Сегодня мы поговорим о древнем мысленном эксперименте, который совсем недавно стал выходить в практическую плоскость, теряя статус отвлечённого философского парадокса. Речь о «корабле Тесея». Я решил затронуть эту тему на Хабре, поскольку она интереснейшим образом связана с теорией коннектомики и переносом сознания на цифровой носитель.
Корабль Тесея — смысл метафоры
Парадокс «корабля Тесея» был впервые сформулирован на рубеже I и II века нашей эры в творчестве Плутарха, пересказывавшего и интерпретировавшего греческие мифы. Плутарх предложил мысленный эксперимент. Тесей, победитель Минотавра, был известен как мореход, а одна из первых легендарных историй, связанных с трагически неверной интерпретацией сигнала, также связана с его путешествием на Крит. Если допустить, что корабль Тесея вышел потрёпанным из множества штормов, его паруса и корпус многократно латались и постепенно обновлялись, то можно ли допустить, что сам корабль тем временем «сохранял идентичность» и остался тем самым кораблём, который когда-то был спущен с верфи? Этот мысленный эксперимент заставляет задуматься, сохраняется ли цельность объекта при постепенной замене его составляющих, даже к тому моменту, когда составляющих «первого поколения» в нём уже не осталось.
Нейропластичность и попытки выращивания неокортекса
Суть парадокса сводится к определению «целого» и того, насколько это определение продолжает соблюдаться, если мелкие части целого постепенно заменяются новыми. Например, все клетки человеческого тела делятся на митотические (способные к делению) и постмитотические (неспособные к делению — таковы, в частности, нейроны). Митотические клетки меняются поколение за поколением, предельный срок жизни такой клетки ограничен пределом Хейфлика или примерно 50 актами деления.
В данном ракурсе особенно интересна неделимость нейронов головного мозга — явление, описываемое в быту как «нервные клетки не восстанавливаются». С конца XVIII века предпринимались попытки изучать диссоциативное расстройство идентичности — состояние, при котором больному кажется, что в его разуме сосуществуют несколько разумных личностей, зачастую конкурирующих друг с другом. Наиболее растиражированный в культуре пример такого рода – это история Билли Миллигана, изложенная в документальном романе «Множественные умы Билли Миллигана» Дэниэла Киза. Тем не менее, сегодня известно, что усложнение мозга, как правило, достигается не за счёт образования новых нейронов, а за счёт возникновения новых связей (синапсов) между имеющимися нейронами. Но, пусть нервные клетки и лишены возможности делиться, новые нейроны всё-таки могут образовываться в организме взрослой особи в процессе нейрогенеза. По-видимому, нейроны не могут размножаться делением, так как для этого пришлось бы разорвать все исходящие синапсы, а впоследствии в точности восстановить их как для родительского, так и для дочернего нейрона. Но, поскольку «карта нейронов» в мозге остаётся относительно стабильной,
напрашивается идея, что можно поэтапно заменить каждый из нейронов на нейроморфный компьютерный чип и тем самым перенести сознание на небиологический носитель.
Нейропластичность (пластичность мозга) — это свойство биологических нейронных сетей, благодаря которому они могут меняться в процессе роста и реорганизации. Синаптические сети в мозге могут ветвиться и перестраиваться таким образом, чтобы организм не только усваивал новые знания и навыки, но и восстанавливался после черепно-мозговой травмы или инсульта. Масштаб подобных изменений варьируется от перестройки отдельных нейронных путей и синапсов до систематической переориентации целых зон мозга (кортикальное переназначение) и иных видов компенсации. Нейропластичность проявляется не только при обучении, но и в результате травм, психологического напряжения или при постепенном доведении действий до автоматизма.
Поскольку нейропластичность наблюдается именно в головном мозге, можно представить себе выращивание «свежих» тел с действующим спинным мозгом и периферийной нервной системой, но без коры больших полушарий. Далее можно было бы постепенно вырастить in vitro и пересадить в такое тело готовый неокортекс. Такие исследования в настоящее время ведутся в лаборатории Жана Эбера в нью-йоркском Медицинском колледже им. Альберта Эйнштейна. Вот обзорная статья об этих разработках.
Основная цель, которая ставится этой исследовательской группой — реконструировать ткань неокортекса таким образом, чтобы по мере её роста в ней можно было прошивать полезные паттерны поведения, присущие подопытному животному, а затем и человеку. При этом предполагается вручную собрать типичный комплект клеток-предшественников для всех тканей, присутствующих в головном мозге — нейронной, глиальной и сосудистой. Далее их нужно послойно расположить в точном соответствии с цитоархитектоникой (развивающихся) больших полушарий.
