Наше время 10 июля 2009 № 000-226
«Строение его темно, а функции еще темнее»
Так говорили о головном мозге человека двести лет назад. За два столетия ученые со строением мозга вроде разобрались. И сейчас создают искусственный супер-интеллект. Между тем функции человеческого мозга и сегодня представляют загадку.
Главное – поставить вопрос
– Это естественно, – говорит Борис ВЛАДИМИРСКИЙ, доктор биологических наук, профессор, директор НИИ нейрокибернетики им. Южного федерального университета. – В природе нет ничего сложнее мозга человека.
Клетки центральной нервной системы головного мозга называются нейронами, их функция – обработка информации. Если учесть, что в мозгу человека до 15 млрд. нейронов, то полностью их функциональные связи никогда не будут изучены. Это выше не только нынешних возможностей, но и тех, что могут быть в перспективе. Другая проблема в том, какой вопрос в изучении мозга поставить, как организовать эксперимент, чтобы наглядно получить результат? К примеру, сейчас (в качестве экспериментальной модели) большое внимание придается иллюзорным образам. Существует простая так называемая зрительная иллюзия Лейера-Мюллера. Берутся два одинаковых отрезка, располагаются один под другим. Стоит к концам отрезков пририсовать либо стрелочку, либо расходящиеся линии, как возникает иллюзия, что эти отрезки очень сильно различаются по величине. Оказывается, этой иллюзии подвержены не только люди, но и аквариумные рыбки, а это значит, что есть какие-то общие, одинаковые принципы. А изучать их на рыбке существенно проще, чем на человеке.
– Если я вам не задам вопрос, например, на китайском языке и не услышу от вас ответ, я никогда не смогу узнать, знаете вы китайский язык или нет, – говорит Борис Михайлович.
– Но вы же можете спросить на русском, знаю ли я китайский?
– Могу. И вы ответите. Кошка или собака ответить не могут. Я говорю о другом – нет объективных показателей, с помощью которых можно было бы интериоризированные (глубоко запрятанные и свернутые) знания, умения и навыки обнаружить. Допустим, вы вырабатываете условный рефлекс (предъявляете пару сочетаний – условный – безусловный) и регистрируете электрическую активность нервной клетки. В процессе выработки эта активность меняется. Когда рефлекс выработан, изменений становится все меньше и меньше. В конечном счете они исчезают. То есть переходят в систему взаимосвязей. И отдельные элементы уже не реагируют. Так вот, чтобы в чем-то разобраться, мы должны предъявить системе новые, ранее не встречавшиеся стимулы. По тому, как она будет отвечать на них, мы можем увидеть какие-то изменения. А если она уже «научена», увидеть ничего нельзя.
– Нужны новые идеи?
– Нужны новые методические подходы, и важно сформулировать вопрос, на который можно получить однозначный ответ. Когда речь идет об изучении мозга, это чрезвычайно сложно. Но те, кому удается поставить вопрос, часто становятся лауреатами Нобелевской премии.
«О, сколько нам открытий чудных...»
Многие ученые мира, ломая голову над деятельностью мозга, пытаются «сформулировать вопросы». Но на самом деле научных работ, результаты которых можно было бы отнести к новым открытиям, не так много. Однако интересных исследований немало. Например, норвежские ученые обнаружили в мозгу клетки, которые позволяют решать навигационные задачи – ориентироваться в окружающем пространстве. Казалось бы, хомяк. Бежит он в поисках пищи по какой-то хитрой, непонятной траектории. Нашел место, покормился. Ему надо вернуться домой. И бежит он уже не по траектории – по прямой. То же происходит и с нами, когда мы попадаем в незнакомый город. Попетляв несколько раз, мы как бы «осваиваем» территорию. И абсолютно точно можем сориентироваться, где находимся. Почему так происходит? Норвежские исследователи отыскали в головном мозге место, в котором появляются довольно правильные решетки из нервных клеток, каждая из которых имеет определенную функцию, а все вместе они позволяют формировать так называемую когнитивную (познавательную – прим. автора) карту, которая и «ведет» по местности.
