Всемирный разум
Шрифт:
Чтобы продвинуться вперед, нам нужны две вещи: более высокий уровень «разрешения» и лучшие алгоритмы. Первая задача требует проникнуть глубже внутрь черепной коробки – чтобы, образно говоря, расслышать, как нейроны говорят на своем языке. Для решения второй необходимы более совершенные алгоритмы, способные преодолеть существующие барьеры на пути к получению интересующих нас данных. Как мы уже видели, недостаточно просто соотносить X с Y. Новые алгоритмы должны базироваться на более глубоком понимании мозговой деятельности.
В настоящее время ученые уже могут проникать в более глубокие области мозга и моделировать его активность, выявляя те алгоритмы, которые мы имеем в виду. Весной 2009 года я встречался с Филом Кеннеди (Phil Kennedy), изучающим закономерности возможного взаимодействия между человеческим мозгом и компьютером (brain-machine interfaces). Цель исследования – расшифровать внутреннюю речь людей, из-за мозгового удара (locked-in people) потерявших способность говорить. Этот ученый возглавляет компанию Neural Signals, Inc. [87] , расположенную в одном из пригородов Атланты.
Потеря речи вследствие мозгового удара – это, вероятно, самое ужасное, что с человеком может произойти. Причиной этого расстройства служит нарушение нервной деятельности в одной из старейших (в эволюционном отношении) областей головного мозга – в стволе, передающем двигательные команды. Жертва полностью сохраняет сознание и все ощущения, но вынуждена существовать в оболочке полностью обездвиженного тела. Такой человек не можете ни ходить, ни говорить, ни есть. В столь жестоком положении оказался Жан-Доминик Боби (Jean-Dominique Bauby), французский журнальный редактор, получивший мозговой удар в 1995 году в возрасте 43 лет. Он написал об этом книгу, используя частично уцелевшие возможности левой половины своего тела: под его контролем оставался один лишь левый глаз.
Когда я беседовал с доктором Кеннеди, дверь распахнулась, и в комнату вкатили коляску с молодым парнем. Это кресло на колесах чем-то напоминало вездеход Range Rover: везде рычаги, кнопки, трубки, какие-то емкости. Парня звали Эрик Рамсей. Ствол мозга он повредил в 16 лет в автомобильной аварии. Теперь ему исполнилось 26, и все 10 лет он оставался полностью парализованным.
Мы, человеческие существа, улавливаем разницу между жизнью и смертью благодаря десяткам тончайших подсказок, которые инстинктивно посылают нам варьирующие скорость движений мускулы. Мы видим, как меняется наклон головы, как подрагивают веки, как сменяют друг друга оттенки кожи. Я заметил, что Эрик чувствовал смущение. Его глаза были закрыты, будто во сне, а лицо, покрытое легкой испариной, оставалось бледным. Казалось, он не сидел в своем инвалидном кресле, а как бы служил дополнением к нему. Его ноги свободно свисали, а шнурки туфель были завязаны так небрежно, как бывает, когда у помощника не хватает сил на то последнее движение, посредством которого все и приводится в порядок. Руки Эрика покоились на животе безо всякого напряжения, однако пальцы были собраны в кулаки. Его отец толкал коляску вперед. За ним следовала женщина лет 50. На их лицах лежала печать непреходящего и ставшего привычным страдания.
Женщина подсоединила флакон капельницы к концу трубки, скрывавшейся под одеждой на животе Эрика. Эта процедура, сказала она, должна повысить алертность его реакций. Парня привозили сюда три раза в неделю, чтобы с ним поработал доктор Кеннеди. Поэтому все здесь – люди, голоса, стены – несомненно, были хорошо знакомы ему.