Чтобы минимизировать возможные различия от эксперимента к эксперименту, группа стремится стандартизировать и оптимизировать размеры срезов коры и порядок их наложения, в частности, их структуру, клеточную дифференциацию и систему кровеносных сосудов, играющих роль скаффолда. В следующем ролике демонстрируется приживление человеческих нейронов к мышиному мозгу в течение тридцати дней. Нейроны правильно подключаются к зеркально расположенному полушарию, в том числе, к мозолистому телу и полосатому телу.
Эбер предполагает, что можно выращивать здоровое тело без коры больших полушарий (будущий носитель для трансплантата), выключая методом CRISPR те гены, что отвечают за развитие неокортекса. По расчётам авторов, полная реконструкция мозга возможна за 6-10 операций в течение 20 лет. Предварительно потребуется дождаться, пока череп нового тела достаточно вырастет, чтобы вместить в себя взрослый мозг. Эбер планирует эксперименты на обезьянах и далее на людях, но пока мне не удалось найти конкретных сроков, в которые планируются такие опыты.
Имитация на искусственных носителях
Параллельно ведутся исследования, призванные воспроизвести нервную ткань (или хотя бы «протезировать» её) на основе гибких и мягких органических материалов, которые могли бы образовывать нити и сети, функционально аналогичные обычным нейронам, а в перспективе и встраиваться в кору головного мозга, образуя синапсы с живыми нейронами. Такие разработки, именуются «мягкими нейроморфными чипами». Предполагается, что такие устройства смогут работать подобно чипу Neuralink, однако будут приспособлены для одновременного обмена не только электрическими, но и химическими сигналами — например, реагировать на дофамин и серотонин точно, как обычные нейроны. Потенциал органических нейроморфных устройств описан в этой статье 2021 года под авторством Альберто Саллео, материаловеда из Стэнфордского университета. Исследовательской группе Саллео удалось создать органические схемы, действующие по принципу транзисторов (они усиливают или переключают электрический сигнал), мемристоров (в них сохраняются данные) и других электронных компонентов.
Отдельно остановимся на мемристорах. Принцип работы аппаратного мемристора наглядно разобран в статье «Полупроводники: мемристор простыми словами» уважаемого @i-evgeny .
На этой схеме буквами M обозначены два мемристора. Мемристор — это электронный компонент, у которого меняется сопротивление в зависимости от приложенного к нему напряжения. В настоящее время изобретено множество типов мемристоров и открыты разнообразные мемристивные материалы. Соответственно, мы не только меняем сопротивление мемристора, пропуская через него электрический ток, но и закрепляем это изменение, многократно прикладывая нужное напряжение. Мемристоры подобны нейронам в том, что способны суммировать все проходящие через них токи. Уже известны металлоорганические мемристоры, а искусственный нейрон можно было бы реализовать как полностью органический мемристор. Металлорганические мемристоры разрабатываются прямо сейчас, поэтому с физической точки зрения, несомненно, возможно создать нейрон, действующий по такому принципу.
Простой органический мемристор мог бы состоять из двух слоёв электропроводящих материалов. Когда на мемристор подаётся напряжение, положительно заряженные ионы перетекают из одного слоя в другой. Таким образом, проводимость второго слоя улучшается после каждой следующей операции подачи тока, как показано на следующей схеме:
Такую схему предлагает Мэтью Маринелла из университета штата Аризона. Здесь G это «gate» (затвор), S это «source» (исток), D – это «drain» (сток). В качестве затвора может использоваться, например, светочувствительный элемент, а ток между стоком и истоком возникает в результате того, что электролит напитывает полимер положительным зарядом. С чисто вычислительной точки зрения такие устройства открывают путь к недвоичным вычислениям, которые ещё сильнее сближает компьютер с нейроном и обеспечивает градуальное накопление энергии со срабатыванием по достижении некоторого порога. О важности такого механизма мы поговорим ниже, когда будем обсуждать загрузку сознания на небиологический носитель.
Тем не менее, в настоящее время мемристоры принимают ток и сигнал с неорганического носителя (микросхем). Исследования по интеграции мемристоров с живыми клетками только начинаются. Одна из таких передовых разработок принадлежит Франческе Санторо из Ахенского университета в Германии, Санторо — специалист по электротехнике — в 2020 году представила полимерное устройство, принимающее на вход сигналы от живых клеток и обучающееся на такой работе.
Здесь показано, как живой нейрон выделяет дофамин (малиновые шарики) на стыке с искусственным. В разрыве (ion flow) находится проводящий раствор, а пластина, к которой подключён нейрон, сообщает молекулам дофамина положительный заряд (молекулы «становятся жёлтыми»), что позволяет им преодолеть этот разрыв. Сопротивление зависит от того, насколько быстро выделяется дофамин, а также насколько активно и в каком количестве он накапливается в искусственном нейроне.
