Почему и как мы можем понять механизмы работы мозга за три года, в 2013 – 2015 гг.

Общее введение

Отношение к нашему проекту часто недоверчивое:
- Как же так? На аналогичные проекты тратятся миллионы, и никто из их лидеров не говорит о сколько-нибудь скором решении проблемы разума. А «эти» заявляют о намерении в три года «нарисовать» полную схему мозга. Это – очевидная нелепость!
В принципе, на подобную «критику» можно было бы не обращать внимания: когда сделаем работу, все увидят, что мы были правы. Но проект поддерживается энтузиастами, которым важно знать самим и объяснять окружающим, как видятся участникам проекта его перспективы и насколько обосновано оптимистическое вИдение.
Прежде всего, несколько слов о материальной стороне проблемы. Для работы нам необходимо выполнение трёх условий:
(1) Собрать в одну «команду» 21 – 24 человека грамотных «фанатиков» идеи понимания мозга. Понимания здесь, сейчас, за три года, а не «в предстоящие столетия». Термин «грамотность» в нашем контексте означает, хорошее образование (с упором на физику) и веру в достижимость результата (по крайней мере, наличие серьёзных сомнений в недостижимости результата).
(2) Обеспечить участников проекта средствами к существованию в течение срока выполнения проекта – с 01 января 2013 г. по 31 декабря 2015 г., в материальном выражении – 60 тысяч российских рублей в месяц на одного участника (по состоянию цен на начало июля 2012 г.).
(3) Обеспечить рабочую площадку для участников проекта: помещение для работы и еженедельных Рабочих сессий проекта.
Конечно, условия (1) – (3) «скромны» достаточно условно. «Скромны» не в абсолютном выражении (по существующим меркам заработков учёных в России), а по отношению к цели проекта. И всё же, следует отметить, что необходимые нам ресурсы примерно в 200 раз меньше запросов Генри Маркрама [1].
Сейчас движение «Россия 2045» поддерживает наш проект материально и морально. В частности, два молодых участника Проекта (уже) получают указанное выше ежемесячное материальное обеспечение; сайт Интернет-лаборатории им. Д. Марра организован и содержится за счёт ОД «Россия 2045»; нам оказывается существенная помощь в финансировании рабочих поездок и встреч, и т.д. Цель данного текста – представить научному сообществу и всем заинтересованным лицам наши методы и идеи с тем, чтобы по реакции, по «обратной связи» можно было оценить степень общественной поддержки нашей инициативы.
Основной текст состоит из трёх взаимосвязанных частей: (1) объективной мотивации проекта; (2) описания личной мотивации текущих участников проекта; и (3) описания методики нашей работы.

1. Обратное конструирование мозга. Почему быстро и почему сейчас

Разговоры об «обратном конструировании» по отношению к нервным функциям начинались ещё в 1970-х годах. Тогда, однако, возможности создания искусственных информационно-вычислительных систем сильно уступали информационным параметрам нервной системы человека и всерьёз воспринимать слова об «обратном конструировании» было невозможно. Сейчас, даже компактные технические информационно-вычислительные системы, могут по полной информационной производительности и объёму доступной памяти превосходить мозг человека. В то же время, технических устройств, обладающих разумом, до сих пор нет. Проблема, очевидно, заключается в алгоритмах работы мозга и в его системной архитектуре. Это то, что мы собираемся извлечь из знаний о мозге.
Мы – не одиноки. В мире ведутся десятки работ с той же конечной целью. Отличие нашего проекта от других – в ставке на максимальное использование человеческой интеллектуальной силы. Мы пытаемся усилиями сравнительно небольшого коллектива «переварить», синтезировать и, возможно, где-то «додумать» имеющиеся знания о мозге с тем, чтобы понять, как может быть реализована функция понимания в мозге человека. Такого рода сознательно «неинструментированных», малобюджетных проектов, неангажированных какой-нибудь «сверх-идеей» руководителя проекта, в мире сейчас нет. К примеру, Генри Маркрам заявляет, что для того, чтобы понять мозг, нужны миллиарды евро и «десятки Эйнштейнов» [1]. Трудно, конечно, полностью исключить возможность того, что мы не правы. Однако, на наш взгляд, проблема разума настолько демонизирована, «табуирована», доведена до недосягаемой высоты, что за неё фактически никто всерьёз не берётся (или берутся «настолько серьёзно и основательно», что вообще не просматриваются возможные сроки окончания работ).
Похоже, что мы выступаем первыми в попытке решить «проблему разума» малыми средствами. Скорее всего, очень скоро мы не останемся одинокими. Это обстоятельство нас радует, ведь чем больше групп присоединится к работе нашими методами, тем скорее будет достигнуто решение задачи. Такова основная мотивация по ответу на вопрос: «Почему сейчас?»
«Почему быстро?» - объясняется общим деловым принципом. Если важная проблема созрела для решения, её нужно решать в максимально сжатые сроки. Основания для незамедлительности очень просты – если сейчас решить задачу можно, то не факт, что такая возможность сохранится даже в ближайшем будущем. А мы хотим решить задачу.

