Тьюринг, помоги! Похож ли наш мозг на компьютер?
Бросьте в меня камень, если вы никогда не слышали этого сравнения: «Мозг человека — это компьютер». Эта простая метафора вызывает холивары во всем мире, сталкивает лбами интеллектуалов и, возможно, стала причиной нескольких инсультов. Одни утверждают, что человеческое мышление не может уложиться в бинарные рамки компьютерной программы. Другие — что, невзирая на свое богатство, наше мышление остается пусть превосходным, но процессором. Но и сторонники, и противники забывают о главном: спорят они не о метафоре, а о гипотезе.
Чтобы аргументированно рассуждать о мозге как компьютере, для начала нужно определиться с тем, что мы называем компьютером. Давайте пойдем от противного: от того, чем компьютер не является.
Компьютер — это точно не коробочка под вашим столом, не ноутбук на ваших коленях и не смартфон в ваших руках. Микрочипы, оперативная память и кэш — это лишь элементы компьютера. Если воспринимать его как пластиковую коробку с электронной начинкой, то, конечно, вы смело можете сказать, что мозг — точно не компьютер. Ну хотя бы потому, что серое вещество после вашего выключения не может служить жестким диском, и к вашей памяти ни у кого не будет доступа. Так вот, эту ошибку восприятия компьютера как коробочки с различными функциональными элементами совершают многие противники нашей метафоры.
Другие решительные противники сравнения мозга с компьютером часто вспоминают о том, что компьютерная метафора — лишь очередной пункт в целой серии исторических технологических сравнений. С чем только мозг не сравнивали после очередного технологического прорыва — и с гидросистемой, и с телеграфом, и с телефонным коммутатором… Теперь вот настал черед компьютера.
Так в чем же их ошибка? Дело в том, что сравнение мозга с компьютером — это не про технологии совсем. Сравнение берет начало из формального определения компьютера, которое впервые дал в 1936 году Алан Тьюринг . Для справки: в 1945 году Джон фон Нейман разработал архитектуру современного компьютера. А сами современные компьютеры появились только в 50-х годах прошлого века.
Историки до сих пор спорят о том, что же можно считать первым компьютером. Но сходятся они в одном: до 1936-го компьютеров не было. Размышления Тьюринга по большому счету касались не вычислительных систем, а человека: он изучал способности к решению задач, к вычислениям, к построению логической последовательности. Компьютеру было дано формальное определение еще до того, как он появился.
Даже не вспоминайте машины Бэббиджа. Его разностная машина была только феноменальным калькулятором, а аналитическую машину ему так и не удалось построить. Кроме того, обе они были механическими. Хотя да, разработки Бэббиджа помогли сформировать идею электронных вычислительных машин.
А что, если мы перевернем метафору и скажем, что компьютер работает как мозг? Вернемся к фон Нейману. Этот ученый, разрабатывая архитектуру компьютера, опирался на гипотетическую модель функционирования мозга Маккаллока и Питтса. Эти два ученых предполагали, что нейроны мозга могут либо посылать электрический «разряд», либо не посылать.
Иными словами, в их понимании нейрон зашифровывает информацию бинарным кодом: либо 1 («посылать»), либо 0 («не посылать»).
Это умозаключение позволяло предполагать, что группы нейронов действовали согласно формальной логике, что очень полезно для различного рода вычислений. Фон Нейман был прекрасно знаком с Маккаллоком, читал его работы и смог использовать его идею бинарной логики для создания компьютерной архитектуры.
Так что можно сказать, что компьютерные науки опираются на науку о мозге. Что, кстати, вовсе не означает, что мозг и компьютер работают схожим образом. Фон Нейману просто приглянулась простая аналогия работы нейронов, но по факту она не учитывает базовые принципы их функционирования.
К примеру, на самом деле нейроны посылают сигналы постоянно, а не с перерывами, а значит, о бинарной логике речи быть не может.
И фон Нейман честно говорит о том, что компьютер работает не так, как мозг).
Сравнение
Передача сигналов в компьютере основана на электрических импульсах. Для этого используется простой двоичный код, при котором сигналы имеют всего два значения: или «1», или «0». А вот в мозге ведется сложная работа, основанная на множестве химических сигналов, причем каждый из них имеет свою индивидуальную характеристику. Интересно, что скорость проводимости нервного импульса из нейрона в нейрон может меняться в зависимости от существующих обстоятельств. В мозге не предусмотрено функциональных блоков.
Компьютер не признает «полутонов». В нем всё четко – существует или значение «1», или значение «0»; либо то, либо другое. Сила сигнала идет дискретно – только с одним или же только с другим значением. В мозге, в отличие от компьютера, сигнал способен передаваться ускоренно или плавно, также как может изменяться и чувствительность нейрона, принимающего данный сигнал.
