Моделирование сознания: коннектом и цифровая личность

Введение

Сможем ли мы когда-либо воссоздать человеческое сознание в компьютере? Идея создания цифровой копии разума уже не кажется полной фантастикой – её обсуждают нейробиологи, инженеры и философы. В основе этих представлений лежит понятие коннектома – полной карты нейронных связей мозга. Некоторые учёные даже провозглашают: «я – это мой коннектом», подразумевая, что личность человека закодирована в схемe соединений его нейронов. Если удастся детально картировать мозг и смоделировать работу этой сети, возможно создание цифрового «аватара» личности – своеобразного переноса сознания в электронную среду.

В этой статье мы рассмотрим, что такое коннектом и зачем его «снимают», какие технологии используются для картирования мозга, и какие крупные проекты двигают нас к цели реконструировать разум. Также обсудим, как карта нейронных связей связана с памятью, мышлением и идентичностью, какие проблемы возникают при попытке смоделировать сознание, и что может значить появление цифрового бессмертия – включая сложные этические вопросы.

Коннектом: карта всех нейронных связей

Термин коннектом обозначает полный «чертёж» нейронной сети организма – то есть карту всех нейронов и всех синапсов (контактов) между ними. Предполагается, что обладая такой картой, можно воссоздать всю нервную деятельность данного организма, от рефлексов до высших когнитивных функций. Коннектом похож на схему проводки мозга, аналогичную геному (набору генов) в генетике. Однако масштаб сложности несопоставим: если геном человека содержит ~3×10⁹ пар оснований ДНК, то только в коре мозга человека насчитывается порядка 1,25×10¹⁴ синапсов – на три порядка больше информационных единиц, чем во всех транзисторах компьютеров мира.

Первым (и пока единственным завершённым) коннектом живого организма стала карта нервной системы крошечного червя Caenorhabditis elegans (C. elegans). Она была получена ещё в 1980-х годах усилиями группы под руководством Сидни Бреннера с помощью тонких срезов и электронного микроскопа. Нервная система нематоды содержит всего 302 нейрона, и исследователи вручную проследили все ~7000 контактов между ними. Этот успех фактически дал старт новой области – коннектомике, науки о реконструкции нейронных сетей.

С тех пор учёные шаг за шагом берутся за всё более сложные мозги: уже построены (частично) коннектомы мозга плодовой мушки (~130 тыс. нейронов и 50 млн синапсов) и отдельных участков мозга мыши. Полный же коннектом мозга человека – колоссальная задача, но в теории он может быть «прочитан» с развитием технологий и вычислительных мощностей.

Ключевые технологии "картирования" мозга

Для построения коннектома и исследования нейронных сетей задействован целый арсенал передовых методов нейровизуализации и нейротехнологий. Перечислим основные:

