Hi-Tech

Теория всего

Конспект статьи от издания Wired о британском нейробиологе Карле Фристоне, который собирается объяснить устройство всего мира — а заодно, возможно, наконец создать полноценный искусственный интеллект.

В закладки

Карл Фристон

По рассказам, Георг пытался пожать руку дереву, приняв его за короля Пруссии, а лечился он среди подданных, в доме на Куин-сквер в районе Блумсбери. Когда британский король Георг III начал демонстрировать признаки маниакального синдрома, в обществе тут же понеслись слухи о сумасшествии монарха.

Случайно или нет, но сегодня на Куин-сквер располагаются Национальная клиника неврологии и нейрохирургии и лаборатория нейронаук Университетского колледжа Лондона. Эту историю местные жители помнят и два века спустя.

Фристон — научный директор лаборатории функциональной визуализации Университетского колледжа Лондона. В свой обычный понедельник Карл Фристон приезжает на площадь в 12:25 и закуривает сигарету в парке напротив памятника Шарлотте, жены Георга. Покурив, учёный заходит в нужное крыло и направляется на четвёртый этаж, в зал для лекций.

Фристон редко общается с людьми с глазу на глаз, предпочитая открытые встречи, где его собираются послушать и студенты, и докторанты, и даже те, кто не имеет к науке никакого отношения.

Фристон же, слушая, неторопливо ходит по кругу: следующие несколько часов он будет на них отвечать. Сначала каждый задаёт вопросы.

Такое редко встретишь. Он уверен, что, появись у кого-то идея или вопрос, лучший способ разобраться в проблеме — собраться вместе и обсудить её.

Дэвид Бенримо

исследователь из Университета Макгилл

Так, в 1990 году он изобрёл статистическое параметрическое картирование (СПК), позволяющее сравнить мозговую активность разных людей. Именно Фристон создал многие инструменты, сделавшие человеческий мозг доступным для науки.

В 2011 году были опубликованы результаты исследования, опиравшегося на другое изобретение Фристона — динамическое каузальное моделирование. На её основе Фристон разработал метод воксел-ориентированной морфометрии. С его помощью можно определить, проявляют ли люди с серьёзными повреждениями мозга признаки ментальной активности.

В 2006 году Фристона приняли в Королевское общество, ведущее научное общество Великобритании, описав влияние его идей как «революционное» (более 90% опубликованных материалов по нейровизуализации ссылаются на его работы).

Индекс Хирша учёного в два раза больше, чем у Альберта Эйнштейна. Два года спустя, по данным Алленовского института искусственного интеллекта, Фристон стал самым цитируемым нейробиологом. В 2017 году организация Clarivate Analysis, предсказавшая 46 обладателей Нобелевской премии, посулила Фристону награду в области физиологии и медицины.

Памятник Шарлотте, жене Георга. Она сняла в местном пабе целый погреб, чтобы хранить припасы для мужа, пока за ним наблюдали врачи

Тем более удивительно, что лишь немногие, кто стекается в лабораторию со всего мира, хотят поговорить с Фристоном о нейровизуализации.

Этим летом он за полторы недели проконсультировал астрофизика, нескольких философов, инженера, работающего над более человечным аналогом Amazon Echo, главу отдела ИИ одной из крупнейших страховых компаний, нейробиолога и психиатра, основавшего стартап, применяющий машинное обучение в лечении депрессии.

Фристон считает, что он ни много ни мало обнаружил принцип организации всего живого, а также всего разумного. Последние десять лет учёный посвятил разработке, как он его называет, принципа свободной энергии. «Если вы живы, существуете, — начинает он, — какие типы поведения вы будете демонстрировать?».

Каждое утро мы просыпаемся, оставаясь, в общем-то, теми же людьми, какими были вчера, наши клетки по-прежнему отделены друг от друга, органы тоже, да и мы сами отделены от остального мира. Второй закон термодинамики гласит, что вселенная стремится к распаду; но живые существа изо всех сил противятся энтропии.

Согласно принципу свободной энергии, всё живое, начиная с одной-единственной клетки и заканчивая человеческим мозгом с миллиардом нейронов, регулируется универсальным императивом, сводящимся к математической функции.

Словом, минимизировать свободную энергию. Быть живым, рассуждает учёный, значит сокращать разрыв между ожиданиями и чувственными данными.

