Полная эмуляция головного мозга человека

В процессе полномасштабного имитационного моделирования головного мозга, который мы называем «полная эмуляция мозга» или «загрузка разума», искусственный интеллект создается путем сканирования и точного воспроизведения вычислительной структуры биологического мозга. Таким образом, приходится всецело черпать вдохновение у природы — крайний случай неприкрытого плагиата. Чтобы полная эмуляция мозга прошла успешно, требуется выполнить ряд определенных шагов.

Первый этап. Делается довольно подробное сканирование человеческого мозга. Это может включать фиксацию мозга умершего человека методом витрификации, или стеклования (в результате ткани становятся твердыми, как стекло). Затем одним аппаратом с ткани делаются тонкие срезы, которые пропускают через другой аппарат для сканирования, возможно, при помощи электронных микроскопов. На этой стадии применяется окраска материала специальными красителями, чтобы выявить его структурные и химические свойства. При этом параллельно работают множество сканирующих аппаратов, одновременно обрабатывающих различные срезы ткани.

Второй этап. Исходные данные со сканеров загружают в компьютер для автоматической обработки изображений, чтобы реконструировать трехмерную нейронную сеть, отвечающую за познание в биологическом мозгу. Дабы сократить количество снимков в высоком разрешении, которые необходимо хранить в буфере, этот этап может выполняться одновременно с первым. Полученную карту комбинируют с библиотекой нейровычислительных моделей на нейронах разного типа или на различных нейронных элементах (например, могут отличаться синапсы). Некоторые результаты сканирования и обработки изображений с применением современной технологии показаны на рис. 4.

Рис. 4. Трехмерная реконструкция срезов, проведенная нейроанатомическим методом (изображения под электронным микроскопом).Слева вверху: дендриты и аксоны — типовой электронно-микроскопический снимок, показывающий поперечное сечение нейронов. Справа вверху: объемная реконструкция среза сетчатки глаза кролика, полученная по снимкам сканирующего электронного микроскопа[116]. Отдельные двумерные снимки «складываются» в куб со стороной примерно 11 мкм. Внизу: реконструкция подмножества нейронных проекций, составляющих нейропиль, созданная с помощью алгоритма автоматической сегментации[117].

Третий этап. Нейросетевая вычислительная структура, полученная на предыдущем этапе, загружается в довольно мощный компьютер. В случае полного успеха результат станет цифровой копией исходного интеллекта с неповрежденной памятью и нетронутым типом личности. Эмуляция человеческого разума теперь существует в виде программного обеспечения на компьютере. Разум может как обитать в виртуальном пространстве, так и взаимодействовать с реальным миром при помощи роботизированных конечностей.

Работа над полной эмуляцией мозга не предполагает, что исследователи должны разбираться в процессе познания или программировании искусственного интеллекта. Им нужно лишь быть высокими профессионалами в таком вопросе, как низкоуровневые функциональные характеристики базовых вычислительных элементов мозга. Для успешно проведенной эмуляции не потребуются ни фундаментальные концепции, ни теоретические открытия.

Без применения самых передовых технологий полная эмуляция головного мозга практически неосуществима. Прежде всего нужно, имея в наличии необходимое оборудование и соблюдая все условия, провести три главные манипуляции:

1)-сканирование — высокопроизводительные микроскопы с хорошим разрешением, дающие возможность обнаружить нужные свойства;

2)-трансляция — автоматизированный анализ изображений для перевода исходных данных сканирования в связанную трехмерную модель из релевантных вычислительных элементов;

3)-моделирование — компьютер, достаточно мощный для обработки полученной оцифрованной структуры.

По сравнению с перечисленными этапами, связанными с довольно напряженным и высокоточным трудом (см. табл. 4), покажется относительно незамысловатым делом разработать базовую виртуальную реальность или роботизированную внешность с аудиовизуальным каналом для ввода данных и каким-нибудь простым каналом для их вывода. Отвечающие минимальным требованиям простые системы ввода и вывода, похоже, можно получить, даже с помощью имеющихся под рукой технологий и оборудования[118].

