Мичио Каку Физика будущего

Скачать 5.65 Mb.

Название	Мичио Каку Физика будущего
страница	11/54
Дата публикации	03.09.2013
Размер	5.65 Mb.
Тип	Документы

100-bal.ru > Физика > Документы

1 ... 7 8 9 10 11 12 13 14 ... 54

Середина века

(2030–2070 гг.)

Модульные роботы

К середине века в нашем мире будет полно роботов, причем мы, возможно, не будем их даже замечать. Дело в том, что большинство роботов, вероятно, не будет похоже на человека внешне. Они будут скрыты из виду, замаскированы под змей, насекомых и пауков, выполняющих неприятные, но очень важные задачи. Это будут модульные роботы, способны менять форму в зависимости от задания.

Мне довелось встретиться с одним из пионеров в этой области. Вэйминь Шэнь (Weimin Shen) из Университета Южной Калифорнии намеревается создавать небольшие кубические модули, которые можно заменять столь же легко, как кубики Lego, и соединять произвольным образом. Он называет свои создания полиморфными роботами, поскольку они способны изменять форму, геометрию и функции. Оказавшись в его лаборатории, я мгновенно увидел разницу между его подходом к робототехнике и подходом Стэнфорда и MIT. На первый взгляд обе эти лаборатории напоминали игровую комнату. Всюду, куда ни посмотри, можно было увидеть всевозможные роботизированные «игрушки» с чипами внутри и некоторой долей интеллекта. Рабочие столы были завалены самолетами, вертолетами, вездеходами и насекомовидными роботами с процессорами внутри, и все это было способно самостоятельно двигаться. Каждый робот в этих лабораториях — это независимая самодостаточная единица.

Но, входя в лабораторию Университета Южной Калифорнии, видишь нечто совершенно иное. Всюду стоят коробки с кубиками размером около 5 см, которые можно соединять или разделять и из которых можно собирать различные «существа», напоминающие животных. Можно собрать змею, способную проползти по проведенной линии. Или кольцо, которое будет кататься наподобие обруча. Затем можно изогнуть цепочку кубиков или соединить их между собой при помощи Y-образных «суставов» — и получатся совершенно новые устройства, напоминающие осьминогов, пауков, собак или кошек. Представьте себе разумный набор Lego, где каждый кубик обладает интеллектом, а все вместе они способны организоваться в любую конфигурацию, какую только можно вообразить.

Это свойство могло бы оказаться полезным для проникновения через преграды. Представьте себе паукообразного робота, который пробирается по канализационной системе и встречает на пути стенку. Первым делом он осматривает ее и находит хотя бы небольшое отверстие; затем он разбирает себя на модули. Каждый блок в отдельности протискивался бы через отверстие, а с другой стороны все они вновь собирались бы вместе. Модульного робота почти невозможно будет остановить, ведь он сможет преодолевать таким образом почти любые препятствия.

Очень может быть, что без модульных роботов нам уже скоро не удастся поддерживать в рабочем состоянии разрушающиеся объекты инфраструктуры. К примеру, в 2007 г. рухнул мост через Миссисипи в Миннеаполисе; погибли 13 и пострадали 145 человек. Причиной катастрофы, судя по всему, были возраст моста, перегрузки и изначальные недостатки проекта. Можно предположить, что нас ждут сотни подобных инцидентов по всей стране, но непрерывно наблюдать за каждым старым мостом попросту слишком дорого. Именно здесь могут пригодиться модульные роботы; они будут молча и незаметно проверять мосты, дороги, тоннели, трубы и электростанции и при необходимости даже ремонтировать их. (К примеру, мосты, ведущие в нижнюю часть Манхэттена, сильно пострадали от коррозии и небрежения; их не ремонтировали много лет. Один рабочий обнаружил бутылку из-под кока-колы 1950-х гг., оставленную после последней покраски конструкции. Более того, одна из секций стареющего Манхэттенского моста недавно пришла в аварийное состояние и едва не обвалилась, так что мост пришлось закрыть на ремонт.)

Роботы-хирурги и роботы-повара

Роботы могут быть не только поварами и музыкантами, но и хирургами. К примеру, одно из важных требований в хирургии — ловкость и точность человеческой руки. Хирурги, как и простые смертные, устают в ходе многочасовых операций, эффективность их действий падает. У них начинают дрожать пальцы. Не исключено, что эти проблемы удастся решить при помощи роботов.

Так, при традиционной хирургической операции коронарного шунтирования делается разрез длиной около 30 см в середине груди, что, естественно, можно делать только под общим наркозом. Вскрытие грудной клетки увеличивает вероятность инфекции и продолжительность послеоперационного периода, порождает сильные боли и дискомфорт в процессе заживления и к тому же оставляет уродливый шрам. Но все эти негативные явления можно сильно уменьшить при помощи роботизированной хирургической системы, известной как да Винчи. Робот да Винчи имеет четыре механизированные руки — при помощи одной он манипулирует видеокамерой, остальные три предназначены для точнейших хирургических операций. Вместо длинного разреза груди робот делает лишь несколько крохотных разрезиков на боку. В настоящее время эту систему используют 800 больниц в Европе, Северной и Южной Америке; только в 2006 г. с ее помощью было проведено 48 000 операций. Мало того, операцию можно проводить удаленно через Интернет, так что хирург мирового класса может, не выезжая из крупного города, прооперировать пациента в далекой деревне на другом материке.

