многом обязаны пониманием того, как работает наша память. Полезна и вполне надежна информация в соответствующих статьях Википедии, особенно в английском языковом сегменте.

[3] Баарс Б., Гейдж Н. Мозг, познание, разум: Введение в когнитивные нейронауки. В 2 ч. М.: БИНОМ, 2014. Ч. 2. С. 30–31.

[4] Woollett K., A. Maguire E.A. Acquiring «the Knowledge» of London’s Layout Drives Structural Brain Changes // Current Biol. 8 December, 2011. Vol. 21, is. 24.

[5] Марков A. Эволюция человека. Т. 2. Обезьяны, нейроны и душа. М.: Астрель; Сorpus, 2011. С. 101–103.

[6] Кушниров В. Раскрыты молекулярные основы долговременной памяти. URL: http://elementy.ru/news?discuss=431777&return=1. В статье разбирается исследование американских биологов: Critical role of amyloidlike oligomers of drosophila Orb2 in the persistence of memory // Cell. 26 January, 2012. Vol. 148, is. 3. P. 515–529.

[7] Alivisatos A.P., Chun M., Church G.M., Greenspan R.J., Roukes M.L., Yuste R. The Brain Activity Map Project and the challenge of functional connectomics // Neuron. 2012. June 21. Vol. 74(6). P. 970–974.

[8] Например, нейрохирурги из Университета Калифорнии, г. Сан-Франциско, ввели в мозг трем пациентам (с их разрешения), страдающим тяжелыми припадками эпилепсии, массивы из 264 электродов, каждый из которых получал информацию об участке из нескольких миллионов нейронов. Несмотря на такую приблизительность оценки, ученые сделали необходимые выводы о формировании языковых функций мозга. См.: Bouchard K.E., Mesgarani N., Johnson K., Chang E.F. Functional organization of human sensorimotor cortex for speech articulation // Nature. 21 March, 2013.

[9] Проект американской администрации BRAIN Initiative (Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies). Стартовал в апреле 2013 года. См. сайт в Интернете: https://en.wikipedia.org/wiki/BRAIN_Initiative

Новое Татьяна Пигарева Испания от И до Я Сергей Сергеев Русское самовластие. Власть и ее границы: 1462–1917 гг. Катерина Михалева-Эгер 350 лет современной моды Леонид Чутко Сил нет Катя Колпинец Формула грез Сергей Плохий Забытые бастарды Восточного фронта Дэвид Чиверс, Том Чиверс Цифры врут. Как не дать статистике обмануть себя Пол Стейнхардт Невозможность второго рода Стивен Хоффман Пять сил, изменяющих все Уолтер Айзексон Взломавшая код Рустам Александер Закрытые. Жизнь гомосексуалов в СССР 3D-каркасы для восстановления костной ткани Платиновый бутерброд для спинтроники