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.

Когда британский король Георг III начал демонстрировать признаки маниакального синдрома, в обществе тут же понеслись слухи о сумасшествии монарха. 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.

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

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

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

На её основе Фристон разработал метод воксел-ориентированной морфометрии. В 2011 году были опубликованы результаты исследования, опиравшегося на другое изобретение Фристона — динамическое каузальное моделирование. 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).

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

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.

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

Второй закон термодинамики гласит, что вселенная стремится к распаду; но живые существа изо всех сил противятся энтропии. 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.

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

Чтобы представить, где эту теорию можно применить, стоит взглянуть на тех, кто собирается у порога лаборатории Фристона каждый понедельник. 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.

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

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

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

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

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

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. Их движения были случайны, а на солнце они попросту ползали быстрее.

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

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

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

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

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

Однако и Фристон, и школьный помощник перепутали психиатрию с психологией. 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.

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

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

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

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

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

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

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.

В 2001 году Хинтон решил переехать в Торонто. 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 стохастических систем.

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

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

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

Это одеяло, которое Фристону подарил сын, — понятная лишь своим шутка, описывающая, впрочем, идею, лежащую в основе принципа свободной энергии. 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.

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

Сама идея свободной энергии пришла из физики, и объяснить её, не задействовав формулы, весьма сложно. 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.

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. Другими словами, минимизируя свободную энергию, вы минимизируете неожиданность.

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.

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

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.

Для Фристона крайне важно превратить действие и движение в уравнение. Даже восприятие, уверен он, «полностью подчиняется действию». 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».

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

Когда мозг придаёт слишком малый или слишком большой вес сенсорной информации, происходит сбой. 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.

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. 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. При этом необходимо учитывать и представления о мире.

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

Несколько лет назад группа британских учёных решила вновь обратиться к свидетельствам о сумасшествии Георга III, в этот раз с помощью нового инструмента. 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. К завершению обучения система могла вычислить, было ли королевское послание написано во время припадка или же в ясном уме.

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

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

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. Предполагается, что нейронные сети должны думать как мы, но стимулированное обучение нас к такому не приведёт.

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

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. Система, в основе которой лежит принцип свободной энергии, создаёт награду сама — ей будет минимизация неожиданности.

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

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

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

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. Его идея — такого в истории ещё не было. Прежде мы словно были приговорены к тому, чтобы вечно скитаться в пространстве среди различных дисциплин, не имея, скажем, общей валюты. Теперь же у нас есть размен — принцип свободной энергии».

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.

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

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

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

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

#искусственныйинтеллект