Как молекулярная биология может помочь в обучении роботов

Искусственному интеллекту пока еще есть чему поучиться у биологических существ. Фото Романа Смирнова

В конце 2017 года Объединенные Арабские Эмираты объявили о программе развития высоких технологий и назначении первого министра по развитию искусственного интеллекта (ИИ). Одновременно с этим заявлением пришло сообщение из Кембриджа (США) о «научении» ИИ различать голоса и вычленять один из них для скачивания нужной информации (решении задачи коктейль-пати, как ее называют специалисты). Созданная система способна сепарировать голоса пяти людей с точностью до 80%, а двух – до 90%.

Успех достигнут благодаря сегментации голосов на компактные кластеры, обработка которых производилась даже при записи звучания не более шести децибел (обычный разговор – это примерно 20). Статья в журнале New Scientist с результатами этой работы гласила, что «ИИ научился распознавать один голос в толпе».

В начале ХХ века благородная компания в составе поэта, лорда Байрона, еще одного английского поэта-романтика Перси Биши Шелли и его жены Мэри Шелли застряла на какой-то вилле в Швейцарии, вынужденная прятаться от нескончаемого дождя. У камина, под рюмку хереса, Байрон предложил Мэри, которая увлекалась электрическими опытами Луиджи Гальвани с лягушками, написать нечто вроде научно-популярного «хоррора». В результате впечатлительная жена поэта-романтика создала текст, обессмертивший ее имя, – «Франкенштейн, или Современный Прометей». Фабула проста: врач Виктор Франкенштейн собрал из частей трупов некого монстра, за которым ему пришлось потом гнаться чуть ли не до Северного полюса. Мэри Шелли считается основоположницей жанра. Сегодня хорроры (англ. horror – ужасы) сочиняет ИИ, созданный в Массачусетском технологическом институте.

Но создание действительно «разумного» ИИ требует глубокого обучения (Deep Learning) и соответственно объемной памяти, интегрированной в нейросети. «Что-то с памятью моей стало», – пелось когда-то в популярной песне. К сожалению, память слабеет с возрастом, а может и совсем быть утраченной, как это происходит при амнезии. При утере «оперативной» памяти на первый план может выходить «встроенная», и такую ситуацию невропатологи называют ретроградной амнезией.

Подобного рода состояние изучал португальский психиатр Эгаш Антониу Мониш (1874–1955). Врач и нейроанатом стал единственным португальцем, который был удостоен в 1949 году Нобелевской премии по медицине за проведение лоботомии, или «отрезание» лобных долей. Неврологическое состояние людей после операции улучшалось, но память они теряли.

Сегодня в распоряжении нейробиологов целый арсенал исследовательских инструментов и технологий, среди которых оптогенетика, нейрохимия и протеомика (исследование протеинов), генная инженерия. Первая из технологий в этом ряду, оптогенетика, подразумевает стимулирование активности нейронов живого мозга с помощью лазерного луча. Два года назад японский молекулярный биолог из Массачусетского технологического института Судзуми Тонегава сообщил об открытии молчащих энграм  Silent Engrams,  или памяти, которую можно «оживить» искусственно, с помощью лазера. Слово «энграма» было предложено австрийцем Карлом Лоренцом, одним из основателей этологии, или науки о поведении животных.

Позже под энграмой стали понимать кодирование-формирование памяти на уровне нервной клетки гиппокампа, куда поступает информация. Было выяснено, что за ее формирование и хранение отвечают синапсы, или точки межнейрональной связи, для образования которых хватает 20 секунд. Далее в действие вступает так называемая консолидация, или «укрепление» памяти, которая из гиппокампа «отправляется» на долговременное хранение в предлобную кору. Так, через пару недель происходит трансформация кратковременной памяти в долговременную.

Тонегава первую Нобелевскую премию получил в 1987 году за раскрытие ген-механизма синтеза белковых антител. Ясно, почему иммунолог стал нейробиологом, который первым внедрил оптогенетику в изучение мозга в целом и памяти в частности. Открытие нейронов с молчащей энграмой объяснило до тех пор непонятную ретроградную амнезию, когда страдающий ею вспоминает детство, но не может запомнить что-то из сегодняшнего опыта. Клетки-«молчуны» не реагируют на усилия что-то вспомнить под действием природных стимулов, но могут выдать глубоко запрятанную информацию под действием нейронального возбуждения, вызванного воздействием лазерного луча.

И вот Тонегава предложил дальнейшее развитие идеи. Для этого он подавил синтез белков, которые необходимы для формирования памяти в клетках гиппокампа и дальнейшей ее передачи в нейроны предлобной коры. К удивлению исследователей, это не сказалось на функции клеток энграмы и их ансамбля в гиппокампе, что проявилось в реакции испуга мышей после подведения к их мозгу лазерного луча.

В свое время академик Иван Павлов, исходя из опытов с собаками, выявил условный рефлекс в ответ на свет или звук (у человека на то же слово «лимон» происходит рефлекторное выделение слюны), но не на мясо. Тонегава повторил практически тот же опыт на клеточно-молекулярном уровне: реакцию страха у мышей сначала вызывали слабым ударом тока.

По прошествии времени угасания рефлекса ту же реакцию вызывали с помощью лазера, луч которого возбуждал молчащие нейроны памятной энграмы. Тонегава определил, что информация хранится в энграм-ансамблях гиппокампа около восьми дней, а уже через две недели «закрепляется» в предлобной коре. Ученый не увидел повышения синаптической плотности после подавления синтеза белков, которая, как считается, является необходимым условием консолидации памяти. Вместо этого исследователи увидели большее число специфических соединений клеток в ансамблях.

Коллег ученого удивило, что формирование памяти требует не синтеза протеинов, а повышения специфичности связей клеток энграмы. Они не обратили внимания на замечание о том, что синтез требуется для «перевода» памяти-энграмы в предлобную кору. Тем самым подчеркивается, что память имеет гораздо более сложную клеточную и молекулярную природу.

В какой-то мере этот сходно с сегментацией голосов с помощью ИИ. Раскрытие механизмов памяти поможет более полному оснащению ИИ, разработка которого только выиграет от этого. Открытие также поможет разработке лекарства для лечения болезни Альцгеймера и другого нейродегенеративного состояния.

Устоявшейся парадигмой является и усиление синапсов, которое действительно доказано в ходе экспериментов. Открытие Тонегавы сдвигает парадигму, поэтому оно считается в нейробиологической среде противоречивым. Но такова природа всех судьбоносных открытий. Достаточно вспомнить структуру двуцепочной спирали ДНК, предложенную Френсисом Криком и Джеймсом Уотсоном, до которых роль гена отводилась белкам.