Сегодня - 10.12.2019

Нейрогибридные системы как попытка понять природу мозга

24 сентября 2012

Михаил БурцевЛекция о нейрогибридных системах, которую прочитал заведующий лабораторией нейроинтеллекта и нейроморфных систем НИЦ «Курчатовский Институт», кандидат физико-математических наук Михаил Сергеевич Бурцев, открыла новый сезон научного кафе «Эврика». Учёный рассказал слушателям о том, как сегодня исследователи пытаются разгадать тайну человеческого интеллекта.

Лектор сообщил слушателям, что нейрогибридные системы – это новый перспективный инструмент, но его возможности ещё не до конца изучены. Затем Михаил Сергеевич продемонстрировал слушателям три картинки. На всех трёх был изображён квадратный фрагмент чего-то чёрного с белыми прожилками. В итоге, человек из зала угадал, что вторая картинка - это трещины, первая – туманность, а третья – нейроны. Бурцев уточнил, что на первом изображении мы видим крупномасштабную структуру вселенной, а на третьей – потрескавшуюся краску чёрного квадрата Малевича.

К основоположнику суперматизма в абстрактном искусстве учёный ещё вернётся в конце лекции. А пока он объяснил необходимость создания нейрогибридных систем. «Они нужны нам, чтобы узнать, как работает мозг и за счёт чего он обладает интеллектом. Поняв это, мы сможем приблизиться к разгадке одной из величайших тайн, которые стоят перед современной наукой и философией – природы человека. Если мы хотя бы частично поймём особенности мозга и механизмы, которые позволят человеку быть настолько адаптивным и приспосабливаться к окружающей среде, то мы сможет расширить возможности естественного интеллекта и возможно создать такой искусственный «разум», который сможет заменить человека и помочь ему в жизни», - рассказал Бурцев.

Почему мы можем думать?

По словам учёного, мозг человека состоит из десятков миллиардов нервных клеток – нейронов. И всё, что мы делам, ощущаем, чувствуем, переживаем - это опосредованная активность этих клеток, за счёт неё работает нервная система.

М.С.Бурцев объяснил, что такая клетка состоит из собственно тела и многочисленных разветвлённых отростков. Один из них называется аксон и позволяет посылать химические сообщения другим нейронам при помощи электрического импульса. Чтобы клетки взаимодействовали и отправляли друг другу сигналы, необходимо, чтобы между ними образовались контакты. Эту задачу решает синапс (место контакта между двумя нейронами или между нейроном и получающей сигнал эффекторной клеткой), куда нейрон, передающий сигнал, выбрасывает химическое вещество под названием нейротрансмиттер. После чего рецепторы, находящиеся на мембране клетки, считывают это вещество.


Представьте себе, насколько это поразительно! Если поставить себя на место нервной клетки, то вы увидите, что находитесь в мозге, где вас окружают десять миллиардов соседей, и вы не со всеми из них можете контактировать. Единственное, что вы знаете об окружающем мире – это химические сигналы, которые вам передают ваши товарищи.


«Изменяя своё поведение, клетка каким-то чудесным образом может привести к тому, что человек вдруг будет петь своей возлюбленной прекрасную песню», - сообщил Михаил Сергеевич. – «Понимаете, какая пропасть между тем, что может одна клетка и тем, что делает целый организм. Это великая загадка. И мы, учёные, хотим понять, как же правила поведения на уровне нейрона могут быть транслированы на уровень группы клеток, анатомических структур и всего организма».

Как залезть внутрь мозга и изучить его?

Лектор отметил, что учёным нужно понять, как то, что делает один нейрон, связано с адаптивным поведением животного или человека. «Мы могли бы вообразить себе идеальный метод, который позволит, с одной стороны, получить клеточное разрешение, то есть возможность видеть все нейроны и контролировать процессы, которые в них протекают, а с другой, наблюдать адаптивное поведение организма, нервную систему которого мы изучаем. Если мы наблюдаем изменения, которые происходят внутри клеток, но не видим, что делает объект, то мы не можем комплексно их проанализировать. Нам нужно оценивать интеллектуальность  или не интеллектуальность поведения организма в целом», - рассказал Бурцев.


Учёный сообщил, что создание такой модели, которая бы сочетала клеточное разрешение для всего мозга и адаптивное поведение, является экспериментальной проблемой и что пока такого метода просто не существует.


Известные сегодня способы исследования мозга – это макроскопические, например, электроэнцефалограмма (ЭЭГ) или функциональная магнитно-резонансная томография (ФМРТ), в которых мы оцениваем макропараметры (изменения потенциала на поверхности черепа или кровоток в мозге). Главный минус этого метода в том, что мы не можем понять, какой вклад вносит отдельная клетка.

Михаил БурцевЕщё один метод, по словам Бурцева, получил название «прозрачный мозг» или компьютерная оптическая томография, с помощью него учёные могут, например, обучить какое-то животное, а затем, просканировав его полушария, увидеть все клетки, которые участвуют в том или ином процессе. Также существуют электрофизиологические методы: в мозг испытуемого вживляются электроды, которые позволяют регистрировать электрическую активность клеток, рядом с которыми они находятся. «Но мы не можем опутать всё проводами и поэтому не получаем картину работы всей системы в целом. Другой экспериментальной моделью в современной нейробиологии являются модели in vitro, когда опыты проводятся вне живого организма, на клетках, выращенных  в пробирке. Учёные из мозга животного извлекают клетки, высаживают их на электронную матрицу и тестируют их. При этом методе отсутствуют действия объекта как таковые, но есть динамика, потому что клетки взаимодействуют друг с другом. Потенциально идеальным методом была бы модель in vitro, но которой придали поведение, а это и есть это нейрогибридная система», - отметил Бурцев.

