НЕЙРОНАУКА ЗА СПИНОЙ ИСКУССТВЕННОГО ИНТЕЛЛЕКТА:
почему наш разум не может быть выгружен
на внешние носители?

Константин Владимирович Анохин, профессор, член-кор. РАН, руководитель отдела нейронаук НИЦ «Курчатовский институт», зав. лабораторией нейробиологии памяти НИИ нормальной физиологии им. П.К. Анохина

К середине XXI в., а может, и раньше станет возможным сканировать все клетки и связи мозга умершего человека, загружать эту информацию в модель на суперкомпьютере. Человек, вернее, его личность обретёт бессмертие. Так думают некоторые футурологии и писатели-фантасты.

В лекции Константина Анохина рассмотрены научные идеи, стоящие за такими сценариями, и препятствия к их осуществлению в сегодняшней нейронауке. Но если эти препятствия будут преодолены, это столкнет человечество с мучительным вопросами и опасностями, с которыми оно раньше никогда не имело дела. Об этом тоже думают современные учёные.

Константин Анохин

Есть ли возможность сохранить наш опыт и знания после нашей смерти? И что это: наша смерть? Состоится ли она, если наши знания, закреплённые в мозгу, всё же удастся сохранить и перенести в некое иное тело – пусть даже в компьютер. И как это сделать? Доказано, что наше мышление – цепь химических реакций. Жизнь мозга ими и поддерживается. Значит, в мозгу мысль оставляет некие следы – белковые соединения, которые можно зарегистрировать и описать. Более того, они представляют собой сложную конфигурацию – не просто нейронную сеть и синапсические связи.

Этот-то опыт человека – сложный белковый рисунок в мозгу – и составляет конфигурацию, которую назвали коннектомом (connectome). Учёные давно задались целью обнаружить его физическое присутствие. Один из методов такой регистрации – регистрация полностью обесцвеченных тканей мозга и регистрация полученных изображений. Одна из проблем такой процедуры – получение максимально обесцвеченных тканей – лишённых физиологических жидкостей. В получении коннектома они не информативны. Что же рассказал нам Константин Анохин? Вслушаемся.

Прозрачный мозг

Память оставляет следы

…Сейчас мы можем пользоваться некоторыми специальными составами для получения прозрачных органических тканей. При постепенном введении в органы они позволяют при облучении волнами определенной частоты достигать прозрачности 95-97%. Так мы можем рассмотреть структуру мозга. Но это половина проблемы.

Если мы сделаем прозрачным мозг нашей трансгенной мыши, чтобы увидеть следы формирующейся памяти и электрические лампочки, зажигающиеся в момент этого процесса, нам всё равно будет трудно проследить всю картину, потому что мозг – сложнейшая трёхмерная структура. В ней сотни областей. Если мы будем просматривать его насквозь, то всё это свечение сольется. Поэтому нужны специальные способы - томография мозга 3-мерной визуализации с клеточным разрешением. Это позволит увидеть отдельные нейроны и связи.

Подобный метод был уже разработан, в 1903 году. Более того, один из его авторов получил Нобелевскую премию (1926). Метод заключался в рассматривании ткани в плоском луче света. В обычном микроскопе мы смотрим на препарат в проходящем свете, который проходит снизу, в наш глаз. В нашей лаборатории свет трансформируется линзами и призмами в тонкий световой нож. Мы использовали синий лазер, который вызывает зелёную флюоресценцию белков. Если мы постепенно перемещаем исследуемый препарат, то можем отсканировать многие плоскости.

Это напоминает конфокальную микроскопию, где поле зрения не превышает нескольких сот микрон.(У конфокального микроскопа очень высокий высокий контраст, что позволяет исследовать ткани на клеточном уровне в состоянии жизнедеятельности и также оценивать результаты наблюдения клеточной активности по ширине, высоте, глубине и времени. То есть в динамике. - Прим. В.Ш.)

Прозрачный мозг

Нас интересует сеть нейронов, связанных с формированием когнитивных элементов. Сочетая методы оптического просветления с методами клеточной томографии, мы впервые увидели следы таких сетей. В мозге мыши, например, в процессе получение нового опыта задействовано примерно 10% нервных клеток. Мы видим, как структурно и функционально связаны такие клетки.