Таблица 4. Технологии, необходимые для полной эмуляции мозга человека

Мы неслучайно надеемся, что необходимые инновационные технологии пусть не в ближайшем будущем, но когда-нибудь станут достижимыми. У нас уже существуют более или менее точные компьютерные модели многих типов биологических нейронов и нейронных процессов. Разработано программное обеспечение для распознавания образов, способное отследить аксоны и дендриты в стопке двумерных изображений (хотя их точность еще предстоит повысить). Имеются средства съемки с нужным разрешением — с помощью сканирующего туннельного микроскопа можно «увидеть» отдельные атомы, причем с разрешением гораздо выше необходимого. Полная эмуляция головного мозга человека потребует весьма мощного технологического прорыва — и это отлично понимают все исследователи; однако имеющийся на сегодняшний день багаж знаний и возможностей дает все основания полагать, что нет никакого непреодолимого барьера для появления нужных технологий[119]. Например, необязательно иметь микроскопы с высочайшим разрешением — должны быть просто очень мощные микроскопы. Слишком затратно по времени и стоимости использовать для съемки исследуемого материала туннельные сканирующие микроскопы с атомным разрешением. Наверное, более оправданным стало бы применение электронных микроскопов с меньшим разрешением, что, естественно, потребует лучшего обеспечения видимости важных элементов, скажем, синаптической микроструктуры, — в свою очередь, это повлечет разработку новых методов подготовки и окраски кортикальной ткани. Уже пора задуматься над такими вопросами, как расширение нейровычислительных библиотек, усовершенствование автоматизированной обработки образов и интерпретации результатов сканирования.

Осуществимость полной эмуляции головного мозга человека не зависит от теоретических разработок так сильно, как, скажем, создание искусственного интеллекта; загрузка разума в основном возлагается на технологические возможности. Требования к технологиям определяются лишь уровнем абстракции, на котором происходит эмулирование. В этом смысле придется искать баланс между теорией и технологией. С одной стороны, чем слабее наше сканирующее оборудование, чем менее производительны компьютеры, тем меньше мы можем рассчитывать на низкоуровневое имитационное моделирование физико-химических процессов головного мозга и тем больше потребуется теоретического понимания вычислительной архитектуры, которую мы стремимся моделировать, чтобы создать более абстрактные представления значимой функциональности[120]. С другой стороны, при достаточном количестве и качестве передовой сканирующей техники и сверхмощных вычислительных средств нам вряд ли понадобятся сильная теоретическая подготовка и профессиональные знания о происходящих в мозгу процессах — ведь при условии «технологического изобилия» мы сможем решить задачу моделирования методом простого перебора — то есть элементарно «в лоб». Правда, есть третий вариант: давайте проведем эмуляцию мозга на уровне элементарных частиц, то есть отнесемся к мозгу как к квантовомеханической системе и решим нашу проблему с помощью уравнения Шрёдингера. В этом случае — совсем крайнем по своей маловероятности — нам придется вовсе абстрагироваться от биологической модели и опираться исключительно на существующие знания физики. Но все размышления на тему элементарных частиц умозрительны, поскольку сразу возникает вопрос о требованиях, которые будут предъявляться к вычислительной мощности и обработке данных, — условия для нас совершенно невыполнимые. Гораздо более правдоподобным вариантом могла бы стать эмуляция отдельных нейронов и их матрицы смежности с построением структуры их дендритных деревьев и, возможно, каких-то статических переменных, описывающих индивидуальные синапсы; при этом, не трогая по отдельности молекулы-нейротрансмиттеры, возможно будет моделировать изменение их концентрации в виде грубой структуры.