В будущем более продвинутые версии подобных систем научатся проводить операции на микроскопических кровеносных сосудах, нервных волокнах и других тканях при помощи микроскопических скальпелей, пинцетов и игл, что сегодня невозможно. Более того, в будущем хирург, вероятно, практически не будет делать разрезов на коже пациента. Нормой станет неинвазивная хирургия.

Эндоскопы (длинные трубки, вводимые в тело, при помощи которых можно освещать тело изнутри и резать ткани) станут тоньше обычной нити. Большую часть механической работы будут осуществлять микромашины размером с точку в конце этого предложения. (Вспомним, как в одном из эпизодов оригинального «Звездного пути» доктор Маккой с отвращением говорил о том, что в XX в. врачам приходилось вскрывать кожные покровы.) Недалек день, когда все это станет реальностью.

Студенты-медики в будущем будут учиться вскрывать трехмерные виртуальные изображения человеческого тела, причем каждое движение руки будет воспроизводиться роботом в соседней комнате.

Японцы, помимо всего прочего, достигли немалых успехов в разработке роботов, способных общаться с человеком. В Нагое есть робот-повар; он может за несколько минут приготовить вам стандартный обед из меню заведений быстрого питания. Вы просто выбираете в меню блюда, и робот-повар тут же, в вашем присутствии, готовит их. Этот робот, построенный компанией Aisei (ее основная продукция — промышленные роботы), способен приготовить порцию лапши за 1 минуту 40 секунд и обслужить за день до 80 клиентов. Внешне робот-повар очень похож на роботов, которые работают в Детройте на автомобильных сборочных линиях. У него есть две большие механические руки, все движения которых точно запрограммированы. Но вместо того, чтобы закручивать гайки и сваривать металл на заводе, его механические пальцы берут в определенном порядке ингредиенты из специальных мисочек (гарнир, мясо, мука, соусы, специи и т. п.). Механические руки смешивают все в нужных пропорциях, а затем собирают готовый сэндвич, салат или суп. Повар фирмы Aisei выглядит как робот и напоминает две гигантские руки, торчащие из кухонной стойки. Но планируется, что следующие модели будут более человекоподобными.

Фирма Toyota, тоже в Японии, создала робота, который умеет играть на скрипке почти так же хорошо, как любой профессионал. Этот робот напоминает ASIMO, но ведет себя иначе: он способен брать скрипку, раскачиваться в такт музыке, а затем точно и аккуратно играть сложные скрипичные пьесы. Звук получается поразительно реалистичным; кроме того, робот, как любой талантливый музыкант, склонен к величественным жестам. Хотя уровень исполнительского мастерства робота-скрипача пока не дотягивает до концертного, он все же достаточно хорош, чтобы развлечь аудиторию. Конечно, еще в позапрошлом веке существовали механические пианино, которые исполняли фортепианные мелодии, записанные на большом вращающемся диске. Робот фирмы Toyota запрограммирован, как и эти механические устройства. Но разница в том, что робот специально разработан таким образом, чтобы как можно реалистичнее имитировать все движения и позы скрипача-человека.

И еще о музыке. В японском Университете Васэда ученые разработали робота-флейтиста. В его груди есть специальные полости, куда, как в легкие, закачивается воздух; затем этот воздух струйкой выходит наружу и извлекает звуки из настоящей флейты. Этот робот способен играть довольно сложные мелодии, такие как «Полет шмеля». Следует подчеркнуть, что роботы-музыканты не могут сочинять новую музыку, но в исполнительстве они вполне способны стать человеку соперниками.

Робот-повар и робот-музыкант тщательно запрограммированы. Они не автономны. В сравнении со старыми механическими пианино современные роботы, конечно, невероятно сложны, но, если разобраться, действуют они на тех же принципах. До настоящих роботов-горничных и роботов-дворецких пока еще очень далеко. Не исключено, однако, что «потомки» описанных роботов — повара, скрипача и флейтиста — когда-нибудь прочно войдут в нашу жизнь и будут исполнять в ней функции, которые прежде считались исключительно человеческими.

Эмоциональные роботы

Вполне возможно, что к середине столетия наступит эра эмоциональных роботов.

В прошлом писатели нередко фантазировали о роботах, которые мечтают стать людьми и обрести эмоции. В «Пиноккио» деревянная марионетка хотела стать настоящим мальчиком. В «Волшебнике Изумрудного города» Железный Дровосек мечтал обрести сердце. А в сериале «Звездный путь: Новое поколение» андроид Дейта пытался овладеть эмоциями, рассказывая анекдоты и вычисляя, что в них заставляет людей смеяться. Вообще говоря, одна из распространенных тем научной фантастики — утверждение, что, хотя роботы будут становиться все умнее, суть эмоций всегда будет ускользать от них. Когда-нибудь роботы станут умнее нас, говорят некоторые писатели-фантасты, но они никогда не научатся плакать.

