Будущее разума
Введение
Что такое человеческий мозг: сложный механизм или проявление высшего разума в человеческом теле? Всего 200 лет назад люди склонялись ко второму варианту, потому что не представляли, как выглядит и как устроен мозг. Митио Каку рассказывает о мозге человека с позиций физика-теоретика, оставляя эмпирические изыскания философам, и считает его самым сложным объектом во Вселенной — в человеческом мозге 100 миллиардов нейронов, образующих причудливые нейронные сети.
Наш мозг невелик — он весит около полутора килограмм (это 2% от веса тела), но в отличие от остальных органов, он работает, даже когда мы спим, и потребляет 20% энергии. Мозг управляет всеми процессами в организме, без него нет жизни. Остановившееся сердце можно запустить, а смерть мозга означает смерть человека.
«Будущее разума» повествует об истории исследований мозга и о приборах, которые дают возможность за ним наблюдать. Сегодня мы можем видеть, как зарождается мысль, решаются сложные задачи и принимаются жизненно важные решения в режиме реального времени. И это настоящее чудо.
Митио Каку рассматривает такие явления, как телепатия и телекинез, и размышляет о том, можно ли улучшить память и интеллект отдельного человека и сделать всех людей будущего умнее. Он уверен, что в недалеком будущем, благодаря детальным исследованиям мозга, мы сможем справляться с психическими расстройствами и генетическими мутациями, лечить болезнь Альцгеймера, инсульты и серьезные травмы, а значит, жить долго и качественно.
В книге также рассматриваются вопросы управления сознанием, создания искусственного интеллекта и другие моменты, связанные с будущим разума.
Данную книгу едва ли можно назвать легким чтением, хотя она написана простым языком и проиллюстрирована схемами и диаграммами. Автор собрал под одной обложкой всю историю изучения мозга и подробно описал перспективы его дальнейших исследований. Но книга безусловно заслуживает вашего внимания, так как отвечает не только на самые сложные вопросы, но и дает более практические рекомендации, что делать со своим мозгом.
1. Изучение мозга
До середины XIX века мозг находился в ведении философов, которые были уверены, что мозг и душа — две независимых сущности, и имели смутные представления о функциях мозга.
1.1. Зарождение нейробиологии
Ход науки изменил один несчастный случай.
В 1848 году американскому железнодорожнику Финеасу Гейджу железный стержень пробил голову насквозь. Гейдж не умер на месте. Более того, он в скором времени вернулся к работе и прожил еще 12 лет. Но у него полностью изменился характер: прежде он был веселым и позитивным человеком, а стал грубым и раздражительным. После смерти Гейджа его череп удалось сохранить. Рентгеновское исследование позже показало, что от травмы разрушились участки лобной доли мозга, как в правом, так и в левом полушариях.
Травма Гейджа продемонстрировала, что повреждение мозга приводит к кардинальным изменениям личности. Ученые стали склоняться к мнению, что мозг связан с поведением человека.
В 1861 году французский врач Пьер Поль Брок описал пациента, который внешне выглядел нормальным, хорошо воспринимал речь других людей, но сам лишь издавал нечленораздельные звуки. После смерти пациента было проведено вскрытие, которое выявило повреждения левой височной доли мозга.
В 1974 году врач Карл Вернике из Германии описал противоположное состояние, при котором больные внятно разговаривали, но не воспринимали устную и письменную речь. Они говорили достаточно быстро, с соблюдением грамматических норм, но употребляли несуществующие слова. Оказалось, что у них был поврежден другой участок левой височной доли мозга.
Еще один прорыв в нейробиологии произошел в 1864 году, когда немецкий врач Густав Фрич предположил, что правое полушарие управляет левой стороной тела, а левое — правой.
Во время прусско-датской войны доктор Фрич обратил внимание на то, что у солдат с открытыми ранениями мозга дергается правая часть тела при прикосновении к левому полушарию — и наоборот, левая часть тела реагирует при стимуляции правого полушария.
