США и Евросоюз форсируют исследования работы мозга: правительства и крупнейшие корпорации организуют мегапроекты конструирования искусственного мозга и «нейроморфных компьютеров». Речь идет о гигантских финансовых вложениях. Кроме «Генома человека», в биологии не было проектов такого масштаба. Мы решили разобраться, на что они надеются и получим ли мы в обозримой перспективе искусственный разу.

Человеческий мозг — самое сложное устройство в известной нам части мироздания. Каким волшебством этот розовый комок слизи рождает сознание, разум и весь субъективный мир? Как химические реакции могут определять наши душевные порывы? Как взаимодействие атомов может переходить в любовь и ненависть? Нет более интригующей тайны.

Со времен Декарта эта загадка вводила философов в ступор. Философов сменили исследователи — оптимистичные экспериментаторы, ищущие техническое решение любой проблемы. 1990-е годы были объявлены научным сообществом США и Европы «десятилетием мозга», но тайна осталась нераскрытой, хотя над ней в последние годы жизни с энтузиазмом бился даже великий Фрэнсис Крик, расшифровавший код ДНК.

Методы изучения мозговой активности даже близко не соответствовали уровню сложности мозга — это все равно что изучать компьютер по его гудению, вертя в руках его детали.

В 2005 году журнал Science, отмечая 125-летие, опросил ведущих ученых мира о главных проблемах, которые науке предстоит решить в ближайшие четверть века. Первые места заняли два вопроса: «Из чего состоит Вселенная?» и «Какова биологическая основа сознания?».

Прошло еще восемь лет, и настало время новой попытки, гораздо более масштабной, чем все предыдущие. После столетия экспериментов и совершенствования методов наука о мозге приступает к решительному штурму этой проблемы.

«Новая космическая гонка»

В февральском обращении к согражданам Барак Обама заявил:

«Настало время выйти на уровень научных исследований и разработок, невиданный с момента пика космической гонки».

Оказалось, предпринятые правительством США сокращения госбюджета не коснутся передовых научных разработок:

«Сейчас не время потрошить инвестиции в науку и инновации».

Напротив, президент США предлагает

«инвестировать в великие идеи» и раскошелиться на нацпроект, подобный «Геному человека».

«Каждый доллар, который мы вложили в создание карты человеческого генома, вернул по 140 долларов в нашу экономику — каждый доллар! А сегодня наши ученые создают карту мозга».

Обама имеет в виду «Карту активности мозга», планируемую ведущими научными учреждениями США. Это десятилетняя исследовательская программа, требующая бюджета порядка 3 млрд долларов (на «Геном человека» потратили 3,8 млрд долларов, а в экономику, согласно правительственному исследованию, вернулось уже 800 миллиардов, и это только начало).

Не только американцы готовы вкладывать миллиарды в изучение мозга, несмотря на экономический кризис. Затянувшие пояса страны Евросоюза только что скинулись на миллиард евро ради проекта «Человеческий мозг», цель которого ни много ни мало — создать действующую модель человеческого мозга.

Оказалось, прогрессу как воздух нужны мегапроекты, подобные Большому адронному коллайдеру, — без них не возникает фундаментальных прорывов, а развитие технологий уходит в совершенствование гаджетов и новых упаковок для старых идей.

В газетах пишут о начале «новой космической гонки». Мы, правда, на этот раз в ней не участвуем, у нас другие приоритеты: строительство одной только олимпийской дороги Адлер — Красная Поляна стоит дороже, чем американский и европейский проекты вместе взятые. Ну, а они-то за что сражаются?

Американский БАМ

В прошлом году в почитаемом специалистами журнале Neuron вышла статья Джорджа Чарча, профессора генетики из Гарварда, руководившего некогда проектом «Геном человека». Вместе с пятью коллегами он предложил начать проект «Карта активности мозга» (Brain Activity Map, или попросту ВАМ).

Цель — научиться регистрировать импульсы всех нейронов в мозге животного.

«Суть нашего предложения в том, чтобы создать технологии, которые позволят отслеживать каждый импульс каждого нейрона в мозге живого организма. Может быть, тогда мы поймем, что такое сознание или даже разные уровни сознания», — поясняет Чарч.

Рис. 1. Генри Маркрам, нейрофизиолог, профессор Швейцарского федерального технического института, директор Human Brain Project. Стоимость этого проекта составляет более миллиарда евро (для сравнения: весь бюджет Российского фонда фундаментальных исследований 0,5 миллиарда евро). Фото: Valentin Flauraud/Reuters.

Задача явно более дерзкая и рискованная, чем даже «Геном человека». В мозге почти в миллион раз больше синапсов (нейронных соединений), чем количество букв в геноме. И работать придется не с биоматериалами вроде крови или слюны, а с живым мозгом, принципы работы которого мы пока понимаем очень приблизительно.

