Владимир Губайловский. Искусственный интеллект и мозг человека. М.: Наука, 2019. Содержание
Мозг как биокомпьютер
Производительность компьютеров IBM, используемых NASA при реализации проекта «Apollo», была примерно в сто тысяч раз меньше «оперативки» средненького современного смартфона. Темпы роста производительности техники в последние десятилетия беспрецедентны, но динамика этого разгона имеет свой предел.
«Достигнута максимальная не только на сегодняшний день, но и вообще возможная частота процессора того типа, который мы сегодня массово используем, — это 3–5 ГГц (<...> мы близко подошли к „тепловому барьеру” Ландауэра), практически достигнута предельная плотность размещения вентилей на кремниевой подложке) <...>. Мы перестали ускорять процессоры, делая упор на распараллеливание процессов (в частности, увеличивать количество ядер)», — отмечает Владимир Губайловский.
Несравнимо большими показателями отличается человеческий мозг, который в каком-то смысле можно назвать «биологическим аналоговым компьютером». Как у всякого компьютера, у мозга есть «порты ввода / вывода», через которые он получает данные из внешнего мира и выводит преобразованную информацию. «Порты ввода» — это органы чувств. Если человек потеряет их (например, из-за тяжелой травмы), он окажется замкнутым внутри самого себя и утратит большую часть возможностей коммуникации с внешним миром.
На сегодняшний день наиболее реалистичная модель мозга — искусственная импульсная нейронная сеть (Spiking Neural Network — SNT). В ней нейроны обмениваются короткими импульсными сигналами (1–2 мс), но это лишь малая толика многообразия их «взаимоотношений». Чтобы представить, насколько эта модель далека от более-менее обстоятельного и тем более полного «картографирования», представим, какие можно было бы сделать выводы о движении на оживленных улицах, основываясь только на свете автомобильных фар. Детали (такие, например, как особенности дорожного полотна) ускользают, но кое-что мы все-таки узнаем: «один район может быть финансовым центром, в другом <...> находится аэропорт. По выходным движение потоков наверняка изменится. В плохую погоду больше людей останутся дома <...> однако все равно будут использоваться постоянно существующие улицы и дороги».
Правила дорожного движения
Главные жители этого «большого города» — нейроны, клетки нервной системы размером от 3 до 130 микрон. У каждого нейрона есть тело с ядром, дендриты («входы», нервные окончания, по которым поступают сигналы из внешнего мира или от других нейронов) и аксоны («выходы»). Аксон обычно один (но может ветвиться на конце), а вот количество дендритных ветвей может достигать сотен тысяч.
Места контактов между нейронами называются синапсами — они бывают электрическими и химическими. Электрические обеспечивают прямой контакт — они нужны, например, когда необходима скорость реакции (обжег руку — отдернул). В химических синапсах задействован нейромедиатор: аксон одного нейрона выбрасывает вещество, которое принимает дендрит другого. Это входные данные.
«Нейрон анализирует 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».
То есть нейрон в рабочем состоянии — это такой заряженный конденсатор. На внешнем слое мембраны концентрируются положительные ионы (ионы натрия — Na+), на внутреннем — возникает отрицательный заряд.
Если нейрон решает действовать, 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 — передать сигнал дендритам следующего нейрона. После этого нейрон некоторое время «заряжается» (помогают окружающие его глиальные клетки, которые кормят нейрон глюкозой и защищают — например, от микроорганизмов). После подпитки нейрон снова готов к действию. Таким образом нейроны образуют пути, по которым передаются химические сигналы.
Нейроны и синапсы — химический синапс. 1 — тело нейрона, 2 — дендриты, 3 — аксон, 4 — передаваемые нейроном электрические импульсы, 5 — молекулы нейротрансмиттеров, 6 — синаптическая щель, 7 — постсинаптический рецептор
Анатомия памяти
Информация, поступающая в мозг по сенсорным каналам, сначала попадает в кратковременную рабочую память (КРП).