Подобные устройства позволили бы напрямую через мозг управлять протезами или пользовательским интерфейсом Причём они не только работали бы без участия внешнего компьютера, но и обеспечивали бы значительно более детализированный отклик, реагируя как на отклик отдельных нейронов, так и на реакцию целых зон мозга.
Итак, примерно из таких структур могут состоять искусственные нейроны, идентичные натуральным. Они определённо подойдут в качестве носителей электрохимических реакций, будут вызывать минимум проблем с приживлением и отторжением, а также откроют новое окно возможностей для восстановления после инсультов. Но эти разработки не отвечают на наш главный вопрос – пригодны ли они для переноса сознания на новый носитель с сохранением личности пациента? Вспомним о том, что болезнь Миллигана называется «диссоциативное расстройство идентичности» и поговорим о том, что такое идентичность.
Самость и идентичность
Что мы понимаем под быть собой? Как Тесей мог не сомневаться, что после очередного ремонта этот корабль остался его же кораблём? Более того, в самом ли деле Фрэнсис Дрейк ощущал себя капитаном одного и того же пиратского корабля, когда переименовал его из «Пеликана» в «Золотую Лань», миновав пролив, который затем назовут именем Дрейка? Эти вопросы, ещё недавно казавшиеся отвлечённой философией, сегодня изучаются в психологии, когнитивных науках и даже UX, сближаясь с проблемами «зловещей долины» и дипфейков. По-видимому, у нас возникают сомнения в идентичности двух образцов — как правило, копии и оригинала — когда достигается пороговое значение несоответствия между увиденным и тем, что мы ожидали увидеть. Сомнения в том, что ты – это именно тот человек, которым себя считаешь, могут начинать накапливаться при обострении дежавю, провалах в памяти, обнаружении принятых звонков, собеседника из которых ты не можешь вспомнить, либо не припоминаешь предмет разговора. Не менее красноречивыми признаками душевного расстройства вам показались бы неизвестно откуда появившиеся ушибы, раны, либо чужие вещи или тем более ваши фотографии в компании незнакомых людей, где вы явно запечатлены как компания. Вероятно, именно примерно такие расстройства или подозрения были бы типичны для человека, кора больших полушарий у которых расщеплена так, словно в ней загружаются и попеременно работают две разные операционные системы, совместно использующие общие рефлексы, опыт и значительный объём памяти, накопленный до того, как человеку «накатили новую операционную систему». Возможно, именно такая разделённость и постепенная миграция с одного носителя на другой, подобная репликации базы данных, не позволяет чётко разделить «вставку вырезанного» и «вставку скопированного» сознания на новый носитель.
Загрузка сознания
Тема «загрузки сознания» (mind uploading) будоражит Хабр буквально с незапамятных времён – так, @bulbazaurus и @Ryav высказывались на эту тему ещё в 2009 году в статьях «Искусственный мозг уже через 10 лет!» (увы) и «Загрузка сознания/Backup мозга». Среди более поздних работ я бы отметил перевод @SLY_G «Можно ли перенести сознание из мозга в компьютер?» (декабрь 2023) и «Когда мы сможем загрузить свой мозг на компьютер?» (июнь 2022, статья @virtual_explorer в корпоративном блоге компании FirstVDS). Как следует из вышеизложенного, загрузка сознания — это гипотетическая процедура с постепенной заменой нейронов коры больших полушарий на нейроны, подключённые к другому нейрофизиологическому носителю. Полноценная загрузка сознания требует сохранения идентичности, то есть «перезагрузки» сознания перед его инициализацией на новом носителе. «Горячая» перезагрузка такого рода в настоящее время представляется маловозможной, то есть, в процессе перезагрузки, даже очень длительной, пациент должен находиться без сознания (в глубоком сне), чтобы избежать эффектов, подобных «долгому джонту». Нас интересует не столько загрузка, сколько пересадка сознания, которая позволила бы пациенту сохранить нейрофизиологическую и психологическую непрерывность/преемственность личности до и после операции.
Как правило, мы не воспринимаем жизнь как «постепенное умирание», то есть, движение из утробы в могилу. Тем не менее, если исключить ситуации с приёмом психотропных препаратов, серьёзные неврологические заболевания и черепно-мозговые травмы, можно признать, что тело со временем изнашивается, а разум и личность созревают и совершенствуются. У человека есть ненулевой шанс умереть или погибнуть в любой момент. Вероятно, постепенный перенос сознания на новый субстрат (нейронную сеть) может быть показан, когда шансы умереть в ближайшее время из-за износа нервной ткани, хронических болезней или старости серьёзно превышают шансы выжить, и при этом шансы умереть стабильно повышаются, а шансы выжить — снижаются. Как было сказано выше, загрузка сознания возможна в неразрушающем режиме (копирование) и разрушающем (пересадка). Второй вариант позволяет не плодить «двойников» и «скопированные личности», но именно второй вариант также предполагает убийство того тела, с которого скопирована личность, то есть, убийство пациента 1.0 ради выживания пациента 2.0.
В таком случае перенос сознания не может сводиться к созданию компьютерной эмуляции или цифрового аватара пациента. Субстрат для переноса сознания — это устройство, которое мы пока с трудом можем себе вообразить, но, скорее всего, это должна быть искусственная копия человеческого коннектома, в котором не меньше искусственных нейронов, чем насчитывалось в мозге пациента перед пересадкой. Более того, коннектом должен совпадать с мозгом пациента не только по количеству нейронов, но и по топологии.
Как практически могла бы выглядеть загрузка сознания
В долгосрочной перспективе можно представить себе технологию постепенного переноса сознания на небиологический носитель. Скорее всего, такой носитель будет представлять собой вычислительную машину. Для переноса сознания требуется подробная карта коннектома человека, составлять и обновлять которую придётся в течение всей жизни. Вероятно, загрузка сознания может быть постепенной (как описано выше), скоростной или мгновенной (если нет времени на подготовку к операции) или с отложенной активацией, если к моменту пересадки коннектом пациента в текущем состоянии ещё не успели досканировать или достроить. В случае, если такая операция производилась бы для восстановления после инсульта или травм, несовместимых с жизнью, у пострадавшего можно было бы забрать значительные уцелевшие участки коры, соединяя естественные нейроны с искусственными, как было описано выше.
В качестве подготовки к такой пересадке требовалось бы держать и периодически обновлять на электронном носителе полную модель здорового мозга конкретного пациента. Пусть это и была бы эмуляция, но она регулярно синхронизировалась и согласовывалась бы с живым мозгом, чтобы потом могла послужить «объёмной картой» или чертежом для восстановления памяти и когнитивных функций. Для такой работы потребовалось бы разработать технологию неинвазивного и неразрушающего картирования мозга с детализацией до отдельных нейронов, а сама программа должна была бы моделировать как порог срабатывания и запоминающие функции нейрона (мемристора), так и его соединяемость с другими нейронами.
Для каждого нейрона из исходного мозга пришлось бы предусмотреть вычислительный элемент, который идеально дублирует его ввод/вывод и поведение. Аналогичные элементы понадобятся и для подкорковых структур и глиальной ткани. Наиболее сложными устройствами ввода/вывода в данном случае были бы искусственные органы чувств и конечности, при этом их функционал мог бы быть сокращён или изменён по сравнению с естественными аналогами. Так, можно было бы обойтись чёрно-белым или «собачьим» зрением, либо минимально функционирующим обонянием. Таким образом, требуется искусственный мозг, функционально изоморфный естественному. В настоящее время неизвестно, реалистично ли такое устройство в принципе. При этом существует гипотеза, поддержанная великим физиком Роджером Пенроузом, что некоторые элементы когнитивных функций невычислимы — и именно поэтому не всегда удаётся корректно смоделировать на компьютере поведение нейрона на вход и на выход. Если некоторые функции смоделировать не удастся, то, скорее всего, доля сознательного по сравнению с бессознательным в искусственном мозге будет больше, чем в естественном — настолько, что мы рискуем получить зомби вместо человека. Впрочем, это лишь усугубление известной проблемы с отсутствием свободной воли; данная проблема замечательно рассмотрена на Хабре в статье «200 миллисекунд свободы» уважаемого Павла Джаошвили @jao.
Заключение
Сделанный здесь экскурс подводит меня к мысли, что попытки переноса сознания на небиологический носитель, протезирования нейронов и загрузки сознания с компьютера в искусственный мозг концептуально действительно очень близки к парадоксу «Корабль Тесея». Наиболее важным в данном контексте мне кажется принципиальное сходство нейрона и мемристора. Тем не менее, современная вычислительная техника, которая пока остаётся единственным имеющимся у нас инструментом, поддерживающим обработку больших данных, обучение с подкреплением, вероятностные вычисления, нечёткую логику и в принципе конструирование искусственных нейронных сетей, слишком не похожа на головной мозг. Эта техника создавалась и развивалась для математических операций и автоматизации строгих задач, с которыми пока в основном справляются булева и байесовская логика, а также фундаментально двоичные полупроводники. Можно сказать, что по очертаниям корабля Тесея или исходя из наивных представлений о его конструкции и плавучести, мы пытаемся соорудить спасательную шлюпку, подобную кораблю по форме, но несопоставимую с ним по надёжности. Вероятно, опыты по практической пересадке сознания на первых этапах подкинут нам не меньше сюрпризов и трагедий, чем средневековые опыты по переливанию крови.