Если «геном» означает совокупность всех генов организма, то полная карта нейронных соединений получила название «коннектом» (суффикс «-ом» сейчас вообще в моде). Пока единственный организм, для которого ученые смогли составить коннектом, это нематода — червячок длиной в миллиметр с тремя полами: мальчики, девочки и гермафродиты. У нематод традиционной сексуальной ориентации по тысяче нейронов, а у гермафродитов почему-то всего 302. Вот эти 302 нейрона и семь тысяч соединений между ними и удалось картировать еще в 1986 году после двенадцати лет упорного труда.

Потом на основании этой схемы сделали виртуальную нематоду — запрограммировали для нее виртуальную среду и попытались заставить модель червячка ползать по модели среды. Но толку от такой модели оказалось немного: простенькое поведение нематоды воспроизвести не получилось, потому что мы не знаем многих подробностей работы ее нервной системы.

Нужно создавать не просто коннектом, а функциональный коннектом — живую карту активности нервной системы в реальном времени. Отрабатывать технологию авторы проекта BAM планируют на каком-нибудь участке мозга дрозофилы, не превышающем 15 тысяч нейронов. На это отводится пять лет, в следующие пять лет они рассчитывают визуализировать работу всех 135 тысяч нейронов мозга дрозофилы, а затем перейти к более сложным объектам, состоящим из миллиона нейронов: нервной системе рыбки данио и мышиному гиппокампу.

Если все получится, они возьмутся за мозги братьев наших меньших: начиная с карликовой многозубки, самого маленького и простенького млекопитающего, и заканчивая приматами. Конечным ориентиром служит карта работающего человеческого мозга.

Наш мозг содержит около 100 миллиардов нейронов и почти в десять тысяч раз больше соединений — 1 квадриллион. Это невероятно запутанная сеть связей между нейронными ансамблями, которые соединяются в большие «оркестры» в зависимости от задачи, которая стоит перед мозгом. К тому же у разных людей они различаются.

— Четкой локализации функций в мозге вообще нет, — объяснил нам директор Института мозга человека РАН Святослав Медведев. — Вернее, ее имеют интерфейсы взаимодействия с миром, такие как механизм зрительного восприятия. А высшими формами деятельности занимается мозг целиком. В итоге четкое картирование мозга наподобие картирования генома человека невозможно. Одни поля коры мозга включены в какую-то человеческую деятельность больше, другие меньше, но мозг работает как единое целое.

Есть риск, что американский БАМ может превратиться в долгострой. Авторы проекта надеются, что создать карту активности мозга им поможет огромный флот наномашин, которые проникнут в мозг, сядут на каждый нейрон и будут регистрировать его активность. Все это звучит на грани бреда, но не для прагматиков из DARPA, Google и Microsoft, которые уже встречаются и обсуждают проект вместе с представителями государственных агентств и частных фондов. В марте «Карту активности мозга» собираются анонсировать на государственном уровне как нацпроект, затем планируется начать создание под нее сети государственных «обсерваторий мозга».

Искусственный мозг создадут в Нейрополисе

За несколько недель до выступления Обамы еврокомиссия выдала грант «Технологии будущего» размером в миллиард евро на проект «Человеческий мозг» (Human Brain Project, или HBP).

Цель затеи — создать «кремниевый мозг», то есть полноценную модель человеческого мозга на суперкомпьютере.

Полноценную — значит, мыслящую? Кажется, в этом не уверен даже директор проекта, профессор Швейцарского федерального технического института Лозанны Генри Маркрам.

— Создадим ли мы что-то разумное? Сознательность искусственного мозга мы не исключаем, ведь наверняка в работе нейронов есть нечто большее, чем просто импульсы. Но это уже философия, — поведал он в беседе с корреспондентом «РР».

С 2005 года Маркрам моделирует кору мозга с помощью суперкомпьютера Blue Gene, продвинутого потомка чемпиона по шахматам Deep Blue. Ученому удалось реалистично воспроизвести колонку из 10 тысяч нейронов — структурную единицу коры мозга крысы. Для моделирования колонки было задействовано 8192 процессора суперкомпьютера — каждый процессор моделировал по нейрону. Недавно Маркрам связал в нейросеть уже сто колонок — миллион виртуальных нейронов. Вскоре он рассчитывает создать модель крысиного мозга, работающую в режиме реального времени (то есть 1 секунда работы мозга будет моделироваться процессорами за 1 секунду).

Рис. 2. Фрагмент коннектома — полного описания связей между нейронами мозга (Фото: UCLA Human Connectome Project/MGH/dapd/AP).