Отец Эрика сказал мне, что тот даже подмигнуть не может. Единственным доступным средством общения оставалось движение глаз вверх и вниз – «да» и «нет» соответственно. Однако в то время Эрик, казалось, не был настроен на контакт с окружающими: его взгляд был расфокусирован и казался отсутствующим. Зрение у него испортилось, как пояснил отец, из-за того, что слезные протоки всегда оставались сухими. Я подумал, что мир для Эрика, верно, выглядит так, точно смотришь через стенку из стеклянных кирпичей где-нибудь в комнате отдыха.
За исключением ответов на вопросы в виде «да» и «нет», Эрик не мог больше ничего. Он был полностью отрезан от окружающего мира. Энцефалография была не в состоянии ничем помочь, потому что он не мог в должной мере управлять движением глаз и плохо видел экран. Доски-алфавиты также были бесполезны, поскольку в 2004 году он переболел пневмонией, после чего от его речи осталось только невнятное бормотание [89] .
У Эрика, как и у меня, в голову были вживленны электроды. Его родители попросили меня объяснить ему, как работают мои кохлеарные импланты. Чтобы не лишать его последней надежды, я согласился. Однако сразу же почувствовал себя без вины виноватым, поскольку я был здоров, мог пользоваться телефоном, а также был способен встать с места и выйти наружу, когда все закончится. Но выйти из игры я все же не мог. Его отец сел рядом с Эриком – на случай, если мне понадобится помощь. Я снял с себя правый процессор и поместил его таким образом, чтобы он, как я надеялся, попадал в поле зрения парня. Закончив объяснять все тонкости работы, я спросил, все ли было понятно. Его взгляд немедленно устремился вверх, безошибочно сообщив: «Да, я все понял!» Несомненно, Эрик участвовал в разговоре, обращая внимание на все, сказанное собеседником.
Ибо единственное, что оставалось ему в его положении, – возможность обойтись без своего тела и подключиться к собственному мозгу иным способом. В декабре 2004 года в ту область мозга Эрика, которая, как показало fMRI, в процессе речи контролировала движения подбородка, губ и языка, хирургическим путем было внедрено особое устройство, названное нейротрофическим электродом (neurotrophic electrode). Оно представляло собой три тонких золотых электрода, заключенных в стекловидную оболочку. Верхняя его часть была перфорирована таким образом, чтобы аксоны и дендриты близлежащих нейронов могли проникнуть в него и добраться до самих электродов. Оказавшись внутри устройства, окончания аксонов и нейронов становились электрически изолированными от остального мозга, благодаря чему теперь можно было легко улавливать идущие по ним нервные импульсы [90] .
Существует особая карта-схема, показывающая, куда следует вживлять электроды. В 1909 году немецкий анатом и невролог Корбиниан Бродманн (Korbinian Brodmann) доказал, что головной мозг можно представить в виде схемы из 52 областей (зон), каждая из которых имеет свою функциональность. Примечательно, что и спустя 100 лет эта карта во многом верна. Например, область 17, расположенная в задней части мозга, в основном соответствует зрительной зоне коры, 41 и 42 – слуховой зоне, а 4 – в верхней части мозга – двигательной.
Наибольший интерес для нас представляет именно последняя, поскольку основная ее работа – контролировать совершаемые телом физические движения. Двигательная зона, в свою очередь, подразделяется на секторы, каждый из которых отвечает за двигательную активность соответствующих частей тела. Канадский нейрохирург Уайлдер Пенфилд (Wilder Penfield) в значительной мере дополнил карту-схему, о которой мы говорим. Результаты его работы отображены на диаграмме ниже. Именно здесь и обитают те странные эксцентричные человечки, которых мы называем сенсорными и моторными гомункулусами. Чтобы лучше понять, каким образом каждая из показанных на диаграмме долей соотносится с мозгом в целом, представьте, что зона 4 – это книга. Потянув ее за корешок, вы можете вынуть из ряда подобных или точно так же поставить обратно. Внешняя поверхность «книги» как раз и соответствует области 4. Скажем, если нужно послать сигнал мускулам, обеспечивающим глотание, необходимо простимулировать нижнюю часть данной области.
