Искусственный интеллект и мозг человека

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.