Человеческий мозг

Авторы: Руслан Галифанов, Реджеп Карлиев, Геннадий Галифанов

           Человеческий мозг – это, созданный природой для решения различных жизненных задач и управления нашими органами чрезвычайно хитроумный биологический компьютер со способным к самоусовершенствованию программным обеспечением при невероятно низком энергопотреблении (13 ватт/час). Аппаратной начинкой нашего мозга является размещенная примерно в полутора килограммах мозгового вещества единая нейронная сеть с несколькими подсетями из приблизительно 86 миллиардов нейронов, (нервных клеток), каждый из которых способен не менее 200 раз в секунду передавать сигналы тысячам соседних нейронов, в результате чего мозг может совершать до 38 миллионов миллиардов операций в секунду. Примерно четвертая часть из общего числа нейронов сосредоточена в коре головного мозга, на которую приходится 90% всего веса мозга , по другим данным 80%. Подмечено также, что по данным И.Г. Дежиной большинство нейронов коры головного мозга выполняют роль скорее временных исполнителей, чем стационарных ячеек памяти.
         Типичный нейрон помимо тела клетки содержит отростки, служащие для приема и передачи сигналов. Это, в частности, дендриты несущие сигнал к телу клетки (нервное волокно) и аксон, переносящий сигнал от тела клетки. Дендриты одного нейрона настолько сближены с аксоном другого, что именуемое синапсом или синаптической щелью расстояние между ними находится в пределах от 20 до 40 миллиардных метра и разглядеть его можно только под электронным микроскопом.
         Общее количество синапсов в мозгу взрослого молодого человека составляет в среднем 150000 млрд. Благодаря им обеспечивается сохранение информации и ее передача посредством нервных (химических и электрических) импульсов  от одного нейрона к другому , под воздействием которых человек совершает конкретные действия в ответ на различные раздражители. В состоянии покоя наружная поверхность нейрона заряжена положительно, а внутренняя отрицательно. В период же активности заряд может меняться на противоположный в точке раздражения нейрона, причем реакция нейрона на раздражение возникает лишь при силе ее раздражения выше пороговой. Причиной раздражения нейронов может быть обдумывание решения технической задачи или сюжета творческого произведения, эмоциональная реакция (удивление, страх, радость, гнев, ненависть), рефлекторная реакция на нестандартные ситуации, физиологические потребности организма и т.д.       
         Все они являются продуктом слаженно работающих множества ансамблей нейронов, каждый из которых выполняет отведенную ему роль, а все вместе в полном соответствии с законом природы перехода количества в качество - функцию дирижера работы этих ансамблей. Если часть нейронов, по каким-либо причинам перестает участвовать в работе ансамблей нейронов, то в ряде случаев это может привести к возникновению психических расстройств или иных патологий, степень выраженности которых будет зависеть от размера потерь синаптических связей.
         В отличие от других обновляемых клеток тела нейроны мозга не способны к обновлению.  Под воздействием разных причин (травмы, алкоголь, наркотики, стресс) часть нейронов со временем отмирает, вследствие чего их количество по мере старения организма уменьшается, вынуждая других нейронов брать на себя их функции. Неадекватное поведение человека под воздействием чрезмерной дозы крепкого алкоголя – есть результат прекращения функционирования части нейронов вследствие их отравления алкоголем и возникшим в этой связи диссонансом в работе ансамблей нейронов. Но даже в отсутствие упомянутых вредных воздействий кора головного мозга теряет в среднем ежесуточно 85 тысяч нейронов.   
         По мере отмирания части нейронов возрастает нагрузка на другие продолжающие свою деятельность нейроны. Возрастное сокращение численности нейронов с увеличением нагрузки на остальные не проходит бесследно. Снижается свойственная молодости острота ума, когнитивность, восприятие и запоминание новой информации, ослабевает память, зрение, слух, нарастает утомляемость. Человек в принимаемых решениях больше руководствуется жизненным опытом, чем творческим подходом. Поэтому активная творческая деятельность в любом, особенно пожилом возрасте – является одним из важнейших атрибутов продления самой жизни. 
