Мозг. Как он устроен и что с ним делать

Нейросети. Нейроморфный чип




Много слов уже сказано о том, как устроены нейросети. На примере отдельных систем мы увидели, как нервные клетки разных структур выстраиваются в нейронные сети, чтобы обрабатывать информацию, связанную с обеспечением той или иной функции. В каком-то смысле кортикальную колонку тоже можно считать нейросетью, только миниатюрной. Некоторые нейрофизиологи весь мозг считают одной большой нейросетью.

Несмотря на то что в 2017 году появилось исследование с выводами о том, что дендриты работают сложнее, чем принято думать, инженеры и программисты не оставляют попыток создать искусственную нейросеть. Именно на нее многие возлагают надежды, связанные с искусственным интеллектом.

Так, в том же 2017 году компания Intel представила нейроморфный процессор Loihi, который является ключевым компонентом для создания сложноорганизованной системы искусственного интеллекта.

«Нейроморфный» намекает на его схожесть с устройством и принципами работы нервной системы. Но, как вы уже успели убедиться, до настоящей нейроморфности таким устройствам еще далеко.

Что же уникального в этом процессоре? Сам он, по заявлению создателей, хоть и грубо, но имитирует работу нейронов. Мы уже выяснили, что имитировать ее он не может, поскольку совсем недавно были серьезно пересмотрены функции дендритов. Но давайте закроем на это глаза и допустим, что, пусть и очень приблизительно, такой чип способен подражать работе мозга. Последняя его версия (2019 года) будет включать в себя около 100 миллиардов синапсов. Звучит внушительно. Это серьезное заявление, потому что примерно таким потенциалом обладает мозг мыши. Смоделировать даже такой мозг – задача крайне сложная. Этот процессор сможет производить весьма внушительное число операций в минуту. Подумайте, сколько всего вынужден решать мозг мыши (одно регулирование деятельности внутренних органов чего стоит, а сколько различных поведенческих программ).

Как вы понимаете, мозг человека содержит значительно большее количество синапсов. Предположительно, их число может доходить до 3 000 000 000 000 000 (трех квадриллионов). Это в 30 тысяч раз больше, чем в чипе Intel. Далековато пока ему до человеческого мозга. Но, возможно, это только начало. Конечно, процессор вряд ли когда-нибудь будет копировать мозг на 100 %. Да и нужен ли он?

Сейчас ведется немало разговоров о том, что такое искусственный интеллект (ИИ) и как его определять. Ряд исследователей считает, что пока не существует ни электронно-вычислительных устройств, ни даже математических моделей, работающих по принципу функционирования человеческого мозга. Да и вообще, по их мнению, о современном компьютере нельзя говорить как об искусственном интеллекте. Если же определить ИИ как некий инструмент, способный решать ту или иную интеллектуальную задачу, даже обычный смартфон вполне можно считать таковым.

Получается, наши телефоны по своей сути – варианты устройств с ИИ. С помощью программных алгоритмов они даже могут неплохо обучаться. Уже давно на телефоны устанавливаются самообучающиеся словари, голосовые помощники, системы интеллектуального поиска.

И тогда возникает вопрос: может, и не надо вовсе копировать мозг? Сейчас доработают квантовый компьютер, и можно будет вообще забыть о том, что существует какой-то мозг.

К примеру, для защиты наших банковских карт используется достаточно серьезная математика. Когда вы вставляете карту в банкомат, его компьютер делит некое привязанное к карте число на ваш ПИН-код. Причем делит он так, чтобы получился целый ответ. В таком случае вероятность, что злоумышленник сможет подобрать ПИН-код от вашей карты, практически равна нулю. Почему? Потому что, используя самый мощный на сегодняшний день компьютер, ему придется подбирать число миллиарды лет (в прямом смысле). Как вы понимаете, у злоумышленников нет времени столько ждать, поэтому они используют другие приемы, например крадут ПИН-код или взламывают смартфоны доверчивых пользователей.

На секунду подумайте: для того чтобы просто подобрать четыре цифры, даже суперкомпьютеру придется возиться миллиарды лет! А мозг человека делал бы это до конца существования нашего Солнца, так и не получив результата. А теперь приготовьтесь к самому интересному. Устройтесь поудобнее, чтобы вам было максимально комфортно. Готовы?

