Действуй, мозг! Квантовая модель разума

Хотя без помощи специалистов (учёных-нейрофизиологов и даже просто врачей) не обошлось, основной вклад в модель «мозг-компьютер» принадлежит, конечно, им.

Об сложной коллаборации биологов и математиков свидетельствовал сам Винер.

В «Кибернетике» он рассказал о совещании, проходившем в начале 1944 года в знаменитом Принстонском Институте Перспективных Исследований, где «физиологи сделали совместное изложение задач кибернетики с их точки зрения, аналогичным образом конструкторы вычислительных машин изложили свои цели и методы». Среди «конструкторов вычислительных машин», т.е. математиков, Винер упоминал себя и Джона фон Неймана.

Джон фон Нейман – крупнейший учёный XX века.

Он оставил значительный след в физике: ему принадлежит строгая формулировка принципа неопределённости – базового тезиса квантовой теории.

Как активный участник Манхэттенского проекта, внёс существенный вклад в развитие атомной физики. Ставшей обширным полем научно-прикладной проработки идеи вычисляемой дискретности.

В дискуссии об основаниях математики фон Нейман принадлежал к лагерю «формалистов»: в ряде работ пытался обосновать точку зрения Гильберта о существовании абсолютных аксиом. Однако после фундаментальных результатов, полученных Гёделем и Тьюрингом, этот спор потерял смысл, и учёный быстро переключился на решение прикладных задач в теории алгоритмов.

Заслуживает упоминания книга Джона фон Неймана (в соавторстве с экономистом Оскаром Моргенштерном) «Теория игр и экономическое поведение» (1944 год), где впервые экономический успех рассматривался как результат применения алгоритма.

А также – его совместные с математиком Станиславом Уламом (тоже участником Манхэттенского проекта) усилия по развитию интересной математической идеи, т.н. «клеточного автомата». Который, по сути, представлял собой двухмерный вариант машины Тьюринга.

Разумеется, нельзя пройти мимо того факта, что Джон фон Нейман имел самое прямое отношение к созданию компьютеров (которые изначально проектировались в качестве вспомогательных средств для сложных расчётов, требовавшихся при разработке атомного оружия).

Он внёс ряд конструктивных предложений на финальном этапе сборки «ENIAC». В содружестве с двумя другими математиками, Артуром Бёрксом и Германом Голдстайном, в 1946 году сформулировал общие принципы машинной организации (т.н. «архитектура фон Неймана», применяемая сегодня в большинстве современных компьютеров).

Среди прочего, данный тип организации постулирует использование исключительно двоичной системы исчисления и «внутренней памяти» в компьютере (т.е. и команды, и данные хранятся на одних и тех же элементах).

То было существенным теоретическим шагом вперёд – ведь электронный цифровой компьютер вычислял в десятичной системе, а полученные данные сохранялись в виде выводимых перфолент.

Ключевая работа фон Неймана по интересующей нас теме – «Компьютер и мозг».

Где впервые, насколько можно судить, представлена научно обоснованная аналогия между вычислительным устройством и разумом.

Публикация состоялась в 1958 году, после смерти математика, но содержит материалы лекций, прочитанных им десятилетием ранее.

Наиболее важные авторские тезисы таковы:

– Бинарный язык искусственного автомата соотносится с особенностями работы нейрона, где состояние возбуждения условно может быть обозначено как «1», а состояние покоя – как «0».

– Деятельность нейрона по генерации нервного импульса (возбуждающего/тормозного) сравнима с работой переключателя-транзистора в компьютере.

– На уровне взаимодействия нейронов осуществляются базовые операции бинарной логики (вычитание, умножение, сложение), которые соответствуют командам по управлению логическими элементами в компьютере («не», «и», «или»); эти операции составляют всю необходимую базу мышления.

– В нервной системе в целом можно выделить «цифровую» и «аналоговую» составляющую. Первая представлена возбуждающими и тормозными импульсами нейронов. Вторая – выделением железистого секрета или сокращением мышц вследствие этих импульсов. При этом «цифровое» и «аналоговое» в мозге нередко перемешивается и работает параллельно.

Книга вводила систему новых образов: «искусственный автомат» – компьютер, «природный автомат» – мозг.

А также оперировала характерной терминологией: «базовый компонент системы», нервная клетка, описывалась фон Нейманом как «цифровая машина» (англ. digital machine).

Любопытно, что в обсуждаемой работе математик произвёл приблизительную оценку человеческой памяти.

По фон Нейману, ёмкость хранилища данных современных ему компьютеров составляла от 10

 до 10

 битов (до 125 килобайт или всего ? мегабайта). А объём человеческой памяти получился у него равным около 2,8·10

 битов (35 миллионов терабайт).

