Вступ
Що таке людський мозок: складний механізм чи прояв найвищого розуму в людському тілі? Усього 200 років тому люди схилялися до другого варіанту, бо не уявляли, як виглядає і як влаштований мозок. Мітіо Каку розповідає про мозку людини з позицій фізика-теоретика, залишаючи емпіричні дослідження філософам, і вважає його найскладнішим об’єктом у Всесвіті — у людському мозку 100 мільярдів нейронів, що утворюють химерні нейронні мережі.
Наш мозок невеликий – він важить близько півтора кілограма (це 2% від ваги тіла), але на відміну від інших органів, він працює, навіть коли ми спимо, і споживає 20% енергії. Мозок керує всіма процесами в організмі, без нього немає життя. Серце, що зупинилося, можна запустити, а смерть мозку означає смерть людини.
“Майбутнє розуму” розповідає про історію досліджень мозку і про прилади, які дають можливість за ним спостерігати. Сьогодні ми можемо бачити, як зароджується думка, вирішуються складні завдання та приймаються життєво важливі рішення у режимі реального часу. І це справжнє диво.
Мітіо Каку розглядає такі явища, як телепатія та телекінез, і розмірковує про те, чи можна покращити пам’ять та інтелект окремої людини і зробити всіх людей майбутнього розумнішим. Він упевнений, що в недалекому майбутньому, завдяки детальним дослідженням мозку, ми зможемо справлятися з психічними розладами та генетичними мутаціями, лікувати хворобу Альцгеймера, інсульти та серйозні травми, а отже, жити довго та якісно.
У книзі також розглядаються питання управління свідомістю, створення штучного інтелекту та інші моменти, пов’язані з майбутнім розумом.
Цю книгу навряд чи можна назвати легким читанням, хоча вона написана простою мовою та проілюстрована схемами та діаграмами. Автор зібрав під однією обкладинкою всю історію вивчення мозку та докладно описав перспективи його подальших досліджень. Але книга безумовно заслуговує на вашу увагу, тому що відповідає не тільки на найскладніші питання, а й дає більш практичні рекомендації, що робити зі своїм мозком.
1. Вивчення мозку
До середини XIX століття мозок знаходився у віданні філософів, які були впевнені, що мозок і душа — дві незалежні сутності, і мали невиразні уявлення про функції мозку.
1.1. Зародження нейробіології
Хід науки змінив один нещасний випадок.
1848 року американському залізничнику Фінеасу Гейджу залізний стрижень пробив голову наскрізь. Гейдж не помер дома. Більше того, незабаром він повернувся до роботи і прожив ще 12 років. Але в нього повністю змінився характер: колись він був веселою і позитивною людиною, а став грубою і дратівливою. Після смерті Гейджа череп вдалося зберегти. Рентгенівське дослідження пізніше показало, що з травми зруйнувалися ділянки лобової частки мозку, як і правому, і у лівому півкулях.
Травма Гейджа продемонструвала, що ушкодження мозку призводить до кардинальних змін особистості. Вчені стали схилятися до думки, що мозок пов’язані з поведінкою людини.
У 1861 році французький лікар П’єр Поль Брок описав пацієнта, який зовні виглядав нормальним, добре сприймав мову інших людей, але сам лише видавав нероздільні звуки. Після смерті пацієнта було проведено розтин, який виявив ушкодження лівої скроневої частки мозку.
У 1974 році лікар Карл Верніке з Німеччини описав протилежний стан, при якому хворі виразно розмовляли, але не сприймали усну та письмову мову. Вони говорили досить швидко, з дотриманням граматичних норм, але вживали неіснуючі слова. Виявилося, що у них була пошкоджена інша ділянка лівої скроневої частини мозку.
Ще один прорив у нейробіології стався у 1864 році, коли німецький лікар Густав Фріч припустив, що права півкуля керує лівою стороною тіла, а ліва – правою.
Під час пруссько-датської війни доктор Фріч звернув увагу на те, що у солдатів з відкритими пораненнями мозку сіпається права частина тіла при дотику до лівої півкулі — і навпаки, ліва частина тіла реагує за стимуляції правої півкулі.