2. Кто мы

Для оценки серьёзности намерений и возможностей нашей группы имеет смысл остановиться на описании жизненного пути и потенциальных возможностей ядра инициативной группы участников нашего проекта. Речь идёт о шести физиках разного возраста и научного происхождения: В.Л. Дунин-Барковский, В.Б. Котов, И.А. Смирницкая, Н.В. Дунина-Барковская, А.Н. Жуков и К.П. Соловьёва. Приведём данные о нас в обратном хронологическом порядке относительно времени вовлечения в проект.
2.1. К.П. Соловьева. Бакалавр МФТИ. О желании присоединиться к проекту заявила на Международном форуме GF-2045 в феврале 2012 г. Тема дипломной работы бакалавриата МФТИ: «Математическое моделирование биологических околосуточных ритмов». Тема магистерской работы (планируемый год окончания, 2014): «Модели аттракторов в нейронных сетях». К.П. Соловьева - лауреат и организатор международных и всероссийских конкурсов и олимпиад по физике и другим естественным наукам.
2.2. А.Н. Жуков. Магистр МФТИ. Состоит в аспирантуре НИИСИ РАН с сентября 2011 г. Тема диссертационной работы: "Анализ алгоритмов и механизмов переработки информации в модели мозжечка как одном из структурных блоков интеллектуальной системы", планируемый срок окончания аспирантуры – 2014 год.
2.3. Н.В. Дунина-Барковская. Магистр МФТИ, сотрудник Института теоретической и экспериментальной физики. Имеет статьи в рецензируемых научных журналах по вычислительным моделям в астрофизике (соавторы – чл.-корр. РАН В.С. Имшенник, и др.) Принимает участие в Рабочих сессиях Лаборатории обратного конструирования мозга им. Дэвида Марра с октября 2011 г.
2.4. И.А. Смирницкая. Магистр МФТИ, к.ф.-м.н. (МФТИ, 1994 г.), научный руководитель дипломной работы и диссертации В.Л. Дунин-Барковский. Тема диссертации: «Вероятностные характеристики кодонных преобразований в мозжечке». С 1979 г. сотрудник ИВНД и НФ РАН (c 2011 г. – по совместительству), с 2011 г. – сотрудник НИИСИ РАН. Соавторы публикаций – А.А. Фролов, В.Л. Дунин-Барковский и др. Принимает участие в работе проекта с июня 2011 г.
2.5. В.Б. Котов. Выпускник МГУ (физический факультет). Труды по оптическим и оптоэлектронным технологиям, по теории многокомпонентных интеллектуальных систем, по вычислительным нейроисследованиям, сотрудник НИИСИ РАН. Соавторы публикаций – академик А.Л. Микаэлян, В.Л. Дунин-Барковский и др. Принимает участие в проекте с февраля 2011 г.
2.6. В.Л. Дунин-Барковский. Выпускник МФТИ 1965 г. Механизмами нервной деятельности профессионально интересуется с 1961 г., когда посещал семинары по бионике в лаборатории проф. М.А. Айзермана (1913-1992) в Институте автоматики и телемеханики АН СССР. Подробнее информация о работах В.Л. Дунина-Барковского представлена на вебсайте http://www.niisi.ru/iont/staff/dbvl/index_rus.php .
На научной сессии Общего собрания Российской академии наук «Мозг: фундаментальные и прикладные проблемы» в декабре 2009 г. заключительным пленарным докладом было сообщение д.ф.м.н. В.Л. Дунина-Барковского и к.ф.-м.н. И.Б. Гуревича «Математические и информационные аспекты исследований мозга» [2]. В докладе была в принципе поставлена задача развёртывания в России работ по полномасштабному моделированию мозга [3].
Позже, оценка собственного опыта работы и осознание того, что существенный прогресс в понимании принципов нейронной организации был достигнут несколькими выдающимися исследователями, в основном, в одиночку (И.П. Павлов, Рамон-и-Кахаль, Дэвид Марр, Джон Хопфилд), привели В.Л. Дунина-Барковского к идее настоящего проекта. То есть, к возможности быстрого движения к пониманию «тайны разума» работой небольшой тесно скоординированной группы исследователей, изначально ставящих перед собой
задачу решения проблемы разума «в целом» в обозримые сроки. Такие попытки принято считать «несерьёзными» ввиду «грандиозности проблемы», и поэтому они сейчас никем не предпринимаются. Наша «пионерская группа» берётся за скорое решение «задачи о механизмах разума» только в силу наличия уникального личного опыта руководителя проекта (очень разнообразного и довольно успешного, но совсем не «поражающего воображение») и интеллектуальных и образовательных качеств и информированного энтузиазма всех участников проекта.