Себастьян Сеунг (Sebastian Seung) в книге «Коннектом. Как мозг делает нас тем, что мы есть» (2012, рус. пер. 2014) пишет, что мы разные, потому что разные наши коннектомы. Мы больше, чем наши гены, мы – это наш коннектом.

Препятствие Глия

Сеунг пишет в своей книге: "Убеждён, что до конца XX в. мы научимся находить человеческий коннектом. Сначала мы двинемся от червей к мухам. Затем возьмёмся за мышей и обезьян. Затем примемся за самое сложное – человеческий мозг». Соглашусь: прогресс в этой области поразительный. Если раньше, чтобы отсканировать 1 куб. мм ткани, науке требовалось ок. 60-ти лет, то последние пять лет серийной электронной микроскопии срок сократился до 15-ти лет.

Ожидаем, что новые технологии здесь будут нарастать так же, как в геномном секвенировании.(Секвенирование генома - считывание информации с индивидуальной ДНК. Это позволяет врачам-генетикам редактировать ДНК и тем самым лечить человека. - Прим. В.Ш.)

Отсканированные нейронные связи

И всё же - нет

В США работают компании, которые готовы за большие деньги принять мозг умерших людей на хранение в криохранилище для того, чтобы в будущем по технологиям, описанным в книге «Мозг Пандоры», перенести личность и оживить её в искусственных суперкомпьютерных сетях.

Тем не менее, я думаю, что до этого очень и очень далеко. Может быть, даже невозможно. Принципиально невозможно. При этом и в этом мнении я должен быть очень осторожным, ибо опыт последних 10-15 лет развития нейронауки потрясающий. Если бы 10 лет назад крупнейшим учёным в нашей области сказали, что по активности тех или иных зон мозга можно сказать, о чём думает человек, они бы не поверили. Или если 5-6 лет назад им бы сказали, что по томограмме можно сказать, какой фильм смотрит человек, реконструируя воспринимаемые им визуальные образы, они ответили бы, что это невозможно.

Полтора года назад вышла статья японских учёных, которые утверждают, что могут описать сновидения человека. Пусть пока приблизительные: видел ли он во сне мужчину или женщину или много людей. Важно, что это можно узнать, не спрашивая у испытуемого. Так что быть пророком в этой области крайне сложно.

Препятствие Глия

И тем не менее я пока скажу: «Нет». Во-первых, в отличие от многих, особенно инженерно ориентированных специалистов, считаю: наш мозг – не электрическая схема, не связь проводами множества элементов, которые следует правильно соединить, чтобы всё работало. Ведь мозг больше, чем нейронами, наполнен другими клетками: глиальными (от греч. γλία — клей). Это клетки-астроциты (т.е. звездоподобные). Они только кажутся не сложными, похожими на нейроны. На самом деле они сложно устроены и коммуницируют с разными нейроклетками и сосудами. И если биофизическая и математическая модель нейронов Ходжкина — Хаксли существует почти полвека, то до сих пор не удаётся создать модель астроцитов.

Другая причина в том, что астроциты передают сигналы (в том числе нервным клеткам), не используя электрические потенциалы – потенциалы действия. Поэтому астроциты не включаемы в электрическую схему работы головного мозга. А ведь последние исследования мозга показывают, что астроциты играют огромную роль в формировании индивидуального опыта человека. Они специализированно активируются в ответ на те или иные когнитивные процессы. Своими химическими сигналами без электрических потенциалов они модулируют работу дистантных нейронных цепей. Однако сканирование мозга их не регистрирует.

Отсканированные нейронные связи

Второй фактор, который не позволяет транспортировать наш индивидуальный опыт, – нейрохимия. Наш мозг не электрическая схема ещё и потому, что это очень древняя система. Нервная система возникла около 500 млн лет назад. И тогда она использовала весь химический бульон в процессе коммуникации между отдельными нервными образованиями. Это сотни различных химических сигналов, каждый со своим смыслом. Импульс же – только средство доставки химического сообщения.