Чтобы оценить осуществимость полной эмуляции головного мозга человека, необходимо определить критерии удачного завершения процесса. Вряд ли ученые стремятся создать детальную и точную модель мозга, которую можно было бы подвергать воздействию последовательности определенных стимулов, и на основании результатов точно предсказывать «поведение» биологического мозга. Безусловно, нет. Они хотят всего лишь воспроизвести вычислительные функциональные свойства мозга в таком объеме, чтобы использовать полученный эмулятор для выполнения интеллектуальных задач. При подобном целеполагании можно не принимать во внимание многие компоненты биологического мозга с его довольно сложными и запутанными структурами.

Чтобы понять, насколько удачно проведена эмуляция, следует оценить, в какой степени удалось сохранить церебральные функции обработки информации в полученном эмуляторе. Для этого придется провести более глубокий анализ. Например, можно выделить следующие виды эмуляторов мозга:

1)-высокоточная модель — сохраняет всю совокупность знаний, навыков, возможностей и ценностей биологического мозга;

2)-искаженная модель — с выраженными нечеловеческими задатками, но в основном способна выполнять ту же умственную работу, что и биологический мозг;

3)-обобщенная модель (может быть искаженной) — в некотором смысле ребенок, лишенный навыков и воспоминаний, приобретенных биологическим мозгом взрослого человека, но способный научиться большинству вещей, которым обучается среднестатистический человек[121].

Если мы пойдем по этому пути, то естественно предположить, что высокоточная модель мозга в конце концов будет осуществлена, но первая модель, которую нам удастся создать, по всей видимости, окажется совсем простой. Прежде чем получить нечто, идеально работающее, вероятно, придется сделать нечто, работающее пока еще несовершенно. Более того, не исключено, что выбор такого пути, как эмуляция мозга, приведет нас к созданию нейроморфного ИИ, который будет основан на обнаруженных в процессе эмулирования принципах нейровычислительной системы и композиционных подходах. Скорее всего, этот промежуточный вариант появится раньше завершения полномасштабного имитационного моделирования головного мозга. Допустимость появления побочного результата вроде нейроморфного ИИ заставляет серьезно задуматься, стоит ли ускорять развитие технологии эмулирования, — более подробно мы рассмотрим этот вопрос в одной из следующих глав.

Насколько далеки мы сегодня от построения полной компьютерной модели мозга? В одной из недавно опубликованных работ приводится технический сценарий и делается вывод — правда, с широким интервалом неопределенности[122], — что все необходимые условия будут созданы к середине нашего века[123]. Основные контрольные точки этого пути показаны на рис. 5. Однако кажущаяся простота сценария может быть обманчива: нам не следует недооценивать объем предстоящей работы. Пока еще не удалось разработать ни одну компьютерную модель биологического мозга. Возьмем Caenorhabditis elegans — прозрачный круглый червь (нематода), длиной около одного миллиметра и имеющий всего 302 нейрона. Это скромное неприметное создание служит для науки модельным организмом. Его коннектом, то есть полное описание структуры связей его нейронов, известен с середины 1980-х годов. Матрица связей была составлена после тщательно проделанной работы по подготовке материала: разделение ткани на слои, исследование под электронным микроскопом и нанесение маркировки на образцы вручную[124]. Но нам недостаточно просто видеть, как нейроны связаны друг с другом. Чтобы сконструировать компьютерную модель мозга, нужно знать, какие синапсы — возбуждающие, а какие — тормозящие; понимать устойчивость связей, а также различные динамические свойства аксонов, синапсов и дендритов. Полной информации пока нет даже в описании такой простой нервной системы, как у C. elegans (хотя сейчас это вполне доступно сделать в рамках целевого исследовательского проекта среднего размера)[125]. Успех, достигнутый при эмуляции крошечного мозга червя C. elegans, поможет лучше оценить тот путь, который нам предстоит пройти, чтобы провести эмуляцию мозга более крупных размеров.