1.2. Как мозг управляет телом?
В 1930-х годах доктор Уайлдер Пенфилд нарисовал схему соответствия определенных участков коры головного мозга телу человека. Эту схему до сих пор используют при изучении физиологии и анатомии. Пенфилд обнаружил, что размер участка мозга напрямую связан с важностью функции, за которую он отвечает.
На рисунке 1 видно, что кисти рук и рот управляются крупными участками мозга, а нервные окончания, отвечающие за спину, малозаметны.
Рисунок 1.
1.3. Строение внешнего слоя головного мозга
В 1950–1960-х годах появились первые карты мозга. На рисунке 2 изображен внешний слой головного мозга (неокортекс), состоящий из четырех долей.
• Префронтальная кора, передняя часть лобной доли (frontal lobe) — область, отвечающая за рациональные решения.
• Правое полушарие теменной доли (pariental lobe) связано с сенсорным вниманием и образом тела, а левое — с мелкой моторикой и определенными аспектами речи.
• Затылочная доля (occipital lobe) воспринимает и обрабатывает визуальную информацию.
• Височная доля (temporal lobe) контролирует язык (левая часть), а также распознает лица и эмоции.
Рисунок 2.
1.4. Эволюция мозга
До 1960-х годов ученые не могли определить, почему человеческий мозг выглядит так, а не иначе, и его структура представлялась хаотичной. Но в 1967 доктор Пол Маклин предложил рассматривать мозг с позиций теории эволюции Дарвина. Он разделил его на три части (рис. 3): на мозг рептилии (reptilian brain), мозг млекопитающего (mammalian brain) и человеческий мозг(human brain).
Маклин обратил внимание на то, что задняя и центральная часть мозга похожа на мозг рептилий. Они отвечают за основные функции организма (дыхание, пищеварение, сердцебиение и др.) и контролирует такие элементы поведения, как спаривание, охота, борьба, которые необходимы, чтобы выжить и продолжить род. Маклин заключил, что мозг рептилии — самый древний, ему около 500 миллионов лет.
В процессе эволюции от рептилий к млекопитающим мозг стал более сложным. Мозг млекопитающего, или лимбическая система, есть также у животных, которые живут социальными группами (например, у обезьян). В лимбической системе кратковременные воспоминания становятся долговременными, зарождаются эмоции, в том числе страх, регулируется температура тела, режим дня, голод, жажда, наслаждение, собирается и распределяется сенсорная информация.
Внешняя часть мозга — кора (новая кора, неокортекс) — управляет когнитивным поведением. У человека эта часть составляет 80% массы мозга. Неокортекс есть и у некоторых животных. Но у крыс он гладкий, а у человека — извилистый.
Рисунок 3.
Неокортекс состоит из серого вещества, которое образуется из миллиардов клеток, нейронов (neuron) (рис. 4). Они сообщаются между собой с помощью дендритов (dendrites) — отростков, выходящих из одного конца нейрона. Из другого конца нейрона выходит длинный отросток, аксон (axon), который через дендриты может соединяться с 10 000 нейронов. В месте, где аксон соединяется с дендритом, образуется промежуток, синапс (synaptic knobs). Синапсы регулируют поток информации. Также потоками информации, эмоциями и мыслями человека управляют особые химические вещества нейромедиаторы (норадреналин, дофамин, серотонин и др.).
Рисунок 4.
1.5. Революция в исследованиях мозга
К 1990-м годам ученые знали о мозге только то, что описано выше. Но новые технологии позволили изучать мозг в режиме реального времени, что привело к буму научных открытий.
Самым выдающимся инструментом изучения мозга в последние два десятилетия стали аппараты МРТ. Первые аппараты могли исследовать только статичный мозг, но с середины 1990-х годов с их помощью можно видеть, как функционирует мозг. Аппарат МРТ может выделять микроскопические участки мозга и рассматривать их в трехмерном изображении.
