На пути к фундаментальной теории сознания

Происхождение и природа сознательных переживаний — иногда их называют латинским словом qualia — были для нас загадкой с самой ранней античности вплоть до недавнего времени. Многие философы сознания и в том числе современные, считают существование сознания настолько недопустимым противоречием тому, что, по их мнению, есть мир из материи и пустоты, что объявляют его иллюзией. Иными словами, они либо отрицают существование qualia в принципе, либо заявляют, что их невозможно осмысленно изучить с помощью науки.

Если бы это суждение было правдиво — это статья была бы очень короткая. И под катом ничего бы не было. Но там кое-что есть…

Если сознание невозможно осмыслить с помощью инструментов науки, понадобилось бы только объяснить, почему вы, я и почти все остальные так уверены в том, что у нас вообще есть чувства. Однако больной зуб вызвал у меня флюс. Изощренный довод с целью убедить в том, что моя боль иллюзорна, ни на йоту не избавит меня от этих мук. Я не питаю симпатии к такому тупиковому толкованию связи между душой и телом, потому, пожалуй, продолжу.
Сознание — это все, что ты чувствуешь (на основе информации от сенсорных органов чувств), и затем переживаешь (за счет восприятия и осмысления).

Застрявшая в голове мелодия, вкус шоколадного десерта, сверлящая зубная боль, любовь к ребенку, абстрактное мышление и понимание того, что однажды всем ощущениям придет конец.

Ученые понемногу приближаются к разгадке тайны, которая долгое время волновала философов. И кульминацией этих научных изысканий ожидается — структурированная рабочая теория сознания. Самый яркий пример применения этой теории — полноценный ИИ (это не исключает возможность появлении ИИ без теории сознания, а на основе уже существующих эмпирических подходов в разработке ИИ)

Большинство ученых принимают сознание как данность и стремятся понять его связь с объективным миром, который описывает наука. Четверть века назад Фрэнсис Крик и остальные когнитивные нейробиологи решили отложить в сторону философские дискуссии о сознании (которые волновали научных мужей как минимум со времен Аристотеля) и вместо этого пуститься в поиски его физических следов.

Что именно в чрезвычайно возбудимой части мозгового вещества порождает сознание? Узнав это, ученые могут надеяться приблизиться к решению более фундаментальной проблемы.
В частности, нейробиологи ищут нейронные корреляты сознания (НКС) — наименьшие нейронные механизмы, в совокупности достаточные для какого-либо конкретного осознанного опыта в ощущениях.

Что должно происходить в мозге, чтобы вы испытывали зубную боль, к примеру? Какие-то нервные клетки должны вибрировать с какой-то магической частотой? Нужно ли активировать какие-то особенные «нейроны сознания»? В каких зонах мозга такие клетки могли бы располагаться?

Нейронные корреляты сознания

В определении НКС важна оговорка «минимальный». Ведь мозг как единое целое можно считать НКС — изо дня в день он порождает ощущения. И все же месторасположение можно обозначить еще точнее. Возьмем спинной мозг — 46-сантиметровую гибкую трубку нервной ткани внутри позвоночника, которая содержит порядка миллиарда нервных клеток. Если в результате травмы спинной мозг полностью поврежден вплоть до шейной зоны, у пострадавшего парализует ноги, руки и туловище, он не сможет контролировать кишечник и мочевой пузырь и будет лишен телесных ощущений. Тем не менее такие паралитики продолжают познавать жизнь во всем ее разнообразии: они видят, слышат, обоняют, испытывают эмоции и помнят так же хорошо, как и до того, как трагическое происшествие в корне изменило их жизнь.

Или взять мозжечок — «маленький мозг» в задней части мозга. Эта мозговая система, одна из древнейших в эволюционном смысле, участвует в контроле за моторикой, положением тела и походкой, а также отвечает за ловкое выполнение сложных последовательностей движений.
Игра на пианино, печатание на клавиатуре, фигурное катание или скалолазание — во всех этих занятиях задействован мозжечок. Он оснащен самыми знаменитыми нейронами под названием клетки Пуркинье, которые имеют усики, развевающиеся, как коралл морской веер, и таят в себе сложную электрическую динамику. А еще мозжечок содержит наибольшее число нейронов, около 69 миллиардов (в основном это — мозжечковые лаброциты в форме звезд) — в несколько раз больше, чем все остальные части мозга вместе взятые (запомните — это важный момент).