Однако не только в мире, но и у нас, в НИИ нейрокибернетики, имеются в этом плане свои научные достижения. В частности, у профессора есть мысли, связанные с навигационным поведением животных, основанные на оригинальных представлениях о кодировании информации в мозге. Когда он начинал эту работу, многие ученые, включая коллег из НИИ, крайне настороженно относились к некоторым его идеям. Как-то не стыковались они с тем, к чему привыкли, чему учили. Он сформулировал гипотезу так называемого частотно-фазового кодирования, с помощью которого можно объяснить, как сохраняется и «свертывается» поступающая в мозг информация. Допустим, мы слушаем знакомую мелодию, а как получается, что, услышав несколько нот, можем «воспроизводить» ее полностью? Сколько в принципе таких мелодий вообще можно запомнить? Или. Специалистам связи хотелось бы телевизионный сигнал передать по телефонному кабелю. Но сделать этого они не могут – пропускная способность кабеля телефона во много раз ниже количества информации, поступающей по телевизионному сигналу. Все пытаются придумать способ, с помощью которого информацию можно было бы «сжать». Смысл идеи профессора Цукермана в том, чтобы перекодировать (в том числе в нервной системе) и «сжать» информацию так, чтобы при необходимости ее можно было бы развернуть почти в том же самом объеме. Известны технические способы «сжатия» информации, которые позволяют на два порядка уменьшать ее объем. Но то, что делает мозг, – существенно большая компрессия, чем то, что достижимо стандартными математическими методами.
– Есть надежда, что эта работа Валерия Давидовича приведет к реализации систем, позволяющих «сжимать» в первую очередь аудио, звуковые файлы. Это тот уровень исследований, когда мы пытаемся понять, как это делается на уровне нервных клеток мозга, – говорит Борис Владимирский.
«Осознать» и распознать
Но есть и более высокий уровень. В НИИ нейрокибернетики имеется специальная суперсовременная система, с помощью которой можно человеку показать картинку (фото или пейзаж) и четко проследить и зарегистрировать все его глазные движения. С помощью этой системы удалось изучить принцип осмотра людьми изображения. Выяснилось, что, когда мы рассматриваем, например, лица, мы не сканируем их, как это делает телекамера, по строчкам, по пикселям, мы фиксируем свой взгляд в основном на глазах, уголках губ, кончике носа, принципиально важных для распознавания. На основе этих исследований учеными НИИ нейрокибернетики и разработан биологический алгоритм осмотра изображения, который позволяет синтезировать систему распознавания. Она может применяться, к примеру, в системе санкционированного допуска. Установленная у дверей одной из лабораторий института телекамера «впускает» только тех, кому позволено входить в эту лабораторию. С помощью системы распознавания можно время, необходимое на то, чтобы кого-то идентифицировать, «сжать» до реального. По характерным «точкам» лица человека телекамера за доли секунды способна отыскать среди массы людей (на пляже, на стадионе) террориста, преступника или просто человека, которого надо срочно найти. Это еще одно направление исследований института, по которому получены достаточно продвинутые результаты.
Есть они и в направлении медицины. Многие знают о таком современном методе исследования, как томография. Во время сеанса позитронно-эмиссионной томографии человеку приходится долго лежать неподвижно в томографе, что само по себе тяжело. Когда идет сканирование, малейшее движение головы приводит к смазыванию картинки на дисплее, что нежелательно для установления диагноза. Для производителей томографов важно учесть микродвижения с тем, чтобы откорректировать изображение на подобные движения. Исследователи НИИ нейрокибернетики решают эту задачу.
– В этом направлении мы работаем с английскими коллегами. Я думаю, результаты наших исследований найдут практическое применение, – говорит Борис Владимирский. – Так что задачи есть, пытаемся их решать.
Трудности перевода...
Результаты многих нейрофизиологических и психофизических экспериментов находят прикладное применение, например, при создании искусственного интеллекта. Эти задачи ставились еще создателями кибернетики. Первыми об искусственном интеллекте заговорили ученые Тьюринг, Винер. В какой-то мере такой интеллект создан. Многие помнят шахматную программу «Каисса», выигравшую у чемпиона мира по шахматам Г. Каспарова.