Карты-схемы подобного рода показывают хирургам, куда вводить электроды. В университете Карнеги-Меллон (University Carnegie Mellon) группа ученых под руководством Эндрю Шварца (Andrew Schwartz) имплантировала в двигательную зону головного мозга обезьяны 100 электродов в виде особой решетки. Устройство считывает команды, направляемые к верхним конечностям примата. Они же затем преобразуются в сигналы, поступающие на «руку» робота. Обезьяны способны управлять роботизированной конечностью в мере, достаточной для того, чтобы протянуть ее в нужном направлении, взять немного пищи и отправить ее в рот. (Собственные конечности приматов не повреждены, но блокированы в процессе эксперимента – чтобы заставить обезьян пользоваться манипулятором) [91] . В настоящее время эта же группа пытается разработать методику контроля конечностей на уровне «кисть – цапфа роботизированной руки» [92] . В университете Брауна научно-исследовательская группа во главе с Джоном Доногью (John Donoghue) применяет ту же самую электродную решетку, имплантируя ее в двигательную зону коры головного мозга парализованных пациентов – чтобы те получили способность управлять курсором компьютерной мыши и некоторыми другими объектами [93] . Мультиэлектродная решетка (Utah array) состоит из основания из кремниевых материалов размером 4 на 4 мм, в котором закреплены тонкие иглы длиной от 1 до 5 мм каждая. Последние покрыты специальным изолирующим составом – за исключением кончиков, которые должны улавливать и передавать сигналы. Сделано это для того, чтобы иглы могли служить проводниками, связанными с основанием решетки. Подобное устройство показано на иллюстрации ниже.
Как легко заметить, решетка имеет примерно такой же размер, как изображение лица президента Линкольна на одноцентовой монетке. Казалось бы, небольшая площадь. Однако вспомните, что она покрывает 16 квадратных миллиметров, а каждый кубический миллиметр мозгового вещества содержит миллионы нейронов. Длина игл в устройстве на иллюстрации – от 35 до 75 микрон, что сравнимо с длиной многих нейронов неокортекса. Кроме того, каждый кончик иглы может «шпионить» за группой нейронов, улавливая их электрические импульсы.
Хотел бы я знать, нет ли в неврологии своего принципа Гейзенберга (Heisenberg principle) [94] , приложимого к мозговым имплантам? Если да, то можно было бы учесть взаимовлияние изменения уровня возбуждения нейрона на процесс и результат
измерений. Однако Стив Поттер (Steve Potter), нейроученый из Технологического института Джорджии (Georgia Tech), говорил мне, что толика отбираемого самим электродом заряда ничтожна. Как он выразился, «это все равно, что тыкать булавкой в колесо гоночного автомобиля».Однако, если в каждом кубическом миллиметре расположены миллионы нервных клеток, то каким образом исследователи могут извлечь полезную информацию, обращаясь всего к нескольким десяткам нейронов? Выбрав в качестве образца некоторые из них, мы получим возможность продвинуться к пониманию того, чем заняты остальные. Представьте себе, как трава на лужайке «отображает» активность ветра. Если вы хоть однажды наблюдали за тем, как последний веет над полями, то не могли не заметить, что речь идет о сложном явлении: его порывы меняют скорость и направление и создают вихревые потоки.
Миллионы растений отображают турбулентное движение ветра с очевидной определенностью. Выбрав небольшой участок в качестве своего рода опытного образца, вы сможете судить об общих закономерностях движения воздушных масс. Однако с мозгом не все так просто, как в этом примере, поскольку различные нервные клетки реагируют на разные импульсы. Некоторые нейроны возбуждаются при движении руки вверх, но остаются совершенно спокойными, когда она опускается. Другие ведут себя противоположным образом. Поэтому приходится принимать во внимание так много нейронов, как только возможно, – а затем соотносить их общее поведение с известным результатом (например, с движением руки вверх).
