Žmogaus smegenys: tai, ko mokslas dar neįkando

Rašytojai fantastai jau kelis šimtus metų kalba apie žmonių nemirtingumo variantus, o futurologai žada technologinį singuliarumą jau net 2045 metais! Tačiau laikas vis bėga, inžinieriai su ašara akyse paskelbia apie Moore'o dėsnio mirtį, o kriogenikai už gerą pinigų sumą tebešaldo patiklių žmonių smegenis skystame azote su viltimi, kad mokslas ateityje suras išeitį.

Mokslo progresas akivaizdžiai stringa, o kaltę už tai turėtume suversti mokslui neįkandamoms žmogaus smegenims.

Nuolatinė technologinė pažanga ir nuobodžiausia matematikos funkcija eksponentė užtikrino lengvą gyvenimą ne tik inžinieriams, bet ir pardavimų vadybininkams. Nuo 1970 metų reikalai visiems ėjo kaip iš pypkės: be jokių ypatingų pastangų išaugdavo pardavimai ir pagreitėdavo kompiuteriai. Nieko nuostabaus, jog tokiomis palankiomis sąlygomis atsirado kalbos apie laikus, kuomet „mašinos bus protingesnės už žmogų“. Taip pat nereiktų stebėtis futurologų minties polėkiu ir teiginiais apie į mašinas persikėlusią gyventi žmoniją.

Tačiau negailestinga motina Gamta gana greitai mokslininkams leido suprasti, kad lengvi laikai – praeityje. Dėl fizikinių dėsnių procesorių dažniai įstrigo ties 4 GHz, o procesorių išskiriamos šilumos tankis priartėjo prie branduolinio reaktoriaus šiluminio tankio. Šiomis sąlygomis mums prireiktų net 110 000 galingiausių japoniškų superkompiuterių vien tam, kad galėtume sumodeliuoti žmogaus proto veiklą, o visus šiuos superkompiuterius elektros energija turėtų aprūpinti net 860 atominių jėgainių blokai!

Nors reikalai neatrodo tokie prasti, kadangi mokslininkai nuo gamtos nusižiūrėjo naujo tipo neuromorfinių procesorių dizainą, realaus laiko žmogaus proto simuliacija lieka problematiška. Kodėl? Matote, neuromorfiniai procesoriai drastiškai sumažina suvartojamos elektros energijos kiekį, tačiau pagal savo dydį yra masyvūs ir kiekviename iš jų yra 4096 „neuronai”. Kitaip sakant, vienam žmogaus protui prireiktų milijardo tokių procesorių.

Kas dar liūdniau, neuromorfiniai procesoriai bei jų tiesioginis lyginimas su žmogaus protu susilaukia neįtikėtinai stiprios kritikos iš žymiausių neuromokslininkų. Žmogaus proto kompiuterinio modeliavimo pradininkas prof. Henry Markramas tokius palyginimus atvirai vadina „antimi”. Profesoriaus H. Markramo laboratorija „Žmogaus smegenų projektui“ („Human Brain project“) gavo net 1,3 mlrd. eurų, kurios skyrė Europos Sąjunga.

Dirbtiniu intelektu užsiimantys mokslininkai dažnai kalba apie tai, koks neįtikėtinas yra žmogaus protas: 100 milijardų neuronų, kiekvienas kurių yra susijungęs iki 10 000 jungčių su savo neuronais-kaimynais, telpa vos ne į dėžutę nuo batų, suvartoja tik 20 vatų bei veikia ties dešimties hercų dažniu. Kiekvienas dabartinių superkompiuterių procesorius turi po keletą milijardų tranzistorių, veikia gigahercų dažniais bei suvartoja po 100 vatų, tad superkompiuterių aušinimui būtini ežerai, energiją jiems tiekia atskiros elektrinės, o patys superkompiuteriai užima ištisus pastatus.

Nieko nuostabaus, kad dirbtinio intelekto kūrėjau su pavydu žvelgią į žmogaus protą. Be abejo, toks tiesmukas dabartinės procesorių architektūros ir žmogaus sandaros lyginimas yra nevisai korektiškas. Kompiuteriai operuoja pagal griežtą „Taip/Ne” logiką, o žmogaus logika gan lanksti ir kartais sunkiai apčiuopiama. Todėl tokios korporacijos, kaip IBM, dirbdamos su žmogaus protą imituojančiomis kompiuterinėmis mikroschemomis, siekia didelio dirbtinių „neuronų” kiekio.

Tačiau reikėtų paklaust savęs, ar pagrįstai galvojame, kad mūsų galvose vyksta aibė lygiagrečių procesų? Eksperimentinio šios hipotezės patvirtinimo ilgai nebuvo. Tačiau tai lėtai keičiasi: graikų mokslininkai iš Atėnų universiteto pabandė magnetinio rezonanso pagalba stebėdami smegenų aktyvumą suskaičiuoti, kiek nepriklausomų „procesorių” yra žmogaus galvoje.