С помощью аппарата МРТ можно наблюдать, как происходит зарождение мысли, и следить за процессом мышления — электрическая энергия циркулирует по различным отделам мозга. МРТ-исследования помогли значительно продвинуться в изучении психических заболеваний, инсультов, болезни Альцгеймера и Паркинсона.
У МРТ есть и ряд недостатков:
• снимок кровотока мозга делается за секунду, но электрические сигналы проходят гораздо быстрее, а значит, на аппарате фиксируются не все нюансы мыслительного процесса;
• аппарат МРТ слишком тяжелый и громоздкий — он может весить больше тонны и занимать большую площадь;
• цена аппарата МРТ высока — несколько миллионов долларов, поэтому обычно приобретают один аппарат на больницу или на несколько лечебных заведений.
Сегодня в распоряжении ученых есть методы, которые могут воздействовать на работу мозга, отключая или активизируя определенные области.
ТЭС позволяет обезболивать без медикаментов, нормализует психическое состояние, нормализует работу сердца и сосудов, купирует абстинентные синдромы, устраняя тягу к наркотикам.
МЭГ помогает точно диагностировать аутоиммунные и психические заболевания, а также локализовать очаги эпилептической активности.
Нейростимуляция начиналась с грубого зондирования мозга, а сегодня используются электроды не толще волоса, которые предельно точно вводятся в нужные области мозга и стимулируют их. Нейростимуляция позволила выявить функционал различных частей мозга, лечить депрессии и болезнь Паркинсона.
Оптогенетика будет способна контролировать поведение человека при помощи светового луча. Это новая технология, которая апробирована только на животных, но ученые видят в ней большие перспективы для лечения психических заболеваний.
2. Человеческий мозг в будущем
Через два-три десятилетия мы сможем сохранять воспоминания, мысленно управлять компьютером, создавать чертежи и схемы при помощи воображения и силой мысли отправлять их на печать в 3D-принтере. Исследования мозга в будущем позволят людям стать более здоровыми и умными. Возможно, мы даже научимся читать мысли других людей и управлять различными объектами и роботами без пультов и кнопок.
2.1. Здоровье
Исследования мозга, создание новых и усовершенствование имеющихся технологий открывают разнообразные перспективы в плане улучшения здоровья и качества жизни.
Своевременная диагностика заболеваний, в том числе выявление заболеваний на ранней стадии, когда велика вероятность излечения.
Физики считают, что в ближайшем будущем аппарат МРТ уменьшится в размерах и будет не больше сотового телефона, а удешевление технологий приведет к тому, что он будет в каждой домашней аптечке.
Лечение психических заболеваний. Знание о том, какие участки мозга поражаются при тех или иных психических заболеваниях, дают надежду на то, что больным поможет глубокая стимуляция мозга, направленная на определенный отдел. Сегодня глубокая стимуляция мозга уже испытывается в США для лечения депрессии, от которой страдают 20 миллионов американцев.
Группа ученых под руководством доктора Хэлен Мэйберг из университета Вашингтона в Сент-Луисе при помощи технологий сканирования мозга обнаружила, что у пациентов, которым не помогает ни один из известных методов лечения, постоянно активна определенная область коры головного мозга — подмозолистая область. Ученые сформировали группу из 12 пациентов и стали стимулировать эту область направленными электрическими импульсами. У восьми человек с хронической депрессией положительные результаты были заметны уже после первой стимуляции.
Современные аппаратные исследования выявили, что причиной ряда психических расстройств является дисбаланс между двумя участками мозга. При паранойе — между мозжечковой миндалиной и префронтальной долей, при шизофрении — между левой височной долей и передней поясной корой. Глубокая стимуляция мозга, возможно, в будущем будет устранять этот дисбаланс.
Лечение травм позвоночника. Травмы позвоночника часто приковывают людей к инвалидному креслу. Но уже проводятся успешные эксперименты по замене спинного мозга компьютером, который будет координировать работу мышц. И если в человеческом мозге движениями руки управляют миллионы нейронов, то для компьютерного управления рукой достаточно чипа с 100 электродами.