          Использование замечательных свойств нейронов мозга, состоящих в их универсальной функциональности и исключительной пластичности для совершенствования компьютерных устройств является мечтой многих изобретателей, поскольку ни один из составных элементов компьютера не способен взять на себя функции другого в случае выхода его из строя. Такая ситуация мгновенно приведет к остановке функционирования компьютерного устройства в целом, если только в нем не предусмотрено наличие дублирующего элемента. В связи с этим оснащение различных компьютерных и компьютеризированных устройств подобной человеческому мозгу ИНС является главной задачей изобретателей, работающих в сфере роботизации и искусственного интеллекта. Вместе с тем в отличие от ИНС мозг, является чрезвычайно хрупкой системой. Какой-либо дублирующей системы жизнеобеспечения мозга природой не предусмотрено. Достаточно всего нескольких минут прекращения питания мозга кислородом и наступит его необратимая смерть с полной потерей всей накопленной в нем в течение жизни информации.
         В идеале НКИ также, как и мозг человека должен включать в себя ИНС, состоящую из послойной совокупности программируемых (обучаемых) нейронов. Нейроны каждого слоя в таком устройстве не связаны между собой, но связаны с нейронами предыдущего и последующего слоев. При такой архитектуре информация с первого слоя нейронов поступает на второй слой, с него — на третий и т.д. Чем больше слоев и нейронов в каждом слое — тем меньше ошибок и выше надежность работы нейронной сети. Однако при слишком большой многослойности ИНС можно столкнуться с уменьшением производительности и сложностью построения модели НКИ, в связи с чем при выборе архитектуры ИНС следует принимать во внимание данное ограничение .
           Задача моделирования работы мозга в ИИ состоит в исследовании до тонкостей механизма его работы с последующим воссозданием этого механизма в ИНС с целевым выходом на ИИ человеческого уровня. На достижение такого результата нацелено несколько крупных проектов. Над одним из них, возглавляемым профессором швейцарской Федеральной политехнической школы в Лозанне Генри Маркрамом работает более 100 научных групп со всего мира. В задачу этого проекта входит синтез всех существующих о мозге знаний с последующим созданием в 2023 г. его полноценной суперкомпьютерной модели. В США близка к завершению работа над проектом «Карта активности мозга», задачей которого является фиксация и картографирование активности каждого нейрона в человеческом мозге. Известны также проекты направленные на изучение работы ансамблей нейронов (проект Blue Brain) и на создание физической модели мозга (проект SyNAPSE, нейроморфная электроника). Однако, как указывает Э.М. Пройдаков, для исчерпывающего моделирования работы мозга необходимо создание суперкомпьютеров с производительностью в десятки эксафлопс, что пока невозможно, поскольку такая производительность существенно выше возможностей самых мощных современных суперкомпьютеров. 
           Поскольку разработка ИИ с сильными когнитивными способностями во многом зависит от степени раскрытия механизма работы человеческого мозга на решение этой проблемы в США, Европейском Союзе, Китае и Японии нацелен ряд крупных государственных проектов. В частности, в США в 2025 г. должна завершиться начатая в 2013 г. работа над проектом «Brain Initiative» («Инициатива Мозг») с общим объемом финансирования 4,5 млрд долларов. Аналогично этому в Европейском Союзе в 2023 г. и в Японии в 2024 г. будет завершена работа над десятилетними проектами по исследованию человеческого мозга с объемами финансирования соответственно 1,1 млрд. и 365,2 млн долларов. Существенные ассигнования в размере 4,5 млрд долларов отпущены также Китаем на исследования в рамках проекта «China Brain Project» (Китайский проект Мозга) на период с 2018 по 2030 годы, по завершению которых Китай планирует занять лидирующие позиции в сфере практического использования нейротехнологий.       
         Целью упомянутых проектов является достижение понимания на клеточном уровне механизмов высших психических процессов, лежащих в основе разумной деятельности человека, создание информационно-коммуникационных технологий, направленных на воспроизведение функций человеческого мозга, создание ИИ обладающего базовыми свойствами сознания и обеспечение в итоге революции в информационно-коммуникационных технологиях, нейротехнологиях, искусственном интеллекте, робототехнике и методах лечения неврологических и психических заболеваний.