Между прочим, эта оценка примерно в 35 миллиардов раз оптимистичнее, нежели та, что встречается в работах современных исследователей.

Кроме того, Джон фон Нейман попытался придать проводимой им аналогии между мозгом и компьютером более широкий контекст.

Кому, как не ему, была очевидна огромная мощь объяснительной силы идеи вычисляемой дискретности. Он, к примеру, трактовал гены как «цифровой компонент» всякой живой системы.

Однако, сколь бы ни была революционна работа «Компьютер и мозг», «Кибернетика» её перещеголяла.

Первое, что необходимо отметить в известной книге Винера – это конструктивная критика мейнстримного представления о разуме.

Математик предложил рассматривать мозг не как изолированную систему и, тем более, не как пассивную часть среды. Которая, по мысли теоретиков машинного мозга, годится лишь на то, чтобы принимать входящие сигналы и как-то их отражать в психике.

Вместо того Винер описал круговую схему «мозг-среда», где оба компонента равноправны. В таком толковании важны обратные связи (термин был взят из техники, о чём автор добросовестно сообщил).

При этом Винер оговаривался, что эти связи сложны: они могут реализовываться как рефлексы (быстро, по нервным волокнам с миелиновой оболочкой) и через гомеостаз (медленно, по немиелинизированным путям). (Сравните это с выделенными фон Нейманом «цифровой» и «аналоговой» частями нервной системы.)

Винер обратил внимание на факт, ставший через некоторое время общим местом. О том, что тезис «один центр – одна функция», долгое время рассматриваемый поклонниками механической модели как аксиома, не соответствует действительности.

Поэтому, например, он категорически отвергал лоботомию как способ устранения локальной поломки мозга. Напомним, что идёт 1948 год – медицинский мейнстрим продолжал верить в мозг-машину и готовился вручить Нобелевскую премию изобретателю лоботомии (см. главу 3).

Наконец, для наилучшего объяснения разума математик всячески подчёркивал значение информации (подробнее об общности взглядов Норберта Винера и Клода Шеннона, создателя классической теории информации, см. в главе 6).

В рефлекторной теории Сеченова-Павлова информации отводилась второстепенная роль сложного, но, по своему происхождению, средового сигнала. По Винеру, информация в мозге не является банальной задержкой реализации рефлекса.

Математик писал: «Механический мозг не выделяет мысль, „как печень выделяет желчь“, что утверждали прежние материалисты, и не выделяет её в виде энергии, подобно мышцам. Информация есть информация, а не материя и не энергия. Тот материализм, который не признает этого, не может быть жизнеспособным в настоящее время».

Второе общее замечание касается содержательной части работы Винера. Эта часть противоречива.

С одной стороны, Норберт Винер воспроизвёл некоторые детали трёхмерной модели. Причём в его описании рефлекторная теория и классический психоанализ причудливо переплелись.

Математик ввёл понятие «аффективный тонус»: это вид обратной связи в биологических системах для усиления или ослабления условного рефлекса. Смысл тут такой, что, например, усвоение знаний во время обучения происходит эффективнее, если у обучающегося хорошее настроение, и хуже, если настроение плохое.

В другом месте автор похвалил динамическую психотерапию как раз за то, что, по его мнению, через работу с воспоминаниями этот метод ослабляет «аффективный тонус»: разрывает порочный круг невротического расстройства. Правда, почему невроз обязательно представляет собой патологический рефлекс, Винер не объяснил.

С другой стороны, математик убедительно показал, почему мозг – это компьютер.

В «Кибернетике» подробно разъяснена бинарная логика, нейроны описаны как переключатели; представлены и другие тезисы, о которых мы рассказали в обзоре книги «Компьютер и мозг» фон Неймана. Текст пестрит ссылками на коллегу – не только в связи с памятным совещанием 1944 года, но и в контексте концепции клеточного автомата (Винер называл подобные гипотетические устройства «самораспространяющимися машинами»).

Кроме того, отдаётся дань уважения великому предшественнику: «Если бы мне пришлось выбирать в анналах истории наук святого – покровителя кибернетики, то я выбрал бы Лейбница».

Примечательно то, как Винер трактовал память.

Механизм памяти в «нервной вычислительной машине» он связывал с изменением проницаемости синапсов и выделил два её вида. «Циркулирующие записи» необходимы для решения текущих задач (современная компьютерная аналогия: «оперативная память»). «Постоянные записи» обеспечиваются большим массивом нейронов (условно: «память жёсткого диска»).