Ученым из Северо-Западного университета удалось связать мозг обезьяны с рукой, поместив микросхему на поверхность ее мозга.
Создание искусственных участков мозга для борьбы с неизлечимыми болезнями. С некоторыми болезнями не удается справиться лекарственными методами. Большие надежды возлагаются на создание искусственных участков мозга, которыми будут заменять пораженные болезнью отделы.
Болезнь Альцгеймера, при которой человек теряет сначала кратковременную память, а затем и долговременную — не узнает близких, не помнит, кто он, — может стать самым распространенным заболеванием, потому что население развитых стран стремительно стареет. А чем старше человек, тем выше риск заболеть: в возрасте от 65 до 74 лет болезнь Альцгеймера обнаруживается у 5% людей, а после 85 лет вероятность болезни достигает 50%. Амилоидные бляшки, формирующиеся в процессе болезни и состоящие из деформированных молекул белка, резистентны к лекарствам — это не бактерии и не вирусы. Перспективный способ лечения болезни — создание искусственного гиппокампа — области мозга, ответственной за воспоминания.
Протезирование. Протезы пока не могут полноценно заменять конечности — движения пальцев, мелкая моторика, разнообразные движения ступней, обеспечивающие маневренность и легкость движений, недоступны людям, лишившимся рук и ног. Но в последнее десятилетия в лабораториях разных стран создаются современные протезы, которые почти не отличаются от естественных конечностей.
Полковник армии США Джеффри Линг — врач-невролог, который неоднократно ездил в командировки в Ирак и Афганистан во время боевых действий. Он видел, что сотни военнослужащих лишились рук и ног во время этих военных компаний. Доктор Линч стал думать, чем заменить конечности. Так при поддержке Пентагона появилась программа «Революция в протезировании», в рамках которой создаются совершенные протезы. Например, механическая рука, которую сделали в лаборатории прикладной физики университета Хопкинса, может выполнять все возможные движения пальцев, кисти и руки.
Нейропротезирование. Пациент силой мысли может управлять конечностями и общаться с окружающими. Уже сегодня нейропротезы доступны некоторым больным, но пока они достаточно примитивны. В будущем компьютер, на который подаются сигналы мозга, будет соединяться со всеми необходимыми приборами — микроволновой печью, кондиционером, кофеваркой и телевизором, чтобы человек мог выполнять максимум действий, не дожидаясь посторонней помощи.
Стивен Хокинг (р. 1942 г.) — британский физик-теоретик, исследователь теории Большого взрыва и Черных дыр. Страдает боковым амиотрофическим склерозом, много лет парализован и не может говорить. Нейропротез Стивена Хокинга прикреплен к очкам. Он передает мысли на компьютер, помогая ученому поддерживать связь с внешним миром: он дает интервью, читает лекции, проводит научные исследования и пишет книги.
2.2. Усовершенствование человеческого интеллекта
С появлением новых возможностей для исследований мозга, некоторые ученые заинтересовались вопросом «Можно ли улучшить интеллект человека, то есть сделать из человека с заурядными способностями гения?». Сегодня разработки по усовершенствованию интеллекта ведутся в нескольких направлениях.
• Создание лекарственных стимуляторов интеллекта.
• Модификация генов.
• Стимуляция мозга с помощью приборов, таких как ТЭС.
В каждом из этих направлений уже есть определенные успехи: появились препараты, улучшающие память, удалось создать «умных мышей» с измененным набором генов, полным ходом идут эксперименты по аппаратной стимуляции мозга. Однако сегодня в научном мире обсуждаются вопросы, связанные с целесообразностью, этичностью и безопасностью стимулирования интеллекта.
• Высокий IQ не гарантирует успеха в жизни — так стоит ли его повышать?
