New intelligence model could upend biology, genetics, medicine and AI

https://newatlas.com/biology/levin-bioelectricity-cellular-intelligence-dna/

Предложенная концепция проходится буквально по грани, предложив настолько разрушительные и философски глубокие идеи, насколько это вообще возможно для того, чтобы остаться в рамках научных исследований. Работа Майкла Левина в области клеточного интеллекта, биоэлектрической коммуникации и вариантах того, какой может быть модель интеллекта, основательно перетряхивает всё, что мы знали про мозг и сознание. 

Дисклеймер: здесь я частенько выкладываю статьи про мозг, биотехнологии, философские проблемы. Эта статья – свободный и адаптивный перевод довольно любопытного и объемного материала.

Дисклеймер два: в статье часто будут встречаться вырезки из интервью. Оформлять полотна текста как цитаты слишком вырвиглазово. Поэтому перед прямой речью будет прописано, что это именно речь автора исследований.

Чем так притягательна эта модель интеллекта?

В статье будут озвучены совершенно дикие идеи, поэтому важно понять, кто такой Майкл Левин. И что он не маргинал или псих. Майкл Левин директор Центра открытий Аллена в Университете Тафтса, а также Центра регенеративной биологии и биологии развития Тафтса и содиректор Института компьютерно сконструированных организмов. Он соавтор нескольких сотен исследовательских работ, что цитируются более 30 000 раз, а список выдающихся наград весьма внушителен.

Все это служит неким ориентиром, который стоит держать в поле зрения. Ведь этот обзор будет весьма необычным.

Также важно отметить, что Левин остается одним из ведущих исследователей в широкой и расширяющейся области. Это скорее визионерский материал, предлагающий достаточно оригинальное видение развития огромного научного пласта.

Клеточный интеллект как новая модель интеллекта. Переворачивая понимание ДНК

Существует некое общее представление про ДНК. Оно сводится к тому, что ДНК это модель, по которой строятся наши тела. Эдакий сжатый набор инструкций, которым руководствуются стволовые клетки. Согласно этим же инструкциям клетки понимают, где им расти и чем становиться, чтобы собрать полноценный организм. В интервью «главе TED» Крису Андерсону в 2021 году Левин объясняет одну проблему, связанную с этим понятием.

Ниже прямая речь Майкла Левина

Головастику, когда он становится лягушкой, приходится менять форму морды. Глаза, ноздри, челюсти — все эти элементы должны двигаться. Раньше считалось, что у в организме есть своего рода жестко запрограммированный набор последовательностей. Согласно с ними все эти элементы двигаются, и в итоге головастик становится лягушкой. Но несколько лет назад мы обнаружили довольно удивительное противоречие.

В научной среде есть такое явление как «головастик Пикассо» — это головастики, у которых могут быть смещены в сторону, челюсти глаза, ноздри… То есть, изначально все элементы находятся «не на своих местах». В итоге, эти головастики вырастают и приобретают обычные лягушачьи морды. Органы могут изначально находиться в неправильном положении, но в итоге они все равно складываются в нормальном порядке.

Таким образом, эта система, как и многие живые системы, не сводится к набору запрограммированных действий. Её принцип работы можно описать как: стремление уменьшить ошибку между тем, что происходит сейчас, и тем, что является «правильной конфигурацией» морды лягушки. Этот тип принятия решений, который включает в себя гибкую реакцию на новые обстоятельства. В другом контексте мы бы назвали это как новый вид интеллекта.

Мини вывод. «Головастики Пикассо» с искаженными чертами морды успешно перестраиваются в нормальных лягушек, демонстрируя гибкий тип «интеллекта» для решения проблем. Это в корне отличается от представления о жестком наборе инструкций, заложенных в ДНК. Но отчасти коррелирует с генетическим развитием когнитивных навыков.

Вопрос. Итак, если ДНК не взаимодействует с этими клетками посредством биохимических сигналов, то как клетки узнают на каком этапе проходит формирование организма и что делать дальше?

Биоэлектричество, как способ запитать модель интеллекта

Клетки определенно общаются биохимически и посредством физических сил. Но происходит еще нечто чрезвычайно любопытное. По сути, это можно назвать биоэлектричеством. Причем ненейронным биоэлектричеством. Оказывается, все клетки – не только нейроны, но и все клетки вашего тела – коммуницируют друг с другом с помощью электрических сигналов.