Основной объем памяти в ЭВМ сохраняется в специально для этого предназначенных запоминающих устройствах. В мозге же не существует участков, в которых отдельно хранятся наши воспоминания. В запоминании и распознавании субъектов или каких-либо событий участвуют одни и те же нейроны.
Мозг человека обладает очень большим запасом прочности, что позволяет ему функционировать даже при опасных травмах. Это неудивительно, учитывая, что одновременно в нем обычно задействованы не более 2-3% нервных клеток. Современные компьютеры лишены способности восстанавливаться и работать при серьезных повреждениях, тогда как мозг человека от природы наделен удивительной компенсаторной способностью: при поражении даже обширных его участков работу продолжают выполнять оставшиеся неповрежденными части. Если же в программе компьютера испортить даже несколько бит или всего лишь один транзистор в процессоре – устройство мгновенно потеряет возможность функционирования, иногда даже без возможности восстановления. Мозг же способен выживать и работать, даже если ему перед этим на пять-семь минут перекрыть кислород.
Мозг, в отличие от компьютера, способен сосредотачиваться на важной для него в данный момент времени информации и не принимать во внимание несущественную. Мозг отыскивает информацию не по адресу, как компьютер, а по содержанию. Для компьютера нет никакой связи между адресом, по которому находится информация, и самой сутью этой информации, а для мозга – есть. Мозг человека способен восстанавливать информацию лишь по ее отрывочной части или же извлекать данные вследствие ассоциативного ряда. Человек мыслит, компьютер же просто обрабатывает информацию на основе алгоритмов. Компьютер работает с абстрактными символами, а мозг человека – с образами конкретных объектов. Мозгу человека присущи интуиция и воображение, а еще – желание все время получать новые впечатления, творческая активность, которая тесно связана со сном (во сне упорядочивается полученная извне информация). Компьютеру всё это недоступно. Скрытые возможности мозга поистине безграничны, в отличие от изначально заданных определенным образом системных параметров компьютера.
Последовательность VS параллельная структура.
Определенность алгоритма VS пластичность и возможность учиться…
Архитектура процессора характеризуется тем, что функции хранения, контроля и обработки информации разделены и работают отдельно. В мозге нет отдельных выделенных областей, отвечающих за эти процессы — все, что происходит во многих областях — происходит одновременно, более целостно.
Ну и еще одно: тактовая частота процессоров измеряется в Ггц (миллиарды герц). Человеческий мозг работает с частотой несколько герц. Между прочим, именно благодаря тому, потребляет в сотни тысяч раз меньше энергии, чем современные электронные единицы. Правда сосредоточение на работе не включается с кнопкий.
Мозг и компьютер: принципиальное различие
В случае обратной дедукции мы шаг за шагом разбираемся, какое правило необходимо ввести, чтобы от посылок прийти к желаемым выводам. Однако согласно правилу Хебба, все нейроны учатся одновременно. В этом нашли отражение различия между компьютерами и мозгом.
- Компьютеры даже совершенно обычные операции — например, сложение двух чисел или переключение выключателя — делают маленькими шажочками, поэтому им нужно много этапов. При этом шаги могут быть очень быстрыми, потому что транзисторы способны включаться и выключаться миллиарды раз в секунду.
- Мозг же умеет выполнять большое количество вычислений параллельно благодаря одновременной работе миллиардов нейронов. При этом нейроны могут стимулироваться в лучшем случае тысячу раз в секунду, и каждое из этих вычислений медленное.
Количество транзисторов в компьютере приближается к количеству нейронов в головном мозге человека, однако мозг безусловно выигрывает в количестве соединений.
Типичный транзистор в микропроцессоре непосредственно связан лишь с немногими другими, и применяемая технология планарных полупроводников жестко ограничивает потенциал совершенствования работы компьютера. А у нейрона — тысячи синапсов. Если вы идете по улице и увидели знакомую, вам понадобится лишь десятая доля секунды, чтобы ее узнать.
Это не значит, что с помощью компьютера нельзя симулировать работу мозга: в конце концов, именно это делают коннекционистские алгоритмы. Поскольку компьютер — универсальная машина Тьюринга, он может выполнять вычисления, происходящие в мозге, как и любые другие, при условии, что у него есть достаточно памяти и времени. В частности, недостаток связности можно компенсировать скоростью: использовать одно и то же соединение тысячу раз, чтобы имитировать тысячу соединений.
На самом деле сегодня главный недостаток компьютеров заключается в том, что в отличие от мозга они потребляют энергию: ваш мозг использует примерно столько мощности, сколько маленькая лампочка, а для некоторых сложных машин нужно столько электричества, что им можно осветить целый бизнес-центр.
Можно ли пересадить голову?
— Вы не раз говорили о противоречии между огромной интеллектуальной мощью мозга и его зависимостью от состояния тела. А если бы мозг был совсем независим от тела – то что?