1.2. Як мозок керує тілом?
У 1930-х роках доктор Уайлдер Пенфілд намалював схему відповідності певних ділянок кори головного мозку тілу людини . Цю схему досі використовують щодо фізіології та анатомії. Пенфілд виявив, що розмір ділянки мозку безпосередньо пов’язаний із важливістю функції, за яку він відповідає.
На малюнку 1 видно, що кисті рук і рота управляються великими ділянками мозку, а нервові закінчення, що відповідають за спину, малопомітні.
Малюнок 1.
1.3. Будова зовнішнього шару головного мозку
У 1950-1960-х роках з’явилися перші карти мозку. На малюнку 2 зображено зовнішній шар головного мозку (неокортекс), що складається з чотирьох часток.
• Префронтальна кора, передня частина лобової частки (frontal lobe) – область, яка відповідає за раціональні рішення.
• Права півкуля тім’яної частки (pariental lobe) пов’язана з сенсорною увагою та образом тіла, а ліва – з дрібною моторикою та певними аспектами мови.
• Потилична частка (occipital lobe) сприймає та обробляє візуальну інформацію.
• Скронева частка (temporal lobe) контролює мову (ліва частина), а також розпізнає обличчя та емоції.
Малюнок 2.
1.4. Еволюція мозку
До 1960-х років вчені не могли визначити, чому людський мозок виглядає так, а не інакше, і його структура була хаотичною. Але в 1967 році доктор Пол Маклін запропонував розглядати мозок з позицій теорії еволюції Дарвіна. Він розділив його на три частини (рис. 3): на мозок рептилії (reptilian brain), мозок ссавця (mammalian brain) та людський мозок (human brain).
Маклін звернув увагу на те, що задня та центральна частина мозку схожа на мозок рептилій. Вони відповідають за основні функції організму (дихання, травлення, серцебиття та ін.) і контролюють такі елементи поведінки, як спарювання, полювання, боротьба, які необхідні, щоб вижити і продовжити рід. Маклін зробив висновок, що мозок рептилії — найдавніший, йому близько 500 мільйонів років.
У процесі еволюції від рептилій до ссавців мозок став складнішим. Мозок ссавця, або лімбічна система є також у тварин, які живуть соціальними групами (наприклад, у мавп). У лімбічній системі короткочасні спогади стають довготривалими, зароджуються емоції, у тому числі страх, регулюється температура тіла, режим дня, голод, спрага, насолода, збирається та розподіляється сенсорна інформація.
Зовнішня частина мозку – кора (нова кора, неокортекс) – керує когнітивною поведінкою. Людина ця частина становить 80% маси мозку. Неокортекс є і деякі тварини. Але в щурів він гладкий, а в людини — звивистий.
Малюнок 3.
Неокортекс складається із сірої речовини, що утворюється з мільярдів клітин, нейронів (neuron) (рис. 4). Вони повідомляються між собою за допомогою дендритів (dendrites) – відростків, що виходять із одного кінця нейрона. З іншого кінця нейрона виходить довгий відросток, аксон (axon), який через дендрит може з’єднуватися з 10 000 нейронів. У місці, де аксон поєднується з дендритом, утворюється проміжок, синапс (synaptic knobs). Синапси регулюють потік інформації. Також потоками інформації, емоціями та думками людини управляють спеціальні хімічні речовини нейромедіатори (норадреналін, дофамін, серотонін та ін).
Малюнок 4.
1.5. Революція у дослідженнях мозку
До 1990-х років вчені знали про мозок лише те, що описано вище. Але нові технології дозволили вивчати мозок у режимі реального часу, що призвело до буму наукових відкриттів.
Найвидатнішим інструментом вивчення мозку останні два десятиліття стали апарати МРТ. Перші апарати могли досліджувати лише статичний мозок, але з середини 1990-х років з їхньою допомогою можна бачити, як функціонує мозок. Апарат МРТ може виділяти мікроскопічні ділянки мозку та розглядати їх у тривимірному зображенні.