Майкл Левин

Левин и его команда начали отслеживать электрические сигналы в эмбрионах лягушек по мере их развития. В процессе зафиксировали, что как только клетки нового организма начинают делиться, они сразу формируют электрические сети. Длительное наблюдение сформировало смелый вывод: 

ДНК больше нельзя считать программным обеспечением или инструкцией, выполняя которую, клетки создают наше тело. Это больше похоже на аппаратное обеспечение, на котором работает интеллектуальная система.

Люди не в восторге от компьютерных аналогий в биологии. Эти аналогии несовершенны. Но эта аналогия, как я полагаю, очень точно передает суть. То, что геном делает, то, как он кодирует клетки — это аппаратное обеспечение. Геном сообщает каждой клетке, с каким микроскопическим оборудованием ей приходится работать. А роль оборудования берут на себя те белки, которые есть у клетки. И уже все, что происходит после этого — работа программного обеспечения.

Более того, это оборудование можно перепрограммировать. Геном не определяет напрямую вашу форму. Он не формирует содержимое воспоминаний, внутри сетей вашего тела. Он дает нам удивительное оборудование, которое выполняет некоторые функции по умолчанию, прямо из коробки. Но его также легко перепрограммировать.

Цитата из интервью 

Клетки образуют электрические сети, и эти сети обрабатывают информацию, в том числе и воспоминания о закономерностях. Они включают в себя видение крупномасштабных анатомических структур, где будут располагаться различные органы, где будут находиться разные оси животного… Знание о том, что спереди и сзади будет голова и хвост – буквально удерживается в электрических цепях крупных тканей точно так же, как мозг хранит другие виды воспоминаний и обучения.

По материалам интервью 2021 года

Суть в том, что эту структуру электрических связей можно взломать. Буквальный биохакинг.

Эксперименты с многоголовыми плоскими червями

Вы можете посмотреть на ситуацию шире, и дать этой межклеточной сети стимулы или входные данные так же, как если бы вы перепрограммировали компьютер. В результате у вас получится заставить эту сеть делать что-то, что совершенно ей не свойственно. Эти биоэлектрические сигналы дают нам точку входа непосредственно в программное обеспечение, которое управляет анатомией организма масштабно, и это предлагает совершенно иной подход к медицине, чем попытка изменить процессы внутри каждой клетки.

Майкл Левин

Для демонстрации Левин и его команда выбрали планарий – плоского червя, обитающего в пресной воде и обладающего замечательной способностью полностью регенерировать отрезанные части тела. У этих существ есть целый мозг, а также множество внутренних органов. И вы можете разрезать червя на некоторое количество частей, и каждая часть восстановит все, чего ей не хватает, чтобы сформировать полноценный организм.

Это система, в которой каждая частица знает, как выглядит целый планарий. И она может восстанавливать нужные органы в нужных местах, а затем тормозит этот процесс.

Майкл Левин

Левин и его команда отрезали головы и хвосты этих плоских червей, измерили электрический градиент между головными и хвостовыми частями и провели несколько экспериментов, чтобы выяснить, не приведет ли манипулирование этим электрическим градиентом к тому, что клеточные сети начнут строить неправильные части.

Объяснение того, как перепрограммируется эта модель интеллекта

Весь этот раздел – прямая речь Майкла Левина

Мы не применяем электричество. Мы используем белки ионных каналов, которые каждая клетка изначально использует для настройки своего электрического состояния. Со стороны, это словно включение и выключение крошечных транзисторов.С их помощью можно перевести эту схему в состояние, которое говорит «создать две головы» или «не создавать вообще никаких голов». И то, что вы здесь видите, — это настоящие черви, у которых либо две головы, либо ни одной. И все потому, что изменена электрическая карта — то, что клетки используют для принятия решений. 

В основе создания этих червей лежит безумный эксперимент. Вы берете одного из этих двухголовых червей и отрубаете обе головы, оставляя только нормальный средний фрагмент. Крайне важно понимать тот факт, что эти животные не были генетически отредактированы. Их геномная последовательность полностью дикого типа. 

Стандартная парадигма гласит, что если вы: 

• Избавились от этой дополнительной ткани. 
• Отредактировали геном.
• Создали оптимальные условия для роста.

То в итоге у вас вырастет совершенно нормальный червь. Самое удивительное то, что этого не происходит. Эти черви, если их снова и снова резать в привычной среде, продолжают регенерировать как двухголовые. Но это еще не конец.