Ученые называют подобный тип нервных реакций с широким охватом «совокупной реакцией группы нейронов» («population coding») [95] . Чтобы уловить смысл этого понятия, представьте, что сотня человек, собравшись в центре футбольного поля, смотрит какое-то шоу на огромном телеэкране. Каждый из участников по-своему эксцентричен и обращает внимание только на то, что интересует именно его или ее. Вы точно знаете, что все они реагируют только на определенные события: их выдает язык тела. Одни вскидывают голову и оживляются при виде появляющихся на экране лиц. Другие выходят из состояния полуспячки только тогда, когда видят быстрое движение – если, скажем, во время гонок одна машина обгоняет другую. (Я знаю подростков, ведущих себя именно такими образом, поэтому, возможно, подобное поведение не столь уж эксцентрично). Есть и те, кто реагирует совершенно специфически: одни – когда автомобиль движется слева направо, другие – когда, наоборот, справа налево. Можно обнаружить и тех, чье поведение еще более нестандартно: они обращают внимание лишь на изменение цвета. Причем каждый в этой подгруппе отдает предпочтение только одному определенному цвету или оттенку, не обращая внимания на все прочие.
Предположим, на экране что-то произошло. Пока не скажу, что именно случилось. Однако вот что делают собравшиеся. Те, кто обращает внимание на лица, заинтересованы, но не слишком сильно. Восприимчивые к движению выказывают интерес – причем сильнее он у тех, для кого важно отметить движение слева направо. Предпочитающие красный цвет захвачены происходящим полностью. Так что, как вы полагаете, видно на экране? На дистанции показался Зоуи Дешанель (Zooey Deschanel). Он ведет Camaro красного цвета и движется слева направо. При наличии некоторого опыта можно заметить и другие детали: например, гонщика в голубом автомобиле, едущего справа налево… Вот так и считывают информацию о мозговой деятельности вживленные электроды. Важны паттерны, ключевые схемы.
Проникновение вглубь мозга и исследование активности отдельных нейронов позволяет подступиться к пониманию мыслительной деятельности ближе, чем при записи волны P300 или определении уровня кислородного запроса, как это делается в fMRI-сканерах. Ученые разработали модель, показывающую, как возбуждение отдельных нервных клеток непосредственно соотносится с телесными реакциями. Однако Майкл Блэк (Michael Black), ученый-компьютерщик, сотрудничающий с Доногью, предостерег меня от поспешных выводов: смоделировать что-либо – еще не значит в полной мере понять соответствующее явление. Модель ничего не говорит о том, почему обезьяна или человек хотят сделать то или иное движение рукой. В конечном счете, остается лишь анализировать связанный с работой сознания внутренний опыт, полагаясь преимущественно на математические корреляции, а не на питаемое эмпатией понимание. Ведущие описываемые исследования ученые ясно осознают, в чем заключается принципиальное различие. Доктор Блэк говорил мне, что наблюдение за активностью отдельных нейронов помогает «уяснить, каким образом , а не почему возникают определенные реакции. Однако область понимания остается все еще настолько узкой, что дает лишь весьма ограниченную картину».
Успехи доктора Кеннеди оказались заметно скромнее, чем у Шварца или Доногью, поскольку речь – куда более сложное и комплексное явление, чем движения руки или ноги. И она гораздо теснее связана с более высокими уровнями интеллекта. Все животные используют свои конечности, но только человек умеет говорить. «Расшифровать» человеческую речь – задача, на порядок более сложная, чем установить, какие сигналы нервной системы и каким образом управляют движениями нашего тела. Хотя, если взглянуть на все шире, то, в принципе, перед Кеннеди стоит та же задача. Он стремится выявить, как соотносятся возбуждение некоторых нейронов и внутренняя речь человека. Это не совсем то, что считывать слова прямо из мозга. Сотрудники доктора Кеннеди стараются определить, какие процессы в двигательной зоне коры головного мозга контролируют гортань, язык и губы. Если с помощью компьютерной обработки данных выявить корреляцию между определенными схемами возбуждения нейронов (паттернами активности) и фонемами типа ах, ух и ооо , то Эрик сможет (по крайней мере, теоретически) мысленно проговаривать то, что хочет сказать, и будет слышать, как компьютер воспроизводит звучание его внутренней речи. Иначе говоря, последний в данном случае будет действовать в качестве рта.