За допомогою апарату МРТ можна спостерігати, як відбувається зародження думки, і стежити за процесом мислення – електрична енергія циркулює різними відділами мозку. МРТ-дослідження допомогли значно просунутися у вивченні психічних захворювань, інсультів, хвороби Альцгеймера та Паркінсона.
У МРТ є і ряд недоліків:
• знімок кровотоку мозку робиться за секунду, але електричні сигнали проходять набагато швидше, а отже, на апараті фіксуються не всі нюанси розумового процесу;
• апарат МРТ занадто важкий і громіздкий – він може важити більше тонни і займати більшу площу;
• ціна апарату МРТ висока — кілька мільйонів доларів, тому зазвичай купують один апарат на лікарню чи кілька лікувальних закладів.
Сьогодні у розпорядженні вчених є методи, які можуть впливати на роботу мозку, відключаючи чи активізуючи певні галузі.
ТЕС дозволяє знеболювати без медикаментів, нормалізує психічний стан, нормалізує роботу серця та судин, купує абстинентні синдроми, усуваючи потяг до наркотиків.
МЕГ допомагає точно діагностувати аутоімунні та психічні захворювання, а також локалізувати осередки епілептичної активності.
Нейростимуляція починалася з грубого зондування мозку, а сьогодні використовуються електроди не товщі за волосся, які гранично точно вводяться в потрібні області мозку і стимулюють їх. Нейростимуляція дозволила виявити функціонал різних частин мозку, лікувати депресії та хворобу Паркінсона.
Оптогенетика буде здатна контролювати поведінку за допомогою світлового променя. Це нова технологія, яка апробована лише на тваринах, але вчені бачать у ній великі перспективи на лікування психічних захворювань.
2. Людський мозок у майбутньому
Через два-три десятиліття ми зможемо зберігати спогади, подумки керувати комп’ютером, створювати креслення та схеми за допомогою уяви та силою думки відправляти їх на друк у 3D-принтері. Дослідження мозку в майбутньому дозволять людям стати більш здоровими та розумними. Можливо, ми навіть навчимося читати думки інших людей та керувати різними об’єктами та роботами без пультів та кнопок.
2.1. Здоров’я
Дослідження мозку, створення нових та удосконалення наявних технологій відкривають різноманітні перспективи щодо поліпшення здоров’я та якості життя.
Своєчасна діагностика захворювань , у тому числі виявлення захворювань на ранній стадії, коли велика ймовірність лікування.
Фізики вважають, що в найближчому майбутньому апарат МРТ зменшиться в розмірах і буде не більше за стільниковий телефон, а здешевлення технологій призведе до того, що він буде в кожній домашній аптечці.
Лікування психічних захворювань . Знання про те, які ділянки мозку уражаються при тих чи інших психічних захворюваннях, дають надію, що хворим допоможе глибока стимуляція мозку, спрямовану певний відділ. Сьогодні глибока стимуляція мозку вже зазнає США для лікування депресії, від якої страждають 20 мільйонів американців.
Група вчених під керівництвом доктора Хелен Мейберг з університету Вашингтона в Сент-Луїсі за допомогою технологій сканування мозку виявила, що у пацієнтів, яким не допомагає жоден із відомих методів лікування, постійно активна певна сфера кори головного мозку — підмозоляста область. Вчені сформували групу з 12 пацієнтів і стали стимулювати цю сферу спрямованими електричними імпульсами. У восьми осіб із хронічною депресією позитивні результати були помітні вже після першої стимуляції.
Сучасні апаратні дослідження виявили, що причиною низки психічних розладів дисбаланс між двома ділянками мозку. При параної – між мозочковою мигдалиною і префронтальною часткою, при шизофренії – між лівою скроневою часткою і передньою поясною корою. Глибока стимуляція мозку, можливо, у майбутньому усуватиме цей дисбаланс.
Лікування травм хребта . Травми хребта часто приковують людей до інвалідного крісла. Але вже проводяться успішні експерименти щодо заміни спинного мозку комп’ютером, який координуватиме роботу м’язів. І якщо в людському мозку рухами руки керують мільйони нейронів, то для комп’ютерного керування рукою достатньо чіпа зі 100 електродами.
