План максималиста.

Часть 3. БОЛЬШИЕ проблемы.
Дата публикации - 27 июля 2013г., последнее обновление от 19 июня 2014г.
        Как было показано в первой части статьи - физиологический барьер накладывает ограничения на возможности отдельно взятого человека, а через это задается и потолок развития для всей нашей цивилизации. Доставшихся нам от природы сил уже начинает не хватать: мала мощность интеллекта для осуществления новых научных прорывов, природные механизмы психики не позволяют создать устойчивое и справедливое общественно-экономическое устройство, физиология нашего тела не позволяет рассчитывать на освоение космоса и т.д. Очевидно что существенное увеличение физических, психических и интеллектуальных сил отдельного человека приведет к повышению уровня цивилизации в целом, если процент таких усиленных "H+" людей будет существенен. Итак, если вместо очередного непосильного строительства "светлого будущего" просто предоставить себе и всем желающим возможность значительно лучше мыслить, работать и взаимодействовать - можно смело рассчитывать на качественный скачок во всех сферах жизни и получение этого самого "светлого будущего" как совершенно естественного итога этой деятельности. Исходя из этого основанием для "Плана максималиста" стал следующий список желаемых улучшений:
  1. Продолжительность и качество жизни определяются только её обладателем.
  2. Интеллект, способный к планированию с большой скоростью/достоверностью/числом факторов (что подразумевает энергию мышления 1Квт и более), радикальное улучшение обучаемости и доработку механизмов эмоций/инстинктов под потребности разумной жизни.
  3. На порядок более высокая производительность и качество ручного труда (возможность длительной работы с мощностью более 1,5Квт, пиковой 15+ Квт).
  4. Готовность конструкции тела и разума к полноценному освоению новых жизненных пространств.
  5. Возможность и дальше повышать свои характеристики по мере развития науки и техники.
  6. Сохранность собственной личности в ходе вышеописанных улучшений.
Этот список представляет из себя "программу максимум", однако даже при целом ряде компромиссов очевидно что он физически невыполним в рамках биохимии - на горизонте появляется необходимость фундаментальных изменений: нужна новая основа жизни, способная дать больше энергии и в той или иной степени обеспечить затребованный выше функционал. В качестве такой основы стоит обратить внимание на электричество - мы умеем неплохо генерировать, накапливать и конвертировать этот вид энергии в движение, машинное восприятие, вычисления. Но разумеется в этом направлении есть три БОЛЬШИХ проблемы:
1)Как извлечь личность человека из биохимического мозга?
2)Как создать улучшенный аналог мозга с помощью электроники и записать в него личность человека?
3)Как создать электромеханическое тело с характеристиками, существенно превосходящими биологическое тело?

На первый взгляд добиться решения всех этих сверх-задач значительно сложнее, чем реализовать любую из отброшенных ранее концепций по улучшению жизни с помощью генетики, киборгизации или наномашин. Однако как говорится "дьявол в деталях" - рассмотрим в подробностях суть каждой из БОЛЬШИХ проблем (а также наличие "попутных течений", способных облегчить решение той или иной задачи).

1)Как извлечь личность человека из биохимического мозга.
Исходя из гипотезы о том что наша личность хранится в коннектоме (см. выступление Себастьяна Сеунга в 2010-м году) стоит разделить задачу оцифровки личности человека на три последовательных этапа: сохранить мозг -> сканировать строение коннектома -> извлечь личность из коннектома.

Первый этап - сохранить свой мозг. Живой мозг оцифровать едва ли возможно - для извлечения информации о коннектоме требуется химическая фиксация и послойная нарезка с последующим сканированием этих срезов. По этой причине не важно дожил ли желающий оцифроваться до доступности таких услуг (хотя бы в одном государстве) или после смерти от старости/несчастного случая его мозг максимально оперативно сохранили по заранее оформленному волеизъявлению и оплаченному контракту.