• CLARITY (транспарентность тканей) – метод, делающий зафиксированную биологическую ткань прозрачной для света. Путём замены липидов на особый акриламидный гидрогель, исследователи получают "прозрачный" мозг, сохранив в нём все клетки и связи. Это позволяет просвечивать объёмные образцы мозга обычным конфокальным или листовым микроскопом и рассматривать нейронные цепи в 3D без механического нарезания на срезы. Технология CLARITY, разработанная в Стэнфорде (К. Дейсерот и др., 2013 г.), открыла путь к объёмному картированию связей в мозге на клеточном уровне.
• Функциональная МРТ (fMRI) – разновидность магнитно-резонансной томографии, которая отслеживает изменения кровотока и кислородонасыщения как индикатор нейронной активности. fMRI позволяет в режиме реального времени "видеть", какие области мозга активны при выполнении тех или иных задач. На основе корреляции активности разных зон строятся карты функциональных связей – так называемые функциональные коннектомы. Например, проект Human Connectome Project использовал fMRI (наряду с диффузионной МРТ) для картирования основных функциональных и структурных путей в мозге человека.
• Оптогенетика – революционная методика, сочетающая генетику и оптику для точечного управления работой нейронов с помощью света. В клетки вводится ген светочувствительного ионного канала (например, каналродопсина), благодаря чему вспышкой света можно "включать" или "выключать" конкретные нейроны. Оптогенетика дала исследователям инструмент для картирования причинно-следственных связей в нейросетях мозга: активируя определённые цепочки и наблюдая реакцию организма, можно выяснять, за какие функции они отвечают.
• Кальциевая визуализация – метод регистрации работы нейронов с помощью флуоресцентных индикаторов кальция. Когда нейрон активируется, концентрация ионов Ca²⁺ внутри него возрастает; если клетка снабжена специальным флуоресцентным датчиком, то вспышка кальция вызывает свечение. Современные камеры и двухфотонные микроскопы позволяют одновременно наблюдать активность сотен и тысяч нейронов у живого организма. По сути, кальциевая imaging даёт "карту" активности нейронной сети, показывая, какие клетки и когда включаются при тех или иных стимулах.
• Электронная микроскопия (ЭМ) – незаменима для получения структурного коннектома в высоком разрешении. Только ЭМ позволяет видеть каждую ультратонкую связь, каждый синапс. Именно с её помощью был получен первый коннектом (C. elegans) на уровне отдельных синапсов. Сегодня автоматизированная электронная микроскопия применяется для съемки тысяч последовательных срезов мозга, а затем алгоритмы "склеивают" их в 3D-модель нейронной сети. Например, прорывной коннектом мозговой ткани плодовой мушки (2020 г., Google/HHMI) был построен именно через полное ЭМ-сканирование мозга насекомого с последующим компьютерным анализом 50 миллионов синаптических соединений.

Ведущие проекты: HCP, Blue Brain, BRAIN Initiative

В последние десятилетия запущены масштабные инициативы, призванные разгадать "проводную схему" мозга и приблизить нас к цифровому моделированию сознания:

• Human Connectome Project (HCP) – международный проект (NIH, США, старт 2009 г.) по созданию детальной карты проводящих путей мозга человека. В HCP были объединены новейшие неинвазивные методы нейровизуализации (диффузионная МРТ для трактографии белого вещества, функциональная МРТ для функциональных связей, MEG/EEG и др.) с мощной аналитикой, чтобы построить "сетевую карту" мозга и понять, как она связана с генетикой и поведением. В рамках проекта отсканированы сотни взрослых испытуемых, составлены карты основных трактов и функциональных зон мозга, заложена база данных для изучения индивидуальных различий и болезней.
• Blue Brain Project – швейцарская инициатива (École Polytechnique Fédérale de Lausanne, руководитель Генри Маркрам, старт 2005 г.) с целью цифровой реконструкции мозга млекопитающего на микроскопическом уровне. Blue Brain не столько картирует реальный мозг, сколько пытается воссоздать его в компьютере "снизу вверх": моделируя подробно каждый нейрон и каждую связь. Начав с виртуальной колонки неокортекса крысы, проект продемонстрировал принципиальную возможность биореалистичной симуляции фрагмента мозга. Используя суперкомпьютер IBM Blue Gene и специальное ПО (NEURON), команда построила модели синаптической архитектуры и электрической активности, стремясь понять фундаментальные принципы работы нейронных цепей. Окончательной цели – модель всего мозга мыши – проект пока не достиг (по состоянию на 2024 г. Blue Brain завершён, его наработки интегрированы в европейский Human Brain Project).
• BRAIN Initiative – амбициозная программа исследований мозга, объявленная в США в 2013 г. (инициатива президента Б. Обамы). Название расшифровывается как Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies («Исследование мозга посредством инновационных нейротехнологий»). Цель BRAIN Initiative – революционизировать наше понимание работы мозга, создав и применив новые инструменты для записи и картирования нейронной активности в реальном времени. В частности, ставится задача научиться визуализировать взаимодействия миллионов нейронов "со скоростью мысли". Программа стимулировала разработки миниатюрных сенсоров, улучшенных методов визуализации, нейронных интерфейсов и масштабного сбора данных о мозге. Ожидается, что по размаху и влиянию она будет сравнима с Проектом генома человека, открывая пути к новым терапиям заболеваний мозга и, потенциально, к полной "карте разума".

