Mozek jako komplexní dynamický systém

Úvod

Redukcionistická myšlenka pocházející od R. Descarta[1] nám říká, že je možné veškeré hmotné prvky rozložit na jednotlivé části, které budeme moci zkoumat samostatně, aniž by došlo k jakýmkoliv ztrátám informací bez ohledu na celek. Ovšem již Aristotelés uvádí ve svých spisech nazvaných Metafyzika:

Celek je víc než souhrn jeho částí.

Descartův model je značně zjednodušený a je zřejmé, že tímto způsobem není možné postupovat. Vytrhneme-li z kontextu věty postupně jednotlivá slova a prozkoumáme je z hlediska sémantického, pochopíme sice jejich význam, ale to nám neřekne nic o významu původní věty[2]. Stejně tak to platí i v případě jiných komplexních systémů, mozku nevyjímaje.

Mozek a neurony

Základním stavebním prvkem mozku je neuron[3]. V jednom krychlovém milimetru této (mozkové) tkáně může být až 100 tisíc neuronů[4]. Jednotlivé neurony jsou vzájemně propojeny pomocí výběžků (dentrity a axony) - hovoříme o synapsích. V místech synapsí pak dochází k přenosu informací pomocí elektrochemického procesu. Zjednodušeně tento proces funguje tak, že jeden neuron z axonu vypustí neurotranstmiter[5], který spustí potřebnou reakci v dalším neuronu, který přeposílá informaci dále[6]. Způsob komunikace mezi neurony je pochopitelně mnohem složitější vzhledem k množství různých druhů neuronů a neurotransmiterů a vhledem k tomu, že na jednom neuronu může být i několik desítek synapsí.

Obrázek č. 1: Schéma neuronu (Zdroj: STERNBERG, Robert J. Kognitivní psychologie, str. 49)

Obrázek č. 2: Komunikace mezi neurony (Zdroj: STERNBERG, Robert J. Kognitivní psychologie, str. 53)

Z makroskopického hlediska je možné mozek rozdělit na 3 hlavní části: koncový mozek, střední mozek a zadní mozek. Každá z těch tří částí má několik důležitých struktur s různými funkcemi[7]. Z nejzajímavějších může být jmenována například amygdala[8], struktura ovlivňující hněv, agresi a pocit strachu. Mozek je dále rozdělen na dvě hemisféry propojené kalózním tělískem (corpus callosum), díky kterému spolu mohou komunikovat. Každá hemisféra plní jiné funkce[9]. Zajímavé je, že předávání informací do hemisfér je nejčastěji kontralaterální[10]. Levá hemisféra ovládá převážně motoriku pravé poloviny těla a naopak. U pachových informací je zase ipsilaterální[11] - informace z levé nosní dírky zpracovává levá hemisféra. Specializací hemisfér je mnoho a centra pro zpracovávání jednotlivých činností jsou rozptýlená po celé mozkové kůře[12].

Obrázek č. 3: Schéma mozku (Zdroj: STERNBERG, Robert J. Kognitivní psychologie, str. 71) 

Mozek zpracovává až pětinu krve cirkulující v krevním oběhu, pětinu dostupné glukózy a pětinu dostupného kyslíku[13]. Mozek je nejdokonalejším nástrojem lidského poznávání. Vrcholným cílem vědy, mimo snahy po komplexním zkoumání možných počátečních podmínek vzniku vesmíru[14], je vytvořit umělý mozek, který by byl stejně dokonalý jako ten lidský, nadán inteligencí, vědomím a schopností poznávat a učit se. K takovýmto pokusům nám v současné době slouží počítače. Některé z těchto pokusů si nyní popíšeme.

Pokusy o vytvoření umělé inteligence

Prvním průkopníkem v oblasti AI[15] se stal Alan Turing se svojí koncepcí univerzálního stroje, který by dokázal napsat veškerou matematiku. Problém však byl v počátečním nastavení tohoto stroje, který buď mohl vykonávat „výpočetní" operaci nekonečně dlouho nebo, v druhém případě, narazit na sekvenci, na kterou nebyl nadefinován[16].