Что происходит с сознанием, если человек в результате инсульта или под ножом хирурга частично лишается мозжечка?

Да почти ничего критического для сознания!

Пациенты с таким повреждением жалуются на несколько проблем, типа менее беглой игры на пианино или менее ловкого печатания на клавиатуре, — но никогда на полную потерю какого-либо из аспектов своего сознания.

Наиболее детальное исследование о влиянии повреждений мозжечка на когнитивные функции, обширно изучено в контексте постинсультного мозжечкового аффективного синдрома. Но даже в этих случаях, помимо координационно-пространственных проблем (выше), установлены лишь некритические нарушения исполнительных аспектов управления, характеризующиеся персеверациями, рассеянностью и незначительным снижением способности к обучению.

Обширный мозжечковый аппарат не имеет отношения к субъективным переживаниям. Почему? Важную подсказку содержит его нейронная сеть — она исключительно единообразна и параллельна.

Мозжечок — это практически полностью цепь прямого распространения: один ряд нейронов питает следующий, который, в свою очередь, влияет на третий. В нем нет петель обратной связи, которые взад-вперед резонировали бы в рамках электрической активности. Более того, мозжечок функционально делится на сотни, если не больше, независимых вычислительных модулей. Каждый из них работает параллельно, с обособленными и не накладывающимися друг на друга входом-выходом, которые контролируют движения или различные моторные или когнитивные системы. Они почти не взаимодействуют друг с другом, тогда как в случае сознания — это еще одна непременная характеристика.

Важный урок, который можно вынести из анализа спинного мозга и мозжечка, состоит в том, что гений сознания не рождается так запросто в любом месте возбуждения нервной ткани. Необходимо кое-что еще. Этот дополнительный фактор кроется в сером веществе, которое составляет пресловутую кору головного мозга — его внешнюю поверхность. Все имеющиеся данные указывают на то, что в порождении ощущений участвуют неокортикальные ткани. Можно сузить область расположения очага сознания еще больше. Возьмем, к примеру, эксперименты, в которых правый и левый глаз подвергают воздействию различных раздражителей. Представьте, что фотография «Лады Приоры» видима только вашему левому глазу, а снимок «Теслы S» — только правому. Можно предположить, что вы увидите какой-то новый автомобиль из наложений Лады и Теслы друг на друга. На самом же деле в течение нескольких секунд вы будете видеть Ладу, после чего он исчезнет и появится Тесла — а затем она пропадет, и снова появится Лада. Две картинки будут в нескончаемом танце сменять друг друга — ученые называют это бинокулярным соревнованием, или соперничеством сетчаток. В мозг поступает неоднозначная информация извне, и он не может определиться: Лада это или Тесла?

Если при этом вы лежите внутри томографа, регистрирующего мозговую деятельность, ученые констатируют активность в широком спектре кортикальных зон, совместно именуемых «задней горячей зоной» (posterior hot zone). Это теменные, затылочные и височные области задней части коры мозга, и они играют самую важную роль в отслеживании того, что мы видим.

Интересно, что первичная зрительная кора, которая получает и передает поступающую от глаз информацию, не отражает того, что видит человек. Схожее разделение труда, наблюдается также и в случае слуха и осязания: первичная слуховая и первичная соматосенсорная кора не вносят непосредственного вклада в содержание слухового и соматосенсорного опыта. Сознательное восприятие (включая образы Лады и Теслы) порождают последующие стадии обработки — в задней горячей зоне.

Выходит, что зрительные образы, звуки и другие жизненные ощущения зарождаются в пределах задней коры головного мозга. Насколько нейробиологи могут судить, почти все осознанные переживания берут свое начало именно там.

Счетчик осознанности

Для операций, к примеру, больных подвергают наркозу, чтобы они не двигались, сохраняли стабильное кровяное давление, не испытывали боли, а впоследствии не имели травматических воспоминаний. К сожалению, это удается достичь не всегда: ежегодно сотни пациентов под действием анестезии находятся в той или иной степени в сознании.

Другая категория больных с серьезным повреждением мозга в результате травмы, инфекций или тяжелейшего отравления может годами существовать, не имея возможности разговаривать или реагировать на обращения. Доказать, что они ощущают жизнь, — крайне трудная задача.