Кто-то хочет использовать принцип свободной энергии для объединения различных теорий сознания, кто-то — для переосмысления биологии, а кто-то надеется с его помощью создать полноценный искусственный интеллект. Чтобы представить, где эту теорию можно применить, стоит взглянуть на тех, кто собирается у порога лаборатории Фристона каждый понедельник.

Но проблема в том, что Фристон, похоже, единственный, кто по-настоящему понимает этот принцип.

Cтатистические параметрические карты мозга пациента с ОКР

Ему 59 лет, он работает даже по выходным и за последние 18 лет опубликовал больше тысячи научных работ. Фристон не просто один из самых влиятельных учёных в своей области; он один из самых плодовитых в любой другой.

Дело, прежде всего, в строгом эскапизме. Но, по его словам, своим достижениям он обязан не только трудолюбию. Фристон чутко защищает свою внутреннюю жизнь от вмешательства посторонних.

У него нет мобильного телефона. Ему гораздо больше нравится быть на сцене, на удобном расстоянии от других, нежели вести частную беседу. В то же время Фристон необычайно открыт и приветлив, когда дело касается того, что увлекает его как учёного. Ему не по душе пропаганда собственных идей.

Когда ему было восемь лет, он, играя в саду, перевернул старое бревно и увидел несколько мокриц. Начало идеи о свободной энергии Фристон относит к одному эпизоду из детства. Сначала мальчик подумал: они двигаются туда-сюда, пытаясь найти тень.

Их движения были случайны, а на солнце они попросту ползали быстрее. Понаблюдав за ними полчаса, он пришёл к выводу, что в движениях этих насекомых не было особой цели — по крайней мере с точки зрения осмысленных действий человека.

«Эти мокрицы просто существовали, были. Фристон называет этот момент своим первым научным открытием, когда «все объяснения цели, выживаемости и прочего, которые человек примеряет на себя, отпали». В том смысле, что иначе быть не могло», — вспоминает учёный.

Он увидел в окне цветущие вишни, и внезапно им овладела мысль, которая не отпускает его до сих пор. Спустя несколько лет Фристону пришла в голову другая идея. Он долго не мог заснуть, и всё же первая попытка полностью провалилась. «Должен быть способ понять всё, опираясь на одну-единственную точку», — подумал подросток.

Ребята заполнили анкеты, затем их ответы перенесли на перфокарты, которые пропустили через специальную машину. Ближе к окончанию средней школы будущий исследователь и его одноклассники поучаствовали в первых экспериментах по профориентации, дополненной компьютерами.

Компьютер решил: больше всего ему подходит работа установщиком телевизионных антенн. Юный Фристон указал, что ему нравится мастерить — в десять лет он придумал роботизированный внедорожник — и проводить время в одиночестве на природе.

Педагог посоветовал мальчику стать психиатром. Карл, не совсем довольный результатом, обратился к социальному педагогу в школе, рассказав, что ему бы хотелось изучать мозг с точки зрения математики и физики. К ужасу Фристона это значило, что ему придётся изучать медицину.

В конечном счёте эта ошибка пошла на пользу, так как она открыла Фристону путь к изучению и сознания и тела вместе и подарила ему опыт, определивший его дальнейшую карьеру. Однако и Фристон, и школьный помощник перепутали психиатрию с психологией.

Закончив университет, Фристон переехал в Оксфорд, где провёл два года, работая ординатором в Литтлморе, одной из последних старинных психиатрических больниц в Англии.

Тогда учёный, и сегодня вспоминающий пациентов с теплом, впервые столкнулся с тем, как легко в мозге разрываются связи. Фристону поручили группу из 32 больных, страдающих хронической шизофренией, — самых тяжёлых больных, лечение которых лишь сдерживало недуг. «Работать в этом маленьком сообществе невероятных и кричащих психопаталогий было здорово», — признаётся Фристон.

В их числе, например, была женщина, которая набросилась на своего соседа с ножом с убеждением, что перед ней — огромная ворона. Дважды в неделю он проводил полуторачасовую групповую терапию, где пациенты вместе боролись со своей болезнью. Или Эрнест, «самый свирепый и неисправимый педофил, которого только можно представить».