Нормальные, безголовые и четырехголовые планарии — все жизнеспособны. Память шаблонов, по которым эти животные регенерируют после повреждений, переписана. И на самом деле, мы можем переписать ее заново и вернуть им одноголовость без какого-либо вмешательства в геном. 

Мини вывод. Информационная структура, сообщающая червям, сколько голов у них должно быть, находится не в геноме, а в дополнительном биоэлектрическом слое.

Теперь у нас есть возможность перезаписывать и другие факторы. И это, кстати, тоже ключевое определение памяти как элемента интеллекта. Память должна быть долговременной стабильной и перезаписываемой. И мы сейчас начинаем взламывать этот морфогенетический код, чтобы задаться вопросом, как эти ткани хранят карту того, что делать, и как мы можем пойти и переписать эту инструкцию для новых результатов? Что родится в итоге?

Рождение ксеноморфов

Ксеноморфы могут показаться чем-то далеким и космическим, н они уже используются в лабораториях. Вот первый пример работ Майкла Левина и его коллег.  Ксеноботы — группы клеток одного организма с возможностью самоорганизовываться в совершенно новых существ, которые используют клеточный интеллект и биоэлектрическую коммуникацию для развития уникального поведения. 

Не хотите создавать их самостоятельными? Не беда, эти же клетки можно проектировать и программировать извне.

Регенерация органов и новая модель интеллекта

Замечательно и то, что взлом различных организмов с использованием этого подхода может оказаться на самом деле гораздо проще, чем кажется. Нам не нужно понимать, как построить руку, глаз или мозг на молекулярном уровне. Клеточный интеллект уже знает, что делать. Нужно только запустить построение органа на макроуровне.

Левин приводит в пример построение глаз в кишечнике головастиков. Ниже прямая речь автора:

Запуская подпрограммы построения глаз на «физиологическом программном обеспечении организма», вы можете очень, очень легко приказать ему построить сложный орган. Это важно для сфер биомедицины, потому что мы сами не знаем, как выстроить глаза на микроуровне.

Целенаправленные изменения напряжения в ионных каналах у эмбриона лягушки вызывают формирование полностью эктопических глаз в необычных местах, например, в кишечнике.

Прямая речь Майкла Левина

Я думаю, пройдет много времени, прежде чем мы сможем выращивать функциональные человеческие глаза, руки и другие органы в биореакторах или другим экзогенным способом. Но нам это не нужно, потому что тело уже знает, как это сделать. Такие подпрограммы запускаются конкретными электрическими паттернами, которые мы можем обнаружить. Это то, что мы называем взломом биоэлектрического кода. И мы можем создать глаза, мы можем создать дополнительные конечности… Мы можем создать дополнительные сердца… Мы начинаем взламывать код, чтобы понять, где в этом программном обеспечении находятся подпрограммы, которые мы можем запустить.

Например, мы можем показать, что у взрослых лягушек, у которых обычно не восстанавливаются лапы, 24 часа стимуляции, при использовании методологии, позволяют отрастить новую пару лап за полтора года. 

Идея состоит не в том, чтобы управлять процессом на микроуровне, а в том, чтобы убедить клетки, что это именно то, что они хотят сделать – и у них есть все компетенции, сделать это.

Революционные последствия в регенеративной медицине

Если вы можете вырастить заново любую часть тела, которую захотите, с нуля, то вам доступна новая форма медицины. Причем с откровенно жутким потенциалом. И этот потенциал в области клеточного интеллекта и биоэлектрического взлома огромен.

Если задуматься, то большинство проблем биомедицины — врожденные дефекты, дегенеративные заболевания, старение, травматические повреждения и даже рак — сводятся к одному: клетки строят не то, что от них ожидается. Если бы мы поняли, как взаимодействовать с этими колониями клеток, как переписать их целевую морфологию, то мы смогли бы обеспечить распад опухолей, исправить врожденные дефекты, вызвать регенерацию конечностей и других органов.

Это то, что мы уже проделали на моделях лягушек. Следующий действительно революционный шаг — перенести это на клетки млекопитающих.

Погружаясь глубже: молекулярный интеллект

Группа Левина расширила сферу своего внимания, выйдя за рамки изучения живых клеток, и обнаружила, что шаблоны подпрограмм, которые могут выполнять часть работы, по-видимому, прослеживаются вплоть до молекулярного уровня.