Нейроны для робота

М.С.Бурцев объяснил, что нейрогибридная система состоит из культуры нейронов (клеток, извлечённых из мозга животного и посаженных на матрицу из электродов) и двухстороннего интерфейса от этого «мозга» к роботу, который может быть реальным, а может виртуальной моделью.

«В нейрогибридной системе у робота есть сенсоры, которые считывают состояние окружающей среды, и эти данные транслируются на электронные матрицы. Мы можем передать эту информацию с сенсоров робота внутрь нашего виртуального мозга. А затем происходит обратный процесс, и робот поворачивается направо или налево и решает задачи, которые мы перед ним поставили. Таким образом, эта модель с некоторыми допущениями удовлетворяет критериям идеальной.  У неё есть мозг, который учёные увидят, если сделают на чашке специальное покрытие: клетки прилипнут к нему, распределятся равномерным слоем, и за ними легко будет наблюдать в микроскоп. В культуре обычно порядка десятков тысяч клеток, это достаточно много, но тем не менее мы можем наблюдать за каждой в отдельности», - рассказал Бурцев.


Если всё так хорошо, то почему же нейробиологи не стали массово использовать такие модели? Дело в том, что пока ещё учёным не совсем понятно, что же они должны сделать, чтобы клетки поняли, чему и как они должны научиться.


Михаил Бурцев«В культуре нейронов время от времени появляются всплески активности, которые исследователи используют для того, чтобы провести эксперименты по обучению культур. Результаты таких опытов были опубликованы в 2001 году. Они заключаются в том, что мы можем подействовать на культуру, например, стимуляцией. Используя один из электродов, мы приведём к неспонтанным реакциям, в то время как спонтанные возникают сами по себе», - отметил лектор.

Михаил Сергеевич рассказал, что один из примеров обучения нейрогибридной системы был продемонстрирован в университете Флориды. Учёные извлекли клетки из мозга крысы, высадили их на мультиэлектронную матрицу и накрыли специальной мембраной, чтобы они не заразились бактериями и не погибли. Потом электроды и матрицу подключили к компьютеру, который регистрирует активность. Эта культура могла управлять симулятором истребителя через сеть, подключённую к другому компьютеру. Задача, стоящая перед нейронами – стабилизировать полёт самолёта при воздействии на него различных потоков воздуха. Авторы исследования утверждают, что им удалось сделать так, что культура через какое-то время выучивала, как нужно поддерживать истребитель. По словам Бурцева, к сожалению, воспроизвести это пока никто не смог, а по описанию не до конца понятно, за счёт чего учёным удалось добиться таких результатов.

Лектор уточнил, что во всём мире только пять-семь групп занимаются подобными исследованиями.

Нейрогибридные системы в современном искусстве

После чего М.С.Бурцев вернулся к Казимиру Малевичу, с трещин на чёрном квадрате которого началась лекция. Учёный привёл такую цитату художника-авангардиста: «При исследовании обнаружил, что в супрематизме лежит идея новой машины, т. е. нового бесколёсного беспаробензинного двигателя организма».


«Мне кажется, что это такое художественное предвидение нейрогибридной системы», - поделился Бурцев. – « С одной стороны, это организм, а с другой – машина. Несмотря на то, что нейрогибридные системы ещё не завоевали популярность и не стали востребованным методом в нейробиологии, они уже используются как инструмент для арт-проектов».


Учёный рассказал о проекте, условное название которого «полуживой художник». Его суть заключается в том, что в галерее стоит камера, которая захватывает изображение посетителя, который пришёл посмотреть выставку. Затем перед культурой нейронов стоит задача нарисовать портрет человека.

«Для этого сначала надо внутренне преобразовать фотографию посетителя в интенсивность стимуляций, которые затем подаются на тот или иной электрод. Так как матрица состоит из 64 электродов, то учёные уменьшают разрешение изображения до картинки восемь на восемь пикселей. После этого передают «активность» в другой город, где находится культура, посылая стимуляцию на электроды.  Регистрируя активность пассивного электрода, мы можем вычислить точку, в которой находится средняя активность, и если она перемещается после стимуляции, то техническая «рука» начинает двигать маркер в сторону её перемещения. Таким образом, одна часть художника находится в Нью-Йорке (это рука, которая рисует), а другая (нейрональная культура) во Франции», - сообщил Бурцев.

Подводя итог лекции, Михаил Сергеевич уточнил, что сегодня исследовать мышление человека и его сознание можно и нужно через синергию нейронов, через их совместные корпоративные действия. «А в искусстве мы можем перейти от статического искусства к синергетическому, от произведений застывшей формы к интерактиву», - отметил учёный.

Ангелина Иванова

Фото: А. Иванова
 

Ваша оценка: Нет Средняя: 5 (3 votes)
Поделись с друзьями: 
 

comments powered by HyperComments

Система Orphus