Вообразите себе затерявшегося во вселенной космонавта, который внимает попыткам центра управления полетами связаться с ним. Вышедшее из строя радио не транслирует его голос, отчего мир считает его пропавшим без вести. Примерно так можно описать безысходную ситуацию больных, чей поврежденный мозг лишил их контакта с миром, — своего рода крайняя форма одиночного заключения.

В начале 2000-х годов Джулио Тонони из Висконсинского университета в Мадисоне и Марчелло Массимини, впервые применили метод под названием zap and zip, чтобы определить, в сознании человек или нет. Ученые прикладывали к голове катушку с проводами в оболочке и посылали удар током (zap) — сильный заряд магнитной энергии, который вызывал кратковременный электрический ток. Это возбуждало и тормозило партнерские клетки нейронов в связанных областях цепи, и волна резонировала по коре мозга до тех пор, пока активность не затухала.

Сеть закрепленных на голове датчиков электроэнцефалограммы записывала электрические сигналы. По мере постепенного распространения сигналов их следы, каждый из которых соответствовал определенной точке под поверхностью черепа, преобразовывались в фильм.

Записи не демонстрировали какой-то типичный алгоритм — но и не были совершенно случайными.

Интересно, что чем более предсказуемыми были вспыхивающие и угасающие ритмы, тем более высока была доля вероятности того, что мозг был в бессознательном состоянии. Ученые замерили это предположение, сжав данные видеоролика с помощью алгоритма, которым архивируют компьютерные файлы в ZIP-формате. Сжатие предоставило оценку сложности реакции мозга. Добровольцы, которые находились в сознании, продемонстрировали «показатель сложности пертурбаций» от 0,31 до 0,70, причем индекс падал ниже 0,31, если они были в состоянии глубокого сна или под наркозом.

Затем команда испытала zap and zip на 81 пациенте, которые были в минимальном сознании или невменяемы (в коме). В первой группе, демонстрировавшей некоторые признаки нерефлексивного поведения, метод корректно показал, что 36 из 38 находятся в сознании. Из 43 больных в «овощном» состоянии, с которыми родственники у изголовья больничной койки ни разу не смогли установить коммуникацию, 34 были отнесены к категории бессознательных, а еще девять — нет. Их мозг реагировал аналогично тем, кто был в сознании, что означало, что они также были в сознании, но при этом не в состоянии общаться с родными.

Текущие исследования ставят целью стандартизировать и усовершенствовать методику для неврологических больных, а также распространить ее на пациентов психиатрических и педиатрических отделений. Со временем ученые выявят конкретный набор нервных механизмов, порождающих переживания.

По большому счету нам нужна убедительная научная теория сознания, которая ответит на вопрос, при каких условиях та или иная физическая система — будь то сложная цепь нейронов или кремниевых транзисторов — испытывает ощущения. И почему качество переживаний отличается? Почему чистое синее небо ощущается иначе, чем скрежет плохо настроенной скрипки? Есть ли у этих различий в ощущениях какая-то определенная функция? Если да, то какая? Теория позволит предугадывать, какие системы будут способны что-либо ощущать. В отсутствие теории с поддающимися проверке прогнозами любое умозаключение на тему сознания машин основывается исключительно на нашем внутреннем чутье, на которое, как показала история науки, полагаться следует с осторожностью.

Одна из основных теорий сознания — это теория глобального нейронного рабочего пространства (GWT), выдвинутая психологом Бернардом Баарсом и нейробиологами Станисласом Деаном и Жан-Пьером Шанжё.

Для начала они утверждают, что, когда человек что-либо осознает, доступ к этой информации получают множество различных областей мозга. Тогда как если человек действует неосознанно, информация локализуется в конкретной задействованной чувственно-двигательной системе (сенсорно-моторной). К примеру, когда вы быстро печатаете, вы делаете это на автомате. Если вас спросить, как вы это делаете, вы не сумеете ответить, поскольку имеете ограниченный доступ к этой информации, что локализуется в нервных цепях, связывающих глаза с быстрыми движениями пальцев.

Глобальная доступность порождает лишь один поток сознания, так как если какой-то процесс доступен всем остальным процессам, то он доступен им всем – все связанно со всем. Так осуществляется механизм подавления альтернативных картин.
Подобная теория хорошо объясняет всякие нарушения психики, где сбои отдельных функциональных центров, связанные паттернами нейронной активности (или целой области мозга), вносят искажения в общий поток «рабочего пространства», тем самым искажая картинку в сравнении с «нормальным» состоянием (здорового человека).