На самом деле это утверждение, скорее всего, неверно. Сегодня ученые уже далеко продвинулись в понимании истинной природы эмоций. Во-первых, эмоции сообщают нам, что для нас полезно, а что вредно. Подавляющее большинство вещей в мире либо вредно, либо практически бесполезно для человека. Если нам что-то «нравится», значит, это что-то принадлежит к той крохотной доле вещей и явлений окружающего мира, которые для нас благоприятны. Соответствующая эмоция учит нас узнавать такие вещи.

Вообще говоря, все наши эмоции (ненависть, ревность, страх, любовь и т. п.) появились миллионы лет назад в результате эволюции и призваны были защитить наших предков от опасностей враждебного мира и помочь в воспроизводстве. Все они помогают человеку как можно шире распространить свои гены в следующем поколении.

Принципиальная важность эмоций в эволюции человека подтверждается современными исследованиями. Невролог Антонио Дамасио (Antonio Damasio) из Университета Южной Калифорнии занимается изучением людей, пострадавших от травмы или болезни мозга. У некоторых его пациентов нарушена связь между рациональной, мыслительной частью головного мозга (корой) и эмоциональным центром (миндалевидным телом), расположенным глубоко, в центральной части мозга. Эти люди совершенно нормальны, за исключением того, что они не испытывают никаких эмоций.

Одна проблема, связанная с этим, очевидна: такие люди не способны сделать выбор. Купить что-нибудь — серьезная проблема для них, потому что все вещи кажутся одинаковыми, не важно, дорогие они или дешевые, кричащие или изысканные. Назначить встречу почти невозможно, ведь все даты в будущем для таких людей одинаковы. Похоже, они «знают, но не чувствуют», говорит Дамасио.

Иными словами, эмоции играют огромную роль; в частности, именно они создают для нас шкалу ценностей, опираясь на которую мы может решить, что важно, что нет, что дорого, что красиво, что ценно. Без эмоций все вокруг будет иметь для нас равную ценность, а необходимость что-то решать — а решать нам приходится постоянно — будет вызывать ступор. Ученые сейчас начинают понимать, что эмоции — это не роскошь, а необходимое условие разума.

К примеру, если вы вспомните «Звездный путь» и еще раз посмотрите, как Спок и Дейта выполняют свою работу будто бы без всяких эмоций, вы сразу поймете, насколько недостоверно все это снято. Спок и Дейта постоянно проявляют эмоции — им ведь все время приходится что-то оценивать и решать. Так, они решили, что важно стать офицером, что выполнять определенные обязанности просто необходимо, что Федерация преследует благородную цель, что человеческая жизнь бесценна и т. п. Так что утверждение о том, что может существовать офицер, не испытывающий никаких эмоций, всего лишь иллюзия.

Кроме того, эмоциональность роботов может стать вопросом жизни и смерти. Не исключено, что в будущем ученые создадут роботов-спасателей — роботов, которых будут посылать в огонь, в районы землетрясений, взрывов и т. п. Им придется производить тысячи оценок и принимать тысячи всевозможных решений о том, кого и что спасать, каким образом и в каком порядке. Изучая царящий вокруг них хаос, они должны будут оценивать стоящие перед ними задачи и определять приоритеты.

Эмоции сыграли принципиальную роль и в эволюции человеческого мозга. Если вы рассмотрите общие анатомические черты мозга, то заметите, что их можно объединить в три большие категории.

Во-первых, это «рептильный» мозг, расположенный возле основания черепа и соответствующий почти всему объему мозга рептилий. Эта часть мозга контролирует простейшие жизненные функции, такие как равновесие, агрессия, территориальность, поиск пищи и т. п. (Иногда при взгляде на змею, которая, в свою очередь, смотрит на вас, возникает жутковатое ощущение. Хочется узнать, о чем думает змея. Если теория, о которой идет речь, верна, змея вообще ни о чем особенно не думает, она просто оценивает вас с кулинарной точки зрения.)

Если взглянуть на более высокоразвитые организмы, увидим, что у них мозг увеличился и распространился вперед, к передней части черепа. На этом уровне мы находим «обезьяний» мозг, или лимбическую систему, расположенную в центре нашего мозга. Эта система включает миндалевидное тело, занятое обработкой эмоций. Особенно развита лимбическая система у животных, живущих группами. Общественным животным, которые охотятся стаями, для понимания законов стаи нужен весьма развитый интеллект. Для них выживание в природе зависит от успешного сотрудничества с другими особями, но, поскольку говорить они не умеют, передавать свое эмоциональное состояние им приходится при помощи языка тела.

Наконец, у человека имеется передняя часть мозга и внешняя его часть — кора, слой, который делает человека человеком и управляет рациональным мышлением. Если у других животных доминируют инстинкт и генетика, то человек может размышлять и рассуждать логически, и эту возможность обеспечивает ему кора головного мозга.

