The Human Brain Project: откуда мы знаем, как устроен мозг?

В самом начале 2013 года было объявлено о старте европейского мега-проекта "The Human Brain Project" по изучению человеческого мозга с бюджетом более миллиарда евро, рассчитанного на 10 лет. В конце же минувшего года проект был официально запущен, и выделены первые средства, но до сих пор не было написано ни единого слова о том, какой научный базис лежит в основе предстоящего титанического труда, сравнимого по значимости и масштабу с расшифровкой генома человека и пилотируемой миссией на Марс. Приведу текст из книги "Об интеллекте" Джеффа Хокинса, который проливает свет на этот интересный вопрос.

-----------------

Выдающийся ученый Вернон Маунткастл – нейрофизик, работавший в Университете Джона Хопкинса, Балтимор, – в 1978 году опубликовал работу под названием Организующий принцип мозговой функции. В своей публикации автор подчеркнул, что кора головного мозга очень однородна по внешнему виду и строению. Зоны коры, отвечающие за зрительное восприятие, внешне не отличаются от зон, отвечающих за осязание, зон управления двигательной активностью, речевых зон и т. д. Все они выглядят почти одинаково. А если эти зоны выглядят одинаково, значит, заключил Маунткастл, вполне возможно, что они выполняют одну и ту же операцию! Он предположил, что при выполнении разных функций кора головного мозга использует один и тот же инструмент.

Все анатомы в то время, точно так же как и десятки лет до Маунткастла, знали, что кора головного мозга однородна. Но, вместо того чтобы задуматься над смыслом этой однородности, они тратили время и силы на поиск различий между зонами коры головного мозга. Они полагали, что если одна зона отвечает за зрительное восприятие, а другая – за слух, то между ними непременно должны существовать различия. Действительно, определенные различия можно заметить. Зоны коры головного мозга отличаются по толщине, плотности нервных клеток, относительной пропорции разных типов клеток, длине горизонтальных связей, плотности синапсов и многим другим параметрам, которые довольно сложно исследовать. Один из слоев первичной зрительной зоны V1 – из числа наиболее изученных зон мозга – как оказалось (к радости ученых), действительно имеет разделения. Ситуация очень напоминала работу биологов XIX века, которые посвящали свое время изучению малейших различий между видами. Например, большим успехом они считали открытие того, что две внешне совершенно одинаковые мыши на самом деле принадлежали к двум различным видам. Много лет такой тропой следовал и Дарвин, изучая моллюсков. Но Дарвин проявил неординарную проницательность, поставив вопрос о причине поразительной общности всех видов. Общность видов была для него куда более интересной и невероятной, чем их различия.

Так произошло и с Маунткастлом. В то время как именитые анатомы бились над поиском ничтожных различий между зонами коры головного мозга, он обратил внимание именно на ее однородность. Одни и те же слои, одни и те же типы клеток, одни и те же связи существуют везде. Различия, в свою очередь, настолько неуловимы, что профессиональные анатомы не могут прийти к единому мнению в отношении того, в чем они заключаются.

Маунткастл заключил, что причина внешних отличий различных зон коры головного мозга заключается в том, с чем эта зона взаимодействует, а не в различии базовых функций. Таким образом, существует общая функция, общий алгоритм, выполняемые всеми зонами коры головного мозга. Механизм зрительного восприятия не отличается от слухового восприятия, а слуховое восприятие – от двигательной функции. По предположению Маунткастла, гены человека предопределяют характер связи между зонами коры головного мозга, что является очень специфическим параметром для разных видов, однако во всех случаях ткань коры головного мозга сама по себе выполняет одну и ту же функцию.

Давайте остановимся на этом подробнее. Зрение, слух и осязание кажутся мне совсем непохожими, а порой – принципиально различными. Зрение позволяет судить о цвете, составе, форме, глубине исследуемых объектов. Слух позволяет оценивать ритм, тембр, громкость звуков. В чем может заключаться их сходство? Но Маунткастл не настаивает на сходстве, он лишь утверждает, что кора головного мозга использует одни и те же принципы обработки слуховых, зрительных и двигательных сигналов.

Большинство ученых и инженеров оставили без внимания теорию Маунткастла. Пытаясь создать компьютер, который смог бы «видеть», кибернетики использовали терминологию, характеризирующую визуальное восприятие, и старались воссоздать его механизм. Они размышляли в терминах форм и трехмерных изображений. Те же из них, кто намеревался разработать говорящий компьютер, создавали алгоритмы, использующие правила синтаксиса, грамматики и семантики. Если бы они прислушались к Маунткастлу, то поняли бы, что такие подходы лишь уводят прочь от создания искусственного интеллекта, а потому обречены на провал. Следуя логике этого непризнанного гения, алгоритм коры головного мозга един, независимо от того, из какого органа чувств обрабатывается информация или о каком типе восприятия идет речь. Чтобы человек мог слышать и видеть, мозг следует одному и тому же алгоритму, выполняет универсальную функцию.

Впервые наткнувшись на публикацию Манткастла, я был поражен. Да это же ключ к разгадке нейробиологии – одна работа, единая теория давала ключ ко всем самым невероятным загадкам человеческого мозга! В один миг я понял всю тщетность предыдущих попыток понять и воспроизвести поведение человека как набор различных операций. Надеюсь, вы сможете по достоинству оценить, насколько революционным и в то же время изысканным был подход, предложенный Маунткастлом. Впрочем, это не удивительно, ведь все лучшие научные открытия были просты, изысканны и неожиданны. Подход Маунткастла как нельзя лучше доказал последнее, и я считаю его революционным в области нейрологии. После сказанного мною отказ большинства ученых-кибернетиков поверить в модель Маунткастла выглядит не просто досадным упущением, а преступлением против науки.