– Зависимость мозга от тела – это не всегда хорошо. Но, если бы её не существовало, то не было бы, скажем, и влияния стресса на работу мозга. А стресс, как известно, – великий стимулятор активной деятельности. Существует расхожая версия о том, что на исход Бородинской битвы и битвы при Ватерлоо косвенным образом повлияли недомогания Наполеона, в частности, пресловутый насморк в день сражения. В этом объяснении есть определённый смысл – ведь насморк вызывает гипоксию, кислородное голодание мозга, что снижает остроту и ясность мышления, скорость реакции. Возможно, именно это стало причиной того, что Наполеона не посетило свойственное ему озарение, помогавшее выигрывать другие сражения.
Если отделить мозг и сделать автономным, это резко его обеднит. Например, лишит эндогенных морфинов – химических соединений, которые обладают способностью влиять на эмоциональное состояние. Отнимите эти гормоны счастья – и человек не сможет получать удовольствие, потеряет огромное количество эмоций. Мозг должен зависеть от тела. Это насущная необходимость. И именно то, что делает человека человеком и отличает его от компьютера.
— В фантастических фильмах мозг перемещают в экзоскелет, и в результате рождается киборг. Возможно ли такое в будущем? Можно ли пересадить мозг в другое тело?
– Пока что, к сожалению, нельзя. Спинной мозг в итоге «не склеивается», и человек оказывается парализованным. Во времена Советского Союза мы изучали солдат, вернувшихся из Афганистана с полным перерывом спинного мозга. Восстановить это было невозможно, хотя улучшения в состоянии пациентов и были довольно значительными. Вот черепахи, например, вполне способны восстанавливаться и передвигаться с такой травмой, кошки тоже, а человек, увы, нет. Если подобную операцию всё-таки удастся успешно осуществить, тогда можно будет и пересаживать голову.
Мозг — это компьютер?
Мы говорим, что мозг — это компьютер, в некоторой степени. Или компьютер — это мозг. Широко распространенная аналогия мозга и компьютера вносит мощный вклад в церебральную мистику, как бы отделяя мозг от остальной биологии. Разительная разница между машиноподобным мозгом и мягкой, хаотической массой («мясом»), которая имеется в остальной части нашего тела, проводит разделительную линию между мозгом и телом, которую отмечал еще Рене Декарт. Провозгласив свое вечное «мыслю, следовательно существую», Декарт поместил сознание в свою собственную вселенную, отдельную от материального мира.
Подписывайтесь на наш канал в Яндекс Дзен. Там можно найти много всего интересного, чего нет даже на нашем сайте.
И пока мозг напоминает нам машину, мы легко можем представить его отделение от головы, сохранение в вечности, клонирование или отправку в космос. Цифровой мозг кажется настолько натуральным явлением, как и отделенный картезианский дух. Возможно, неслучайно самые влиятельные неорганические аналогии мозга были представлены физиками, которые на старости лет ударились в проблемы сознания так же, как пожилые люди уходят в религию. Таким был Джон фон Нейман; он написал книгу «Компьютер и мозг» (1958) незадолго до своей смерти (1957), открыв миру эту прочную аналогию на заре цифровой эпохи.
Мозг определенно в чем-то похож на компьютер — в конце концов, компьютеры создавались для выполнения функций мозга — но мозг — это намного больше, чем переплетение нейронов и электрических импульсов, которые по ним распространяются. Функция каждого нейроэлектрического сигнала — выбросить небольшое количество химических веществ, которые помогают стимулировать или подавлять клетки мозга так же, как химические вещества активируют и подавляют функции вроде выработки глюкозы клетками печени или иммунных ответов белыми кровяными клетками. Даже сами электрические сигналы мозга — это продукты химических веществ, ионов, которые входят и выходят из клеток, вызывая крошечную рябь, которая распространяется по нейронам независимо.
Также от нейронов легко отличить относительно пассивные клетки мозга, которые называются глия. Их количество примерно равно количеству нейронов, но они не проводят электрические сигналы таким же образом. Последние эксперименты на мышах показали, что манипуляции с этими скучными клетками могут производить серьезный эффект на поведение. В одном из экспериментов группа ученых из Японии показала, что направленная стимуляция глии в области мозжечка может приводить к отклику, аналогичному изменениям, которые возникают в процессе стимуляции нейронов. Другое примечательное исследование показало, что трансплантация человеческих клеток глии в мозг мыши улучшила обучаемость животных, в свою очередь продемонстрировав важность глии в изменении функции мозга. Химические вещества и глия неотделимы от функции мозга, как провода и электричество. И когда мы осознаем наличие этих мягких элементов, мозг становится больше похожим на органическую часть тела, нежели на идеализированный центральный процессор, который хранится под стеклом в нашей черепной коробке.