Если такая эволюционная последовательность верна, это означает, что эмоции должны будут сыграть решающую роль^⁹в создании автономных роботов. Управляющие центры всех созданных до сих пор роботов имитируют лишь рептильный мозг. Эти роботы могут ходить, осматриваться вокруг, поднимать предметы — и почти ничего больше. Общественные животные, с другой стороны, обладают более развитым интеллектом, чем те, что обладают только рептильным мозгом. Для социализации и овладения законами стаи животному необходимы эмоции. Вывод очевиден: ученым еще предстоит пройти большой путь, прежде чем они смогут хоть как-то смоделировать лимбическую систему и кору головного мозга.

Синтия Бризель (Cynthia Breazeal) из MIT создала робота специально для решения этой проблемы. Лицом этот робот по имени KISMET больше всего напоминает, пожалуй, лукавого эльфа. На первый взгляд он даже кажется живым; в ответ на ваши действия его лицо приходит в движение и передает различные эмоции. Меняя выражение лица, KISMET может изобразить широкий спектр эмоций. Мало того, женщины при общении с этим роботом, похожим на ребенка, часто переходят на «детский язык», которым пользуются матери при общении с маленькими детьми. Но, хотя роботы вроде KISMET’a разработаны специально для имитации эмоций, ученые не питают иллюзий: разумеется, на самом деле этот робот не испытывает никаких эмоций. В определенном смысле он похож на магнитофон, запрограммированный на воспроизведение не звуков, а движений лицевых мускулов, соответствующих различным эмоциям человека. Он не понимает, что делает. Но KISMET — все же прорыв в робототехнике; оказывается, для создания робота, способного имитировать человеческие эмоции так, что человек на них отзовется, не нужны особенно сложные программы.

Такие эмоциональные роботы обязательно найдут путь в наши дома. Они вряд ли станут нашими доверенными лицами, секретарями или горничными, но смогут взять на себя процедуры, которые подчиняются строгим правилам и которые можно запрограммировать на основе эвристики. К середине века они, возможно, дорастут интеллектуально до уровня собаки или кошки. Подобно домашним любимцам, эти роботы будут демонстрировать привязанность к хозяину, так чтобы человеку нелегко было их выбрасывать. Вы не сможете разговаривать с ними обычным языком, но они будут понимать заранее запрограммированные команды — может быть, сотни команд. Если же вы попросите такого робота сделать что-то не заложенное заранее в память (к примеру, скажете: «Иди запусти воздушного змея»), он ответит просто сконфуженным, непонимающим взглядом. (Если к середине века роботы-собаки и роботы-кошки смогут вести себя и реагировать на окружающее в точности как настоящие животные, возникнет вопрос: действительно ли эти животные-роботы испытывают эмоции и умнее ли они обычных кошек и собак?)

Фирма Sony тоже экспериментировала с эмоциональными роботами. Она разработала робота-собаку AIBO. Это первая игрушка, способная реалистично, хотя и довольно примитивно, изображать эмоциональный отклик на действия хозяина. К примеру, если вы приласкаете AIBO и погладите его по спине, он сразу же начнет довольно ворчать, издавая успокаивающие звуки. AIBO может ходить, исполнять голосовые команды и даже в какой-то степени учиться воспринимать новое. Но этот робот не может научиться новым эмоциям и эмоциональным реакциям. (Программа была прекращена в 2005 г. по финансовым соображениям, но у нее до сих пор есть последователи; они совершенствуют программное обеспечение робота и «учат» AIBO исполнять новые трюки.) Не исключено, что в будущем роботы-любимцы, способные поддерживать эмоциональную связь с детьми, станут обычными.

Тем не менее, хотя набор эмоций у таких роботов будет внушительным и они действительно смогут поддерживать с ребенком длительную эмоциональную связь, настоящих эмоций они испытывать не будут.

Инженерный анализ мозга

К середине столетия мы, вероятно, сможем достигнуть очередного важного рубежа в истории ИИ: провести «инженерный анализ», т. е. проанализировать структуру человеческого мозга и создать его полноценную модель. Ученые, разочарованные неудачами в создании «настоящего» робота из кремния и стали, пробуют противоположный подход: «разбирают» мозг, нейрон за нейроном, — точно так же, как механик мог бы разбирать двигатель автомобиля, винтик за винтиком, — а затем начинают имитировать работу этих нейронов на громадном компьютере. Эти ученые пытаются моделировать работу нейронов у животных, начиная с мышей и кошек и постепенно поднимаясь вверх по эволюционной лестнице. У них вполне определенная цель и задача, которую, вероятно, можно будет решить к середине века.

Фред Хэпгуд (Fred Hapgood) из МТИ пишет: «Если мы выясним, как работает мозг — как в точности он работает, на том же уровне, как мы понимаем работу мотора, — почти все учебники придется переписать».

Первым шагом в инженерном анализе, или «реверсивном проектировании», мозга должно было стать понимание его общей структуры. Но даже решение этой простой задачи представляло собой долгий болезненный процесс. Если рассматривать исторически, то отдельные части мозга врачи и ученые обнаруживали во время вскрытий, не имея при этом никакого представления о выполняемых ими функциях. Ситуация начала постепенно меняться, когда ученые стали исследовать людей с травмами мозга и обнаружили, что повреждение различных участков мозга соответствовало различным изменениям в поведении. Жертвы инсульта и люди, перенесшие травму или заболевание мозга, демонстрировали вполне конкретные изменения в поведении, которые затем можно было соотнести с повреждением конкретных частей мозга.