Коннектом, память и личность

Чем оправдано утверждение, что в коннектоме заключена наша память и индивидуальность? Дело в том, что информация в мозге, по современной науке, хранится не в конкретных клетках, а в схемах связей между ними. Когда мы учимся или запоминаем что-то новое, укрепляются определённые синапсы между нейронами, возникают новые цепи – это и есть физическая основа памяти (память – это синаптическая пластичность). Таким образом, все воспоминания "зашифрованы" в рисунке контактов и их эффективности. Аналогично, черты личности и навыки формируются годами через перестройку соединений в мозге. Недаром тяжелые повреждения связей (например, нейродегенеративные заболевания) могут стирать память и изменять черты человека – разрушается часть "карты" его мозга.

Коннектом, особенно структуры коры, напрямую связан и с высшими функциями – мышлением, сознанием. Различные зоны мозга образуют функциональные сети (например, сети активации при речи, при распознавании лиц и т.д.), и эти сети – по сути узоры связей между областями. Исследования показали, что индивидуальные вариации структурных связей коррелируют с когнитивными способностями и чертами характера. Если представить мозг как сложную организацию, то нейроны – "элементы", а коннектом – это схема их взаимодействия, определяющая работу системы в целом. Недаром высказывается смелая гипотеза: достаточно точно скопировав коннектом человека, можно перенести и его личность, память, манеру мыслить – всё, что делает его "собой".

Проблемы моделирования сознания

Создание цифрового "двойника" мозга – чрезвычайно сложная задача с множеством научных и технических препятствий. Вот ключевые проблемы, стоящие перед коннектомикой и моделированием сознания:

• Колоссальный объём данных. Одна полная карта нейронных соединений человеческого мозга потребовала бы порядка эксабайта (10¹⁸ байт) памяти. Для сравнения, это в десятки тысяч раз больше, чем объём всей Википедии. Сбор, хранение и обработка таких данных – невиданная доныне задача. Даже хранение коннектома "простого" мозга мушки потребовало сотен терабайт данных ЭМ-сканов.
• Динамичность и функциональность. Сознание – это не статическая схема, а непрерывный процесс. Мало зафиксировать архитектуру нейронов и синапсов; нужно ещё воспроизвести динамику электрической активности, передачу сигналов, колебательные ритмы, распределение нейромедиаторов. Иначе получится "мертвая" карта, не генерирующая мыслей. На сегодня мы не умеем полноценно записывать временные паттерны для всей сети мозга с нужным разрешением.
• Адаптивность и пластичность. Связи в мозге не жёстко заданы – они постоянно меняются под влиянием опыта (синапсы усиливаются или ослабевают). Модель, раз снятая, быстро устареет, если не учитывать эту пластичность. Кроме того, в нейронных вычислениях участвуют глиальные клетки, объемные нейромодуляторные эффекты (например, диффузное действие дофамина) и т.д., что ещё более усложняет реалистичное моделирование.
• Индивидуальность опыта. Личность – это не только "железо" (нейроанатомия), но и "софт" – накопленный жизненный опыт, знания, воспоминания. В коннектоме эти аспекты неявно присутствуют (как упомянуто, память хранится в связях), но не всё можно прочесть лишь по схеме соединений. Как, например, из структуры сети понять, что человек помнит своего первого учителя или боится пауков? Без расшифровки содержания памяти чистый коннектом обезличен.

Помимо перечисленного, существуют и чисто инженерные сложности: как получить коннектом человеческого мозга с микронным разрешением не разрушая его? Пока это невозможно – методы вроде ЭМ требуют нарезать ткань на срезы. Неинвазивные сканеры (МРТ) дают слишком грубое разрешение для нейронного уровня. Возможно, потребуются радикально новые подходы к сканированию мозга, либо предварительная консервация (как предлагается в проектах крионики и химической фиксации мозга для последующего считывания в будущем).