Квантовый компьютер подберет ПИН-код за несколько секунд. Точка.

Процессор обычного компьютера перебирает весь программный код (состоящий из единиц и нулей) последовательно, цифру за цифрой. Это как если бы вы имели длинные бусы, но всякий раз, чтобы добраться до той или иной бусины, вам приходилось бы перебирать каждую с некоторого условного начала. Так работает сегодня практически вся электронно-вычислительная техника на полупроводниках (это все домашние компьютеры, ноутбуки, планшеты). Но квантовому компьютеру не нужно будет последовательно перебирать все бусины. Он сможет работать со многими бусинами одновременно.

Квантовый компьютер будет использовать для вычисления более сложные квантово-механические эффекты: квантовую запутанность и квантовый параллелизм. Это станет возможным благодаря тому, что квантовый компьютер устроен иначе. Он сможет, например, использовать кольца из сверхпроводящей пленки, в которых ток течет в разных направлениях. За счет этого в один и тот же промежуток времени реализуется гораздо больше вычислительных операций с нулями и единицами. То есть квантовый компьютер будет способен выполнить одновременно тысячи таких же вычислительных процессов, какие полупроводниковый выполняет последовательно.

А теперь представьте, на что еще он будет способен?

Теоретически такой компьютер сымитирует человеческий мозг в два щелчка. И, скажем, общаясь через ширму, вы вообще никогда не отличите его от живого человека. Более того, вам будет казаться, что вы разговариваете чуть ли не с самим Эйнштейном! Но есть кое-что еще страшнее: такой компьютер будет «умнее» Эйнштейна. Модели подобных устройств пока только создаются, однако вполне вероятно, через 15–20 лет мы сможем увидеть квантовые компьютеры на массовом рынке.

Пугает? Но не всех. Для некоторых исследователей подобные идеи кажутся настолько заманчивыми, что они уже несколько десятилетий предпринимают попытки встроить компьютеры и чипы прямо в мозг живого человека. Возможно ли это с точки зрения нейробиологии?



Между «мертвым» и «живым»

Мозг – живая ткань, а кремниевый чип – мертвая технология. Так думают многие. Так же считало немалое число биологов. Пока не начались эксперименты. Однако давайте, хоть и кратко, поговорим обо всем по порядку.

Нашему мозгу доступно не так уж много информации из окружающего мира. К примеру, воспринимаемые цвета – это электромагнитное излучение. Его волны отражаются от предметов и попадают на палочки и колбочки наших глаз. А далее происходит «волшебство». Мозг по длине волны и другим ее характеристикам определяет, что за цвет перед нами. В сетчатке есть светочувствительные молекулы. Сами волны при взаимодействии с сетчаткой ведут себя уже как частицы (фотоны). Светочувствительные молекулы поглощают фотоны, после чего меняется их химическая структура. И это спусковой механизм для возникновения зрительного возбуждения (импульса).

Затем, уже по количеству импульсов и по тому, от каких элементов они пришли, в зрительной и ассоциативной коре (пропустив предварительно через таламус) мозг может все это преобразовать в цветную картинку.

Примерно то же самое происходит и со слуховыми стимулами. Только там, вместо фотонов света, работают звуковые волны (которые представляют собой конфигурацию молекул воздуха). Молекулы воздуха как бы бьют клеточные элементы внутреннего уха, что приводит к возникновению возбуждения.

Так вот, как в случае со зрением, так и в случае со слухом мы воспринимаем лишь малую долю сигналов. Все дело в том, что у нас нет чувствительных органов, способных воспринимать, к примеру, ультрафиолет или инфракрасное излучение.

Если вы думаете, что наши глаза, уши, кончики пальцев воспринимают объективную реальность, то это не так. У нас нет сенсоров, способных почувствовать и одну миллионную того, что нас окружает.

Разные существа воспринимают разные части реальности. Нам уже известно, что клещ ориентируется на запах масляной кислоты. Для него нет ни радуги, ни Лунной сонаты Бетховена. Для летучих мышей вся реальность состоит из эхолокационных сигналов, представляющих собой механические колебания молекул воздуха.