Самый наглядный случай такого рода произошел в 1848 г. в Вермонте, когда металлический стержень длиной более метра пробил насквозь череп железнодорожного десятника по имени Финеас Гейдж (Phineas Gage). Причиной этой исторической травмы стал случайный взрыв динамита. Стержень вошел десятнику в нижнюю часть лица сбоку, раздробил челюсть, прошел сквозь мозг и вышел через макушку. Как ни удивительно, человек выжил после страшной травмы, хотя одна или обе лобные доли его мозга были разрушены. Врач, лечивший Гейджа, поначалу не мог поверить, что человек может вынести такое и остаться в живых. Несколько недель раненый провел в полубессознательном состоянии, но затем чудесным образом оправился. После того несчастного случая он прожил еще двенадцать лет — ездил по стране, работал время от времени — и умер в 1860 г. Врачи сохранили его череп и стержень, которым была нанесена травма, и за прошедшие годы то и другое не один раз подвергалось тщательнейшему изучению. Современные технологии, в частности использование компьютерной томографии, позволили восстановить все детали этого необычайного случая.

Надо сказать, что это событие навсегда изменило представления ученых о проблеме взаимоотношений сознания и тела. Ранее считалось, даже в научных кругах, что душа и тело — это две совершенно независимые сущности. Ученые со знанием дела писали о некоей «жизненной силе», которая одушевляет тело и никак не зависит от мозга. Но отчеты об этом происшествии, которые разошлись очень широко, ясно указывали на то, что личность Гейджа после того несчастного случая заметно изменилась. Говорилось, что симпатичный, общительный и работящий человек после травмы превратился в раздражительного грубияна. После этого случая ученым стало окончательно ясно, что различные участки мозга отвечают за различные аспекты поведения, а потому тело и душа неразделимы.

Следующий прорыв в деле изучения мозга произошел в 1930-е гг., когда неврологи и нейрохирурги, в частности Уайлдер Пенфилд (Wilder Penfield), заметили, что электрическое воздействие на различные участки мозга вызывает стимуляцию определенных частей тела пациента; эксперименты проводились во время операций на открытом мозге пациентов, страдающих эпилепсией. Прикосновение электрода к той или иной части коры головного мозга могло вызвать движение руки или ноги пациента. Опираясь на опыт множества операций, Пенфилд составил примерную схему коры головного мозга, где указал, какие ее части контролируют какие части тела. Теперь каждый может нарисовать человеческий мозг и подписать на картинке, где находятся центры управления различными органами. Эта схема напоминает «гомункулуса» — человечка, части тела которого пропорциональны зонам мозга, в которых они представлены; поэтому у него громадные пальцы на руках, губы и язык, но крохотное тельце.

Еще позже магнитно-резонансные методы исследования позволили получить весьма информативные изображения функционирующего мозга, но даже эти методы не в состоянии отследить конкретные нейронные пути мысли, в прохождении которой задействуется, может быть, всего несколько тысяч нейронов. Но уже совсем недавно появилась новая область науки — оптогенетика, соединившая в себе возможности оптики и генетики и позволившая все же проследить конкретные нейронные пути у животных. Можно привести по этому поводу следующую аналогию. Представьте, что вы хотите составить карту дорог. В этом случае результаты магнитно-резонансных исследований можно сравнить с прибором, способным увидеть автомагистрали и крупные транспортные потоки на них. Оптогенетика, возможно, сможет различить отдельные местные дороги и даже тропинки. Не исключено даже, что она даст ученым возможность управлять поведением животных путем стимулирования конкретных нейронных маршрутов.

Эти исследования стали причиной нескольких громких Журналистских сенсаций. Так, крупный новостной сайт DrudgeReport поместил у себя кричащий заголовок: «Ученые создают дистанционно управляемых мух!» Средства массовой информации породили в общественном сознании образ таких мух, способных выполнить за Пентагон всю грязную работу. В телешоу Tonight Show Джей Лено (Jay Leno) говорил даже об управляемой мухе, которая могла бы по команде залететь в рот президенту Джорджу Бушу-младшему. Конечно, шутники вдоволь повеселились, представляя, как Пентагон одним нажатием кнопки отправляет на задание целые тучи всевозможных насекомых, но на самом деле пока все обстоит гораздо скромнее.

Мозг плодовой мушки-дрозофилы насчитывает примерно 150 000 нейронов. Оптогенетические методы позволяют ученым вызвать свечение определенных нейронов мозга дрозофилы — тех, что соответствуют определенным поведенческим шаблонам. Выяснилось, к примеру, что активация двух конкретных нейронов дает мухе сигнал улетать как можно скорее. Муха автоматически выпрямляет ножки, расправляет крылышки и взлетает. Методами генной инженерии ученые сумели получить породу дрозофил, у которых пара «тревожных» нейронов срабатывает всякий раз при включении лазера. Стоит направить на этих мух лазерный луч, как они тут же поднимаются в воздух.