Я ужасно хотел, чтобы у него хоть что-то получилось, но в тот день ничего так и не произошло. Да, пока дело шло медленно. Проанализировав основную массу данных, накопленных в процессе работы с Эриком, доктор Кеннеди определил связь 32 из 39 фонем английского языка с активностью нейронов в мозгу своего пациента. Однако улавливать соответствующие связи в режиме реального времени – задача заметно более трудная. Все, что Эрик мог «проговорить» при встречах с Кеннеди, сводилось только к комбинациям гласных типа «ои – оо – ии». Повторяемость достигла уровня в 80–90 %, однако пока эти результаты не имели ничего общего с настоящей речью. Сейчас доктор и парень с родителями начинают осваивать согласные. Определенное слово раз за разом повторяют вслух, чтобы заставить мозг Эрика воспринять его. Покидая лабораторию, я видел, как усталый отец, склоняясь к своему обездвиженному сыну, снова и снова повторяет «да» прямо ему в ухо, а Кеннеди упрямо и пристально глядит в монитор компьютера.
Все это очень сложно. И главная причина кроется в том, что ученые пока способны «слушать» только несколько десятков нервных клеток из миллиардов. Это все равно, что пытаться усвоить накопленные человечеством знания, пользуясь лишь несколькими карточками из библиотечного каталога. Однако Кеннеди начал сотрудничать с Фрэнком Гюнтером (Frank Guenther), нейроученым из Бостонского университета и специалистом в области прикладных расчетов и компьютерного моделирования. Последний разработал модель генерации речи нашим мозгом. Благодаря этому удалось установить, что именно делают определенные его части и каким образом они взаимодействуют друг с другом для появления связной человеческой речи. Эта модель сложнее всего того, чего мы успели коснуться в данной книге: мозговая деятельность схематически показана одновременно как с функциональной , так и анатомической точки зрения. Смысл метода в том, чтобы, наблюдая движение отдельных травинок, накопить побольше данных и затем соотнести их с теорией движения воздушных масс.
Чтобы разобраться в модели, рассмотрим приведенную ниже отображающую ее схему, хотя нам и не нужно вникать во все детали. Прежде всего, обратите внимание на то, что каждый блок включает два компонента: функциональное описание, выделенное жирным шрифтом, и соответствующую зону мозга, название которой заключено в кавычки. Стрелки указывают на движение нервных импульсов между ними. «Схема звуков речи» («speech sound map») вверху слева – это своего рода библиотека, набор кодов, соответствующих группам нейронов (clusters of neurons) и включающих все гласные и согласные звуки языка, которым мы пользуемся. Локализация – так называемая зона Брока, физически расположенная в одном из участков коры головного мозга. Повреждение этой зоны вызывает утрату речи, потому что жертва такой травмы не может считывать код, соответствующий фонеме, которую человек хотел бы произнести вслух.
Нейроны, расположенные в этой области, посылают сигналы в двигательную зону коры (блок снизу слева). Последняя содержит набор (библиотеку) определенных репрезентаций, назначение которых – приводить в движение язык и челюсти для воспроизведения тех или иных звуков. Когда человек хочет произнести «л-л-л» (как, например, в слове «дл-л-линный»), именно из этой части мозга и исходит сигнал, заставляющий язык вытянуться вперед и коснуться верхней части передних зубов. При повреждении двигательной зоны коры возникает дизартрия (dysarthria) – расстройство, при котором человек не может совершать губами и языком необходимые артикулирующие движения, хотя мозг в целом прекрасно знает, что именно нужно произнести.