Кора человеческого мозга тоже состоит из подобных колонок, в ней 20 миллиардов нейронов, и Маркрам берется построить ее виртуальный аналог менее чем за десятилетие.

— Возможно, через десять лет доклад о наших успехах будет делать голограмма с искусственным интеллектом, — говорит Маркрам участникам конференции TED, в то время как на экране мелькают бесконечные хитросплетения виртуальных нейронов.

Проблема тут не столько в количестве нейронов, сколько в качестве симуляции. В лаборатории нобелевского лауреата Джеральда Эдельмана еще в 2008 году была создана модель нейросети из ста миллиардов нейронов, но намного более простых и менее похожих на реальные.

Для того чтобы реалистично смоделировать человеческий мозг, в Швейцарии неподалеку от Лозанны строится Нейрополис — аналог CERN и Кремниевой долины для исследования мозга.

Нейрополис, первые лаборатории которого откроются уже в этом году, станет центром мегапроекта HBP, в котором уже участвуют 120 команд ученых из 90 институтов 22 стран.

О, дивный новый нейромир!

Космическая гонка привела людей на Луну, дала нам сотовую связь и навигаторы, ускорила разработку компьютеров, дала толчок ряду высокотехнологичных производств и всей экономике. А что даст гонка искусственных мозгов?

— Два миллиарда человек на планете страдают умственными расстройствами, а мы до сих пор пытаемся подобрать для них лекарства методом проб и ошибок, — говорит профессор Маркрам.

Он рассчитывает, что виртуальный мозг позволит понять причины психических болезней. На нем можно будет моделировать действие лекарств и других методов лечения. Об этом же говорит и американский президент:

«ВАМ даст детальную картину любой патологии, и мы поймем причины болезни Альцгеймера, шизофрении, депрессии, аутизма и других заболеваний мозга».

Локомотивом для медицины и всей экономики может стать разработка нанороботов, которые понадобятся для того, чтобы отслеживать активность каждого нейрона. Похожие наномашины смогут ремонтировать организм на клеточном уровне, а в дальнейшем, подобно бактериям, заполнят наш мир, сделав его разумным и управляемым.

Еще более масштабными последствиями грозит создание нейроморфных компьютеров, имитирующих функции мозга человека, — недаром IBM предоставила Маркраму суперкомпьютер Blue Gene и спонсировала сразу несколько проектов реконструкции мозга.

Компьютеры с классической архитектурой могут многое там, где дело касается перебора большого количества вариантов (как в игре в шахматы), но наивные надежды на то, что искусственный разум удастся создать, просто увеличивая их быстродействие, давно рухнули.

С 1970-х быстродействие компьютеров превзошло прогнозы в миллионы раз, а умнее они не стали. Оказалось, программы гораздо важнее «железа», но в области развития программного обеспечения уже десятилетия царят застой и уныние. Программы-переводчики переводят ровно так же беспомощно, как и двадцать лет назад; с распознаванием образов мы никуда не продвинулись; текстовые редакторы, браузеры и все программы для рядового потребителя не претерпели никаких принципиальных изменений.

Чтобы компьютеры поумнели, необходимо изменить основные принципы их работы. Например, создавать их на основе мемристоров. «Мемристор» — еще одно слово из актуального лексикона науки. Речь идет об электронных аналогах синапсов — соединений между нейронами мозга (каждый нейрон связан с остальными тысячами синапсов). Чтобы получить аналог мозга, мемристоры должны уметь образовывать новые связи (в этом суть обучения на нейронном уровне), но мы пока точно не знаем, как этот процесс происходит в настоящем мозге.

Потребность в нейроморфных, или, как их еще называют, когнитивных компьютерах очень велика и служит одним из главных двигателей «новой космической гонки». Дело в том, что мы все хуже справляемся с растущей по экспоненте лавиной данных, которая обрушивается на нас. Все сложнее извлекать полезную информацию из гигантских массивов медицинских записей, показаний приборов, сообщений прессы. Сегодня data science — наука о данных — одна из самых быстро развивающихся областей знаний, а специалисты по big data, большим массивам данных, самые востребованные на рынке.

— Нам нужны когнитивные компьютеры не для того, чтобы они заменили людей, — утверждает Джон Келли, директор по исследованиям IBM, — а для того, чтобы мы смогли выжить в мире гигантских объемов данных. Если мы не научимся извлекать из них информацию, эти данные погребут нас, мы начнем принимать гибельные решения.

Впрочем, заменить людей разумные нейророботы тоже смогут. Если можно создать искусственный аналог человеческого мозга, значит, можно сделать и нечто более мощное. И тогда, чтобы не стать домашними животными суперкомпьютеров, людям придется создавать усилители своего мозга.