Вченим із Північно-Західного університету вдалося зв’язати мозок мавпи з рукою, помістивши мікросхему на поверхню її мозку .
Створення штучних ділянок мозку для боротьби з невиліковними хворобами . З деякими хворобами не вдається впоратися з лікарськими методами. Великі надії покладаються створення штучних ділянок мозку, якими замінюватимуть уражені хворобою відділи.
Хвороба Альцгеймера, коли людина втрачає спочатку короткочасну пам’ять, та був і довгострокову — не впізнає близьких, не пам’ятає, хто він, — може стати найпоширенішим захворюванням, оскільки населення розвинених країн стрімко старіє. А чим старша людина, тим вищий ризик захворіти: у віці від 65 до 74 років хвороба Альцгеймера виявляється у 5% людей, а після 85 років ймовірність хвороби сягає 50%. Амілоїдні бляшки, що формуються в процесі хвороби та складаються з деформованих молекул білка, резистентні до ліків – це не бактерії та не віруси. Перспективний спосіб лікування хвороби – створення штучного гіпокампу – області мозку, відповідальної за спогади.
Протезування. Протези поки що не можуть повноцінно замінювати кінцівки – рухи пальців, дрібна моторика, різноманітні рухи ступнів, що забезпечують маневреність і легкість рухів, недоступні людям, які втратили руки і ноги. Але в останні десятиліття в лабораторіях різних країн створюються сучасні протези, які майже не відрізняються від природних кінцівок.
Полковник армії США Джеффрі Лінг – лікар-невролог, який неодноразово їздив у відрядження до Іраку та Афганістану під час бойових дій. Він бачив, що сотні військовослужбовців втратили руки і ноги під час цих військових компаній. Лікар почав думати, чим замінити кінцівки. Так, за підтримки Пентагону з’явилася програма «Революція в протезуванні», в рамках якої створюються досконалі протези. Наприклад, механічна рука, яку зробили в лабораторії прикладної фізики університету Хопкінса, може виконувати всі можливі рухи пальців, кисті та руки.
Нейропротезування. Пацієнт силою думки може керувати кінцівками та спілкуватися з оточуючими. Вже сьогодні нейропротези доступні деяким хворим, але вони досить примітивні. У майбутньому комп’ютер, на який подаються сигнали мозку, з’єднуватиметься з усіма необхідними приладами — мікрохвильовою піччю, кондиціонером, кавоваркою та телевізором, щоб людина могла виконувати максимум дій, не чекаючи сторонньої допомоги.
Стівен Хокінг (р. 1942) – британський фізик-теоретик, дослідник теорії Великого вибуху і Чорних дір. Страждає на бічний аміотрофічний склероз, багато років паралізований і не може говорити. Нейропротез Стівена Хокінга прикріплений до окулярів. Він передає думки на комп’ютер, допомагаючи вченому підтримувати зв’язок із зовнішнім світом: він дає інтерв’ю, читає лекції, проводить наукові дослідження та пише книги.
2.2. Удосконалення людського інтелекту
З появою нових можливостей для досліджень мозку деякі вчені зацікавилися питанням «Чи можна поліпшити інтелект людини, тобто зробити з людини з пересічними здібностями генія?». Сьогодні розробки щодо вдосконалення інтелекту ведуться у кількох напрямках.
• Створення стимуляторів інтелекту.
• Модифікація генів.
• Стимуляція мозку за допомогою приладів, таких як ТЕС.
У кожному з цих напрямів вже є певні успіхи: з’явилися препарати, що покращують пам’ять, вдалося створити «розумних мишей» із зміненим набором генів, повним ходом йдуть експерименти з апаратної стимуляції мозку. Однак сьогодні у науковому світі обговорюються питання, пов’язані з доцільністю, етичності та безпекою стимулювання інтелекту.
• Високий IQ не гарантує успіху в житті – чи варто його підвищувати?