Более того, в нашем мозге клетки дофаминовой системы, отвечающей за различные эмоциональные состояния, не имеют точечных синапсических контактов, которые можно ввести в электрическую связь, с другими клетками. Это бутоны, которые выделяют вещество во многие окружающие их клетки. В них возникают особые нейромодуляции, которые очень важны в возникновении субъективных эмоциональных реакций. Но они не специфицируются через восстановление связей.

Препятствие Нейрохимия

В-третьих, каким же образом из всей этой машинерии активности возникает субъективное? В романе «Мозг Пандоры» есть драматический фрагмент, когда, перенеся отсканированный мозг в суперкомпьютер, исследователи с трепетом ждут момента запуска сознания. В современных нейроисследованиях этот момент называется зажиганием (ignition). Он требует очень сложных циркуляционных процессов.

В схеме отечественного учёного Алексея Михайловича Иваницкого показано: чтобы возникло осознание этого сигнала, очень многие структуры должны включиться, синхронизоваться и соединиться в гиппокампе со структурами субъективного опыта. Как можно запустить структурно отсканированный коннектом, даже если будут внесены зарегистрированные химические связи, чтобы он запустил сознание, - это та самая трудная проблема, о которой пишет Дэвид Чалмерс (David John Chalmers, род. 1966) в книге «Сознающий ум» (1996, рус. пер. 2013). Рекомендую почитать эту книгу.

Почему даже самые базовые когнитивные процессы (принятие решений, внимание) «не текут в темноте»? Моё личное ощущение, что на этом длинном пути нейронаука чрезвычайно молода. Ей, как и научной психологии, всего около 150 лет. Сравните с 20 веками астрономии. 16 веков потребовалось, чтобы перейти от системы Птолемея к системе Коперника.

Препятствие Нейрохимия

Франкенштейн создаёт монстра

Но поскольку прогресс в этой науке столь стремителен, хочу обратиться к другой стороне вопроса – к опасности, к этике открытий в этой области. Профессор Оксфорда Ник Бостром (урожд. швед Niklas Boström, 1973) опубликовал в 2014 г. книгу «Искусственный интеллект» (рус. пер. 2016). Он провёл опрос 160-ти ведущих специалистов в области искусственного интеллекта. Более половины опрошенных заявило, что человекоподобный интеллект появится в середине нашего века.

Если они не ошибаются, то мы стоим перед очень серьёзной проблемой. Не окажется ли страна, которая создаст такой интеллект, в огромном преимуществе перед остальными? Это так называемая проблема Синглтона. Есть и другое опасение, о котором в середине 60-х говорил один из соратников Алана Тьюринга (Alan Mathison Turing, 1912-1954; математик и криптограф, повлиявший на развитие информатики): первый искусственный интеллект, равный человеческому, окажется последним, что создало человечество. Каковы шансы, что интеллект разовьётся в суперинтеллект, сам себя совершенствуя? Ведь весьма реально, что это произойдёт очень быстро: за часы, может, даже минуты. Не случайно Евросоюз выделил институту Бострома в Оксфорде грант в 2 млн евро на исследование этого вопроса.

Запуск сознания

В общем надо быть внимательнее к тому, что сказал Стивен Хокинг (Stephen William Hawking, род. 1942) в 2014 г.: «Представим себе, что мы получили послание от высокоразвитой внеземной цивилизации: «Мы посетим вас в течение одного-двух десятилетий». Должны ли мы ответить: «Окей, позвоните, как только приземлитесь. Мы оставим свет включённым?» По всей видимости, нет.

Но ведь очень похожая проблема складывается вокруг искусственного интеллекта. Этой проблеме посвящено крайне мало исследований. Все мы, не только учёные, промышленники и военные, должны задаваться вопросом, что мы должны делать сегодня, чтобы увеличить вероятность успеха при минимальных рисках?»

Наши инопланетяне

Ответы на вопросы

- Каким методом томографии вы пользуетесь?

Константин Анохин: Двухфотонным. Это позволяет нам выявлять контакты между клетками. Но это все находится на очень ранней стадии, как первые рентгеновские трубки. Ждём будущего. Для того чтобы построить функциональный коннектом, нам не обязательно знать, какие клетки взаимодействовали в момент получения опыта. Скорее всего, они будут связаны опосредованно, через третьи клетки.