«Здесь мы не будем касаться вопроса, а существует ли такая память „физически” или есть только долговременная <...> и мозг просто выделяет из нее специфический фрагмент в виде КРП для своих операционных нужд (такая точка зрения вовсе небезосновательна). Мы будем исходить из того, что КРП — память, в которую информация попадает из входных каналов, и эта память характеризуется двумя параметрами — емкостью и временем хранения».
При этом емкость КРП очень мала (3–7 объектов), а время «хранения» — крайне ограничено (5–15 секунд). Оба параметра существенно зависят от концентрации внимания. Чем мы сосредоточеннее, тем КРП больше и тем дольше она удерживает объекты.
Человек — это не tabula rasa, как полагал Джон Локк. Когда мы рождаемся, наш мозг уже многое «знает». Структура мозга (его главные области и некоторые проводящие пути) уже сформированы. Структура будет меняться (усложняться или упрощаться), но основная топология остается неизменной. Главная перестройка происходит в синапсах. Нейроны меняют частоту импульсов, синапсы — пропускную способность. Так 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».
Память подразделяется на имплицитную (информация сохраняется в мозге без нашего активного участия, мы не можем ее вспомнить сознательным усилием) и эксплицитную. А последняя, в свою очередь, — на семантическую (что мы знаем) и эпизодическую (что мы помним).
Как отмечает Губайловский, именно эпизодическая память, формирующаяся в возрасте трех-четырех лет, и есть основа идентичности человека: если эпизодическая память разрушается при болезни Альцгеймера, человек уже не может ничего вспомнить, хотя еще многое знает.
Эпизодическая память активно взаимодействует с семантической памятью. То, что мы знаем, своеобразно коррелирует с тем, что мы можем вспомнить. Семантическая память первоначально формируется именно как эпизодическая: сначала мы помним не только, что мы узнали, но и когда и как мы это узнали — сохраняется весь комплекс восприятия, который сопровождал процесс узнавания.
Пока смерть не разлучит нас
Владимир Губайловский вспоминает миф о том, что каждые семь лет все клетки нашего тела обновляются. И развенчивает его: в нашем организме есть клетки, которые вместе с нами рождаются и умирают, — это клетки сердечной мышцы и нервной системы.
Они не делятся, как клетки кожи или внутренних органов. Если клетки сердца (например, после инфаркта) погибают, им нет замены. Аналогичная история с нейронами: после тяжелой травмы спинного мозга человек может остаться полностью или частично парализованным.
Количество нейронов коры головного мозга достигает максимума на 28–32 неделе пренатального периода, а к моменту рождения уменьшается на 70 %. Нейрогенез (рождение нейронов) и апоптоз (умирание) в последние недели беременности идет невероятно интенсивно. Погибшие нервные клетки уничтожаются макрофагами, попадающими в нервную систему из крови. Не менее интенсивно идет и процесс образования синапсов. К моменту рождения наиболее развиты синапсы сенсорно-моторной коры — количество соединений между ними быстро убывает до двух лет.
Потом развивается префронтальная кора, отвечающая, в частности, за социальные функции: на 3–6 лет приходится максимум синапсов (это что-то вроде чернового наброска, который потом «уточняется» и «переписывается»).
Полностью развившийся мозг содержит примерно 86,1±8,1 млрд нейронов, из которых 19 % — нейроны коры. Мозг постоянно перестраивается в зависимости от решаемых им задач: невостребованные нейроны отмирают, неработающие синапсы — стираются.
«Объем человеческого мозга достигает своего максимума к 30–40 годам (именно на этот возраст приходится максимум белого вещества — аксонов <...>), а потом <...> аксоны, которые отвечают за межнейронные связи, редуцируются, годам к восьмидесяти мозг сокращается и становится примерно таким же, как у семилетнего ребенка (по массе, но не по структуре)».
