På väg mot en grundläggande teori om medvetandet

Ursprunget och naturen av medvetna upplevelser — ibland kallad med det latinska ordet qualia — har varit en gåta för oss ända sedan antiken fram till nyligen. Många medvetandefilosofers, inklusive moderna, anser att existensen av medvetande är så oacceptabelt i kontrast till vad de anser vara världen av materia och tomhet, att de förklarar det som en illusion. Med andra ord, de antingen nekar till existensen av qualia i princip, eller hävdar att de inte kan studeras meningsfullt med hjälp av vetenskap.

Om denna påstående var sant — skulle artikeln vara väldigt kort. Och under rubriken skulle det inte finnas något. Men det finns något där…

Om medvetande inte kan förstås med vetenskapliga verktyg, skulle det bara behövas för att förklara varför du, jag och nästan alla andra är så säkra på att vi överhuvudtaget har känslor. Men det onda tandet orsakade mig svullnad. En sofistikerad argument för att övertyga om att min smärta är illusorisk, befriar mig inte en enda minut från dessa plågor. Jag har ingen sympati för en sådan dödsdömd tolkning av förhållandet mellan själ och kropp, så jag kommer förmodligen att fortsätta.

Medvetande är allt du känner (baserat på information från sensoriska sinnen), och sedan upplever (genom perception och förståelse).

En låt som fastnat i huvudet, smaken av en chokladdessert, en bultande tandvärk, kärleken till ett barn, abstrakt tänkande och medvetenheten om att en dag alla upplevelser kommer att ta slut.

Forskare närmar sig långsamt att lösa mysteriet som länge har bekymrat filosofer. Och kulmen av dessa vetenskapliga strävanden förväntas bli — en strukturerad arbets teori om medvetande. Det mest framträdande exemplet på tillämpningen av denna teori är fullfjädrad AI (detta utesluter inte möjligheten av att AI kan utvecklas utan en teori om medvetande, baserat på redan existerande empiriska tillvägagångssätt i utvecklingen av AI)

De flesta forskare tar medvetandet som en given och strävar efter att förstå dess relation till den objektiva världen som vetenskapen beskriver. För ett kvarts sekel sedan beslutade Francis Crick och andra kognitiva neurobiologer att lägga undan filosofiska diskussioner om medvetande (som har oroat vetenskapsmän ända sedan Aristoteles tid) och istället ge sig in på sökandet efter dess fysiska spår.

Vad är det egentligen i den extremt känsliga delen av hjärnsubstansen som ger upphov till medvetande? Genom att förstå detta kan forskarna hoppas närma sig lösningen på ett mer fundamentalt problem.
Specifikt letar neurobiologer efter neurala korrelat till medvetande (NCM) — de minsta neurala mekanismer som tillsammans är tillräckliga för en specifik medveten upplevelse av känslor.

Vad måste hända i hjärnan för att du ska uppleva tandvärk, till exempel? Måste vissa nervceller vibrera med någon magisk frekvens? Måste vissa särskilda "medvetandeneuroner" aktiveras? I vilka områden av hjärnan skulle sådana celler kunna finnas?

Neurala korrelat till medvetande

I definitionen av NCM är det viktigt att nämna "minimala". För hjärnan som en helhet kan betraktas som NCM — varje dag skapar den känslor. Ändå kan platsen specificeras ännu noggrannare. Ta ryggmärgen — en 46 centimeter lång flexibel nervtub inuti ryggraden, som innehåller cirka en miljard nervceller. Om ryggmärgen är helt skadad på nacknivå på grund av en skada, blir benen, armarna och kroppen förlamade; personen kan inte kontrollera tarmarna och urinblåsan och saknar kroppsliga känslor. Trots detta fortsätter sådana förlamade att uppleva livet i all sin mångfald: de ser, hör, luktar, känner känslor och minns lika bra som innan den tragiska händelsen förändrade deras liv radikalt.

Eller ta cerebellum — "lilla hjärnan" i den bakre delen av hjärnan. Detta hjärnsystem, en av de äldsta i evolutionär mening, deltar i kontrollen av motorik, kroppens position och gång, samt ansvarar för att utföra komplexa sekvenser av rörelser smidigt.
Att spela piano, skriva på ett tangentbord, konståkning eller klättring — alla dessa aktiviteter involverar cerebellum. Det är utrustat med de mest berömda neuronerna som kallas Purkinjeceller, som har sina utlöpare som svajar som en havskorall och rymmer en komplex elektrisk dynamik. Dessutom innehåller cerebellum det största antalet neuroner, cirka 69 miljarder (det är huvudsakligen cerebellära labrocyter i form av stjärnor) — fyra gånger fler, än hela hjärnan tillsammans (kom ihåg — detta är en viktig punkt).