В настоящее время доступны услуги крионирования, в данном контексте имеющие ряд достоинств и недостатков:
— Хранение при температуре жидкого азота (-196°С) является наиболее надежным способом остановки разложения любых живых тканей.
— Сжиженный азот постоянно испаряется а сроки хранения не известны даже приблизительно. Это участвует в формировании высокой цены (12 тыс. долл. за нейросохранение в России ("Криорус"); 80 тыс. долл. в США ("Алькор"), там также есть Институт крионики с более доступными ценами).
— Крионика подразумевает оживление замороженных людей в будущем, мозг при таком подходе стараются сохранить в максимально естественном состоянии. Это порождает ряд проблем: из-за неравномерного доступа криопротектора к различным участкам в глубине мозга требуется сложная и дорогая процедура подготовки к охлаждению, процесс равномерного понижения температуры для целого мозга сложен и полон нюансов; при этом составляющие коннектома все равно могут получить какие-то повреждения (в настоящий момент нет опубликованных данных электронной микроскопии о состоянии нервной ткани после крионирования целого человеческого мозга). Отличные результаты получены лишь при экспериментальном крионировании тонких срезов гиппокампа, которые равномерно пропитывались криопротекторами и равномерно же охлаждались.
— Для последующей нарезки и сканирования срезов наверняка потребуется разморозка и химическая обработка нервной ткани, что повышает риски повреждений и удорожает и так не дешевую процедуру.
— Но при всех нюансах крионирование является единственной услугой, доступной здесь и сейчас: она более-менее справляется с бюрократическими, организационными, финансовыми, социальными и техническими проблемами. Принципиально ничто не мешает разработать процедуру нейросохранение мозга с предварительной нарезкой его на слои оптимальной толщины для наилучшего пропитывания реагентами и витрификации (сверхбыстрой заморозки под давлением, подавляющей кристаллизацию льда).

Также идет научная работа в направлении чисто химической фиксации (инициатива Кеннета Хейворта - www.brainpreservation.org) изначально нацеленной только на сохранение составляющих коннектома в удобном для сканирования виде, без расчета на последующее оживление тканей. Благодаря этому хранение мозга может стать значительно дешевле и надежнее.

Второй этап - извлечение карты нервных соединений (коннектома). Для каждого из ~86 млрд нейронов нужно считать данные о его местоположении, тысячах его синаптических контактов с другими нейронами (итого ~500 000 млрд. синапсов диаметром 400-900нм), определить тип выделяемого им нейромедиатора, выяснить длину и скорость проведения импульса для каждого аксона, выяснить электрическую емкость мембраны для каждого нейрона и т.д. - список нужных параметров для эмуляции коннектома зависит от методики извлечения личности, применяемой на третьем этапе. Очень желателен неразрушающий процесс сканирования, с возможностью вернуться через несколько лет и провести повторное извлечение данных по новой методике или на лучшем оборудовании. В настоящее время не создано устройства для сканирования целого человеческого мозга с увеличением, на котором были бы отчетливо видны все синапсы; штатное лабораторное оборудование для электронной микроскопии, способное дать нужный уровень детализации, рассчитано на работу с участками мозга размером порядка двадцати кубических микрон. Еще одной проблемой будет определение нейромедиаторов - эту информацию не получить с черно-белых изображений, получаемых в ходе электронной микроскопии.

К. Хейворт предлагает автоматизировать работу стандартного ультрамикротома и последующей электронной микроскопии: с разрешением порядка 5нм на пиксель сканировать тончайшие срезы мозговой ткани, слой за слоем (подробнее тут). Парк из десятков тысяч таких устройств сможет за несколько лет оцифровать и мозг человека. К достоинствам данного решения, помимо возможности выполнить его уже в настоящее время с огромными затратами, следует добавить и сохранность тканей мозга после процесса сканирования. Но этот подход приемлем только для прорывной научно-исследовательской деятельности, а для массового применения нужно что-то на порядки более быстрое и дешевое; определение типа нейромедиатора для каждого нейрона также остается не решенной задачей.