Ворох черного шлака
В рассказе Борхеса «Фунес памятливый» говорится о человеке, который помнил абсолютно все, что видел:
«Форму облаков в южной части неба на рассвете <...> он мог сравнить по памяти и с искусным узором кожаного переплета книги, который он видел только раз, и с воспоминаниями об очертаниях брызг, которые поднял гребец в Рио-Негро во время битвы Квебрахо. Эти воспоминания не были простыми: каждый зрительный образ был связан с мускульными ощущениями, тепловыми ощущениями и т. д. Он мог восстановить все свои мечты и фантазии. Два или три раза он воссоздал целый день».
В первой половине прошлого века жил очень похожий на Фунеса человек — Соломон Вениаминович Шерешевский, которого описал в своей работе «Маленькая книжка о большой памяти: Ум мнемониста» нейропсихолог Александр Романович Лурия (книга вышла спустя 25 лет после публикации рассказа Борхеса).
Шерешевский запоминал грандиозные таблицы цифр и букв (50 и более порядков), мог прочитать их по памяти подряд или чередуя как угодно. Он помнил всякую таблицу даже спустя 10–15 лет после каждого «мнемонического» сеанса. Он просто не мог их забыть.
Субъективно Шерешевский воспринимал запоминаемые буквы и цифры так: «они имеют форму. 1 — это острое число, независимо от его графического изображения это что-то законченное, твердое; 2 — более плоское, четырехугольное, беловатое, бывает чуть серое; 3 — отрезок заостренный и вращается; 4 — опять квадратное, тупое, похожее на 2, но более значительное, толстое; 5 — полная законченность в виде конуса, башни, фундаментальное; 6 — это первая за „5”, беловатая; 8 — невинное, голубовато-молочное, похожее на известь».
Как поясняет Владимир Губайловский, это феномен обостренной формы синестезии — когда воспринимаемые звуки окрашены, цвета звучат, тактильные ощущения дают зрительные образы, а увиденное может воздействовать тактильно: например, «уколоть». Объясняя, как он запоминает таблицы цифр, букв или слов, Шерешевский говорил, что выстраивает их вдоль длинной улицы, как ставил бы вещи, — а потом «идет мимо», видит их и перечисляет.
Соломон Шерешевский вспоминал любопытный случай из своей жизни: «Я подошел к мороженщице, спросил, что у нее есть. „Пломбир”, — она ответила таким голосом, что целый ворох углей, черного шлака выскочил у нее изо рта, — и я уже не мог купить мороженое».
Чтобы научиться забывать, мнемонисту приходилось стараться. Он нашел странное решение: фокусировался на воспоминании и давал себе команду: «Я не хочу это помнить, мне мучительно это помнить», — и это почему-то помогало.
Соломон Шерешевский
Лурия пишет о Шерешевском:
«Так он и оставался неустроенным <...> менявшим десятки профессий, из которых все были „временными”. Он выполнял поручения редактора, он поступал в музыкальную школу, он играл на эстраде, был рационализатором, затем мнемонистом, вспомнил, что он знает древнееврейский и арамейский языки, и стал лечить людей травами, пользуясь этими древними источниками... У него была семья: хорошая жена, способный сын, но и это все он воспринимал сквозь дымку. И трудно сказать, что было реальнее — мир воображения, в котором он жил, или мир реальности, в котором он оставался временным гостем...»
Логично; ведь способность забывать напрямую связана с умением быстрой адаптации в быстро меняющихся средах — в каковых мы и живем.
Нейронет и экзокортекс
Из книги Владимира Губайловского «Искусственный интеллект и мозг человека» мы также узнаем:
- о том, почему человек не рождается, чтобы читать, а «печатное слово приходится тщательно прикручивать болтами»;
- о соединении мозга и компьютерной сети (Нейронета), через которую сигналы одного мозга передаются в другой;
- о попытках создания экзокортекса (цифровой копии или дополнения коры головного мозга).
А еще о том, почему Илон Маск (и не только он) не исключает, что все мы живем внутри компьютерной симуляции.