Vad händer med medvetandet om en person delvis förlorar lilla hjärnan på grund av en stroke eller kirurgi?

Nästan ingenting kritiskt för medvetandet!

Patienter med sådan skada klagar på några problem, som mindre flytande spel på piano eller mindre skicklig skrivning på tangentbord, — men aldrig på total förlust av något aspekt av sitt medvetande.

Den mest detaljerade forskningen om hur skador på lilla hjärnan påverkar kognitiva funktioner har studerats omfattande i samband med poststroke cerebellär affektiv syndrom.Men även i dessa fall, förutom koordinerings- och rumsproblem (ovan), har endast icke-kritiska störningar i exekutiva aspekter av kontroll konstaterats, karakteriserade av perseverationer,splittring och en marginell minskning av inlärningsförmågan.

Det omfattande lilla hjärnans apparat har inget att göra med subjektiva upplevelser. Varför? En viktig ledtråd finns i dess neurala nätverk — det är helt enhetligt och parallellt.

Lilla hjärnan är praktiskt taget en direkt kommunikationskedja: en rad neuroner matar den nästa, som i sin tur påverkar den tredje. Det finns inga återkopplingsslingor som skulle svänga fram och tillbaka inom den elektriska aktiviteten. Dessutom är lilla hjärnan funktionellt delad i hundratals, om inte fler, oberoende beräkningsmoduler. Var och en av dem arbetar parallellt, med isolerade och icke överlappande ingångar och utgångar som kontrollerar rörelser eller olika motoriska eller kognitiva system. De interagerar nästan inte med varandra, medan medvetande — det är en annan nödvändig egenskap.

En viktig lärdom man kan dra från analysen av ryggraden och lilla hjärnan är att geni av medvetande inte föds så lätt på något ställe där nervvävnad aktiveras. Något mer behövs. Denna ytterligare faktor ligger i det grå material som utgör den beryktade hjärnbarken — dess yttre yta. All tillgänglig data tyder på att skapandet av sensationer involverar neokortikala vävnader.

Området för medvetandets fokus kan smalnas ytterligare. Låt oss ta till exempel experiment där höger och vänster öga utsätts för olika stimuli. Föreställ dig att bilden av en "Lada Priora" bara syns för ditt vänstra öga, medan bilden av en "Tesla S" endast syns för det högra. Man kan anta att du skulle se en ny bil som en överlagring av Lada och Tesla över varandra. Men i verkligheten kommer du under några sekunder att se Ladan, efter det försvinner den och Teslan dyker upp — och sedan kommer Teslan att försvinna, och Ladan kommer tillbaka. De två bilderna kommer att växla i en oändlig dans — forskarna kallar detta binokulärt tävlande, eller retina-konkurrens. Hjärnan tar emot ambigösa signaler utifrån, och den kan inte bestämma sig: Är det Lada eller Tesla?

Om du ligger inne i en tomograf som registrerar hjärnaktivitet, konstaterar forskarna aktivitet i ett brett spektrum av kortikala områden, som gemensamt kallas "den bakre heta zonen" (posterior hot zone). Det handlar om parietala, occipitala och temporala områden i bakre delen av hjärnbarken, och de spelar en avgörande roll i att spåra vad vi ser.

Det är intressant att den primära visuella cortex, som tar emot och överför information från ögonen, inte speglar vad en person ser. En liknande arbetsdelning observeras även i hörsel och känsel: den primära auditiva och den primära somatosensoriska cortex bidrar inte direkt till innehållet i auditiv och somatosensorisk erfarenhet. Medveten perception (inklusive bilder av Lada och Tesla) uppstår i de efterföljande bearbetningsstadierna — i den bakre heta zonen.

Det visar sig att visuella bilder, ljud och andra livsupplevelser uppstår inom den bakre cortex av hjärnan. Såvitt neurobiologer kan bedöma, börjar nästan alla medvetna upplevelser just där.

Medvetenhetsräknare

För operationer sätts patienter till exempel under anestesi så att de inte rör sig, behåller stabilt blodtryck, inte upplever smärta och senare inte har traumatiska minnen. Tyvärr lyckas man inte alltid med detta: varje år är hundratals patienter under anestesi i någon grad medvetna.

En annan kategori av patienter med svår hjärnskada till följd av trauma, infektioner eller allvarlig förgiftning kan ibland existera i flera år utan förmåga att tala eller reagera på tilltal. Att bevisa att de upplever livet är en extremt svår uppgift.

Föreställ dig en astronaut som förlorat sig i universum, som lyssnar på försöken från flygkontrollcentret att kontakta honom. En trasig radio sänder inte hans röst, vilket gör att världen anser honom vara försvunnen. Ungefär så här kan man beskriva den hopplösa situationen för de sjuka vars skadade hjärnor berövat dem kontakten med världen – en slags extrem form av ensamfängelse.