• Не приведет ли возможность стимулирования интеллекта к социальному расколу? Обладатели властных и финансовых ресурсов могут улучшить свой интеллект, чтобы упрочить свое положение и начать эксплуатировать людей с обычными способностями.
• Какой интеллект следует считать эталонным?
Долгое время обсуждалась возможность воссоздать мозг Эйнштейна. Но вряд ли можно считать мозг человека, который заговорил в 6 лет и страдал дислексией, идеальным.
• Есть ли интеллектуальный лимит, заложенный природой, и что будет, если его превысить?
• Захотят ли обычные люди стимулировать свой интеллект?
2.3. Чтение мыслей
Создание инновационных методик исследования мозга — первый шаг к его доступности и прозрачности. Сегодня в разных странах уже идут эксперименты по расшифровке человеческих мыслей.
В фантастических книгах и фильмах часто встречаются телепатические шлемы, с помощью которых можно читать мысли других людей. Но недалек день, когда эти устройства появятся в реальной жизни. Доктор Гарвин Шелк из штата Нью-Йорк получил грант в 6,3 миллиона долларов от армии США на разработку телепатического шлема, который сможет «читать мысли» противника. Пока в исследованиях применяют ЭЭГ-датчики, но если удастся добиться уменьшения аппарата МРТ, процесс создания шлема пойдет быстрее, и распознавание мыслей будет более точным — у МРТ разрешение значительно выше, чем у ЭЭГ.
Однако создание аппаратов для чтения мыслей ставит под сомнение право человека на частную жизнь.
Доктор Нисимото из университета Беркли уверяет, что в обозримом будущем не стоит опасаться того, что ваши мысли «подслушают». Радиосигналы еле уловимы уже на расстоянии двух метров, кроме того, в эфире всегда присутствуют помехи. Таким образом, для того чтобы прочитать мысли, нужны будут лабораторные условия.
Помимо телепатических шлемов, вероятно, появится еще одна возможность чтения мыслей. Это введение в мозг сети нанозондов, состоящих из нанотрубок, которые будут тонкими настолько, что человеческий глаз не сможет их различить (толщина их стенок составит несколько молекул). Нанозонды будут помещать в участки мозга, которые отвечают за ту или иную деятельность. Вопрос приватности при использовании нанозондов не возникает — сигналы будут посылаться, только когда «хозяин мозга» сочтет это необходимым.
Для считывания речи нужно поместить зонд в левую височную долю, а для передачи визуальных образов — в таламус и зрительный центр коры.
Чтение мыслей вызывает не только этические, но и юридические вопросы.
Достаточно ли данных, считываемых с мозга парализованного человека, для составления завещания? Получит ли полиция право читать мысли подозреваемых и свидетелей во время допроса, и можно ли будет использовать их в суде?
Некоторые футурологи предрекают появление брейн-нета — сети, в которой миллиарды людей с разных концов земного шара смогут устанавливать мысленный контакт друг с другом и обмениваться информацией.
2.4. Управление различными объектами
Сегодня мы видим аватары лишь в фантастических фильмах, но их создание — вопрос ближайших десятилетий. Эти заменители людей, удаленно управляемые самими людьми, необходимы, прежде всего, в чрезвычайных ситуациях и космических исследованиях.
В устранении аварии на Чернобыльской АЭС были задействованы 250 000 человек. Некоторые из них получили смертельную дозу радиации, а остальные — дозу, многократно превышающую норму. Если бы в то время существовали промышленные роботы, человеческих жертв можно было бы избежать. Корпорация Honda создала робота для работы в радиоактивной обстановке, но он пока не умеет выполнять весь спектр действий.
3. Искусственный интеллект
Ученые уверены, что полноценный искусственный интеллект рано или поздно будет создан, но остерегаются предсказывать сроки, потому что за последние 70 лет они уже трижды предрекали скорое появление искусственного разума и ошибались.