Přesuňme se o několik let dále, kdy byl vytvořen počítačový program ELIZA[17]. Tento program má simulovat roli psychoterapeuta na sezení s pacientem. Z ukázek[18] se může zdát, že program chápe, o čem pacient hovoří a relevantně dokáže reagovat na jeho výroky. Po delším testování se však ukáže, že program pouze reaguje na určitá nadefinovaná klíčová slova stále stejným způsobem, jak uvádí Coveney a Highfield:

Na větu typu ‚Nelson Mandela je otcem nové Jihoafrické republiky.‘ by reagoval (program ELIZA) slovy: ‚Vyprávějte mi o svém otci.‘[19]

Obrázek č. 4: Příklad komunikace s programem ELIZA (Zdroj: STERNBERG, Robert J. Kognitivní psychologie, str. 533)

Jak již bylo naznačeno v úvodu, tento program rozkládá strukturu věty na jednotlivé elementy. Bohužel ELIZA v tomto případě ani sémanticky nechápe význam slova otec, ani se nedokáže sama učit nové a posunuté významy slov, ale čerpá pouze z nadefinovaných prvků. Pochopitelně by bylo možné tento problém vyřešit tak, že bychom programu nadefinovali všechny slova v celé šíři různých významů v závislosti na kontextu ostatních slov. Pravděpodobně by však ani potom nebyl program 100% úspěšný a celý proces by byl velmi zdlouhavý a namáhavý[20].

V 90. letech minulého století vytvořil Thomas Ray[21]program zvaný Tierra[22], který simuluje evoluci jednoduchých organismů. T. Ray vytvořil umělý, samoreplikující se organismus, který spustil v simulaci. Po určité chvíli se začaly objevovat mutace původního organismu a parazité, kteří nebyli sami schopni replikace, ale využívali k tomu jiné jedince. Z jediného prvku systému tak vzniklo poměrně komplexní společenství rozdílných organismů. Kritiky této simulace říkají, že celá evoluce od původního jedince až po finální rozvinuté společenství byla možná, i když nevědomky, předem zabudovaná do programu.[23] Nadefinovat tak složitý proces jako evoluce v Tierře, by pravděpodobně bylo možné, ale značně náročné. V případě, že je tato simulace autentická, může se jednat o významný krok k vytvoření skutečné umělé inteligence. Dá se předpokládat, že je jednodušší nechat AI, aby se vyvinula od základů sama z nějakého počátečního programu, než ji vytvářet jakoby od určitého bodu vývoje. Ve skutečnosti ani podrobně neznáme celou cestu vývoje mozku do podoby, jak jej známe u současného člověka.

Konvenční umělá inteligence selhala, protože přehlédla zásadní důležitost znalostí závislých na kontextu a schopnosti učit se při práci... Aby tudíž byl stroj inteligentní, musí být schopen interagovat se světem a zároveň se od něho učit. Tento stav věcí je výsledkem biologické evoluce: to je klíčová a přesto často pomíjená složka inteligence.[24]

V současné době se pomalu vracíme do doby sálových počítačů. Existují extrémně výkonné počítače, které zabírají celé místnosti[25]. Nejvýkonnější počítač současnosti[26] má výkon 2,3 petaflopů[27]. Mozek včely má přibližně kolem miliónu neuronů v mozku, jehož výkon je 10 teraflopů[28]. Budeme-li vycházet z této matematiky, tak na simulaci lidského mozku[29] by byl potřeba počítač o výkonu 10³¹ flopů[30]. Z těchto počtů vyplývá, že jsme zatím dosti vzdálení od možnosti provádět simulaci natolik složitého dynamického systému, jako je mozek, natož provádět opravdu kvalitní simulaci evoluce v měřítku dostatečně velkém (komplexní a dynamický systém), aby výsledné hodnoty byly využitelné. Jistě, všechny simulace a naměřené hodnoty jsou důležité, ale pořád se jedná jen o velmi zmenšené a zjednodušené modely, stále je to jen malá část celku. Splynutím přírody, vědy a počítačů by však umělý mozek na biologicko-technologické bázi mohl někdy vzniknout, mozek nadaný inteligencí a vědomím,[31]  stejně jako ten lidský.