Определение структуры мозга — задача огромной важности. В результате мы сможем не только потихоньку стимулировать части конкретных нейронных путей, поощряя тем самым определенные поведенческие шаблоны, но и использовать эту информацию в помощь жертвам инсультов и пациентам с заболеваниями или травмами мозга.

Геро Мизенбёк (Gero Miesenbock) из Оксфордского университета и его коллеги научились идентифицировать таким образом нейронные механизмы животных. Они могут исследовать не только тревожный рефлекс дрозофил, но и, скажем, рефлексы, задействованные в восприятии запахов. Они изучали, к примеру, пути, управляющие поиском пищи у круглых червей, изучали нейроны, участвующие в принятии решений у мышей.

Они выяснили, в частности, что если фруктовой мушке для запуска механизма рефлекторного поведения достаточно активации всего двух нейронов, то у мыши при принятии решения задействуется уже почти 300 нейронов.

Основной инструмент оптогенетиков — гены, контролирующие производство определенных красителей и светочувствительных молекул. К примеру, у медуз имеется ген, отвечающий за производство зеленого флуоресцентного белка. Кроме того, известен целый ряд молекул, таких как родопсин, которые при воздействии света начинают пропускать ионы через клеточные мембраны. Таким образом, воздействие света на эти организмы может запускать определенные химические реакции. Вооружившись красителями и светочувствительными веществами, ученые впервые смогли выделить нейронные контуры, отвечающие за определенные схемы поведения.

Так что пусть юмористы пока смеются над учеными, которые будто бы пытаются создать мух-франкенштейнов и управлять их поведением посредством нажатия кнопки. Реальность одновременно и скромнее, и интереснее: ученым впервые в истории удалось выделить в мозгу нервные пути, отвечающие за конкретное поведение.

Моделирование мозга

Оптогенетика — всего лишь первый скромный шаг. Следующим шагом должно стать моделирование мозга целиком при помощи новейших технологических достижений. Существует по крайней мере два способа решения этой колоссальной по масштабу и значимости задачи, и любой из них потребует не одного десятка лет интенсивного труда. Первый способ состоит в применении суперкомпьютеров для имитации поведения миллиардов нейронов, каждый из которых соединен с тысячами других нервных клеток. Второй путь — определить опытным путем местонахождение каждого нейрона в мозгу.

Ключ к первому подходу — моделированию мозга — прост: все дело в «грубой» компьютерной силе. Чем мощнее станут компьютеры, тем лучше. Не исключено, что гигантскую задачу действительно удастся решить при помощи грубой силы и далеких от элегантности теорий. В данный момент совершение этого поистине геркулесова подвига возложено на компьютер под названием Blue Gene, разработанный фирмой IBM, — один из самых мощных компьютеров на Земле.

Я имел возможность увидеть этот чудовищный компьютер во время визита в Ливерморскую национальную лабораторию в Калифорнии, где разрабатывают водородные боеголовки для Пентагона. Это важнейшая из американских секретных военных лабораторий — обширный комплекс площадью 320 га в центре огромного массива сельскохозяйственных земель; бюджет лаборатории, где работает 6800 человек, составляет 1, 2 млрд долларов в год. Это сердце комплекса ядерных вооружений США. Чтобы попасть внутрь, мне пришлось пройти через многослойную систему охраны — ведь это одна из серьезнейших военных лабораторий в мире.

В конце концов, после прохождения нескольких блокпостов, меня допустили в здание, где располагается компьютер Blue Gene фирмы IBM, способный производить вычисления с умопомрачительной скоростью 500 триллионов операций в секунду. Blue Gene представляет собой выдающееся зрелище. Этот монстр занимает площадь около 1000 кв. м и состоит из множества черных как смоль стальных шкафов около 2, 5 м высотой и 4, 5 м длиной. Шкафы выстроены бесконечными рядами и образуют настоящий лабиринт.

Кстати говоря, прогулка среди этих черных шкафов производит странное впечатление. Если в голливудских научно-фантастических фильмах у компьютеров непременно мигают какие-то лампочки, крутятся диски, трещат и сверкают электрические разряды, то здесь совершенно тихо, лишь кое-где изредка вспыхивают крохотные огоньки. Вы понимаете, что компьютер вокруг вас производит триллионы сложнейших вычислений, но ничего не слышите и не видите во время его работы.

Меня особенно заинтересовал тот факт, что Blue Gene, помимо всего прочего, занимается моделированием мыслительных процессов в мозгу мыши. Мозг этого зверька содержит всего лишь около двух миллионов нервных клеток (сравните со 100 миллиардами нейронов нашего мозга). Однако смоделировать мыслительные процессы в мозгу мыши труднее, чем кажется, потому что каждый нейрон связан со множеством других нейронов и вместе они образуют густую нейронную сеть. Но я гулял между бесконечными рядами консолей, из которых состоит Blue Gene, и с изумлением думал о том, что всей невероятной вычислительной мощи этого уникального компьютера хватает только на то, чтобы смоделировать работу мозга мыши, — и то лишь в течение нескольких секунд. (Это не означает, что Blue Gene способен смоделировать поведение мыши. В этом плане ученые пока добрались только до таракана, и то едва-едва. Когда мы говорим о моделировании мыслительных процессов в мозгу животного, мы подразумеваем, что компьютер моделирует срабатывание нейронов мозга, а не поведение мыши.)