Jie stebėjo žmogaus smegenų veiklą, kuomet žmogus atlikinėjo testą: ekrane pasirodžius raudonam arba žalia kvadratui, žmogus turėjo parodyt į jį arba kairės, arba dešinės rankos pirštu (priklausomai nuo spalvos). Atlikus virš 900 bandymų ir išanalizavus duomenis, paaiškėjo, kad žmogaus smegenyse darbuojasi apie 50 nepriklausomų procesorių.

Greičiausiai dirbant ties dar sudėtingesne užduotimi, nepriklausomų procesų skaičius mūsų galvose dar daugiau didėtų. O supaprastinus užduotį ir pasiūlys atpažinti objektus, stebimų „procesorių” skaičius sumažėja. Galime tai interpretuoti kaip teiginio patvirtinimą, kad už objektų atpažinimą atsakingi specializuoti neuronai.

Jei kalbėtume apie žmogaus smegenų palyginimą su „IBM TrueNorth“ mikroschema, žmogaus smegenų neuronas turi keletą tūkstančių ryšių su kitais neuronais, o inžinierių pagaminta mikroschema – tik 256. Mūsų smegenų struktūra yra trimatė, o dėl litografijos mikroschemų struktūra yra plokštuminė. Mūsų neuronai yra plastiški, o mikroschemų ryšiai yra fiksuoti.

Aukščiau paminėtas tyrimas įrodo, kad visai įmanoma tai, jog žmogaus smegenyse lygiagretumas nėra neuronų lygmenyje. Šią prielaidą netiesiogiai patvirtina ir iš biologijos žinomas faktas apie neuronų ryšių plastiškumą. Tačiau svarbiausia žinia: žmogaus smegenų lygiagretumas nėra neuronų lygiagretumas. Tai yra besikeičiančių neuronų grupių lygiagretumas.

Maža to, kad mokslininkai kopijuoja ne tą funkcionalumo lygmenį, jie dar kopijuoja ir supaprastintus „neuronus”. Žmogaus smegenų neuronai yra gerokai įvairesni. Realiame neurone yra dešimtys tūkstančių baltymų, neuronai naudoja daugiau nei 384 skirtingų rūšių neurotransmiterių, mokslas žino bent 30 skirtingų sinaptinių kanalų ir bent 6 skirtingus sinapsių tipus, kurie elgiasi netiesiškai. O pačių neuronų tipų skaičius keičiasi nuo keleto tūkstančių iki kelių šimtų. priklausomai nuo klasifikacijos.

Vien pagal neurono struktūrą egzistuoja keturi skirtingi neuronų tipai. Anaksioniniai neuronai, kuriose dendritai sunkiai atskiriami nuo aksonų. Bipoliniai neuronai, kuriose vienas jų galas priima informacija, o kitas perduoda. Unipoliniai (arba pseudopoliniai) kuriose tiek gaunama, tiek perduodama informacija pasiekia neuroną tuo pačiu kanalu. Multipoliniai neuronai, turintys daug dendritų ir daug aksonų atšakų.

Lyg to būtų maža, neuronai dar pasidalija pagal funkcijas į motorinius, sensorinius ir interneuronus. Dar daugiau, pagal sinapsės tipą jie skirstomi į cheminius ir elektrinius. Taip pat nereikia pamiršti, kad žmogaus protas yra veikiamas jo paties kūno impulsų, todėl atsidūręs elektroninėje erdvėje gali jausti diskomfortą, neturėdamas rankų, kojų, regos, klausos ir uoslės. Jau nekalbant apie tai, kad mūsų organizmus veikia trilijonai mažų ir nematomų despotų, kurie „apeina“ laisvą valią ir liepia daryti tai, kas yra jiems naudinga.

Kompiuterijos specialistai, kalbėdami apie įrenginius, mini skirtingus principus: analoginį ir skaitmeninį. Reikalas yra tas, kad vienur efektyvūs yra vieni, kitur geresni yra antri. Ir čia laikas butų paklausti, o kokiai sistemai priklauso žmogaus smegenys?

Būtent šį klausimą bandė skaitmeniškai nagrinėti viena mokslininkų komanda. Nuo seno yra žinoma, kad dalis neuroninių procesų palaipsniui reaguoja į signalo didėjimą, o kita dalis reaguoja tik į ateinančius impulsus (kaip skaitmeninis procesorius). Mokslininkai išnagrinėjo įvairius žmogaus neuronų modelius ir pabandė nustatyti tų neuronų informacijos perdavimo efektyvumą.

Analizuojant jų apžvalgos rezultatus, gana greitai paaiškėja, kad mūsų smegenys yra iš dalies analoginės ir iš dalies skaitmeninės. Tokie rezultatai turėtų būti tikras šokas mokslininkams, kadangi jie tik dar labiau apsunkina žmogaus smegenų tyrimus.

Kaip matome, žmogaus technologiniam nemirtingumui atsiranda vis naujų barjerų. Galu gale, žmogus nėra jau toks nepriklausomas padaras: mūsų veiksmus gana stipriai lemia mūsų maži draugai ir maži despotai. Ir dar nežinia, kaip mūsų protas sureaguotų atsidūręs kūne be vidurių, rankų ir kojų.