- В Италии скоро должна состояться операция по пересадке головы на новое тело. Насколько будет успешна такая операция?

- Ответить на этот вопрос не могу.

- Прозрачный препарат мозга применялся на живой мыши?

- Нет, к сожалению. Мы пробовали просветлять живую ткань. Но когда слишком много замещается физиологических растворов, то нарушаются свойства клеток. И так выходит в этой процедуре во всём мире. Причём после нас это стали делать американцы. Нужных составов много. Не все они токсичны. Мы начали в 2006 г., а потом появились десятки статей. Но все мы пока работаем на мёртвой мыши. Смысл в следующем. Все клетки, которые вспыхивают в момент получения когнитивного опыта, ещё некоторое время хранят новый синтезированный белок. Некоторое время они ещё «светятся». Несколько часов, например. Есть и сложности. Такие конгнитивные белки медленно накапливаются. Поэтому в клетке накапливается не только свежий эпизод когнитивного опыта, но и то, о чём думала мышка чуть ранее, по поводу предыдущего эпизода. Из-за этого мы видим некую сумму «впечатлений». Мы работаем над тем, чтобы улучшить временное разрешение, сделать его короче, локальнее. В этой процедуре вообще много проблем…

Нейронные связи

- Используете специальные лазеры?

- Нет, особые молекулярные зонды, которые позволяют поймать клетки в тот момент, когда только начинает экспрессироваться ген. Например, не на синтезированный белок, а на РНК, которая только транскрибировалась. Мы знаем, что это происходит в течение одной-двух минут. Укорачивая этот интервал, можно отбросить все побочные мысли животного.

- Вы же говорите, что исследуете мёртвую ткань.

- Объясню. Цыплёнок, мышка, лягушка – не важно кто – столкнулись с тем, о чём они никогда не знали, подумали, запомнили. Мы должны дать этим клеткам синтезировать новый белок. Мы не можем сразу взять этот мозг. Проходит около часа. Мы нашли методы, чтобы сократить это время до 15 минут и стремимся к 4-5 минутам.

- А где эти белки? Синапсические рецепторы?

- Это зависит от того, какой белок.

- Нервные связи формируются за счёт белков: должны расти аксоны, дендриты…?

- К моменту рождения большинство связей уже есть. Клетка, которая работала в момент получения когнитивного опыта, потом стабилизирует свои контакты, знает своих соседей. И те знают своих соседей. И вот эта сеть и запоминается по уже существующим связям. Она становится только эффективной и работающей вместе.

- У человека в коматозном состоянии сознание есть, но процессы не идут?

- Это обширная область исследования. Появились методы, которые облегчают понимание того, текут ли сознательные процессы в мозге. Кома – чрезвычайно драматический момент, связанный с решением вопроса о дальнейшем поддержании жизни в человеке. Раньше решение об отключении поддерживающей аппаратуры принималось на основе клинических признаков: способности человека реагировать на внешние раздражители. Но статистика показывает, что при этом совершается огромное количество ошибок: мозг больного ещё жив. Современная томография свидетельствует, что человек в коме может понимать, что с ним разговаривают, и даже может выполнить некоторые команды: например, представить себе, что играет в теннис или передвигается по кухне своего дома. Мы знаем, что для решения этих задач активируются специфические структуры мозга, одна при пространственных передвижениях (гиппокамп), другая – при игре в теннис (приматорная кора) и т.д. И когда человека просят представить соответствующие ситуации, у него зажигаются те же области мозга, как у бодрствующих людей. Но сообщить об этом он не может.

- Ведутся ли исследования, что происходит в мозге человека во время клинической смерти?

- Это не моделируемая ситуация. Учёный не может стоять с томографом у каждого операционного стола или в реанимации. В таких условиях исследования не проводятся. Это этическая проблема. Главное в такой момент – реанимировать человека. Но есть некоторая надежда. Есть феномен моментального жизненного обзора. Он возникает в моменты неожиданной опасности, испуга. В МГУ одному из психологов удалось создать экспериментальную лабораторную модель с тем, чтобы научиться после некоторой тренировки реконструировать подобный опыт у добровольцев. Это позволяет уже исследовать, что происходит в мозге, когда «жизнь пролетает перед глазами». Насколько я знаю, в такой модели участвуют добровольцы, вводимые в такое состояние, и люди, невольно пережившие подобное.