Рис. 5. Сценарий полной эмуляции мозга. Схематично изображены входные параметры, задачи и контрольные точки[126].

На определенной стадии развития технологий, когда появятся методы автоматического эмулирования небольших фрагментов тканей мозга, останется решить проблему масштабирования. Обратите внимание, что символическая «лестница», изображенная на рис. 5, передает последовательность шагов, которые должны быть пройдены для достижения цели. Каждая ступень лестницы соответствует определенной стадии полной эмуляции мозга — стадии, становящейся все более сложной с точки зрения строения нервной системы организмов, например: нематода?пчела?мышь?макака-резус?человек. Поскольку разрыв между ступенями — по крайней мере после первого шага — носит характер скорее количественный, чем качественный, и определяется (в большей степени, хотя и не полностью) разницей в размерах моделируемого мозга, его можно преодолеть за счет относительно прямолинейного увеличения возможностей сканирования и моделирования[127].

Когда мы дойдем до последней ступени лестницы, перспектива осуществления компьютерной модели человеческого мозга станет более ясной[128]. Как только вдруг мы услышим о высокопроизводительном сканирующем оборудовании и сверхмощных компьютерах, то есть таком аппаратном обеспечении, которого не хватало, чтобы приступить к последнему этапу моделирования в реальном масштабе, — его появление послужит для нас предупредительным сигналом, что мы готовы вступить на путь полной эмуляции головного мозга и через какое-то время, возможно, окажемся в зоне действия искусственного интеллекта человеческого уровня. Но если последним недостающим звеном станет нейромоделирование, переход от невзрачных прототипов к работающей модели головного человеческого мозга может быть более резким. Тогда представим сценарий, по которому неожиданно обнаруживается — при всем изобилии программ для сканирования и быстродействующих компьютеров, — что модели биологических нейронов довольно трудно заставить работать правильно. Конечно, мы в конце концов справимся с этим глюком, и наши абсолютно беспомощные нейромодели, до той поры будто бы пребывавшие в обморочном состоянии после большого эпилептического припадка, бодро и согласованно возьмутся за дело. В этом случае успеху не будет предшествовать долгая череда эмуляций мозга живых организмов, чьи размеры последовательно возрастают — от червя до обезьяны; а научные изыскания не будет сопровождать вереница газетных статей, шрифт которых соответственно увеличивается от петита до крупного кегля. Тем из нас, кто внимательно следит за ходом событий, будет довольно трудно заранее определить, сколько еще остается недееспособных нейромоделей и как долго придется ждать устранения дефектов; вряд ли мы сразу поймем, что этот этап уже пройден и ученые стоят на пороге решающего достижения. (Как только удастся осуществить эмуляцию головного мозга человека, последуют и другие потенциально взрывоопасные открытия, но мы отложим их обсуждение до четвертой главы.)

Итак, мы видим, что допустим самый неожиданный сценарий, даже если все исследования будут проводиться совершенно открыто. Тем не менее прогресс, связанный с полной эмуляцией мозга, вероятнее всего будет иметь вполне определенные и понятные признаки, поскольку изучение этой проблемы зависит от конкретных и доступных нашему пониманию технологий, тогда как характер развития искусственного интеллекта, от классического до универсального, базируется на теоретических разработках. Кроме того, в отличие от развития ИИ, в случае с загрузкой разума мы можем с большей уверенностью говорить, что компьютерная модель мозга вряд ли будет осуществима в ближайшем будущем (скажем, в течение пятнадцати лет) — из-за отсутствия на сегодняшний день даже исходных версий некоторых необходимых сложнейших технологических разработок. Напротив, в отношении искусственного интеллекта совсем не исключено, что, в принципе, некий человек может просто взять и написать программу зародыша ИИ для обычного современного компьютера, и соответственно не исключено — хотя и маловероятно, — что где-нибудь кто-нибудь разберется, как это сделать уже в ближайшее время.