I början av 2000-talet använde Julio Tononi från University of Wisconsin-Madison och Marcello Massimini för första gången en metod kallad zap and zip, för att avgöra om en person är medveten eller inte.

Forskarna placerade en spole med trådar på huvudet och skickade genom den en elektrisk stöt (zap) – en stark laddning av magnetisk energi som orsakade en kortvarig elektrisk ström. Detta aktiverade och bromsade partnerscellernas neuroner i de sammanslutna områdena av kedjan, och en våg av energi skapade resonans över hjärnbarken tills aktiviteten avtog.

Nätverket av elektroencefalogram sensorer fästa vid huvudet registrerade elektriska signaler. I takt med att signalerna gradvis spred sig omvandlades deras spår, var och en motsvarande en viss punkt under skallens yta, till en film.

Registreringarna visade ingen typisk algoritm – men de var inte helt slumpmässiga.

Intressant nog, ju mer förutsägbara de blinkande och avtagande rytmerna var, desto högre var sannolikheten för att hjärnan befann sig i ett medvetslöst tillstånd. Forskarna mätte detta antagande genom att komprimera videodata med en algoritm som används för att komprimera datorfiler i ZIP-format. Komprimeringen gav en uppskattning av hjärnans reaktionskomplexitet. Frivilliga som var medvetna visade en "komplexitetskoefficient för störningar" från 0,31 till 0,70, medan indexet sjönk under 0,31 när de var i ett djupt sömn- eller anestesitillstånd.

Därefter testade teamet zip and zap på 81 patienter som var i minimalt medvetande eller inte vid medvetande (i koma). I den första gruppen, som visade vissa tecken på icke-reflexivt beteende, visade metoden korrekt att 36 av 38 var vid medvetande. Av 43 patienter i "grönsakstillstånd", med vilka anhöriga vid sängen aldrig kunnat etablera kommunikation, kategoriserades 34 som medvetslösa, medan nio inte kategoriserades så. Deras hjärnor reagerade på liknande sätt som de som var vid medvetande, vilket innebar att de också var vid medvetande, men inte kunde kommunicera med sina nära och kära.

Aktuella studier syftar till att standardisera och förbättra metoden för neurologiska patienter samt att sprida den till patienter i psykiatriska och pediatriska avdelningar. Med tiden kommer forskarna att identifiera ett specifikt set av nervmekanismer som ger upphov till upplevelser.

I stort sett behöver vi en övertygande vetenskaplig teori om medvetande som svarar på frågan under vilka omständigheter ett visst fysiskt system — oavsett om det är en komplex kedja av neuroner eller kiseltransistorer — upplever sensationer. Och varför skiljer sig kvaliteten på upplevelser? Varför känns en klar blå himmel annorlunda än gnisslet från en dåligt inställd fiol? Har dessa skillnader i sensationer någon specifik funktion? I så fall, vilken? Teorin skulle möjliggöra att förutsäga vilka system som skulle kunna uppleva något. I avsaknad av en teori med testbara förutsägelser bygger varje slutsats om medvetande hos maskiner enbart på vår interna känsla, som, som historia av vetenskapen har visat, bör litas på med försiktighet.

En av de grundläggande teorierna om medvetande är teorin om globalt neuralt arbetsutrymme (GWT), som föreslogs av psykologen Bernard Baars och neurobiologerna Stanislas Dehaene och Jean-Pierre Changeux.

För att börja påstår de att när en person blir medveten om något, får många olika delar av hjärnan tillgång till denna information. Men om en person agerar omedvetet, så lokaliseras informationen i det specifika sinnesmotoriska systemet (sensorimotoriskt). Till exempel, när du skriver snabbt, gör du det automatiskt. Om du skulle fråga hur du gör det, skulle du inte kunna svara, eftersom du har begränsad tillgång till denna information, som är lokaliserad i nervkedjorna som kopplar ögonen med snabba finger rörelser.

Den globala tillgängligheten skapar bara en ström av medvetande, eftersom om en process är tillgänglig för alla andra processer, så är den tillgänglig för dem alla – allt är kopplat till allt. Så genomförs mekanismen för undertryckande av alternativa bilder.
Denna teori förklarar väl olika psykiska störningar, där fel i individuella funktionella centra, kopplade till mönster av nervaktivitet (eller hela områden av hjärnan), förvränger den övergripande strömmen av "arbetsutrymme", vilket förvränger bilden jämfört med det "normala" tillståndet (hos en frisk person).