Для описания феномена ограниченности восприятия есть даже термин – умвельт (от нем. Umwelt – «окружающий мир»). Можно сказать, что умвельт – это доступный для того или другого организма окружающий мир. Клещ «полагает», что его умвельт (беззвучная тьма и тепловое излучение кожи с молекулами масляной кислоты) и есть объективная реальность.

На самом деле и мы воспринимаем объективную реальность такой, какой она нам представляется. Но ведь по факту она значительно сложнее и объемнее! Причем науке до конца не ясно, насколько она сложна.

Поэтому вопрос о возможности расширения наших способностей сводится к тому, чтобы помочь нам выбраться за пределы нашего умвельта. И кое-чего мы достигли. У многих тысяч людей с нарушениями слуха встроены кохлеарные импланты. Это устройства, которые преобразуют электрические импульсы от микрофона в сигналы, понятные нервной системе.

До середины XX века полагали, что невозможно соединить технологии с живой тканью нервной системы. Но все изменилось после удивительного эксперимента 1969 года, когда исследователи усадили незрячих людей в стоматологическое кресло с решеткой-матрицей из соленоидов на спинке. Ученые подключили камеру, которая передавала сигнал на решетку. Захваченное с камеры изображение вдавливалось людям в спину за счет изменения конфигурации соленоидов решетки. Через некоторое время совершенно слепые люди научились очень хорошо понимать («видеть») то, что снимала камера. Они видели спиной!

Современный вариант такой технологии представляет собой небольшую сетку, которая крепится к языку незрячего человека. Поступающее изображение с камеры превращается в ряд электрических сигналов, а уже мозг их расшифровывает. Сегодня люди «видят» языком.

По правде говоря, мозг ничего не видит, не слышит и не осязает. Он плавает в темной черепной коробке, омываемый спинномозговой жидкостью. По сути, он получает электрохимические сигналы с кабелей, идущих от разных систем чувствительности. Но за миллиарды лет эволюции нервной системы мозг научился распознавать эти самые сигналы просто виртуозно!

Еще в первой части мы с вами выяснили, что мозгу все равно, откуда приходят сигналы. Если пути от глаз подвести к слуховой коре, мозг будет «видеть» слухом. Это называется сенсорным замещением. В мозг информация попадает по не совсем стандартным каналам восприятия, но он все равно способен ее декодировать. Этим объясняется, почему в эксперименте с «видением» спиной мозг распознавал картинку с камеры. Он просто разбирается, что делать с сигналом в зависимости от ситуации и своих возможностей. По своей природе наш мозг – универсальная вычислительная машина.


Ключевое слово в этом определении – «универсальная».

Однако можно ли расширить умвельт? В 2015 году известный нейробиолог Дэвид Иглмен во время выступления на конференции TED представил вариант устройства, передающего информацию из интернета прямо в мозг. В течение пяти секунд человек получает данные на специальный жилет, декодирующий сигнал на спине (по тому же принципу, как решетки с соленоидами на спинке стоматологического кресла). Испытуемый смотрит на экран, перед ним две кнопки. Он нажимает на одну из них и получает какой-то ответ (например, рожицу с эмоцией разочарования). На самом же деле человек даже не знает, что за данные из интернета передаются ему на жилет.

А принимает он данные с фондовой биржи. Кнопки означают принятие или отклонение сделки. Если сделка удачная – появляется счастливая физиономия, если нет – разочарованная. И сейчас ученые ищут ответ на вопрос: сможет ли мозг интерпретировать данные с биржи с помощью дополненного умвельта. В настоящий момент исследования в этой области продолжаются, окончательных выводов не получено. Но теоретически это вполне возможно.

Представьте, как изменится мир, если мы научимся «чувствовать» интернет (практически в обход сознания). Мы ведь так же сможем чувствовать автомобиль, смартфон, да что там – мир вокруг нас. Если раньше подобные идеи считались запредельной фантастикой, то сегодня это уже вполне осязаемая реальность.



Нейрокоммуникации и нейробыт

В настоящее время активно разрабатываются так называемые нейрокомпьютерные интерфейсы. Это устройства, способные соединять мозг с компьютером. Условно можно разделить интерфейсы на инвазивные (то есть требующие прямой доступ к мозгу) и неинвазивные.

