Беспамятство искусственного интеллекта

Как молекулярная биология может помочь в обучении роботов
15.02.2018
Игорь Лалаянц

В конце 2017 года Объединенные Арабские Эмираты объявили о программе развития высоких технологий и назначении первого министра по развитию искусственного интеллекта (ИИ). Одновременно с этим заявлением пришло сообщение из Кембриджа (США) о "научении" ИИ различать голоса и вычленять один из них для скачивания нужной информации (решении задачи коктейль-пати, как ее называют специалисты). Созданная система способна сепарировать голоса пяти людей с точностью до 80%, а двух - до 90%.

Успех достигнут благодаря сегментации голосов на компактные кластеры, обработка которых производилась даже при записи звучания не более шести децибел (обычный разговор - это примерно 20). Статья в журнале New Scientist с результатами этой работы гласила, что "ИИ научился распознавать один голос в толпе".

В начале ХХ века благородная компания в составе поэта, лорда Байрона, еще одного английского поэта-романтика Перси Биши Шелли и его жены Мэри Шелли застряла на какой-то вилле в Швейцарии, вынужденная прятаться от нескончаемого дождя. У камина, под рюмку хереса, Байрон предложил Мэри, которая увлекалась электрическими опытами Луиджи Гальвани с лягушками, написать нечто вроде научно-популярного "хоррора". В результате впечатлительная жена поэта-романтика создала текст, обессмертивший ее имя, - "Франкенштейн, или Современный Прометей". Фабула проста: врач Виктор Франкенштейн собрал из частей трупов некого монстра, за которым ему пришлось потом гнаться чуть ли не до Северного полюса. Мэри Шелли считается основоположницей жанра. Сегодня хорроры (англ. horror - ужасы) сочиняет ИИ, созданный в Массачусетском технологическом институте.

Но создание действительно "разумного" ИИ требует глубокого обучения (Deep Learning) и соответственно объемной памяти, интегрированной в нейросети. "Что-то с памятью моей стало", - пелось когда-то в популярной песне. К сожалению, память слабеет с возрастом, а может и совсем быть утраченной, как это происходит при амнезии. При утере "оперативной" памяти на первый план может выходить "встроенная", и такую ситуацию невропатологи называют ретроградной амнезией.

Подобного рода состояние изучал португальский психиатр Эгаш Антониу Мониш (1874-1955). Врач и нейроанатом стал единственным португальцем, который был удостоен в 1949 году Нобелевской премии по медицине за проведение лоботомии, или "отрезание" лобных долей. Неврологическое состояние людей после операции улучшалось, но память они теряли.

Сегодня в распоряжении нейробиологов целый арсенал исследовательских инструментов и технологий, среди которых оптогенетика, нейрохимия и протеомика (исследование протеинов), генная инженерия. Первая из технологий в этом ряду, оптогенетика, подразумевает стимулирование активности нейронов живого мозга с помощью лазерного луча. Два года назад японский молекулярный биолог из Массачусетского технологического института Судзуми Тонегава сообщил об открытии молчащих энграм Silent Engrams, или памяти, которую можно "оживить" искусственно, с помощью лазера. Слово "энграма" было предложено австрийцем Карлом Лоренцом, одним из основателей этологии, или науки о поведении животных.

Позже под энграмой стали понимать кодирование-формирование памяти на уровне нервной клетки гиппокампа, куда поступает информация. Было выяснено, что за ее формирование и хранение отвечают синапсы, или точки межнейрональной связи, для образования которых хватает 20 секунд. Далее в действие вступает так называемая консолидация, или "укрепление" памяти, которая из гиппокампа "отправляется" на долговременное хранение в предлобную кору. Так, через пару недель происходит трансформация кратковременной памяти в долговременную.

Тонегава первую Нобелевскую премию получил в 1987 году за раскрытие ген-механизма синтеза белковых антител. Ясно, почему иммунолог стал нейробиологом, который первым внедрил оптогенетику в изучение мозга в целом и памяти в частности. Открытие нейронов с молчащей энграмой объяснило до тех пор непонятную ретроградную амнезию, когда страдающий ею вспоминает детство, но не может запомнить что-то из сегодняшнего опыта. Клетки-"молчуны" не реагируют на усилия что-то вспомнить под действием природных стимулов, но могут выдать глубоко запрятанную информацию под действием нейронального возбуждения, вызванного воздействием лазерного луча.

И вот Тонегава предложил дальнейшее развитие идеи. Для этого он подавил синтез белков, которые необходимы для формирования памяти в клетках гиппокампа и дальнейшей ее передачи в нейроны предлобной коры. К удивлению исследователей, это не сказалось на функции клеток энграмы и их ансамбля в гиппокампе, что проявилось в реакции испуга мышей после подведения к их мозгу лазерного луча.

В свое время академик Иван Павлов, исходя из опытов с собаками, выявил условный рефлекс в ответ на свет или звук (у человека на то же слово "лимон" происходит рефлекторное выделение слюны), но не на мясо. Тонегава повторил практически тот же опыт на клеточно-молекулярном уровне: реакцию страха у мышей сначала вызывали слабым ударом тока.

По прошествии времени угасания рефлекса ту же реакцию вызывали с помощью лазера, луч которого возбуждал молчащие нейроны памятной энграмы. Тонегава определил, что информация хранится в энграм-ансамблях гиппокампа около восьми дней, а уже через две недели "закрепляется" в предлобной коре. Ученый не увидел повышения синаптической плотности после подавления синтеза белков, которая, как считается, является необходимым условием консолидации памяти. Вместо этого исследователи увидели большее число специфических соединений клеток в ансамблях.

Коллег ученого удивило, что формирование памяти требует не синтеза протеинов, а повышения специфичности связей клеток энграмы. Они не обратили внимания на замечание о том, что синтез требуется для "перевода" памяти-энграмы в предлобную кору. Тем самым подчеркивается, что память имеет гораздо более сложную клеточную и молекулярную природу.

В какой-то мере этот сходно с сегментацией голосов с помощью ИИ. Раскрытие механизмов памяти поможет более полному оснащению ИИ, разработка которого только выиграет от этого. Открытие также поможет разработке лекарства для лечения болезни Альцгеймера и другого нейродегенеративного состояния.

Устоявшейся парадигмой является и усиление синапсов, которое действительно доказано в ходе экспериментов. Открытие Тонегавы сдвигает парадигму, поэтому оно считается в нейробиологической среде противоречивым. Но такова природа всех судьбоносных открытий. Достаточно вспомнить структуру двуцепочной спирали ДНК, предложенную Френсисом Криком и Джеймсом Уотсоном, до которых роль гена отводилась белкам.

Читайте другие наши материалы