På vägen mot en grundläggande teori

Teorin "GWT" hävdar att medvetandet härstammar från en särskild typ av informationsbearbetning: detta är något vi känner till från begynnelsen av AI, när speciella program hade tillgång till en liten allmän databas. All information som skrivs upp på "anslagstavlan" blir tillgänglig för en rad stödfunktioner – arbetsminne, språk, planeringsmodul, ansikts- och objektigenkänning, etc. Enligt denna teori uppstår medvetandet när den registrerade sensoriska informationen på anslagstavlan överförs till många kognitiva system — och de bearbetar data för talåtergivning, minneslagring eller handlingar.

Eftersom platsen på en sådan anslagstavla är begränsad, kan vi vid varje given tidpunkt endast ha en liten mängd information. Nätverket av neuroner som överför dessa meddelanden antas befinna sig i de frontala och parietala loberna.

Så snart dessa knapphändiga (spridda) data överförs till nätverket och blir offentliga, blir informationen medveten. Det vill säga, subjektet medvetandegör den. Moderna maskiner har ännu inte nått en sådan nivå av kognitiv komplexitet, men det är bara en tidsfråga.

Teorin om "GWT" hävdar att framtidens datorer kommer att vara medvetna.

Den allmänna informationsteorin om medvetande (IIT), utvecklad av Tononi och hans kollegor, använder en helt annan utgångspunkt – själva upplevelserna. Varje upplevelse har sina särskilda nyckelkarakteristika. Den är immanent, existerar endast för subjektet som "ägare"; den är strukturerad (den gula taxi bromsar in medan den bruna hunden springer över gatan); och den är konkret – den skiljer sig från varje annan medveten upplevelse, precis som en enskild scen i en film. Dessutom är den hel och bestämd. När du en varm klar dag sitter i parken på en bänk och observerar barnens lek, kan olika element av upplevelsen – vinden som fläktar i håret, känslan av glädje över barnens skratt – inte separeras utan att upplevelsen slutar vara vad den är.

Tononi postulerar att sådana egenskaper – det vill säga en viss nivå av medvetenhet – finns hos varje komplex och sammanhängande mekanism, vars struktur kodar en uppsättning orsak-och-verkan-relationer. Detta kommer att kännas som något som kommer inifrån.

Men om en mekanism, likt lillhjärnan, saknar komplexitet och sammanhang, kommer den inte att medvetandegöra något. Som denna teori säger,

är medvetande en ofrånkomlig slumpmässig förmåga, kopplad till sådana komplexa mekanismer som den mänskliga hjärnan.

Teorin här härleder från komplexiteten i den sammanlänkade strukturen ett enhetligt icke-negativt tal Φ (uttalas "fy"), som kvantitativt uttrycker detta medvetande. Om Φ är noll, så är systemet överhuvudtaget inte medvetet. Och tvärtom, ju större talet är, desto mer inneboende slumpmässig kraft har systemet och desto mer medvetet är det. Hjärnan, som har en enorm och högtspecificerad koppling, har ett mycket högt Φ, vilket antyder en hög medvetandenivå. Teorin förklarar olika fakta: till exempel varför cerebellum inte är involverat i medvetandet eller varför zip and zap räknaren verkligen fungerar (de siffror som räknaren ger ut är grovt sett Φ).

Teorin "IIT" förutspår att en avancerad simulering av den mänskliga hjärnan baserad på en digital dator inte kan vara medveten - även om dess tal inte går att skilja från mänskligt tal. Precis som en simulation av den massiva gravitationen hos ett svart hål inte deformerar rumtiden runt den kod som datorn använder, programmerad medvetande kommer aldrig att ge upphov till en medveten dator. Giulio Tononi och Marcello Massimini, tidskriften "Nature" 557, S8-S12 (2018)

Enligt IIT kan medvetande inte beräknas eller räknas ut: det måste integreras i systemets struktur.

Den huvudsakliga uppgiften för moderna neurobiologer är att använda de allt mer avancerade verktyg som står till deras förfogande för att studera de oändliga kopplingarna mellan olika neuroner som utgör hjärnan, för att ytterligare skissa på de neurala spåren av medvetande. Med hänsyn till det trassliga utseendet på CNS kommer detta att ta årtionden. Och slutligen formulera en grundläggande teori baserat på fragment av de som redan finns. En teori som ska förklara den stora gåtan i vår existens: hur ett organ som väger 1,36 kg och har en sammansättning som liknar sojaböna får liv.

En av de mest intressanta tillämpningarna av denna nya teori, enligt mig, är möjligheten att skapa AI med medvetande och det viktigaste - känslor. Dessutom kommer den fundamentala teorin om medvetande att ge möjligheter att utveckla metoder och vägar för att uppnå en snabbare evolution av mänskliga kognitiva förmågor. Människan - framtiden.

Huvudkälla

Källa: habr.com