3. О наших методах

Вопрос о том, какими методами мы будем «решать проблему мозга в целом», разумеется, не тривиален. Основной принцип решения очень сложных задач давно известен: «Глаза боятся, а руки делают». Пословица имеет простой смысл. Если нужно решить сложную, как бы неподдающуюся решению задачу, надо выбрать действия, которые максимально направлены на решение задачи, и энергично действовать. Если задача решается, то она будет решена. С учётом последнего обстоятельства мы и выбрали начальный алгоритм работы нашей Лаборатории. «Начальный», потому что мы можем этот алгоритм изменить, если по ходу дела обнаружатся более эффективные пути достижения намеченной цели.
Начальный алгоритм исходит из того, что в группе имеется 21 исследователь «основного состава». Участники работ образуют семь групп по три человека для постоянной совместной работы. При этом вся сфера нейронаук, то есть экспериментальных и теоретических исследований мозга, делится на 56 фрагментов, каждый из которых рассматривается отдельной рабочей группой в течение ограниченного времени (три месяца). В настоящее время список 56 частных задач выглядит следующим образом (в каждой строке ниже: номер темы, номера частных задач по данной теме, количество частных задач по теме (в скобках) и наименование темы; порядок тем определён исторически и ему не придаётся особого значения):
1. 1-2 (2) – мозжечок
2. 3 (1) – внутринейронные процессы
3. 4-7 (4) – кора больших полушарий
4. 8 (1) – жизнеобеспечение мозга
5. 9-11 (3) – гиппокамп
6. 12-13 (2) – остальная лимбическая система
7. 14-15 (2) – базальные ганглии
8. 16 (1) – гипоталамус
9. 17-19 (3) – таламус
10. 20-21 (2) – четверохолмие
11. 22-23 (2) – мост
12. 24-26 (3) – дыхание и кровообращение
13. 27 (1) – обоняние
14. 28-29 (2) – слух
15. 30-33 (4) – зрение
16. 34 (1) – пищеварение и вкус
17. 35-37 (3) – любовь, etc.
18. 38 (1) – блуждающий нерв
19. 39 (1) – симпатическая нервная система
20. 40-41 (2) – речь
21. 42-44 (3) – продолговатый мозг
22. 45-47 (3) – движение и соматосенсорика
23. 48-49 (2) – спинной мозг
24. 50-52 (3) – сон
25. 53-54 (2) – ритмы
26. 55 (1) – аттракторы в нейронных сетях
27. 56 (1) – метааттракторы

С октября 2011 г. еженедельно проходят Рабочие сессии проекта, на которых обсуждаются все важные новости нейронаук и текущие проблемы, возникающие при работе над проектом. Таким образом, в течение двух лет участники проекта составят собственное представление о состоянии на текущий момент всех аспектов работы мозга. В течение третьего года будут предприняты усилия по синтезу общей схемы работы мозга.
Трёхлетний срок проекта выбран, прежде всего, потому, что примерно за такой срок Дэвид Марр в 1969-1971 году, в одиночку, создал эскиз теории основных структур мозга – мозжечка, гиппокампа и коры больших полушарий. С тех пор неизмеримо возросла сумма знаний о мозге, так же, как и степень их физиологической адекватности и интегральности. Таким образом, задача полного охвата знаний о мозге и создания представлений о его механизмах сейчас представляется достаточно реальной. Даже если в итоге задача окажется не полностью решённой, работа по проекту обеспечит мощный рывок в направлении её решения. Ресурсы, вложенные в выполнение проекта, в любом случае не будут потрачены напрасно.

Ссылки

1. Waldrop M. Brain in a Box. – Nature, 2012, Vol. 482, pp. 456-458.
2. http://www.vvprf.ru/archive/clause26.html
3. Мозг: фундаментальные и прикладные проблемы (под редакцией ак. А.И. Григорьева). Москва, Наука, 2010, сс. 220-223.