– Но есть две задачи, которые на данном уровне развития искусственного интеллекта подобным системам пока неподвластны, – это перевод и распознавание образов, – констатирует Борис Михайлович.
Казалось бы, чтобы отличить одного человека от другого, достаточно одного взгляда. Но в науке – свои понятия. Скажем, такое, как фамильное сходство. Глядя на ребенка, мы, бывает, говорим: «Как же он похож на бабушку». Что значит – он похож? Если взять какие-то линейные размеры, то, оказывается, что у бабушки и у ребенка они совсем разные. Можно сказать: «Похож цветом глаз». Но людей с одинаковым цветом глаз миллионы. Какие бы сравнительные примеры мы ни приводили – на каждый найдется контраргумент. Для ученых в решении проблемы распознавания образов фамильное сходство – один из сложных вопросов. Или. В нашем представлении азиаты практически все на одно лицо. Такое представление настолько в нас глубоко, что программы распознавания лиц, созданные в Европе, не работают на азиатах, и наоборот. Эта задача распознавания до сих пор не решена. Не совсем понятно, как подступиться и к проблеме перевода языка с его многозначностью.
– Обратите внимание, Бернс в переводах Маршака звучит лучше, чем на родном шотландском. С одной стороны, перевод – это музыка стиха, а с другой – смысл, тонкость языка, – подчеркивает Борис Владимирский. – Опять же, если бы рядом сейчас находились, предположим, два японца и разговаривали между собой, в наши уши поступала бы та же информация, что и в их уши. Однако для нас с вами их разговор был бы каким-то звуковым потоком. А человек, говорящий на японском, четко выделяет слова, отдельные фонемы. Дело не в физическом восприятии – физически приходит один и тот же звуковой сигнал, в том, как сделать так, чтобы, не зная языка, понять разговор? Вот – вопрос.
Когда мы говорим об искусственном интеллекте, мы имеем в виду то, что общение идет не жестами или цифрами, а словами. Это имеет отношение к левому полушарию головного мозга, которое отвечает за речь, логику. А распознавание визуальных, музыкальных образов – это еще и правое полушарие. Но правое – «бессловесное». Ему задать вопрос, чтобы получить ответ словами, нельзя. Нужны принципиальные подходы для того, чтобы понять, что и как оно «производит»? Оба полушария, как своеобразный двухмашинный комплекс: одна машина что-то делает, а другая – планирует. Сейчас ученые работают в направлении создания тех же систем перевода, которые учитывают эти биологические принципы.
Как утверждает Борис Владимирский, простое увеличение мощи вычислительных средств не решит эту задачу: «Вообще мозг человека не приспособлен работать с цифрами. Никаких других путей, кроме поиска биологических аналогий для решения принципиально сложных задач при создании искусственного интеллекта, не существует».
На что направлен?
Искусственный интеллект применяется во многих сферах человеческой деятельности. Он потребуется и при освоении океана. Эта задача сложнее, чем освоение космоса. Тот же космонавт, вернувшись из длительного полета в космос, за короткое время проходит реабилитацию. У водолазов период декомпрессии, после того как они длительный срок отработают на большой глубине, значительно дольше. Это связано с колоссальным давлением, которое приходится испытывать во время нахождения на глубине. Заменить человека смогут автономные мобильные системы – роботы с искусственным интеллектом. Они смогут справиться с разного рода ремонтными работами, будь это поломки на подводных лодках или порывы пролегающих на большой глубине трубопроводов.
Практически все функции, выполняемые искусственным интеллектом, – перенесенный в микрочипы опыт деятельности мозга человека. Это еще не системы, которые могут обучаться. Хотя исследователи стремятся к разработкам систем с «самостоятельным мышлением». Сегодня практически все ведущие мировые университеты устраивают конкурсы навигационных систем. Они создают самоуправляемые автомобили с искусственным интеллектом и устраивают между ними гонки. Автомобили едут по обычной дороге и сами выполняют все водительские функции. Но это – автомобили будущего.