Выполнить извлечение коннектома в той или иной степени придется и в ряде крупных проектов, у них достаточно инженерных ресурсов для разработки и создания любого специализированного оборудования и программного обеспечения "с нуля". Научно-технические достижения из других областей также могут предложить новые решения и подходы, например для определения нейромедиатора в срезе ткани возможно удастся адаптировать гибридную AFM + NRMI микроскопию или флюоресцентный наноскоп, работы по прозрачному мозгу также способны радикально упростить задачу извлечения карты связей и позволить работать с минимальным числом срезов - всего несколько тысяч слоев на весь человеческий мозг благодаря конфокальной микроскопии или иным способам выделения нужного слоя в толще достаточно прозрачного объекта. Успешным методом извлечением коннектома можно считать только тот, у которого выходной формат данных пригоден для полностью автоматической программной обработки - число нейронов и их синапсов слишком велико для какой-либо ручной сортировки. Относительно небольшие объемы данных сканирования даже сейчас можно конвертировать в трехмерные модели с помощью программ вроде Imaris, но для обработки этих данных в масштабе человеческого мозга нужны совсем другие, не математические принципы обработки информации - лучшим решением видится применение специализированных нейрочипов, способных с минимальными энергозатратами и большой точностью распознавать сложный, связный графический контекст для преобразования в формат, оптимальный для следующих этапов.

Еще одно попутное течение это краудфандинг, ярким представителем которого является Kickstarter. С его помощью можно собрать средства на достаточно востребованные обществом проекты, имеющие вменяемую стоимость и реалистичность (например так был профинансирован ARKYD - частный орбитальный телескоп, на создание которого собрали 1.5 млн. долларов). Если концепция оцифровки станет достаточно популярна в научной и социальной среде то разработка связки технологий для извлечения личности может быть профинансирована подобным образом.

Третий этап - извлечение личности из коннектома. В живом мозге нервные импульсы распространяются подчиняясь физическому устройству нейронов и структуре нейронной сети; в результате мы воспринимаем себя и мир, мыслим, реагируем. Оцифрованный коннектом содержит всю необходимую информацию что бы эмулировать прохождение цифровых импульсов в цифровых нейронах с тем же результатом что и в живом мозге - личностью, мыслями, реакциями; но если напрямую эмулировать работу биологического мозга на основе этих данных - нас поджидают колоссальные вычислительные, энергетические и финансовые затраты (и несколько десятков лет упущенного времени). Нужен рациональный подход использования этих данных, без промежуточной эмуляции структуры нейронов и биохимии синапсов нашего мозга на гигантских вычислительных кластерах с миллиардными счетами только за электричество. Вероятнее всего он будет создан на основе "Теории разума" и тем самым первая БОЛЬШАЯ проблема перестанет быть таковой.

2)Как создать улучшенный аналог мозга с помощью электроники и записать в него личность человека.
Что бы создать электронный разум опять таки требуется "Теория разума", описывающая что и как делает с информацией такое устройство; именно в этом суть второй БОЛЬШОЙ проблемы. Окей, разум уже имеется у каждого из нас - но что же мешает понять принцип его работы? С точки зрения человека-с-улицы тут есть следующие препятствия:

Препятствие #1: внутреннее отношение к мозгу как к "совершенному, непознаваемо-сложному объекту вселенского масштаба". Соответственно его изучение не должно быть доступно простым смертным - создать "Теорию Разума" могут только где-то в зданиях огромных институтов лучшие умы планеты, с соответствующим финансированием и сверх-сложным оборудованием; лет через сто. Препятствие #2: данных о мозге очень и очень много. А у нас есть ограничение на число одновременно учитываемых факторов в ходе мышления - семь, плюс-минус два в идеально точно сформулированных задачах. Чем дальше от этого числа - тем больше ошибок появляется в логических конструкциях и тем сложнее, дольше их там искать и исправлять. У любителей есть небольшой шанс сделать что-то полезное в науке - авторская гипотеза о работе мозга изложена в приложении А: "Контекстная запись/извлечение информации в сложных нейронных сетях" [статья временно изъята для доработки]. Из неё следует что мы разумные машины (пусть и на биохимической основе), и всегда ими были. Наш мозг это своеобразная "15-ти ваттная песочница для информации", где целенаправленное её использование обеспечивается посредством системы встроенных и приобретаемых контекстных правил. Не имеет значения на каком носителе выполняются эти правила (биологическом, электронном или любом ином) - личность способна существовать в любом из них, если им обеспечено формирование и выполнение контекстных правил обработки информации; также как в математике верность результата не зависит от того на чем выполнялись математические правила - на бумаге, компьютере или счетах. Мучающий многих вопрос о том, что "я умру, а после оцифровки моего мозга это буду уже не я" лишается смысла, смерть перед оцифровкой лишь временная остановка выполнения контекстных правил и после запуска на новом носителе они продолжат свою работу, результатом которой является ваша личность со всеми её нюансами. Контекстная запись/извлечение информации может выполняться не только в биологических или цифровых нейронных сетях (также как математические правила могут выполняться не только на деревянных счетах) - можно ожидать появления иных устройств, на многие порядки лучше использующих возможности электронники или оптики для формирования и выполнения контекстных правил. Надеюсь лет через пять-семь этот вопрос проясниться хотя бы на примере простых, но многообещающих прикладных решений.