Прямая речь Майкла Левина

Все эти уровни состоят из субагентов, которые решают задачи в различных пространствах: анатомическом пространстве, физиологическом пространстве, где угодно, — и у них разные компетенции и разные планы. Каждый уровень использует то, что я называю агентным материалом. Что-то, что позволяет проектировать организм совсем иначе, чем пассивную или даже активную материю.

И это касается даже клеток. Я имею в виду, что мы изучаем способность молекулярных сетей к обучению. Не говоря уже о целых клетках, даже молекулярные сети, вероятно, имеют по крайней мере шесть различных видов способности к обучению.

Нам важно сформировать какой-то способ, чтобы говорить о молекулярных системах как о системах, обладающих интеллектом. Это позволит полностью описать принципы масштабирования. Мы все начинаем жизнь как неоплодотворенная яйцеклетка и отдельный сперматозоид. Это капля химии и физики. И нет никакого момента, когда можно сказать: «Хорошо, вы были набором физических элементов, но теперь вы настоящий разум». Поэтому нам нужна парадигма того, как интеллект масштабируется и развивается из более простых форм.

Тот тип интеллекта, о котором я говорю, — это тот тип интеллекта, который Уильям Джеймс определил еще в 1890-тых годах как «способ преследовать одну и ту же цель, используя разные средства». Так что на самом деле это навигационный интеллект. Это публично наблюдаемая, прекрасно поддающаяся эмпирической проверке способность решать задачи. Я не определяю это как сознание и не говорю о самоосознавшем себя мета-интеллекте. Я говорю о способности ориентироваться в сложном, хаотическом пространстве и достигать целей, несмотря на различные новые факторы, которые происходят повсеместно. 

И это может объяснять наше необычное состояние мозга, зависшее в точке критического существования.

Объяснение того, как интеллект возникает на разных уровнях: от молекулярного до клеточного, от уровня организма до уровня роя и даже экосистемы.

TAME: Технологический подход, объясняющий модель интеллекта

В какой-то момент Левин и его команда начали находить проверяемые примеры существования гибкого «интеллекта», и таких примеров было все больше и больше. Поэтому ученым пришлось разработать подход, чтобы убедиться, что они не видят «Deus Ex Machina». 

Прямая речь Майкла Левина

Две мысли относительно наших разработок. 

Первая и самая главная. Наличие такого разнообразия интеллектов это не философское утверждение. Это эмпирическое, проверяемое, экспериментальное утверждение. Если вы думаете, что какая-то система обладает каким-то интеллектом, вы выдвигаете гипотезу о наличии проблем в пространстве, о цели, которая движет системой, и о компетенции, которые, по вашему мнению, есть у системы, и с которыми вы собираетесь проводить эксперименты.

Все не так, мы не рисуем воздушные замки, у нас есть очень конкретные гипотезы о способностях разного рода систем к решению задач. Невозможно просто сказать, что во всех объектах в мире живут «души». Однако, вы не можете доказать, что в наших клетках нет чего-то большего, чем сами клетки.

Вторая мысль. Когда вы делаете заявление о наличии интеллекта у какой-либо системы, вы, по сути, проводите систему через тест на IQ, потому что вы как наблюдатель говорите: «Вот что, по моим наблюдениям, может делать эта система». Проблема в том, что вы уже упустили из виду множество других факторов.

Сознание и искусственный интеллект: где провести черту

Как и во многих передовых областях современного дикого мира науки и техники, работы Майкла Левина находятся в неудобной близости от грани неизведанного и сфер философии и религии. Кто смотрел сериал «Грань» — дайте знать в комментарии)

Действительно, когда речь идет об искусственном интеллекте, в котором исследователи изо всех сил пытаются понять, что именно отделяет достаточно развитый ИИ от осознанного существа, работа Левина приближается к тому же барьеру, но с противоположной стороны.

Фреймворк TAME Левина может оценивать последние достижения в области ИИ и машинного обучения. По словам ученого, у его команды есть некоторые аргументы о сознании и подобным ему паттернам. Более того, ученые не могут доказать, что еще нет машин, которые обладают значительной — в некоторых случаях, человеческой степенью операционного интеллекта. Но этот ответ лежит скорее в зоне ответственности киберпсихологии.