Инвазивные интерфейсы подключаются обычно прямым введением электродов в тот или иной участок мозга. В 2018 году вышла работа с описанием исследований, в ходе которых испытуемых научили превращать электрические сигналы в мозге в команды для обыкновенного компьютера. Электроды вживили в моторную кору. Когда испытуемые представляли, что двигают курсором на экране, имплант декодировал информацию и передавал на компьютер. Так испытуемым удалось научиться перемещать курсор и кликать по нужным кнопкам «силой мысли». Испытуемые даже смогли заказать продукты в онлайн-магазине.

Подобные инвазивные нейроинтерфейсы уже давно помогают парализованным людям. К примеру, несколько лет назад были созданы устройства, передающие информацию из мозга на внешнюю роботизированную руку. Испытуемые научились управлять этой рукой, используя мысленные команды.

Но получение доступа к мозговой ткани – достаточно опасная затея. В настоящее время ведутся разработки в области создания интерфейсов, работающих по принципу ЭЭГ. Этот подход не требует вскрытия черепной коробки, а сигналы из мозга получают с помощью чувствительных электродов. Такая технология значительно безопаснее и дешевле инвазивных аналогов. Сейчас такие технологии используют для тренировки внимания. Человек через механизмы биологической обратной связи получает информацию о состоянии своего внимания. В таком виде интерфейс «мозг – компьютер» выполняет роль физиологического зеркала. Человек может не только видеть изменения своих когнитивных функций, но и сознательно регулировать их.

Однако некоторые ученые полагают, что со временем и ЭЭГ-устройства уйдут в прошлое. Уже сегодня ведутся разговоры о покрытии мозга наночастицами, которые будут обрабатывать и передавать сигналы, поступающие из мозга, на внешние устройства. Никаких электродов, никаких проводов.

Как вы понимаете, мы плавно движемся в сторону «чтения» мыслей. Представьте, сколько будут платить рекламодатели за данные из вашего мозга.

Помимо соединения мозга с компьютером, уже сегодня стало возможным создание интерфейса «мозг – мозг». Вот представьте: жили вы с супругом и захотелось вам объединиться – быть уже не «половинками», а единым целым. Пожалуйста!

А началось все с эксперимента 2013 года, когда Раджеш Рао и Андреа Стокко связали свои два мозга в единую систему. У одного из исследователей регистрировалась электроэнцефалограмма и производилось декодирование двигательных программ работы мозга. Как вы уже знаете, за подобную активность отвечает двигательная кора. Второй исследователь находился в другом конце университетского городка Вашингтона, и к его голове была подведена стимулирующая магнитная катушка.

Регистрируемый сигнал из мозга первого исследователя (Раджеша Рао) через интернет передавался на компьютер, управляющий работой стимулирующей магнитной катушки. Исследователи играли в игру, где необходимо решать, в какой момент открыть огонь по мишени. Когда Раджеш Рао принимал решение, что пора атаковать, сигнал из его мозга через интернет посылался на магнитную катушку над головой Андреа Стокко. Палец последнего нажимал на кнопку как бы самопроизвольно, минуя механизмы принятия решения. То есть мозг Рао управлял командами в мозге Стокко.

Мы все ближе подбираемся к теме не просто манипулирования людьми, а возможности прямого управления ими (то есть нами). История про бионического солдата «Робокопа» из одноименного фильма становится все ближе к реальности.

Совсем недавно, в 2018 году, исследователи пошли дальше и связали воедино уже не два мозга, а целых три! Принцип работы интерфейса «мозг – мозг» был тем же. У двух испытуемых регистрировалась активность мозга с помощью ЭЭГ.

На этот раз для тестирования технологии использовался аналог всем известной игры «Тетрис». Двое испытуемых смотрели на экран и мысленно принимали решение разворачивать падающую фигуру. В свою очередь третий испытуемый не имел доступа к экрану, а лишь получал информацию от первых двух игроков (посредством стимуляции затылочной зрительной коры). Его задачей было, основываясь на полученной информации, принять окончательное решение: повернуть фигуру или оставить в том же положении.