Он никак не мог взять в толк, почему других эти вопросы не заботят. Другой больной, в числе прочего, размышлял об испражнениях ангелов: считать ли их благодатью, можно ли их увидеть.

Это говорило о том, что страдающие шизофренией могли связывать вместе идеи, недоступные людям с нормально работающим мозгом. Фристону сама идея ангельских испражнений показалась чудом. — Я вот не смог». «Очень сложно додуматься до чего-то вроде испражнений ангелов, — словно с восхищением говорит Фристон.

В 1990-х, покинув Литтлмор, Фристон изучал мозг больных шизофренией, используя новую на то время технологию эмиссионной томографии, и попутно изобрёл СПК.

Так, учёный летал в США, в Национальный институт здоровья в Мэриленде, и самостоятельно выгружал данные, настраивал систему и объяснял другим, как ей пользоваться. Фристон придерживался мнения, что доступ к его разработке должен быть свободным (отчасти поэтому СПК распространена так широко). «Так в те дни работали программы с открытым исходным кодом», — шутит нейробиолог.

Несколько лет его кабинет соседствовал с подразделением вычислительной нейробиологии имени Гэтсби, где изучалось восприятие и обучение живых и искусственных систем. На Куин-сквер Фристон оказался в 1994 году. Фристона, как и многих других, очаровала «детская увлечённость» Хинтона совсем недетскими статистическими моделями, и они подружились. Тогда им руководил основатель, когнитивный психолог Джеффри Хинтон.

Спустя какое-то время Хинтон убедил Фристона, что лучше всего рассматривать мозг как маленький байесовский двигатель, иными словами, как систему, которая вычисляет и воспринимает вероятностно, постоянно делая предсказания и приспосабливая собственные представления о мире в соответствии с сенсорной информацией.

Мозг — это машина вывода, которая пытается снизить ошибку в прогнозе.

Перед отъездом к нему заглянул Фристон, и Хинтон рассказал ему о своём новом изобретении — технике, которая позволяла программе более эффективно имитировать процесс принятия решений, совмещая входные данные с разных схотатических систем. В 2001 году Хинтон решил переехать в Торонто.

Вдохновлённый, он выслал Хинтону несколько заметок, посвящённых объединению, казалось бы, «совершенно не связанных анатомических, психологических и психофизических свойств мозга». Эта встреча вскружила Фристону голову.

Учёный опубликовал их в 2005 году, и они стали первыми из десятков других работ, в которых Фристон будет размышлять о принципе свободной энергии.

Плед с портретом А. А. Маркова в кабинете Фристона Wired

В случае с журналистом Wired отправной точкой послужил плед в кабинете учёного — с портретом русского математика Андрея Андреевича Маркова. Фристону порой и самому сложно решить, с чего начать объяснение своей теории.

Дело в том, что фамилия математика — эпоним покрытия Маркова (Markov blanket, blanket также на английском означает «одеяло»), в машинном обучении — своеобразного экрана, отделяющего одну группу переменных от другой в иерархичной системе. Это одеяло, которое Фристону подарил сын, — понятная лишь своим шутка, описывающая, впрочем, идею, лежащую в основе принципа свободной энергии.

Психолог Кристофер Фрит, индекс Хирша которого сопоставим с фристоновским, описал покрытие Маркова как «когнитивную версию клеточной мембраны, отделяющие внутренние состояния от внешних по отношению к самой мембране».

Каждый человек отделён от всего того, что им не является. Вселенная целиком, по Фристону, состоит из покрытий Маркова, окружённых покрытиями Маркова. Покрытие Маркова определяет, как живые организмы существуют в течение некоторого времени. Наши органы тоже отделены друг от друга, как отделены и клетки, и органоиды. Без него они бы попросту распались.

Отчасти поэтому теория Фристона так сильна: это не просто риторическая фигура, напротив, свободную энергию можно измерить, смоделировать, используя те же расчёты, что требуются для нейровизуализации. Сама идея свободной энергии пришла из физики, и объяснить её, не задействовав формулы, весьма сложно.

Другими словами, минимизируя свободную энергию, вы минимизируете неожиданность. Если всё же попытаться перевести этот принцип с языка математики, получится следующее определение: свободная энергия — разница между состояниями, в которых, как вы предполагаете, вы окажетесь, и состояниями, в которых, как подсказывает сенсорная информация, вы находитесь.