В 1950-х в научных журналах публиковались восторженные статьи, в которых рассказывалось о последних изобретениях: машина, играющая в шашки, механическая рука, распознающая и поднимающая кирпичи, робот Шейки, который перемещался по комнате, обходя препятствия. Все ждали скорого появления роботов-официантов и роботов-компаньонов. В 1965 году доктор Герберт Саймон, один из родоначальников теории искусственного интеллекта, заявил, что через 20 лет машины смогут делать все то, что делает человек. Но в 1970-х годах правительства США и Великобритании значительно уменьшили ассигнования на разработку искусственного интеллекта, потому что все создаваемые машины не были универсальными, а умели делать что-то одно.
В 1980-х случился новый всплеск интереса к искусственному интеллекту — Пентагон стал разрабатывать роботов для военных действий. Но все роботы-разведчики, на создание которых тратились сотни миллионов долларов, хорошо выполняли только одну незапланированную функцию — быстро терялись. И в 1990-х интерес к искусственному интеллекту снова угас.
К концу XX века вычислительные мощности машин выросли, и начался новый расцвет искусственного интеллекта, который продолжается до сих пор. Достижения впечатляют: чат-боты способны поддержать беседу, а роботы-пылесосы — очистить пол от загрязнений.
В 1997 году компьютер Deep Blue, созданный IBM, выиграл матч у действующего чемпиона мира по шахматам Гарри Каспарова, а в 2011 году IBM представил робота Watson, который победил лучших игроков в Jeopardy! (российский аналог — «Своя игра»). Это большой прогресс, но и Deep Blue, и Watson — всего лишь мощные счетные машины, у которых полностью отсутствует самосознание и понимание происходящего.
В будущем разработчики искусственного интеллекта, вероятно, будут действовать в двух направлениях.
Учить компьютеры распознавать образы.
Современный робот способен распознавать простые объекты, например, мяч или книгу. Но оказавшись вне лабораторных условий, он заблудится. Он распознает детали лучше, чем человек, но не понимает, что видит. Робот видит не стул, а набор точек и линий. Он может распознать объект, совместив его с изображением из базы данных, только если форма и положение полностью идентичны. Но если вы повернете или уроните стул, робот его не узнает.
Прививать машинам здравый смысл.
Робот не знает, как устроен мир. Ему неведомы аксиомы вроде «когда идет снег — холодно», «мать всегда старше сына». А для изложения здравого смысла четырехлетнего ребенка потребуются сотни миллионов строк компьютерного кода.
Японский робот ASIMO, созданный компанией Honda, похож на маленького мальчика: умеет бегать, прыгать, танцевать и даже говорить на нескольких языках, но сами разработчики признаются, что его интеллект не выше, чем у жука.
Заключение
Нейробиология зародилась в середине XIX века, когда в результате черепно-мозговой травмы у американского железнодорожника Финеаса Гейджа испортился характер. Таким образом, многовековые философские размышления о раздельном существовании ума и души оказались несостоятельными. В 1860–1970-х годах немецкие и французские ученые обнаружили, что за восприятие и воспроизведение речи отвечают разные отделы мозга, и правое полушарие мозга управляет левой стороной тела, а левое — правой.
В 1930-х была составлена схема соответствия определенных участков коры головного мозга телу человека, в 1950–1960-х появились первые карты мозга и эволюционная модель мозга. Но настоящая революция в изучении человеческого мозга произошла около 20 лет назад, когда был создан аппарат МРТ и другие приборы, позволяющие исследовать мозг с точностью до долей миллиметра.
У исследований человеческого мозга большие перспективы в следующих направлениях:
• здоровье (своевременная диагностика, лечение неизлечимых заболеваний и травм, создание искусственных отделов мозга, протезирование, нейропротезирование);
• улучшение интеллекта;
• чтение мыслей;
• управление объектами.
Человеческий мозг — самый сложный объект во Вселенной, а искусственный разум пока находится на уровне насекомого. Чтобы сравняться с человеком, ему нужно научиться распознавать образы и обрести здравый смысл.