* * * * *
Игнорирование разработчиками искусственного интеллекта гипотезы Маунткастла отчасти объяснимо нехваткой соответствующего инструментария, который позволил бы изучить передвижение потоков информации в шестислойной коре головного мозга. Доступные ученым методы позволяют локализировать зоны, в которых сосредоточены те или иные способности человека, но не дают возможности досконально исследовать их механизмы. Например, в наши дни научно-популярные публикации в области нейробиологии косвенно пропагандируют мысль о том, что мозг является совокупностью высокоспециализированных модулей. Технологии функциональной визуализации, наподобие магнитно-резонансной томографии (МРТ), и позитронное эмиссионное томографическое сканирование (ПЭТ-сканирование) позволяют сосредоточиться исключительно на топографических картах мозга и функциональных областях, которые мы рассматривали раньше.

Как правило, подобные экспериментальные исследования проводятся в положении пациента лежа, так, что его голова находится под сканирующим устройством. Пациент выполняет мыслительное задание (например, спряжение глаголов, повторение предложений, вызывание образов, запоминание списков, решение логических задач) или осуществляет заданное движение. Диагностическое устройство фиксирует активность различных зон мозга при выполнении того или иного задания и наносит цветные мазки на изображение («карту») человеческого мозга. На основании результатов тысяч экспериментов по функциональной визуализации ученые-физиологи установили, какие зоны мозга выполняют те или иные функции. Им известно местонахождение областей распознания человеческих лиц, осуществления математических операций или восприятия музыки и многих других. Казалось бы, вполне естественно предположить, что различные функции мозг выполняет разными способами.

Но существуют неоспоримые доказательства правоты Маунткастла, подтверждающие невероятную гибкость коры головного мозга. Мозг любого человека, если ему обеспечить правильное питание и соответствующие условия, способен освоить любой из тысяч разговорных языков, язык знаков, язык музыки, язык математики, языки программирования и язык тела. Мозг может приспособиться к условиям арктической мерзлоты и испепеляющей жары пустыни. Благодаря мозгу человек становится экспертом в шахматах, рыбной ловле, сельском хозяйстве, физике и других областях деятельности. Особая зрительная зона коры головного мозга специализируется на считывании визуальных символов – прежде всего, букв и цифр. Означает ли последнее, что у человека уже при рождении присутствует языковая зона для обработки букв и цифр? Вряд ли. Письменный язык – это очень молодое приобретение человека как вида, слишком молодое для того, чтобы соответствующий механизм его обработки мог передаваться генетически. Таким образом, кора головного мозга сама себя подразделяет на специфические функциональные зоны, руководствуясь исключительно опытом человека. Человеческий мозг обладает редкостным даром – способностью к обучению и адаптации к изменениям. Это признак очень гибкой системы, а не такой, у которой есть тысяча решений на тысячу задач.

-------------------

Blue Brain Project — проект по компьютерному моделированию неокортекса человека. Начался в июле 2005 года. Над проектом совместно работают компания IBM и Швейцарский Федеральный Технический Институт Лозанны (École Polytechnique Fédérale de Lausanne — EPFL).

Имитационное моделирование

Основной структурной единицей неокортекса (новой коры головного мозга) человека является нейронная колонка. Одна такая колонка содержит порядка 10³—10⁴ нейронов, дендриты которых проходят через всю высоту колонки. Неокортекс и каждая его колонка состоит из 6 слоёв. Толщина каждого слоя примерно равна толщине кредитной карточки. Количество слоёв играет существенную роль в мыслительном процессе. Так, например, у собаки 4 слоя новой коры, из-за чего она не обладает способностью достаточно подробно прогнозировать ситуацию и не может вычислить следующее логическое действие.

Проект использует суперкомпьютер Blue Gene для моделирования колонок. В конце 2006 года удалось смоделировать одну колонку неокортекса молодой крысы. При этом использовался один компьютер Blue Gene и было задействовано 8192 процессора для моделирования 10000 нейронов. То есть практически один процессор моделировал один нейрон. Для соединения нейронов было смоделировано порядка 3·10⁷ синапсов.

На текущий момент команда работает над «режимом реального времени», при котором 1 секунда реального времени работы мозга моделируется процессорами за 1 секунду.

Фаза I

26 ноября 2007 года было объявлено о завершении «Фазы I» проекта Blue Brain. Результатами этой фазы являются:

1. Новая модель сеточной структуры, которая автоматически, по запросу, генерирует нейронную сеть по предоставленным биологическим данным.
2. Новый процесс симуляции и саморегуляции, который перед каждым релизом автоматически проводит систематическую проверку и калибровку модели, для более точного соответствия биологической природе.
3. Первая модель колонки неокортекса клеточного уровня, построенная исключительно по биологическим данным.

3D визуализация

В процессе моделирования получается огромный объём данных (сотни гигабайт информации в секунду), которые чрезвычайно тяжело анализировать. Поэтому кроме параллельной обработки исходящих данных был разработан интерфейс 3D визуализации колонки. Меш-объект визуализированной колонки (10000 нейронов) содержит порядка 1 миллиарда треугольников и имеет объём в 100 Гб. Модель колонки, с отображением электрической активности имеет объём порядка 150 Гб. Такой интерфейс позволяет зрительно анализировать информацию электрической активности и выявлять наиболее интересные зоны. Он также позволяет сравнивать результаты, полученные моделированием с опытными результатами, которые получаются путём измерения микроэлектроэнцефалограммы колонки. Калибровка модели за счёт сравнения с реальной биологической колонкой будет проведена в «Фазе II» проекта.

Моделирование сознания

Исследователи не ставят перед собой задачи смоделировать сознание.