• Чи не призведе до стимулювання інтелекту до соціального розколу? Власники владних та фінансових ресурсів можуть покращити свій інтелект, щоб зміцнити своє становище та почати експлуатувати людей зі звичайними здібностями.
• Який інтелект слід вважати еталонним?
Довгий час обговорювалася можливість відтворити мозок Ейнштейна. Але навряд чи можна вважати мозок людини, яка заговорила в 6 років і страждала на дислексію, ідеальною.
• Чи є інтелектуальний ліміт, закладений природою, і що буде, якщо його перевищити?
• Чи захочуть звичайні люди стимулювати свій інтелект?
2.3. Читання думок
Створення інноваційних методик дослідження мозку – перший крок до його доступності та прозорості. Сьогодні в різних країнах уже йдуть експерименти щодо розшифрування людських думок.
У фантастичних книгах та фільмах часто трапляються телепатичні шоломи, за допомогою яких можна читати думки інших людей. Але недалекий день, коли ці пристрої з’являться у реальному житті. Доктор Гарвін Шелк зі штату Нью-Йорк отримав грант у 6,3 мільйона доларів від армії США на розробку телепатичного шолома, який зможе читати думки противника. Поки в дослідженнях застосовують ЕЕГ-датчики, але якщо вдасться домогтися зменшення апарату МРТ, процес створення шолома піде швидше, і розпізнавання думок буде точнішим — у МРТ роздільна здатність значно вища, ніж у ЕЕГ.
Однак створення апаратів для читання думок ставить під сумнів право людини на життя.
Доктор Нісімото з університету Берклі запевняє, що в найближчому майбутньому не варто побоюватися того, що ваші думки «підслухають». Радіосигнали ледве вловимі вже на відстані двох метрів, крім того, в ефірі завжди є перешкоди. Таким чином, щоб прочитати думки, потрібні будуть лабораторні умови.
Крім телепатичних шоломів, мабуть, з’явиться ще одна можливість читання думок. Це введення в мозок мережі нанозондів, що складаються з нанотрубок, які будуть тонкими настільки, що людське око не зможе їх розрізнити (товщина стінок складе кілька молекул). Нанозонди поміщатимуть у ділянки мозку, які відповідають за ту чи іншу діяльність. Питання приватності при використанні нанозондів не виникає — сигнали надсилатимуться, лише коли «господар мозку» вважатиме це за необхідне.
Для зчитування мови потрібно помістити зонд у ліву скроневу частку, а для передачі візуальних образів – в таламус та зоровий центр кори.
Читання думок викликає як етичні, а й юридичні питання.
Чи достатньо даних, які зчитуються з мозку паралізованої людини, для складання заповіту? Чи отримає поліція право читати думки підозрюваних та свідків під час допиту, і чи можна буде використовувати їх у суді?
Деякі футурологи пророкують появу брейн-нету — мережі, в якій мільярди людей з різних кінців земної кулі зможуть встановлювати уявний контакт між собою та обмінюватися інформацією.
2.4. Управління різними об’єктами
Сьогодні ми бачимо аватари лише у фантастичних фільмах, але їхнє створення — питання найближчих десятиліть. Ці замінники людей, віддалено керовані самими людьми, необхідні насамперед у надзвичайних ситуаціях та космічних дослідженнях.
В усуненні аварії на Чорнобильській АЕС було задіяно 250 000 осіб. Деякі з них отримали смертельну дозу радіації, а решта — дозу, яка багаторазово перевищує норму. Якби тоді існували промислові роботи, людських жертв можна було б уникнути. Корпорація Honda створила робота для роботи в радіоактивній обстановці, але він поки що не вміє виконувати весь спектр дій.
3. Штучний інтелект
Вчені впевнені, що повноцінний штучний інтелект рано чи пізно буде створено, але остерігаються передбачати терміни, бо за останні 70 років вони вже тричі пророкували швидку появу штучного розуму і помилялися.