3)Как создать электромеханическое тело с характеристиками, существенно превосходящими биологическое тело?
Выбирая электрический ток на роль новой "основы жизни" необходимо решить еще целый ряд проблем, наглядное представление о которых дают лучшие образцы современной робототехники: HRP3L-JSK, робот-гепард, ASIMO - создавшие их коллективы сложно упрекнуть в недостатке профессионализма/времени/финансирования, но показанные результаты скорее огорчают, заставляя трезво оценить пределы возможностей современных способов получения, хранения и использования электроэнергии. Лучшее решение на текущий момент реализовано в конструкции робота HRP3L-JSK - электромотор через который пропускают огромный ток (жидкостное охлаждение защищает обмотку от перегрева) создает вращение с усилием порядка 350 килограмм. Полученное усилие вроде бы впечатляющее, но только до момента численной оценки силы живых мышц: хорошо тренированный человек может подтянуться на одной руке (рекорд Гиннеса - около 20 раз), что при весе его тела в 75 кг требует от килограммового бицепса сокращаться с усилием ~730 кг и развивать мощность порядка 750 ватт. Суммарная энергия развиваемая телом спортсмена на короткий промежуток времени может достигать 3-5Квт, например в момент прыжка или подъема штанги. Увы, современные устройства для генерации, накопления и использования электроэнергии настолько проигрывают биохимическим аналогам по сумме характеристик, необходимых для нормальной жизни - соотношению масса/развиваемое усилие, автономности, скорости, пиковым усилиям и пр. - что попросту невозможно создать искусственное тело хотя бы со среднестатистическими человеческими параметрами.

В чем причина такого положения дел? Немного истории: "В 1819 г. датский физик Г. Х. Эрстед обнаружил, что проводник, по которому течёт электрический ток, вызывает отклонение стрелки магнитного компаса, расположенного вблизи этого проводника" - проще говоря был обнаружен слабый и непонятный побочный эффект. Современный электромотор, сделанный почти 200 лет спустя, по прежнему представляет из себя устройство на основе этого непонятного и едва заметного полевого эффекта: если взять несколько сот метров провода и смотать его в катушку - эффект суммируется и может развить достаточную силу для совершения работы. Блеск и нищета современной науки, основанной на математическом описании мира: ученые способны рассчитать движение галактик, но когда дело доходит до превращения электричества в движение - неспособны предложить ничего лучше, чем двухсотлетнюю конструкцию магнитной катушки.

Что стоит ожидать в ближайшие 30 лет от текущего курса науки и техники? Периодически появляются новости о разработке супер-аккумуляторов или искусственных мышц, однако за последние 15 лет ни одно подобное изобретение не смогло доказать свою практическую применимость вне идеальных лабораторных условий. По-видимому слепой/интуитивный перебор вариантов, характерный для современной науки, вряд ли сможет обеспечить существенные прорывы во всех необходимых аспектах работы с электричеством, хотя нельзя исключать фактор удачи или прирост в 10-30% от лучших комбинаций уже имеющихся конструкций и решений - например в проекте "Россия 2045" используют именно такой ТРИЗ-подход; но как было отмечено ранее - хорошее электромеханическое тело на текущей базе создать не получится и 30-ти процентный рост технических характеристик плюс одно-два удачных открытия тут ничего не изменят. Прорыв же могла бы обеспечить "Теория всего" - с ней придет и понимание сути электричества как явления а там не далеко и до понимания условий эффективной генерации магнитного поля, возможно и сверх-проводимости без охлаждения жидким азотом или даже совершенно новых явлений, ранее никогда не возникавших в нашем мире.