           Что касается России здесь, хотя и с большим запозданием, но также начаты исследования человеческого мозга в рамках рассчитанного на 2021-2029 гг. проекта «Мозг: здоровье, интеллект, инновации», разработанный Российской академией наук (РАН)» и получивший поддержку от Президента России В. Путина. Бюджет программы составляет 54 млрд. рублей ($695,52 млн) Основными задачами программы являются изучение принципов работы головного мозга, борьба с нейродегенеративными заболеваниями, развитие нейроморфного искусственного интеллекта, создание нейроинтерфейсов «мозг — компьютер» и борьба с «цифровой деменцией» .
       Наиболее активно НКИ-технологии развиваются в России в данное время в сфере создания медицинских систем замещения утраченной коммуникации и нарушенной моторики у пациентов с тяжелыми нарушениями речи и движений после инсульта, нейротравм и нейродегенеративных заболеваний. К сожалению, создание таких технологий находится пока на начальных стадиях и потребуется еще 5–10 лет, чтобы НКИ стали повсеместно использоваться в реабилитационном и сервисном обслуживании пациентов. Это же относится к массовому диагностированию посредством НКИ начального этапа нейродегенеративных заболеваний, особенно болезней Паркинсона и Альцгеймера. Что касается транслирования выдаваемых мозгом произвольных и неосознанных мысленных желаний пациентов непосредственно к ячейкам памяти нейропроцессоров и мгновенно реагирующим на них исполнительным механизмам компьютерных систем, то на решение этой изобретательской задачи потребуется, как минимум еще 5-10 лет.
          Основными барьерами, тормозящими развитие в России НКИ технологий связаны с неудовлетворительным финансированием и укомплектованием исследовательских центров современным оборудованием, слабым участием российских ученых в крупных международных проектах, сложностью и трудоемкостью сертификации новых нейропродуктов, отсутствием законодательного регулирования вопросов использования биогенетического материала с позиций соблюдения этических и юридических норм. Имеет место также настороженное, консервативное отношение со стороны чиновников и населения к затрагивающим мозг инвазивным технологиям. Преодолеть такое отношение может повышение эффективности неинвазивного контакта датчиков с мозгом, поскольку инвазивные методы невозможны без нарушения целостности черепа. Однако на этом пути предстоит решить еще немало проблем. 
        Самое сложное для создания взаимодействия между мозгом и электронным устройством состоит в разнородности составляющих их субстратов. Мозг - это устроенная определенным образом структура из созданной природой живой биологической ткани, наделенной сознанием и интеллектом, а НКИ является созданной человеком технологией, способной посредством, лишенной сознания ИНС рационально решать поставленные перед ней задачи. Совместить между собой для работы в слаженном ансамбле такие разные по происхождению живые и безжизненные структуры представляет собой крайне сложную задачу. Введение датчиков в контакт с мозгом посредством трепанации черепа (инвазивный метод), во-первых - небезопасно для жизни, а во- вторых, приводит со временем к отторжению и отмиранию контактирующих с чужеродными датчиками нейронов мозга. Установлено, что в ряде случаев даже самые лучшие инвазивные датчики нового поколения могут вызвать риск воспалений мозга, необходимость повторной имплантации из-за отмирания нейронов и даже эпилепсию. Поэтому инвазивные методы используют в крайних случаях, когда для тяжелобольных пациентов нет иного выхода. В этой связи одной из важных задач изобретательства в сфере НКИ инвазивных технологий является изыскание неотторгаемых биосовместимых с мозгом инвазивных датчиков . 
         Относительно щадящим решением проблемы является изобретенный исследователями США (группа Хансона) способ малоиннвазивного вживления датчиков в мозг по принципу швейной машины. Способ успешно опробован на крысах и состоит в удалении крошечной части черепа с вспрыскиванием через образовавшееся отверстие жесткой иглой в ткани мозга гибких тонких полимерных датчиков длиной несколько миллиметров. Получаемые от мозга сигнала воспринимаются печатной платой, размещенной на затылке человека. Несмотря на минимальное повреждение черепа, данный способ, связан тем не менее с вторжением в ткань мозга чужеродных материалов, вследствие чего вряд ли найдет широкое применение за исключением трудноизлечимых болезней мозга.