По мнению Бориса Владимирского, в таких разработках есть элемент пиара:
– Для того, чтобы сделать общественно значимым определенный круг задач с целью привлечь денежные средства. Поскольку ни в одной стране мира денег на все не хватает. И те, кому удается через прессу, телевидение «пропиарить» свои разработки, создают вокруг них некий ореол: вот едет машина, сама, как в фантастических фильмах!..
В Южном федеральном университете тоже есть немало научных разработок в области искусственного интеллекта. Идея – создать объединенную команду, чтобы, в конечном итоге, принимать участие в различного уровня соревнованиях по робототехнике. Последняя задача, которая была поставлена на одном из таких соревнований, – создать робота-мусорщика, который бы мог собрать и рассортировать разбросанный мусор. «Для создания такого робота можно привлечь много способных ребят», – говорит Борис Михайлович.
Над «собственным» искусственным интеллектом в НИИ нейрокибернетики тоже трудятся. Здесь ученые заканчивают работу над «умной» инвалидной коляской.
– Смысл разработки в том, чтобы такая коляска с высокой точностью выполнила пять команд инвалида за не более чем две секунды, – объясняет Борис Владимирский.
Во всем мире ученые пытаются решить эту проблему с тем, чтобы улучшить качество жизни людей с тяжелыми двигательными и речевыми нарушениями. Молодым ученым НИИ нейрокибернетики удалось существенно продвинуться в этой проблеме.
– Это одна из немногих технологических хай-тэк ниш, которую мы могли бы занять. Но, к сожалению, в практической реализации придется ориентироваться на Запад. Потому что автоматизированные кресла-коляски в нашей стране не делают. Просто так человек приобрести ее не может – самая дешевая импортная стоит 3 тысячи долларов.
Одна из целей создания искусственного интеллекта в том, чтобы недоступные и, в некотором смысле, рискованные вещи сделать доступными и менее опасными. Например, сегодня остро стоит проблема транспортировки тяжелых больных, поиск людей, оставшихся под завалами. Все это задача роботов с искусственным интеллектом. В то же время роботы у нас часто ассоциируются с армией, с ее «секретными материалами».
– Просто у военных на их разработку есть деньги, которых нет у гражданских, – уточняет Борис Михайлович. – Все зарубежные «разведчики» – это системы с мощным искусственным интеллектом. Кстати, недавно по телевизору показали израильскую механическую игрушку – змею с телекамерой вместо головы. Подобных «разведчиков» также спонсируют военные. Вместе с тем, такая змея залезет под завалы, передаст информацию о людях, которые там находятся. Охранная система не позволяет вору влезть в вашу квартиру, и эта же система охраняет склад с боеприпасами от вражеских диверсантов. Можно и дальше приводить примеры. На самом деле практически не существует изделий и технологий, не имеющих двойного назначения.
– А биороботы?
– Это несколько иная система. Та же крыска может пробраться куда хотите. Нужно только научиться ею управлять, остальное у нее есть. По вашим командам она движется, когда необходимо, возвращается. Или на панцирь черепахи (относительно ее собственного веса) можно установить очень тяжелый груз, и если вы, опять же, умеете ею управлять, доставит этот груз, допустим, на поле боя. Есть задачи для птиц в воздухе или дельфинов в водной среде.
– Можно ли создать чисто биологического робота?
– Зачем? Есть очень простой способ производства – естественный. Конструкция из металла или керамики не боится радиации, не боится высокой температуры. Если ее сделать из материала, подобного живым тканям, то в тех же условиях она погибнет. Смысл в чисто биологических роботах есть в тех случаях, когда это может представлять научный интерес. В остальных – нет необходимости, чтобы роботы были человеко– или животноподобными. А разговоры о том, чтобы из людей делать роботов, думаю, это сильно преувеличенные страхи. Не более.
– И все же, что сегодня остается главным в изучении мозга?
– И сейчас, и в перспективе главным останется вопрос: как мозг «делает» мысль?
Ирина ХАНСИВАРОВА