Вся разница между ними заключается лишь в сложности организации: человеческий мозг принимает сигналы с миллионов рецепторов, формируя из этой информации достоверную модель мира. Согласно мысли учёного, любая биологическая система, сопротивляющаяся энтропии, с необходимостью будет подчиняться этому принципу, будь то простейшее одноклеточное или мозг.

Пытаясь предсказать, что сообщит следующая волна ощущений, а за ней ещё одна и ещё, мозг раз за разом делает предположения и меняет собственные представления о мире — словом, старается максимизировать вероятность истинности прогноза.

Учёный использует термин «активный вывод» для описания того, как организмы минимизируют неожиданность, двигаясь в окружающей среде. Но Фристону этого недостаточно: в своей теории он учитывает и тело, и движение.

Когда мозг делает предсказание, которое тут же не подтверждается сенсорной информацией, продолжает нейробиолог, у него есть два пути для сокращения свободной энергии: он может пересмотреть предсказание или же действовать так, чтобы оно стало истинным.

Если я предполагаю, что трогаю свой нос указательным пальцем левой руки, но рецепторы указывают на то, что она просто висит, я могу минимизировать количество сигналов об ошибке, подняв руку и дотронувшись до носа.

Даже восприятие, уверен он, «полностью подчиняется действию». Для Фристона крайне важно превратить действие и движение в уравнение. Так, глаз ходит из стороны в сторону, диафрагма вбирает воздух, пальцы создают трение — всё для того, чтобы собрать данные

«Мы отбираем информацию о мире, — говорит Фристон, — чтобы убедиться, что наши предсказания превратятся в самоисполняющееся пророчество».

В каком состоянии пребывает система, сбитая с толку неожиданностью? Что же происходит, когда наши пророчества не становятся таковыми? Принцип свободной энергии, оказывается, является и теорией психических заболеваний.

Мозг страдающего шизофренией, например, может не справиться с обновлением представлений о мире с учётом визуальных данных: там где один увидит дружелюбного соседа, другой увидит огромную ворону. Когда мозг придаёт слишком малый или слишком большой вес сенсорной информации, происходит сбой.

Нередко учёным заранее известно — благодаря методам нейровизуализации Фристона — в каких отделах мозга происходит сбой, приводящий к той или иной болезни, какие связи не справляются со своей работой. Вот уже несколько лет Фристон и его коллеги, вооружившись принципом свободной энергии, пытаются объяснить причины тревоги, депрессии, психозов, а также некоторые симптомы аутизма, болезни Паркинсона, психопатии. При этом необходимо учитывать и представления о мире.

Имеет смысл предположить, что он открывает нам дорогу к созданию его с нуля. Итак, принцип свободной энергии показывает, как работает разум.

Они загрузили около 500 писем короля в систему машинного обучения и научили её определять ряд свойств текста: повторения слов, длину предложений, сложность синтаксиса и тому подобное. Несколько лет назад группа британских учёных решила вновь обратиться к свидетельствам о сумасшествии Георга III, в этот раз с помощью нового инструмента. К завершению обучения система могла вычислить, было ли королевское послание написано во время припадка или же в ясном уме.

Но такой метод требует большого количества данных и человеческого присмотра. Техника сопоставления с образцом здорово продвинула машинное обучение в последние годы. Другой подход называется стимулированным обучением; он отлично показал себя в играх вроде го и шахмат.

Нейронная сеть учится, проигрывая её раз за разом, и в конце концов добивается результата. В таком случае человеку не нужно размечать огромное количество данных, — нужно просто указать определённую награду, например, победу в игре, и правила этой игры.

Предполагается, что нейронные сети должны думать как мы, но стимулированное обучение нас к такому не приведёт. Впрочем, и у этого метода есть свои ограничения: окружающая среда не так жёстко подчинена правилам, как игра (порой нужно прервать игру, чтобы, допустим, выпить воды), а действия — какой-то узкой цели.

Стоит помнить: согласно принципу свободной энергии, человеческий разум направлен не на поиск внешней награды, а на минимизацию ошибок в прогнозе. Как же быть? И очевидно, нейронные сети должны делать то же самое.