Так вот, точность правильных решений составила более 81 %. Авторы использовали различные протоколы экспериментов, чтобы удостовериться в корректности наблюдений. К примеру, они отправляли сигнал от одного из испытуемых, наблюдавших за экраном, с сильным шумом. И тогда мозг третьего игрока определял, что информация от другого испытуемого (без шума) более надежная! По сути, третий игрок заглядывал в мозги сразу двум игрокам одновременно!

Из всего изложенного выше можно сделать два вывода: мы все ближе к созданию устройства, в будущем способного напрямую декодировать активность мозга и «читать» мысли; в скором времени, вполне вероятно, появится «социальная сеть» из соединенных мозгов. А затем из мозгов и присоединенного к ним квантового компьютера.

И как вы понимаете, на этом человечество закончится. По крайней мере в том виде, в котором оно существует сегодня… Начнется нечто иное, пока, возможно, даже нас пугающее, но кажущееся уже вполне реальным.



«Стимуляторы» мозга

Раз уж мы заговорили о технологиях, расширяющих психофизиологические возможности мозга, скажем несколько слов и о методах стимуляции. В нейроэкономических экспериментах применялись методы транскраниальной магнитной стимуляции.

Помимо магнитной стимуляции, существует и электрическая. Сегодня ведутся дискуссии о реальных возможностях данных методов. Очень соблазнительно простимулировать мозг магнитом или током и стать вдруг на порядок умнее. Но что нам об этом известно?

Процедура транскраниальной стимуляции током выглядит следующим образом. Пациента усаживают в удобное кресло. Просят полноценно поесть за пару часов до эксперимента и быть выспавшимся. Во время процедуры к голове пациента прикрепляют электроды малой площади, по которым проходит постоянный слабый ток, обычно не превышающий 4 миллиампер (мА). Электроды смачивают солевым раствором и помещают на желаемые позиции. Ток воздействует на клетки головного мозга, изменяя функциональное состояние различных звеньев центральной нервной системы.

Сеанс стимуляции может длиться в районе получаса.

Сам по себе ток, передаваемый стимулятором, недостаточно сильный, чтобы вызвать потенциал действия (и проведение нервных импульсов), но есть подпороговый эффект стимуляции, то есть увеличивается или уменьшается порог возбудимости клеток мозга.

Таким образом, стимуляция может работать, усиливая или ослабляя передачу импульсов между нейронами, увеличивая пластичность связей между клетками, которая является клеточной основой обучения (вспомните работы Эрика Кэндела). И тут важно понять вот что: сама по себе стимуляция ничего не улучшает. Но если параллельно со стимуляцией производить обучение, эффект будет получен.



Голова превращается обратно в тыкву ровно в полночь

Итак, с помощью стимуляции можно упрочнить запоминание информации и выработку нового навыка во время обучения. Как ее применить – дело вашей фантазии. Хоть заучивайте таблицы Брадиса, хоть повышайте скорость реакции в компьютерных играх (есть результаты).

Но важно понимать, что для ряда когнитивных характеристик эффект после стимуляции по продолжительности приблизительно равен длительности самой стимуляции. К примеру, в исследованиях, когда нейроэкономисты отключали цингулярную или дорсолатеральную кору, испытуемые меняли решение только на время, а затем все возвращалось на свои места. Это как в знаменитой сказке про Золушку, когда карета вновь превращалась в тыкву. Вот так же и наша голова по прошествии какого-то времени возвращается к исходному состоянию.

Такое положение дел хорошо проиллюстрировано в экспериментах Винсента Кларка 2010 года, когда солдат просили играть в компьютерную симуляцию, где нужно было учиться хорошо ориентироваться на местности и быстро реагировать в различных ситуациях.

После стимуляции током силой 0,1 мА точность реагирования на стимулы возрастала более чем на 14 %. А после 2 мА – почти на 27 %!

К сожалению, как заключали сами авторы исследования, после окончания стимуляции эффект пропадал достаточно быстро.

Итак, мы выяснили, что для обучения и повышения скорости реакции характерен временный эффект. Но универсально ли правило?

В некоторых исследованиях достаточно убедительно продемонстрирована положительная динамика в лечении депрессии методом электрической стимуляции. Было проведено достаточно много экспериментов с применением как магнитной стимуляции (ТМС), так и стимуляции электрическим током.