Целый человеческий мозг выглядит так
Стереотипы о сложности мозга также вносят свою лепту в мистику мозга и его отделение от тела. Известное клише называет мозг «самой сложной вещью в известной Вселенной», а если бы «наш мозг был бы так прост, что мы могли бы его понять, мы бы не смогли его понять». Такое мнение обусловлено в первую очередь тем фактом, что в мозге человека содержится порядка 100 000 000 000 нейронов, каждый из которых образует порядка 10 000 связей (синапсов) с другими нейронами. Головокружительная природа таких чисел заставляет людей усомниться в том, что нейробиологи вообще смогут когда-либо разгадать загадку сознания, не говоря уж о природе свободной воли, которая прячется в одном из этих миллиардов нейронов.
Но огромное количество клеток в мозге человека вряд ли объяснит его экстраординарные способности. В печени человека примерно такое же количество клеток, как и в мозге, но результаты она выдает совсем другие. Сам мозг бывает самых разных размеров, и количество клеток в нем также меняется, где-то больше, где-то меньше. Удаление половины мозга иногда позволяет вылечить эпилепсию у детей. Комментируя когорту из 50 пациентов, которые прошли через эту процедуру, группа врачей из Джона Хопкинса в Балтиморе написала, что они «были в ужасе от очевидного сохранения памяти после удаления даже половины мозга, а также сохранения чувства личности и юмора у детей». Очевидно, не все клетки мозга священны.
Если взглянуть на мир животных, большой диапазон размеров мозга абсолютно никак не связан с познавательными способностями. Некоторые из самых хитроумных животных — ворон, сорок и галок — имеют мозг, который по своим размерам меньше 1% человеческого, но все равно демонстрируют куда более продвинутые когнитивные способности в некоторых задачах даже по сравнению с шимпанзе и гориллами. Исследования поведения показали, что эти птицы могут делать и использовать инструменты, узнавать людей на улице — такого не могут даже многие приматы. Да и животные с похожими характеристиками также различаются размерами мозга. Среди грызунов, например, можно найти 80-граммовый мозг капибары с 1,6 миллиарда нейронов и мозг пигмейской мыши весом 0,3 грамма с менее чем 60 миллионами нейронов. Несмотря на такие различия в размерах мозга, эти животные живут в похожих условиях, проявляют похожие социальные привычки и не демонстрируют очевидных различий в интеллекте. Хотя нейробиологи только начинают нащупывать функции мозга даже у небольших животных, это наглядно демонстрирует популярную мистификацию мозга из-за обилия его компонентов.
Разговоры о машинных качествах мозга или его невероятной сложности удаляют его от остального биологического мира в отношении его состава. Разделение мозга и тела преувеличивает удаленность мозга от тела с точки зрения автономии. Церебральная мистика подчеркивает репутацию мозга как центра управления, который связан с телом, но все же обособлен.
Конечно же, это не так. Наш мозг постоянно подвергается бомбардировке сенсорных вводов с органов чувств. Окружающая среда передает много мегабайтов чувственных данных в мозг ежесекундно. У мозга нет брандмауэра против этого натиска. Исследования визуализации мозга показывают, что даже тонкие сенсорные раздражители влияют на области мозга, от низкоуровневых сенсорных областей до отделов лобной доли, высокоуровневой области мозга, которая увеличена у людей по сравнению с другими приматами.
Старое доброе будущее
В США и странах Европы разработка первых нейроинтерфейсов началась еще в семидесятых годах прошлого века. Но, говорить о реальных разработках, которые действительно работают и применяются можно лишь сейчас — спустя более чем 50 лет. Наиболее распространенным мозговым чипом, который одобрен к использованию, пусть и не выпускается в промышленных масштабах, стал Utah Array, разработанный в США.
Это не совсем «чип» в обычном понимании. Скорее, это поверхность, которая оснащена соней кремниевых игл. На кончиках каждой находятся электроды, которые погружаются в мозговую ткань. Происходит считывание сигналов нейронов мозга, информация обрабатывается, и передается на управляющее устройство. Utah Array уже достаточно успешно применяется для помощи пациентам с нарушением работы систем опорно-двигательного аппарата. Например, некоторые парализованные люди с помощью силы мысли смогли управлять курсором на экране компьютера, печатать, а также управлять роботизированными конечностями.
Фото: Neuralink
Прорыв? Возможно. Ученые утверждают, что это лишь первый шаг в долгом путешествии по миру нейроинтерфейсов. Дело в том, что многие функции мозга, например, принятие решений, память, язык и другие, используют нейронные мозговые сети, которые разбросаны по всему главному органу человека. Пока системное изучение нейронных связей — мечта специалистов. Но технологии не стоят на месте, а полное использование нейроинтерфейса обычным человеком кажется делом не столь отдаленного будущего.