Перспективы: цифровой аватар личности

Допустим, однажды мы преодолеем перечисленные трудности. Что даст полный коннектом и детализация всех нейронных параметров? Это откроет дверь к "переносу сознания" – созданию цифрового аватара, моделирующего разум конкретного человека. Идея, популярная среди футуристов и трансгуманистов, предполагает, что если всю информацию мозга (структуру нейронов, силы связей, текущее состояние) записать на компьютер, то эту информацию можно загрузить в программу и она будет мыслить, ощущать и помнить так же, как оригинальный человек. По сути, это цифровое бессмертие: даже если биологическое тело умрёт, личность продолжит существование в виртуальной форме.

Сегодня подобное ещё очень далеко. Тем не менее, начальные шаги делаются: так, полная модель нервной системы простейшего червя уже позволила создать программную имитацию его поведения. Проект OpenWorm, взяв коннектом C. elegans, запрограммировал виртуального червя, который двигается и реагирует на стимулы подобно живому. Это примитивный, но концептуально важный пример "загруженного сознания" (пусть и крайне простого) в электронный носитель.

Для человека масштаб несравнимо больше. Но можно представить в будущем постепенный прогресс: сначала цифровые модели отдельных зон мозга (например, зрительной коры или гиппокампа) будут встраиваться в нейропротезы; затем, по мере накопления данных, появится возможность соединить модели воедино. Вероятно, ключевым этапом станет успешное моделирование мозга какого-то простого млекопитающего (мыши?) целиком – это будет "контрольным пробегом" технологии. Когда это может произойти – вопрос открытый: оценки варьируются от нескольких десятилетий до столетия и более. Многое зависит от темпа развития сканирующих технологий и суперкомпьютеров.

Философские и этические аспекты

Моделирование сознания затрагивает глубокие вопросы, выходящие за рамки нейротехники. Даже если допустить, что мы сумели создать цифрового двойника мозга, остаётся спросить: будет ли эта модель обладать настоящим сознанием? Или это всего лишь имитация, "зомби-программа", которая ведёт себя как человек, но не имеет внутреннего субъективного опыта? Этот вопрос связан с философской проблемой "квалиа" и природы сознания – пока у науки нет критерия, как проверять наличие самосознания у искусственных интеллектов.

Другой аспект: идентичность и личность копии. Если мы скопируем мозг человека и запустим его в компьютере, будет ли полученная сущность тем же самым человеком или лишь клоном с теми же воспоминаниями? В философии личности существуют разные взгляды на критерии самотождественности. Некоторые полагают, что непрерывность сознания неразрывно связана с биологическим носителем, и копия – это новый независимый разум, считающий себя продолжением оригинала, но по сути являющийся "близнецом". В таком случае перенос сознания не даст бессмертия – оригинал всё равно умирает, хоть его двойник и живёт дальше.

Этические вопросы тоже многочисленны. Если цифровой разум обладаeт сознанием, должны ли мы предоставить ему права, подобные человеческим? Что если скопированных личностей можно будет сохранять, копировать, даже модифицировать – как избежать злоупотреблений и страданий цифровых "разумов"? Допустимо ли уничтожить копию – не будет ли это равносильно убийству? Кроме того, процедура оцифровки мозга, вероятно, будет деструктивной (разрушение исходного мозга при сканировании): согласится ли человек на "суицид" ради загрузки? Все эти дилеммы составляют поле нейроэтики, которая уже сейчас пытается формулировать принципы на будущее.

Заключение

Моделирование сознания и цифровая реконструкция личности – это междисциплинарный вызов, находящийся на стыке нейронаук, компьютерных технологий и философии. Проекты по картированию коннектома уже приносят первые плоды в понимании организации мозга. Мы узнали, как невероятно сложен "проводной чертёж" человеческого разума, но также убедились, что шаг за шагом наука движется к его раскрытию. Возможно, в будущем полная карта мозга вместе с продвинутыми нейросимуляциями даст нам беспрецедентные возможности – от лечения тяжёлых мозговых болезней через восстановление утраченных связей до достижения цифрового бессмертия личности.

Тем не менее, пока мы не пришли к "воскрешению" сознания в кремнии, такие проекты служат и другой цели: они заставляют нас глубже задуматься, что такое я, из чего соткана память, и где грань между живым разумом и его моделью. Ответы на эти вопросы предстоит искать не только с помощью алгоритмов, но и с позиции человеческой мудрости, ответственности и этики.