На самом деле моделированием мозга мыши занимается сразу несколько групп ученых. В частности, такая попытка осуществляется в швейцарской Федеральной политехнической школе Лозанны; это амбициозный проект Генри Маркрама (Henry Markram) Blue Brain. Проект стартовал в 2005 г., когда исследователям удалось получить небольшой вариант компьютера Blue Gene всего с 16 000 процессоров; тем не менее в течение года команде Маркрама удалось создать модель неокортикальной колонки мозга крысы — части так называемой новой коры (неокортекса), содержащей 10 000 нейронов и 100 млн связей. Эта работа стала важной вехой, поскольку доказывала принципиальную возможность комплексного анализа структуры важной составной части мозга, нейрон за нейроном. (В мозгу мыши миллионы таких колонок, этот структурный элемент повторен многократно. Таким образом, модель даже одной колонки помогает понять, как работает мозг в целом.)

В 2009 г. Маркрам оптимистично заявил: «Построить модель человеческого мозга вполне возможно, и мы в состоянии сделать это лет за десять. Если мы сделаем все правильно, она будет говорить, обладать интеллектом и вести себя совершенно как человек». Однако при этом он предупреждает, что для создания такой модели потребуется суперкомпьютер, в 20 000 раз более мощный, чем современные суперкомпьютеры, и с памятью, в 500 раз превосходящей по объему нынешний Интернет.

Так что же мешает ученым достичь этой колоссальной цели? Для Маркрама все просто: нет денег.

Ему кажется, что, поскольку базовые научные принципы моделирования мозга уже ясны, для успеха нужно просто вложить в проект достаточно денег. Он говорит: «Речь идет не о годах, а о долларах… Вопрос в том, хочет ли этого общество. Если модель нужна через десять лет, они получат ее через десять лет. Если она нужна через тысячу лет, мы можем подождать».

Однако этой проблемой, помимо Маркрама, занимается еще одна группа ученых, которой удалось получить в свое распоряжение величайшие компьютерные мощности в истории. Эта группа работает с наиболее продвинутой версией Blue Gene, получившей название Dawn; она также находится в Ливерморе. Dawn — поистине впечатляющее зрелище; в нем 147 456 процессоров и 150 000 гигабайт памяти. Он примерно в 100 000 раз мощнее вашего настольного компьютера. На счету этой группы, которую возглавляет Дхармендра Модха (Dharmendra Modha), уже имеется несколько серьезных успехов. В 2006 г. она была в состоянии смоделировать 40 % мышиного мозга, а в 2007-м — уже 100 % крысиного (в мозге крысы около 55 млн нейронов, что гораздо больше, чем у мыши).

В 2009 г. группа преодолела еще один рубеж и превзошла прежний мировой рекорд. Ей удалось смоделировать 1 % коры головного мозга человека, или приблизительно весь объем коры головного мозга кошки, — 1, 6 млрд нейронов и 9 трлн связей. Однако моделирование шло медленно, скорость работы модели примерно в 600 раз уступала скорости работы реального мозга. (Если модель охватывала только 1 млрд нейронов, она работала намного быстрее, всего в 83 раза медленнее, чем мозг.)

«Это можно сравнить с телескопом Хаббла для сознания или с линейным ускорителем для мозга, — гордо говорит Модха, имея в виду научный масштаб этого достижения. Поскольку мозг содержит 100 млрд нейронов, моделирование даже одного миллиарда позволяет увидеть свет в конце туннеля. Ученые уверены, что полная модель человеческого мозга уже не за горами. — Это не просто возможно, это неизбежно. Так будет!»

Однако моделирование человеческого мозга целиком до сих пор представляет серьезные проблемы, особенно в плане энергии и отвода тепла. Компьютер Dawn потребляет 1 МВт энергии и выделяет столько тепла, что только на его охлаждение работает 6675 т кондиционирующего оборудования, вырабатывающего 76 тыс. м3 охлажденного воздуха в минуту. Для моделирования человеческого мозга целиком все эти числа придется умножить еще на 1000.

Задача воистину монументальная. Энергопотребление гипотетического суперкомпьютера составило бы 1 ГВт, что соответствует типовой мощности одного энергоблока атомной станции. Этой энергией можно было бы осветить и обогреть крупный город! Для охлаждения этого суперкомпьютера потребовалось бы отвести целую реку и пропустить ее воды через компьютер. А сам компьютер занял бы не один городской квартал.

Поразительно, но человеческий мозг потребляет всего 20 Вт. Выделяемое им тепло почти незаметно, и все же мозг с легкостью оставляет позади совершеннейшие суперкомпьютеры. Более того, человеческий мозг — самое сложное творение матери-природы в этой части Галактики. У нас нет до сих пор никаких данных о присутствии в Солнечной системе других форм разумной жизни, а значит, до ближайшего объекта, сравнимого по сложности с содержимым вашего черепа, от Земли не менее 40 трлн км (расстояние до ближайшей звезды), а скорее гораздо больше.