        Перспективной в этой связи, может оказаться лазерная вварка в костную ткань черепной коробки без нарушения целостности черепа, синапсной (обеспечивающей неинвазивный контакт с нейронами мозга) приемно-передаточной интерфейсной сетки, снабженной репитером (усилителем нейронных сигналов). В качестве материала интерфейсной сетки могут использоваться наноразмерные волоски из благородных металлов. Естественно, что практическому использованию предложенного способа должны предшествовать эксперименты на подопытных животных, поскольку нельзя исключить непредвиденные реакции головного мозга к воздействию внешних энергетических полей в результате экранирования черепной коробки интерфейсной сеткой.
         Использование бесконтактного взаимодействия НКИ с мозгом посредством, например, посредством электроэнцефалографии, согласно данным многих исследователей малоэффективно из-за слабости улавливаемых ИНС сигналов мозга. Между тем улавливание и усиление этих сигналов напрямую определяет эффективность и скорость взаимодействия НКИ технологий с мозгом человека. Поэтому проблема усиления неинвазивных сигналов мозга является одной из первостепенных изобретательских проблем НКИ, решить которую пока не удается, и по мнению И.Г. Дежиной, вряд ли удастся решить в ближайшем будущем. 
          С другой стороны, нет полной ясности в отношении природы излучаемых мозгом электрохимических сигналов. В частности, насколько физика этих излучений соответствует возможностям их приема и обработки ИНС, поскольку от этого зависит скорость неинвазивного взаимодействия мозга с нейронной сетью НКИ. Для исследователей и изобретателей здесь огромное поле деятельности. В частности, наиболее серьезной проблемой, вытекающей из вышесказанного, которую предстоит решить программистам и изобретателям — это точность алгоритмов обработки ИНС получаемых от мозга сигналов, при неинвазивном контакте.
       Еще одной требующей своего решения проблемой является изыскание эффективных источников энергообеспечения ИНС, а также оснащенных ею исполнительных механизмов компьютеризированных устройств медицинской и иной техники. В отношении ИНС, потребляющей крайне мало энергии, перспективным может оказаться изобретение мини устройств вырабатывающих электроэнергию без подключения к внешним источникам энергии, за счет естественных, непрерывно работающих механизмов жизнедеятельности человека, например дыхания или теплообмена с окружающей средой.   
        Имеются также сведения об открытых группой исследователей США необычных электронных свойствах редкоземельного минерала никелата перовскита. Необычность минерала состоит в необъяснимых с позиций классической физики его огромной чувствительности к ионным потокам. Вследствие этой особенности он способен напрямую преобразовывать электрохимические сигналы мозга в электрическую активность, которая может быть интерпретирована компьютером.  Комплекс этих свойств дает минералу уникальные преимущества перед другими используемыми в электронике материалами, такими, как кремний. Дело в том, что в механизме мышления мозга задействованы ионы, а в компьютерном устройстве электроны. Указанное различие создает существенные сложности во взаимодействии мозга с НКИ. Посредством же никелата перовскита и некоторых других материалов с необычными свойствами эти трудности, возможно, будут устранены.

Использованная литература:

1. Марко Магрини. Мозг. Инструкция пользователя // – «Издательство АСТ», 2017. – С. 13-25, 54
2. От молекул до человека. Пер. с англ. К.С. Бурдина и И.М. Пархоменко. – Пособие для учителей. – М., Просвещение. – 1973. –  С. 377-380
3. Общие сведения о нейронных сетях. Электронный ресурс // https://vk.com/wall-30666517_1129626
4. Королев И. Как в России потратят 54 млрд рублей на изучение мозга  и его связь с компьютером // Электронный ресурс // 5. Нейроинтерфейс: управлять силой мысли // Электронный ресурс //