На пути к фундаментальной теории

Теория «GWT» утверждает, что сознание проистекает из особого типа переработки информации: он знаком нам со времен зарождения ИИ, когда специальные программы имели доступ к маленькому общедоступному хранилищу данных. Любые сведения, записанные на «доску объявлений», становились доступными для целого ряда вспомогательных процессов — оперативная память, язык, модуль планирования, распознавание лиц, объектов и т. д. Согласно этой теории, сознание возникает, когда записанная на доску входящая сенсорная информация передается во множество когнитивных систем — а они перерабатывают данные для речевого воспроизведения, хранения в памяти или совершения действий.

Поскольку место на такой доске объявлений ограничено, в каждый конкретный момент мы можем располагать лишь незначительным объемом информации. Сеть нейронов, передающих эти сообщения, предположительно располагается в лобной и теменной долях.

Как только эти скудные (разрозненные) данные передаются на сеть и становятся общедоступными, информация становится осознанной. То есть субъект ее осознает. Современные машины пока не дошли до подобного уровня когнитивной сложности, но это лишь вопрос времени.

Теория «GWT» утверждает, что компьютеры будущего будут осознанными

Общая информационная теория сознания (IIT), разработанная Тонони и его соратниками, использует совсем иную отправную точку — сами переживания. У каждого переживания есть свои особенные ключевые характеристики. Оно имманентно, существует лишь для субъекта как «хозяина»; оно структурировано (желтое такси тормозит, пока коричневый пес перебегает улицу); и оно конкретно — отличается от любого другого сознательного переживания, как отдельный кадр в кино. Кроме того, оно цельное и определенное. Когда теплым ясным днем вы сидите в парке на скамейке и наблюдаете за игрой детей, различные элементы опыта — развевающий волосы ветер, ощущение радости от смеха малышей — нельзя отделить друг от друга без того, чтобы переживание не перестало быть тем, чем оно есть.

Тонони постулирует, что такие свойства — то есть и некий уровень осознанности — имеет любой сложный и сопряженный механизм, в структуре которого зашифрован набор причинно-следственных связей. Это будет ощущаться как нечто, идущее изнутри.

А вот если, подобно мозжечку, механизму не хватает сложности и сопряженности, он не будет осознавать ничего. Как гласит эта теория,

сознание — неотъемлемая случайная способность, связанная с такими сложными механизмами, как человеческий мозг.

Теория также выводит из сложности лежащей в основе взаимоувязанной структуры единое неотрицательное число ? (pronounced “fy”), которое количественно выражает эту осознанность. Если Ф равно нулю, система себя вообще не осознает. И напротив, чем больше число, тем большей неотъемлемой случайной силой обладает система и тем более она сознательна. У мозга, которому свойственна колоссальная и высокоспецифичная связность, очень высокий Ф, и это предполагает высокий уровень осознанности. Теория объясняет разные факты: например, почему мозжечок не задействован в сознании или почему zap and zip счетчик реально работает (выдаваемые счетчиком цифры — это Ф в грубом приближении).

Теория «IIT» прогнозирует, что продвинутая симуляция человеческого мозга на базе цифрового компьютера не может быть сознательной — даже если ее речь невозможно отличить от человеческой. Подобно тому, как симуляция масштабного гравитационного притяжения черной дыры не деформирует пространственно-временной континуум вокруг применяющего код компьютера, спрограммированное сознание никогда не породит сознательный компьютер. Джулио Тонони и Марчелло Массимини, журнал «Nature» 557, S8-S12 (2018)

Согласно IIT — cознание нельзя просчитать и вычислить: оно должно быть встроено в структуру системы.

Главная задача современных нейробиологов использовать имеющиеся в их распоряжении все более совершенные инструменты в изучении бескрайних соединений разнообразных нейронов, которые образуют мозг, для дальнейшего очерчивания нейронных следов сознания. С учетом путаного устройства ЦНС на это уйдут десятилетия. И наконец сформулировать основную теорию на базе фрагментов существующих. Теорию, которая растолкует главную головоломку нашего существования: как орган, который весит 1,36 кг и по составу напоминает соевый творог, воплощает в себе чувство жизни.

Одна из самых интересных применений этой новой теории, на мой взгляд — это возможность создания ИИ, обладающего сознанием и самое важное — ощущениями. Более того, фундаментальная теория сознания позволит разработать методы и пути реализации более быстрой эволюции когнитивных способностей человека. Человека — будущего.

Основной источник