У 1950-х у наукових журналах публікувалися захоплені статті, в яких розповідалося про останні винаходи: машина, що грає в шашки, механічна рука, що розпізнає та піднімає цеглу, робот Шейки, який переміщався по кімнаті, оминаючи перешкоди. Усі чекали швидкої появи роботів-офіціантів та роботів-компаньйонів. У 1965 році доктор Герберт Саймон, один із родоначальників теорії штучного інтелекту, заявив, що через 20 років машини зможуть робити все те, що робить людина. Але в 1970-х роках уряди США та Великобританії значно зменшили асигнування на розробку штучного інтелекту, тому що всі машини, що створювалися, не були універсальними, а вміли робити щось одне.
У 1980-х стався новий сплеск інтересу до штучного інтелекту — Пентагон почав розробляти роботи для військових дій. Але всі роботи-розвідники, на створення яких витрачалися сотні мільйонів доларів, добре виконували лише одну незаплановану функцію — швидко губилися. І у 1990-х інтерес до штучного інтелекту знову згас.
До кінця XX століття обчислювальні потужності машин виросли, і почався новий розквіт штучного інтелекту, який триває досі. Досягнення вражають: чат-боти здатні підтримати розмову, а роботи-пилососи очистити підлогу від забруднень.
У 1997 році комп’ютер Deep Blue, створений IBM, виграв матч у чинного чемпіона світу з шахів Гаррі Каспарова, а в 2011 році IBM представив робота Watson, який переміг найкращих гравців у Jeopardy! (Російський аналог – “Своя гра”). Це великий прогрес, але і Deep Blue, і Watson — лише потужні рахункові машини, у яких повністю відсутня самосвідомість та розуміння того, що відбувається.
У майбутньому розробники штучного інтелекту, ймовірно, діятимуть у двох напрямках.
Вчити комп’ютери розпізнавати образи.
Сучасний робот здатний розпізнавати прості об’єкти, наприклад м’яч або книгу. Але опинившись поза лабораторними умовами, він заблукає. Він розпізнає деталі краще за людину, але не розуміє, що бачить. Робот бачить не стілець, а набір точок та ліній. Він може розпізнати об’єкт, поєднавши його із зображенням з бази даних, лише якщо форма та положення повністю ідентичні. Але якщо ви повернете або випустите стілець, робот його не впізнає.
Щеплювати машинам здоровий глузд.
Робот не знає, як улаштований світ. Йому невідомі аксіоми на кшталт «коли йде сніг — холодно», «мати завжди старша за сина». А для викладу здорового глузду чотирирічної дитини знадобляться сотні мільйонів рядків комп’ютерного коду.
Японський робот ASIMO, створений компанією Honda, схожий на маленького хлопчика: вміє бігати, стрибати, танцювати і навіть говорити кількома мовами, але самі розробники зізнаються, що його інтелект не вищий, ніж у жука.
Висновок
Нейробіологія зародилася в середині XIX століття, коли внаслідок черепно-мозкової травми у американського залізничника Фінеаса Гейджа зіпсувався характер. Таким чином, багатовікові філософські роздуми про роздільне існування розуму і душі виявилися неспроможними. У 1860–1970-х роках німецькі та французькі вчені виявили, що за сприйняття та відтворення мови відповідають різні відділи мозку, і праву півкулю мозку керує лівою стороною тіла, а ліву — правою.
У 1930-х було складено схему відповідності певних ділянок кори головного мозку тілу людини, у 1950–1960-х з’явилися перші карти мозку та еволюційна модель мозку. Але справжня революція у вивченні людського мозку відбулася близько 20 років тому, коли було створено апарат МРТ та інші прилади, що дозволяють досліджувати мозок з точністю до часткою міліметра.
У досліджень людського мозку великі перспективи в наступних напрямках:
• здоров’я (своєчасна діагностика, лікування невиліковних захворювань та травм, створення штучних відділів мозку, протезування, нейропротезування);
• покращення інтелекту;
• читання думок;
• керування об’єктами.
Людський мозок – найскладніший об’єкт у Всесвіті, а штучний розум поки що знаходиться на рівні комахи. Щоб зрівнятися з людиною, їй потрібно навчитися розпізнавати образи і набути здорового глузду.