В материалах журнала Frontiers in Systems Neuroscience, Левин выступает за «более инклюзивную структуру познания».

Прямая речь Майкла Левина

Какими бы ни были различия между нами и какой-то будущей архитектурой ИИ, результат не будет таким, каким мы его видим. Вот несколько плохих определений: 

• «Это всего лишь машина, она действует по законам физики и химии». Что ж, это то же самое, что и мы с вами. 
• «Я знаю, что это такое, потому что это линейная алгебра, и я вывел ее алгоритмы». Но мы обнаруживаем такие качества, как обучение и память в таких простых системах, как несколько генов, которые включают и выключают друг друга. Сеть дифференциальных уравнений, представляющих гены, включающие и выключающие друг друга – не говоря уже о целой клетке, не говоря уже о целом геноме, – это ничто иное. И первым биокодером мог быть Иван Павлов.

Мы обнаружили неожиданные возможности и решения проблем в таком тупом алгоритме сортировки, как пузырьковая сортировка. Строгие детерминанты: шесть строк кода, некуда спрятаться, никакой магии. Но если вы посмотрите на них правильно, вы обнаружите вещи, о которых даже не подозревали. То, чего буквально нет в алгоритме, но на что он способен.

Действительно, Левин решил провести собственную границу между живым клеточным интеллектом и искусственным интеллектом.

Несколько месяцев назад я начал писать статью, в которой очень четко изложил полдюжины факторов в биологии действительно важны для создания настоящих агентов, имеющих значение в моральном смысле. Например, «вот что делает биология, чего не делает ни одна из наших компьютерных архитектур».

И я остановился. И я не собираюсь писать эту статью. Не то чтобы это поможет – рано или поздно это сделает кто-то другой. Но я не хочу нести ответственность за эту ерунду. В какой бы степени я ни был прав, но есть огромная вероятность существования особенностей, которые, как мне кажется, обуславливают существование истинных разумных существ, о которых нам нужно будет позаботиться… В этом смысле я не хочу нести ответственность за создание триллионов из них и иметь никакого контроля над тем, как с ними обращаются. 

Чего стоит только сознание на базе суперкомпьютера или нейросеть, возведенная на основе живых частей мозга.

Новые формы разумной жизни?

Здесь мы приходим к ключевому моменту: можно ли создать новые формы сознательной, разумной жизни, используя идеи и методы, которые разработали автор и его коллеги. И здесь Левин однозначен.

Прямая речь Майкла Левина

Я думаю, это абсолютно возможно. Идея о том, что нечто особенное в разуме может быть создано только слепым, изобретательным агентом, который генерирует случайные мутации и выбирает определенные последовательности? Я не понимаю, почему у этого процесса должна быть монополия на создание «настоящего разума».

Я знаю, что есть люди, которые с этим не согласны. Ричард Уотсон один из них. Но я думаю, что есть много путей доказать мою правоту. Я думаю, у нас уже есть хорошая основа для выяснения того, какие фактические методологии и компоненты нам необходимы. И они не имеют ничего общего с продуктами, что родились из протоплазмы, или из любых других элементов, которые, как мы предполагаем, связаны с биологией. Я абсолютно уверен, что их можно реализовать в других средах.

Когда я читаю лекции по этой теме для обычной, случайной аудитории в традиционных областях науки, то большая часть материала — это то, о чем зрители никогда не слышали, или то, что кажется им совершенно неправильным на философском уровне. Поэтому я не уверен, где мы конкретно находимся в переходе между «это невозможно» к «это совершенно очевидно». Я думаю, что это путь, по которому мы идем, но я не уверен, где именно мы находимся… Если предположить, что мы все проживем достаточно долго, то это открытие перевернет все, что нам было известн. И так должно быть.

Наше будущее — это свобода воплощения. В будущем, как я вижу, наши дети, которым рассказывают истории о прошлом, говорят: «Вы, должно быть, шутите. Вы имеете в виду, что кто-то родился, и просто из-за капризов какого-то космического луча, сбоя в ДНК, он должен был остаться и умереть в теле, в котором родился? Может быть, их цель заключалась в большем IQ или более продолжительной жизни, но нет, они получили боль в пояснице и астигматизм, а затем умерли в 70 лет? Этого не может быть. Никто не может так жить!»

Вот такое будущее я вижу: и с той позиции наше нынешнее положение становится смешным. И так и должно быть. Это действительно смешно.