Obrázek č. 5: Přehledová tabulka

Kognitivní věda

Nyní přecházíme do poslední části, kde se budeme zabývat vědomím a poznáváním. Co je vlastně vědomí či mysl? Každý člověk tyto pojmy chápe nějakým způsobem, ale věda zatím není schopná tyto jevy popsat, respektive odhalit, na jaké mozkové činnosti jsou napojené a co je způsobuje. V návaznosti na AI si pak můžeme klást otázku, zda bude možné vytvořit umělý mozek s vědomím. Krátce k vědomí:

Vědomí má k orientované pozornosti bezprostřední vztah: zahrnuje pocit, že si něco uvědomujeme - část tohoto obsahu může být pod prahem pozornosti. Z toho plyne, že pozornost a vědomí jsou množiny, které se překrývají.[32]

Předchozí výňatek nás uvádí do oblasti pozornosti a dále pak vnímání a paměti. Pozornost má 4 hlavní funkce: dělení pozornosti (můžeme se zabývat více úkoly zaráz), bdělost a detekce signálů (registrace impulzů a rychlá reakce), vyhledávání (hledání speciálních podnětů) a výběrová pozornost (vybíráme si objekty, kterým budeme věnovat pozornost či které budeme ignorovat)[33]. Vnímání jsou procesy zpracovávající senzorické jevy. Nejlépe je prozkoumaná oblast zrakové percepce. Paměť nám umožňuje ukládat informace a zpětně si je vybavovat a používat. Známe několik druhů paměti - senzorická, dlouhodobá, krátkodobá[34]; explicitní (používáme ji, pokud si chceme vzpomenout na nějakou určitou vzpomínku či odpovědět na znalostní otázku), implicitní (při řešení zautomatizovaných každodenních úloh - mechanismus čtení, význam slov)[35]. Existuje řada poruch výše zmíněných procesů v celé škále od nulového příjmu podnětů či vymazání paměti po extrémní pozornost a reakce či naprosto mimořádnou paměť.

Závěr

Stejně jako není možné celek rozkládat na části a ty zkoumat bez ztráty informací, tak ani nelze aplikovat principy mikrokosmických částí v oblasti makrokosmické. Zajímavý příklad nabízí například pokus managementu uplatnit modely velmi podobné neuronovým sítím v oblasti organizačních struktur. Organizační struktura nazvaná jako „funkční" se snaží modelovat případ, kdy je jeden člověk podřízen osmi specializovaným vedoucím[36]. Zatímco v případě neuronů či umělých neuronových sítích princip, kdy jeden prvek dokáže bez problémů přijímat informace od několika sousedních buněk, může fungovat, ve větším měřítku je tento model neuplatitelný[37].

Obrázek č. 6: Funkční organizační struktura (Zdroj: BLAŽEK & HÁLEK. Organizační struktura podniku, str. 20)

Obrázek č. 7: Hopfieldova plně pospojovaná neuronová síť (Zdroj: COVENEY & HIGHFIELD. Mezi chaosem a řádem, str. 160)

Existuje ohromné množství nejrůznějších teorií a oblastí vědeckého zájmu, které nebyly vůbec jmenované. Z těch nejzajímavějších stojí za to uvést například kvantovou teorii vědomí, memetiku či kognitivní archeologii. Dá se předpokládat, že mozek zůstane i nadále oblastí zájmu mnoha vědců a určitě se nemusíme bát, že brzy nebude co zkoumat a objevovat nové poznatky. Něco natolik složitého a dynamického jako je mozek, nelze poznat naráz. Zvláště ne v momentě, kdy ještě pořádně nerozumíme dynamice světa a nedokážeme rozhodnout, zdali je náš vesmír deterministický či stochastický. Avšak faktem je, že jsme se dokázali přiblížit podstatě informace. V mozku je informace elektrochemický proces. Ale čím je informace mimo mozek či nějakou hmotnou, pevně uchopitelnou strukturu? Výše zmíněná problematika evoluce či problematika redukcionismu a komplexity[38] nám poznání rozhodně neulehčuje.

Zdroje

BARROW, John D. Teorie všeho : Hledání nejhlubšího vysvětlení. 1. vyd. Praha : Mladá fronta, 2003. 272 s. Kolumbus; sv. 133. ISBN 80-204-0602-6.