- Есть корреляция между когнитивными процессами в мозге с одарённостью человека?

- С осторожностью относился бы к таким исследованиям. Не решился бы возглавить компанию или лабораторию, которые занимались бы подобными сопоставлениями.

- Уже созданы способы влияния на рост или восстановление связей между нейронами. Можно воздействовать различными трофическими факторами (от греч. τροφή – пища, питание. Химические вещества, которые образуются в результате метаболизма. Это вещества, обеспечивающие рост, развитие и функционирование систем организма. - Прим. В.Ш.).Исследовав коннектомы одарённых людей, мы можем выявить оптимальную организацию нейронных связей и переносить их в иные физически существующие коннектомы. Что-то из подобного пытается использовать нейрорегенеративная (восстанавливающая когнитивные способности) медицина.

- Это то, что будоражит воображение тех, кто занимается нейронаукой. Есть некоторые ограничения в реализации таких задумок. Например, различные нейротрофические факторы, а это большие белки или пептиды, не проникают через гемоэнцефалический барьер. Медицина очень много выиграла бы из того, что открыто в нейронауке. Но ведь периферически мы ввести такие препараты не можем, а сверлить дыры в черепе и тем более мозге человека – отдельная проблема. Тем не менее и над этой проблемой работают. Например, DARPA - военное ведомство стратегических разработок США, в программе Брейна – Нишета, взяло на себя вопросы проникновения в мозг человека через упомянутые дырки. Но я бы сейчас думал не о том, как это осуществить технически, а стоит ли вообще это делать – улучшать интеллектальные способности человека. Какие последствия могут быть? Даже если это примет форму привычных нам таблеток с витаминами. К примеру вы измените этим своего ребёнка. Каким он будет как личность? К тому же если у одних родителей есть деньги провести такое “улучшение”, то у других нет. Что тогда? Или не будет ли возникать привыкания к таким препаратам?

- В Сколкове командой физиологов и программистов созданы технологии, улучшающие мышечную активность. Как это влияет на картину восприятия мира?

- Будет меняться схема тела. Известно много подобных экспериментов. В основном с обезьянами. Когда человек развивает какие-либо мышцы, увеличивается нейронная сеть в соответствующей области коры головного мозга. К примеру, есть нейронная область, которая представляет один палец. Когда стимулируете этот палец, двигаете им, то будет загораться некое количество нервных клеток. Морфологически зона аксонов, которые идут от ядер талимуса, гораздо шире. Просто в других областях, соседних, она занята торможением, поскольку контролирует и другие пальцы. Но потенция, чтобы захватить другие области и специализироваться на одном этом пальце, у мозга есть. Если долго тренировать, то нужное представительство может разрастись очень сильно. Это бывает не только для мышц. Например, у музыкантов вы можете расширить зоны аудиторной коры. (см. в Сети по ключевым словам: Cognitive neuroscience of music.) За счёт этих синопсических связей. В компьютерных интерфейсах у обезьяны использовали активность мозга для того, чтобы она управляла искусственной рукой робота, добывая себе пищу. У них искусственая рука встраивалась в схему тела в мозге. То есть появлялось нужное нейронное представительство.

Константин Анохин

- Психология может принести пользу вашим исследованиям?

- Чем больше работаю, тем с большим уважением проникаюсь к психологии. Но наши психологи игнорируют процессы, протекающие в мозге. На Западе наоборот психология переписана методами ФМРТ (функциональной магнитно-резонансной томографии) под процессы мозга. Это другая крайность. В психологии есть свой предметы, свои объекты изучения. До тех пор пока мы не поймём, что эти объекты представляют собой реальность, имея представительность и основы в нервной системе, мв не нащупаем эффективное взаимодействие психологии и нейронауки. Мы можем объектами манипулировать, формировать их связи и их сети, прослеживать путешествие мысли по этим объектам, не обращаясь даже к нервной системе. Можно таким образом изучить много аспектов. Так же как в изучении языка методами классической лингвистики, исследованиями в области теории графов и теории сложных сетей выявляют много интересных вещей. При этом в экспериментальных методах не нужно знать что-то про нервную систему. Мне как раз интересно понять природу скрытой психологической реальности сначала на самостоятельном уровне, а потом в связи с нервной системой.