Известный футуролог Рэй Курцвейл считает, что приближается время, когда мы создадим искусственный неокортекс, радикально расширяющий возможности нашего интеллекта. Носить его с собой не придется: мозги людей и компьютеров свяжет нейронет — сеть, которая станет следующим шагом в развитии нейроинтерфейсов, уже сейчас позволяющих управлять внешними объектами силой мысли. Настанет время симбиоза биологической и искусственной жизни. История людей как биологического вида закончится, начнется история постчеловечества — вида, который будет создавать сам себя.

Откуда берется разум?

Как и всегда, грядущие прорывы в понимании работы мозга и создании искусственного разума внушают оптимистам надежду, а пессимистам страх. Помимо восстания машин наши современники боятся, конечно, что расшифровка нейронного кода даст спецслужбам и прочим силам зла неограниченные возможности в чтении мыслей, контроле над сознанием и зомбировании населения. В США, где к правительству традиционно относятся с подозрением, такие страхи особенно сильны.

Оптимистов и пессимистов объединяет вера в то, что разум и сознание возникают сами собой из работы нейронной сети, как «бог из машины» (этим выражением в античности обозначали неожиданное разрешение запутанной ситуации, никак не следующее из естественного хода событий).

«Я — это мой коннектом», — заявил на конференции TED Себастьян Сеунг, профессор Массачусетского технологического института и один из ведущих разработчиков карт нейронных соединений. Накоплено немало данных в пользу этой гипотезы. Например, еще в 90-х было экспериментально доказано существование «нейрона Билла Клинтона», то есть нейрона, который активируется тогда и только тогда, когда мы вспоминаем экс-президента, независимо от того, читаем ли мы его имя, видим ли его изображение или припоминаем связанные с ним события. Активируясь, этот нейрон понижает порог возбуждения связанного с ним нейронного ансамбля, кодирующего близкие понятия: Хиллари, Моника, саксофон, «я вдыхал, но не затягивался» и т. п.

Видимо, в мозге человека существует нейрон, отвечающий за кодирование конкретных объектов, включая его бабушку (теорию, еще в 60-х предсказавшую существование таких нейронов, так и назвали — «теория нейрона моей бабушки»).

Но есть и данные, которые не согласуются с идеей о том, что все воспоминания и аспекты личности человека закодированы в соединениях нейронов. Начать можно с того, что мозг состоит не только из нейронов, в нем в десять раз больше так называемых глиальных клеток. До недавнего времени они считались «клетками второго сорта», созданными для того, чтобы кормить и ремонтировать нейроны. Но ряд исследований продемонстрировали, что они ведут оживленный диалог с нейронами и друг с другом с помощью химических сигналов, регулирующих активность нейронов и образование новых синапсов. Если это верно, то на большую часть мозга до последнего времени просто не обращали внимания.

А как быть с нейронами периферической нервной системы, да и со всеми прочими клетками тела? Почему нервные клетки способны порождать опыт, а другие клетки — нет? Ведь нейроны принципиально ничем от них не отличаются. К простым формам обучения и запоминания информации способны не только нервные сети, но и одноклеточные организмы, такие как амеба или инфузория. Чем они запоминают?

Возможно, секрет разума внутри клетки, а не снаружи. По одной из гипотез, субстратом, способным запоминать информацию и обрабатывать ее внутри клетки, служат микротрубочки, из которых состоит «скелет» клетки. Содержащийся в этих микротрубочках белок тубулин способен изменять свое состояние, переходя в одну из нескольких устойчивых позиций, и таким образом записывать информацию.

Как бы то ни было, моделируя «сферический мозг в вакууме», разум не создать: даже для маленькой нематоды вместе с мозгом пришлось моделировать тело и всю ее нехитрую среду. Наш разум формируется в активном взаимодействии с миром, а не является автоматической функцией сложного мозга.

Эти аргументы приводят скептики, которые, подобно знаменитому математику Роджеру Пенроузу, считают, что сознание и разум не могут чудесным образом возникнуть из обмена сигналами в сети, сколь бы сложной эта сеть ни была.

— Люди думают, что сознание происходит из какого-то сложного аспекта вычислительной активности, — объясняет Пенроуз. — Я смотрю на эту проблему совершенно иначе. По-моему, в мозгу происходит много вычислительной активности, но это — бессознательное. А сознание, на мой взгляд, это что-то принципиально иное. Понимание — это не вычисление. Происходит что-то еще. Я верю в науку и считаю, что все происходящее у нас в голове подчиняется тем же законам, которым подчиняется Вселенная вокруг нас. Но эти законы еще не до конца поняты нами. Я пытаюсь нащупать этот пробел в наших знаниях, это «что-то еще».

Сложно моделировать сознание, если мы не знаем, что это такое. Но если не заниматься научным штурмом загадок мозга, то так никогда и не узнаем.

Автор: Андрей Константинов.