Не исключено, что нам действительно удалось бы провести реверсивное проектирование мозга за десять лет, но лишь при условии неограниченного финансирования и национальной ударной программы — что-нибудь вроде Манхэттенского проекта. Однако, учитывая общий экономический климат, в ближайшее время таких вложений вряд ли стоит ожидать. Отметим, что правительство США в последние годы поддерживало несколько серьезных приоритетных проектов, таких как «Геном человека», который обошелся почти в три миллиарда долларов, но лишь потому, что они обещали очевидные научные и медицинские выгоды. Выгоды проекта моделирования мозга не столь очевидны, поэтому времени на него уйдет гораздо больше. Более реалистично, наверное, предположить, что мы будем двигаться к цели маленькими шажками и до исторического момента, когда полная модель будет наконец создана, пройдет еще не один десяток лет.

Так что компьютерное моделирование мозга протянется, вероятно, до середины века. И даже после завершения проекта понадобится еще несколько десятков лет, чтобы разобраться в горах полученной информации и соотнести ее с реальным человеческим мозгом. Мало того что мы утонем в данных, у нас к тому же не будет средств, которые позволили бы надежно отфильтровать шум и отделить полезную информацию от случайной.

Разборка мозга

Но как же второй подход, о котором шла речь, — определение точного местоположения каждого нейрона?

Этот подход также ставит перед учеными задачу, достойную Геракла, и скорее всего означает десятилетия тщательных исследований. Вместо суперкомпьютеров вроде Blue Gene ученые, выбравшие такой подход, пользуются методом последовательного анализа. Для начала они препарируют мозг дрозофилы, разрезая его на тончайшие ломтики толщиной не более 50 нм (около 150 атомов). Получаются миллионы ломтиков, каждый из которых фотографируется при помощи сканирующего электронного микроскопа, скорость и разрешение которого приближаются к миллиарду точек в секунду. Электронный микроскоп выдает на-гора невероятное количество данных — около 1000 трлн байт; этого достаточно, чтобы наполнить носителями информации целую комнату. И все это — для описания мозга одной-единственной плодовой мушки! Затем приходит черед обработки данных и тщательного, скрупулезного восстановления трехмерных связей каждого нейрона; на это уходит около пяти лет. А для получения более точной картины мушиного мозга придется разделать и исследовать мозг не одного десятка особей.

Джерри Рубин (Gerry Rubin) из Медицинского института Говарда Хьюза, один из лидеров в этой области исследований, считает, что на составление полной, точной и подробной карты мозга дрозофилы уйдет 20 лет. «Я бы сказал, что, когда эта задача будет решена, мы пройдем пятую часть пути к пониманию человеческого мозга», — заключает он. Рубин понимает всю масштабность и сложность стоящей перед ним задачи. Человеческий мозг имеет в миллион раз больше нейронов, чем мозг дрозофилы. И если на регистрацию каждого нейрона мушиного мозга уйдет 20 лет, то на установление полной нейронной архитектуры человеческого мозга наверняка понадобится еще не одно и не два десятилетия. Стоить этот проект тоже будет громадных денег.

Итак, мы видим, что все участники процесса инженерного анализа мозга пока находятся в сложном положении. Они видят и ясно различают цель, представляют, как можно ее достичь, но отсутствие денег не позволяет им работать в полную силу. Можно с достаточной долей уверенности предположить, что где-нибудь к середине века у нас появятся достаточно мощные компьютеры, на которых можно будет смоделировать человеческий мозг, а также грубые приблизительные карты нейронной архитектуры мозга. Однако на полное понимание механизма мышления или на создание машины, способной дублировать функции человеческого мозга, не приходится рассчитывать раньше самого конца XXI в.

Приведем пример. Получив карту точного расположения каждого гена в теле муравья, вы не узнаете, как строится муравейник. Точно так же сам по себе факт, что ученые теперь знают все 25 000 генов, которые составляют геном человека, не означает, что они поняли, как работает человеческое тело. Вообще, проект «Геном человека» напоминает толковый словарь, в котором нет определения слов. Каждый ген в теле человека четко расшифрован и расписан по буквам, но что каждый из них делает, по-прежнему в значительной степени остается загадкой. В каждом гене закодирована структура определенного белка, но неизвестно, как большинство этих белков функционирует в организме.

Еще в 1986 г. ученые смогли составить полную карту расположения всех нейронов в нервной системе крохотного червячка С. elegans. Первоначально это достижение было объявлено прорывом и ключом к раскрытию загадки мозга. Однако знание точного расположения 302 нервных клеток и 6000 химических синапсов даже сейчас, спустя несколько десятилетий, не дает ученым ничего нового для понимания физиологии червя.

Точно так же даже после создания полной и точной модели человеческого мозга пройдет не один десяток лет, прежде чем мы сможем понять, как работают и взаимодействуют между собой все его части. Если удастся все же завершить реверсивное проектирование и полную расшифровку структуры мозга к концу столетия, это будет означать, что сделан громадный шаг к созданию человекоподобных роботов. Что тогда помешает им захватить власть?