Система, в основе которой лежит принцип свободной энергии, создаёт награду сама — ей будет минимизация неожиданности. Красота модели свободной энергии заключается в том, что она позволяет действовать искусственному агенту в любой среде, даже в новой, незнакомой, тогда как стимулирующее обучение требует создания новых правил и промежуточных наград.

В конце 2017 года группа нейробиологов из Королевского колледжа Лондона под руководством Розалин Моран провела эксперимент, столкнув в игре Doom две ИИ-системы — систему максимизации награды и систему активного вывода.

Фристонский агент начал медленно, но со временем словно выработал модель игры, понимая, например, что при движении влево монстр, как правило, двигается вправо. Цель первой — убить монстра, второй — лишь минимизировать неожиданность.

Те же результаты система показала, играя против человека.
Вскоре стало ясно: такая система ориентируется в игровой среде гораздо лучше, чем система максимизации награды, потому что она её исследовала.

Тем не менее, несколько учеников Фристона уже работают в DeepMind, Google Brain и лаборатории ИИ Huawei. По словам Моран, метод активного вывода хоть и проникает в глубокое обучение, но очень медленно — до распространённости систем максимизации награды ему далеко. Но это только пока», — считает исследовательница. «Бакалавров не учат принципу свободной энергии.

Так, в 2010 году Питер Фрид, психиатр из Колумбийского университета, собрал вместе группу исследователей, чтобы обсудить одну из работ Фристона. Замечание Морган имеет смысл: сегодня теорию Фристона с трудом понимают даже многие профессиональные учёные. Встречу он описал в одном из журналов:

После я повстречался с физиком из Принстона, нейрофизиологом из Стэнфорда. Их математических знаний, а в компании были два физика, три статистика, химик, физик-ядерщик и несколько исследователей, занимающихся визуализацией, — их просто не хватило. И сдавались. Все без исключения говорили: слишком много уравнений, слишком много невысказанного, слишком много подвижных частей, слишком обширная теория.

Однако людей, считающих, что Фристон обнаружил нечто, по размаху сопоставимое с естественным отбором Дарвина, ничуть не меньше, чем раздражённых его непроницаемостью.

Его идея — такого в истории ещё не было. Так, канадский философ Максвелл Рамстед, и до знакомства с Фристоном пытавшийся объединить всё живое разных уровней, рассказал журналисту издания: «В 2016 году, когда он объяснил мне, что один и тот же принцип применим и к делению клеток, и к развитию культуры, моя жизнь изменилась. Теперь же у нас есть размен — принцип свободной энергии». Прежде мы словно были приговорены к тому, чтобы вечно скитаться в пространстве среди различных дисциплин, не имея, скажем, общей валюты.

Год назад Рамстед, Фристон и Пол Бэдкок из Университета Мельбурна опубликовали работу, где объяснили всю жизнь с точки зрения покрытий Маркова, начиная с клетки и заканчивая племенами, религиями и видами.

После публикации Мика Аллен нейробиолог, в то время работавший в лаборатории Фристона, назвал принцип свободной энергии воплощением психоистории Айзека Азимова, в рамках которой вся психология, история и физика сводилась к статистике.

Но Аллен задался вопросом: есть ли вероятность, что теория, объясняющая всё, на самом деле не объясняет ничего? Очень похоже на то, что принцип свободной энергии если и не служит теорией всего, то очень близок к тому, чтобы ей стать.

Сам Фристон в беседах с журналистом Wired вёл себя очень сдержанно, предполагая лишь, что весьма многообещающими являются активный вывод и следствия из него. Пока неясно. Несколько раз он допускал, что, возможно, «несёт чепуху».

Да, было бы здорово, допускает Фристон, если бы принцип свободной энергии привёл к созданию полноценного искусственного интеллекта, но это не главное. Учёный признаётся: им движут два стремления. Прежде всего он хочет продвинуться в изучении шизофрении, помочь самым тяжёлым пациентам вроде тех, с которыми работал в Литтлморе.

«Здесь нет ни капли альтруизма, лишь желание и попытки понять мир полно и глубоко, объяснить его как можно проще. Второе стремление «гораздо более эгоистичное», берущее начало в том вечере, когда Фристон-подросток увидел цветущие вишни. Я писал это для себя"». Я часто вспоминаю шутки в свой адрес, — будто я не способен общаться — и думаю: "Я ведь писал это не для вас.

#искусственный_интеллект

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть