Будущее разума

Подобно многим другим, я в детстве обожал разбирать часы, постепенно развинчивая их, чтобы потом посмотреть, как там все устроено и работает. Я понимал, что пружина поворачивает главное колесико, которое, в свою очередь, передает движение на мелкие колесики, а они поворачивают стрелки.

Сегодня компьютерщики и нейробиологи пытаются сделать примерно то же самое с самым сложным из известных нам объектом во Вселенной — с человеческим мозгом. Мало того, они хотят потом собрать его заново, нейрон за нейроном.

Благодаря стремительным успехам в области автоматизации, робототехники, нанотехнологий и нейробиологии обратная разработка (т.е. расшифровка, а затем и воспроизведение структуры) мозга перестала быть только темой для пустого светского разговора. Очень скоро в США и Европе миллиарды долларов будут вложены в проекты, которые прежде считались абсурдными. Сегодня лишь небольшая группа ученых-мечтателей готова посвятить свою профессиональную жизнь проекту, завершения которого они могут и не увидеть. Завтра этот отряд может превратиться в настоящую армию, щедро финансируемую США и Европой.

Если все получится, эти ученые смогут изменить историю человечества. И дело, скорее всего, не ограничится новыми лекарствами и методами лечения психических заболеваний; не исключено, что им удастся открыть секрет сознания, а может быть, и загрузить сознание в компьютер.

Невероятно сложная задача. Человеческий мозг состоит из более чем 100 млрд нейронов (примерно столько же звезд включает в себя наша Галактика). Каждый нейрон, в свою очередь, соединен с примерно 10 000 других нейронов, так что всего в мозгу имеется 1015 возможных связей (и мы еще не считали пути, по которым может пройти сигнал в толще нейронной массы). Таким образом, число «мыслей», которые могут возникнуть в человеческом мозгу, поистине астрономическое и исчислению не поддается.

Все это не остановило небольшую группку увлеченных ученых от попытки воспроизвести структуру мозга с нуля. Старая китайская поговорка гласит: «Путь в тысячу ли начинается с первого шага». Таким первым шагом стала расшифровка, нейрон за нейроном, нервной системы червя-нематоды. У этого крохотного существа под названием C. elegans 302 нейрона и 7000 синапсов, и все они теперь известны наперечет. Точную схему нервной системы этого червя можно найти в Интернете. (На сегодня это единственный живой организм, нервная структура которого полностью расшифрована.)

Поначалу казалось, что полная расшифровка этого организма откроет путь к аналогичному исследованию человеческого мозга. Получилось, по иронии судьбы, строго наоборот. Хотя число нейронов у нематоды конечно, их сеть оказалась настолько сложной и запутанной, что разбираться даже в простых принципах поведения червя (скажем, какой нервный путь отвечает за какое поведение) пришлось не один год. Но если даже низкоорганизованная нематода ускользает от нашего понимания, то что говорить о человеческом мозге! Простой пример помог ученым оценить всю сложность стоящей перед ними задачи.

Три подхода к мозгу

Мозг настолько сложен, что существует целых три способа разобрать его на части, нейрон за нейроном. Первый состоит в том, чтобы при помощи суперкомпьютеров создать электронную модель мозга; именно этот подход выбрали европейцы. Суть второго — составить карту нервных путей живого мозга, как в проекте BRAIN. (Эту задачу, в свою очередь, можно разделить на несколько подзадач в зависимости от метода исследования — анатомического, нейрон за нейроном или по выполняемой функции и активности.) И третий способ: можно расшифровать гены, управляющие развитием мозга. Пионером на этом пути стал миллиардер Пол Аллен из Microsoft.

При первом подходе — моделирование мозга при помощи транзисторов и компьютеров — сначала предполагается провести обратную разработку мозга животных в определенной последовательности: сначала мышь, затем крыса, кролик и кошка. Европейцы хотят пройти по пути эволюции, начав с простого мозга и продвигаясь постепенно к более сложному. Для компьютерщика решение этой проблемы определяется исключительно мощностью компьютеров — чем больше, тем лучше. И это означает, что для расшифровки мозга мыши и человека будут задействованы мощнейшие компьютеры планеты.

Первая мишень — мозг мыши. По размеру он в тысячу раз меньше человеческого и содержит около 100 млн нейронов. Процесс мышления в мозге мыши анализирует самый мощный на сегодня компьютер Blue Gene[18] фирмы IBM, расположенный в Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса в Калифорнии, где помимо него находятся и несколько других крупнейших компьютеров мира; они используются для расчета водородных боеголовок для Пентагона. Этот колоссальный набор транзисторов, микросхем и проводов содержит 147 456 процессоров и 150 000 Гб памяти. (В обычном домашнем компьютере один процессор и несколько гигабайт памяти.).

Работа продвигается медленно. Вместо того чтобы моделировать весь мозг целиком, ученые пытаются воспроизвести только связи между корой и таламусом, где сосредоточена значительная часть активности мозга. (Это означает, что чувственные связи с внешним миром пока остаются вне рассмотрения.)

В 2006 г. доктор Дхармендра Модха из IBM частично смоделировал мозг мыши на 512 процессорах. В 2007 г. его группа смоделировала мозг крысы на 2048 процессорах. В 2009 г. мозг кошки, содержащий 1,6 млрд нейронов и 9 трлн связей, был смоделирован на 24 576 процессорах.

Сегодня, воспользовавшись мощностью компьютера Blue Gene, исследователи из IBM смоделировали 4,5% нейронов и синапсов человеческого мозга. Чтобы начать хотя бы частичное моделирование человеческого мозга, потребуется 880 000 процессоров; компьютер такой мощности может появиться около 2020 г.

Мне довелось снимать Blue Gene для телевидения. Чтобы попасть в лабораторию, мне пришлось преодолеть множество постов охраны, что неудивительно, ведь это лучшая оружейная лаборатория страны; но когда все проверки пройдены, вы попадаете в огромный зал с кондиционированным воздухом, где и располагается Blue Gene.

Компьютер поистине великолепен. Он состоит из множества стоек высотой около 2,4 м и длиной около 4,5 м с большими черными ящиками, полными переключателей и мигающих лампочек. Бродя между стойками, я думал о том, какие операции в данный момент выполняет компьютер. Скорее всего, он тогда строил модель внутреннего устройства протона, рассчитывал распад плутониевых триггеров, моделировал столкновение двух черных дыр и думал о мыши — и все это одновременно.

Затем мне сказали, что даже этот суперкомпьютер уступает место новому поколению под названием Blue Gene/Q Sequoia, который поднимет вычисления на новую высоту. В июне 2012 г. он поставил мировой рекорд по скорости вычислений. В пиковом режиме он может работать со скоростью 20,1 петафлопс (т.е. производить 20 100 трлн операций в секунду). Он занимает площадь около 300 кв. м и пожирает 7,9 МВт электроэнергии — достаточно для освещения небольшого города.