BLAŽEK, I.; HÁLEK, Ivan. Organizační struktura podniku. Brno: Masarykova univerzita, [s.a.]. 30 s.

BOLOTIN, Yurii, TUR, Anatoli, YANOVSKY, Vladimir. Chaos : Concepts, Control and Constructive Use. 1st edition. [s.l.] : Springer, 2009. 198 s. Springer Complexity. Understanding Complex Systems. ISBN 978-3-642-00936-5.

COVENEY, Peter, HIGHFIELD, Roger. Mezi chaosem a řádem : Hranice komplexity: hledání řádu v chaotickém světě. 1. vyd. Praha : Mladá fronta, 2003. 432 s., 8. Kolumbus. ISBN 80-204-0989-0.

STERNBERG, Robert J. Kognitivní psychologie. 1. vyd. Praha : Portál, 2002. 632 s. ISBN 80-7178-376-5.

[1] Descartes dělil svět na 2 prvky: res extensa (věc rozprostraněná - hmotná substance) a  res cogitans (věc myslící - duchovní substance). Označováno jako karteziánský dualismus.

[2] Viz příklad programu ELIZA v části „Pokusy o vytvoření umělé inteligence"

[3] Obr. č. 1                                                 

[4] Sternberg, str. 48

[5] Nervový přenašeč - molekuly chemické látky. Dnes je známo více než 50 neurotransmiterů. (Sternberg, str. 55)

[6] Obr. č. 2

[7] Obr. č. 3

[8] Součást limbického systému koncového mozku spolu se septem a hipokampem.

[9] Levá hemisféra kontroluje jazykové funkce a pravá funkce vizuální a prostorové. (Sternberg, str. 86)

[10] Protistranné

[11] Stejnostranné

[12] Označována také jako šedá hmota mozková.

[13] Sternberg, str. 84

[14] Označuje se jako Teorie všeho. Především se pak jedná o oblasti moderní kosmologie a kvantové fyziky, které se v podstatě pokouší vytvořit nějakou univerzální matematickou teorii či fyzikální vzorec, který by jednoduše obsáhnul princip celého vesmíru. Úzce navazuje na bádání v teorii chaosu a nelineárních dynamických systémech a determinismus. (Barrow - Teorie všeho)

[15] Artificial intelligence

[16] Chaos: Concepts, Control and Constructive Use - str. 8-11 i s příkladem jak má Turingův stroj fungovat.

[17] Program vznikl v roce 1960. O tři roky později vzniká program PARRY simulující paranoidního pacienta.

[18] Obr. č. 4

[19] Highfield, Coveney - str. 152

[20] Zjistit více informací a „popovídat" si s Elizou můžete zde: http://epanel.cz/eliza/eliza.php

[21] Ekolog, v současnosti profesor Počítačové vědy na Univerzitě v Oklahomě.

[22] Ze španělštiny = země

[23] Thomas Ray toto obvinění popírá.

[24] Highfield, Coveney - str. 357

[25] Výhodou může být, že je takto možné vytvářet funkční modely relativně složitých neuronových struktur (sítí), které zvládají zpracovávat informace paralelně (víc informací současně), nikoliv jen sériově (krok za krokem, jedna po druhé). (Sternberg, str. 535; Highfield, Coveney - str. 154-164)

[26] Tzv. Jaguar (http://www.top500.org/system/10184 )

[27] FLOPS je zkratka pro „FLoating point Operations Per Second". FLOPS je měřítko pro výkonnost počítačů.

[28] Highfield, Coveney - str. 292

[29] Lidský mozek má asi 100 miliard neuronů.

[30] Obr. č. 5

[31] Highfield, Coveney - str. 358

[32] Sternberg, str. 91

[33] Sternberg, str. 103

[34] Trojsložkový model paměti. Sternberg, str. 186

[35] Sternberg, str. 184-185

[36] Blažek, Hálek - str. 20

[37] Obr. č. 6 & 7

[38] Systém bude vždy pouze částí většího systému. Jak tedy můžeme zkoumat cokoliv s ohledem na determinismus (asi trochu extrémní forma, ale je to spíše otázka filozofická).