Главная проблема в нашей отрасли в том, что сегодня в когнитивных исследованиях создано огромное количество разрозненных теорий. Нет общей объединяющей модели. Того, что есть у биологов со времён Дарвина, или в физических теориях. Каждый создаёт свою частную теорию, называет найденные феномены своими терминами. Применяется масса описаний, который ортогонально перекрывают друг друга. То есть пока есть эмпирическое и полутеоретическое многообразие. Нужно искать общие парадигмы.

- Если всё-таки описать всю номенклатуру химических реакций в клетках, можно их эмулировать?

- Не знаю. В книге «Мозг Пандоры» Иван говорит Мэту, что самый неоптимальный сценарий, который нужно пройти в создании искусственного интеллекта, – это сканировать все химические реакции во всех нервных клетках с частотой 20 миллисекунд. Можно понять, как работают сети нескольких миллионов клеток и по ним можно попытаться реконструировать некую сердцевину процессов. Я же не вижу способов смоделировать в этом бульоне все химические реакции и регрессировать процессы.

Материал подготовил Виктор Шергин. Статья не является научной публикацией и носит ознакомительный характер. Подзаголовки Виктора Шергина.
Использованы репродукции слайдов из презентации Константина Анохина


Читайте другие статьи о Фестивале науки 2015 г.:

«Сколько просвещения на Фестивале науки?»

«Вода и соль: происхождение жизни, здоровье и болезни»

«Обыкновенное чудо генетики»

«Культурные традиции у китов и дельфинов»

«Судьба писателя как текст: Достоевский vs Толстой»

Что такое коннектом?

Каждый "нейрон какого-нибудь червя имеет характерное местоположение, форму и даже имя, присвоенное специалистами. Черви в чем-то подобны станкам, массово изготавливаемым на конвейере. У любого имеется нервная система, состоящая из одного и того же набора деталей, и эти детали всегда расположены одинаково.

Более того, существует полная карта этой стандартизированной нервной системы. Результат напоминает летную карту авиакомпаний. Четырехбуквенное имя каждого нейрона похоже на буквенный код, имеющийся у каждого аэропорта мира... Линии отражают связи между нейронами, подобно тому как линии на летной карте соответствуют маршрутам между городами. Мы называем два нейрона «связанными», если в точке, где они соприкасаются, есть небольшой стык, сочленение, именуемое синапсом. Через синапс один нейрон отправляет послания другому.

Инженеры знают: для того чтобы сделать радиоприемник, нужно… соединить… различные детали – резисторы, конденсаторы, транзисторы. Нервная система представляет собой набор нейронов, связанных «проводами» – тонкими ветвями… Вот почему карту… первоначально называли «монтажной схемой» или «схемой подключения». Недавно появился новый термин – коннектом. Это слово ассоциируется не с электротехникой, а с геномикой. Вероятно, вы слышали про ДНК – длинную молекулу, напоминающую цепь. Отдельные звенья этой цепи – нуклеотиды, небольшие молекулы четырех типов, обозначаемые буквами А, Г, Ц и Т[3]. Ваш геном – последовательность нуклеотидов вашей ДНК, представляемая как длинный ряд букв четырехбуквенного алфавита… А коннектом – вся совокупность связей между нейронами нервной системы. Сам термин (как и геном) предполагает полноту охвата. Коннектом – не одна связь и даже не множество. Это всё связи».

Из книги С. Сеунга «Коннектом…»

Запуск сознания — главная проблема

Книга Д. Чалмерса «Сознающий ум» — рассказ о тайнах сознания, полного парадоксов. Писатель пытается обосновать некий «натуралистический дуализм», исходя из того, что сознание имеет нефизическую природу, но зависит от от функциональных схем в мозге.

Чалмерс считает, что его теория открывает новые перспективы в квантовой механике и позволяет планировать создание роботов, обладающих сознанием. Книга написана ясным слогом, смело и с изобретением показательных мысленных экспериментов.