Коннектом. Как мозг делает нас тем, что мы есть - Себастьян Сеунг

Как выражаются ученые-компьютерщики, «мусор на входе – мусор на выходе». Если схема нейронных связей «Синего мозга» выстроена неверно, то и соответствующая модель тоже неверна. Однако не будем слишком уж придирчивы. В будущем Маркрам всегда сможет включить в свой «Синий мозг» информацию, почерпнутую из коннектомов. И тогда его имитация приблизится к реальности, не так ли?

Чтобы ответить на этот вопрос, давайте снова обратимся к круглому червю C. elegans. Его коннектом уже известен в отличие от коннектома человеческого неокортекса. Даже удивительно, что лишь небольшие части нервной системы червя удалось смоделировать цифровым способом. Эти модели помогают лучше понять некоторые простые картины поведения животного, однако все эти работы носят фрагментарный характер. Никто пока и близко не подошел к тому, чтобы смоделировать нервную систему червя целиком.

К сожалению, нам не хватает хороших моделей нейронов C. elegans. Как я уже говорил, большинство этих нейронов даже не дают импульсы, так что модель неравноценного голосования здесь неприменима. Чтобы построить модель для нейронов, нужно измерить какие-то их параметры. Но, как выясняется, для C. elegans это сделать труднее, чем для мышиных или даже человеческих нейронов. Кроме того, нам не хватает информации о синапсах этого червя. Существующий коннектом даже не позволяет уточнить, какие это синапсы – возбуждающие или ингибирующие.

Итак, «Синему мозгу» не хватает коннектома, а червю C. elegans не хватает моделей нейронных типов. А ведь для успешной цифровой имитации мозга или целой нервной системы нужны оба элемента. Значит, наше первоначальное утверждение следует переформулировать так: «Вы – это ваш коннектом плюс модели нейронных типов». (Будем предполагать, что коннектом точно описывает тип каждого нейрона.) Однако модели нейронных типов, скорее всего, будут содержать значительно меньше информации, чем коннектом, поскольку большинство ученых полагает, что нейронных типов гораздо меньше, чем самих нейронов. В этом смысле максима «Вы – это ваш коннектом» остается весьма близкой к истине. Более того, выше мы уже сделали допущение, что все однотипные нейроны должны вести себя сходным образом в любом нормальном мозгу, подобно тому как все белые медведи в нормальных условиях охотятся на тюленей. Если мы оцифруем множество людей, все эти имитации будут иметь одни и те же модели нейронных типов. Уникальную информацию о данной личности по-прежнему будет нести ее коннектом.

Следует отметить, что у червя C. elegans несколько иной баланс распределения информации. Его три сотни нейронов разбиты на сотню типов, а это ненамного меньше, чем количество нейронов. В сущности, каждый нейрон (вместе со своим симметричным двойников на другой стороне червиного тела) составляет отдельный тип. Если каждый нейрон потребует создания отдельной модели, суммарная информация, содержащаяся во всех моделях, превысит по объему информацию, содержащуюся в коннектоме. Так что для червя утверждение «Вы – это ваш коннектом» является ужасной натяжкой, хотя к нам оно, по-видимому, подходит едва ли не идеально.

Иными словами, нервная система червя C. elegans напоминает машину, собранную из деталей, каждая из которых уникальна. Работа отдельной детали при этом так же важна, как и их организация. Противоположная крайность – машина, сделанная лишь из деталей одного-единственного типа. (Если вам уже достаточно много лет, не исключено, что вы помните первые конструкторы «Лего», состоявшие из одинаковых блоков.) Работа подобной машины будет почти целиком зависеть от того, как организованы ее части.

Электронные приборы ближе к этой второй крайности, поскольку содержат детали не слишком многочисленных типов: резисторы, конденсаторы, транзисторы – это почти всё. Вот почему схема радиоприемника в такой большой степени определяет то, как он будет работать. Список деталей человеческого мозга длиннее, так что уйдет немало лет, чтобы смоделировать все нейронные типы нашего мозга. Однако типов деталей гораздо меньше, чем самих деталей. Вот почему очень важно, как организованы эти части. Вот почему утверждение «Вы – это ваш коннектом» все-таки может оказаться весьма хорошим приближением.

Модели мозга должны учитывать еще одну важную характеристику коннектомов – изменчивость. Без нее ваше цифровое Я не сможет накапливать новые воспоминания или приобретать новые навыки и умения. Маркрам и Модха включили в свои имитации фактор изменения синаптического веса, привлекая математические модели, построенные согласно правилу хеббовской синаптической пластичности. Но важно учесть также рекомбинацию связей, переподключение нейронов и регенерацию. Вообще наши модели четырех процессов коннектомных изменений куда грубее моделей процессов распространения электрических сигналов в нейронах. Возможно, эти модели удастся усовершенствовать, но для этого потребуется еще много лет научных изысканий.

Да, всё это серьезные препятствия на пути, однако модели нейронных типов и коннектомных изменений все-таки укладываются в общую концепцию цифрового моделирования мозга на основании коннектомов. Может быть, в мозгу есть что-то такое, что принципиально несовместимо с этой идеей? Одна из трудностей состоит в том, что нейроны могут взаимодействовать между собой и без помощи синапсов. К примеру, молекулы нейротрансмиттера способны вырваться из одного синапса и уплыть от него благодаря процессу диффузии, после чего их присутствие ощутит более отдаленный нейрон. В результате могут начать взаимодействовать нейроны, не связанные общим синапсом, или даже нейроны, вообще не контактирующие друг с другом. Такое внесинаптическое взаимодействие не описывается коннектомом. Возможно, мы сумеем без особых затруднений смоделировать какие-то из подобных внесинаптических взаимодействий. Однако может случиться так, что диффузия молекул нейротрансмиттера в тесные и извилистые межнейронные закоулки потребует создания весьма сложных моделей.

Если внесинаптические взаимодействия окажутся жизненно важными для функционирования мозга, тогда, быть может, все-таки придется отказаться от гипотезы «Вы – это ваш коннектом». Более общее утверждение «Вы – это ваш мозг», возможно, останется в силе, но его будет гораздо труднее использовать как теоретическую базу для оцифровки сознания. Не исключено, что на какой-то стадии нам придется отбросить коннектомные абстракции и спуститься еще ниже – на уровень отдельных атомов. Представьте, как на основании законов физики (уже не биологии) мы создаем компьютерную имитацию каждого атома мозга. Она будет чрезвычайно близка к реальности, куда ближе, чем модель, в основе которой лежит коннектом.

Однако для этого понадобится невероятное количество уравнений, ведь атомов так много. Нелепо даже пытаться прикинуть, какие же колоссальные вычислительные мощности для этого потребуются. Эта проблема не стоит на повестке дня – во всяком случае, до эпохи ваших отдаленнейших потомков, до того времени, когда истечет срок, вполне сравнимый с возрастом галактики. Сегодня нам трудно строить модели даже для скромных ансамблей атомов – для молекул. Цифровая имитация всех атомов мозга – это что-то почти невообразимое. И ограниченные вычислительные мощности – лишь одно из препятствий на этом пути. Нелегко будет получить исходную информацию для того, чтобы начать строить такую модель. Возможно, для этого понадобится определить местоположение и скорость каждого из атомов мозга, а это куда больший объем информации, чем тот, что содержится в коннектоме. Не совсем ясно, как собирать такую информацию и как сделать это за обозримое время.