Что же мешает вывести такую теорию практичным и талантливым ученым как прошлого так и нашего времени? С точки зрения человека-с-улицы тут есть проблема системного характера: по версии википедии современная теоретическая физика "... в качестве основного способа познания природы использует создание математических моделей явлений и сопоставление их с реальностью ... такие критерии, как 'здравый смысл' или 'повседневный опыт', не только нежелательны при построении теории, но и уже успели дискредитировать себя: многие современные теории могут 'противоречить здравому смыслу', однако реальность они описывают на много порядков точнее, чем теории, основанные на здравом смысле". Эта ситуация очень похожа на последствия столкновения с физиологическим барьером, в результате которого неумелое, интуитивное применение возможностей своего 15 ваттного интеллекта быстро достигло потолка к концу 19-го века и курс науки после этого незаметно изменился под влиянием оставшегося рабочего инструмента, позволявшего двигаться дальше - математики. С её помощью можно обойти человеческие ограничения: карандаш и бумага компенсируют малый объем кратковременной памяти, а строгость математических правил позволяет выполнять операции с объемом информации далеко за пределами ограничения "7, плюс-минус 2" и при этом не ошибаться до тех пор, пока применяемые формулы верно описывают происходящее в физическом мире. Однако у этого подхода есть два слабых места - во-первых, его основой является наблюдение новых явлений в природе (коих осталось не так то много) или полученных в ходе почти слепого перебора вариантов в лаборатории (тут ограничителем выступает комбинаторный взрыв); нет новых явлений для изучения - нет и открытий.
Во-вторых, краткость представления различных физических явлений в виде математических формул и констант иногда делает очевидным, проявляет новые закономерности и связи у явлений, ранее считавшихся не имеющими ничего общего (см. 13-ю и 15-ю главы из книги "Математика. Утрата определенности" Мориса Кляйна), что позволило совершить ряд открытий "на кончике пера" - тем не менее это второе слабое место математического подхода: из математического описания явлений можно сделать только самые простые выводы и предсказания, лежащие на поверхности. По видимому для человеческого мозга непосильно осознание всех фундаментальных взаимосвязей физических явлений, пока они представлены в виде удобном только для математических расчетов - формулы, константы, сотни различных единиц измерения; но если максимально кратко и единообразно перевести все это на язык логики (любая формула или константа описывает лишь какую-то закономерность реального мира) - человеческий мозг сможет свободно оперировать ими в ходе мышления и станут очевидными более сложные связи и закономерности, с этого и начнется движение к "Теории_всего_без_математики". Верен или нет такой подход - вопрос открытый, но автору кажется что сначала логика должна отвечать на вопрос "Как это должно быть устроено?" и только после этого в дело должна вступать математика, отвечающая на вопрос "Сколько?" для каждого участка предложенной конструкции; это банальная специализация и разделение труда - каждый инструмент эффективен только в своей области применения. Математическая же "Теория всего", даже будучи полученной, не в состоянии ответить на вопросы "Как должен быть устроен сверхпроводник для комнатных температур", "Как должен быть устроен эффективный источник электроэнергии" и подобные, нужные для создания электромеханического тела с характеристиками, существенно превосходящими биологические аналоги.
***
В основании "Плана максималиста" лежит предположение о возможности создания двух фундаментальных теорий - "Теории_всего_без_математики" и "Теории разума" - усилиями всего двух человек или небольших коллективов, с появлением которых две последних БОЛЬШИХ проблемы станут лишь инженерно-исследовательскими задачами, а решение первой упростится на порядки. Если эти предположения верны то для воплощения "Плана максималиста" не потребуются полувековые сроки, необходимость работы над ним всем миром и огромные затраты.