Слет компьютерных эволюционистов

Основную массу участников Европейской конференции по

Кислым минам фанатов «Боруссии», огорченных поражением любимой команды, природа, в силу своей диалектичности, не могла не противопоставить улыбающиеся, открытые лица ученых, прибывших в Дортмунд на Европейскую конференцию по искусственной жизни (European Conference on Artificial Life).
В просторных залах, где еще пятьдесят лет назад отдыхали шахтеры, состоялся седьмой европейский съезд стахановцев, совершающих интеллектуальные подвиги на стыке computer science и эволюционной теории.

Все четыре дня конференции были до отказа заполнены лекциями и докладами. Организаторам даже пришлось сформировать два потока секций, на которых можно было услышать о компьютерном моделировании всевозможных проявлений жизни, начиная от самореплицирующихся молекул и заканчивая человеческой культурой.

Основную массу участников составляли компьютерщики, что характерно для этого научного направления. Биологи и химики, впрочем, были в меньшинстве количественно, но никак не качественно. Средний возраст участников, в отличие от большинства отечественных конференций, был ближе к студенческому, чем к профессорскому. «Наши» на конференции практически ничего не представляли (за исключением вашего покорного слуги, а также Михаила Прокопенко, который присутствовал лишь виртуально, в качестве соавтора одного из докладов). Отсутствие отечественных ученых, скорее всего, вызвано как приверженностью к более традиционным методам моделирования, так и тривиальной нехваткой денег.

Эволюция жизни начинается с возникновения протоклетки. Проблема моделирования и создания в лаборатории протоклетки — одна из основных в области искусственной жизни. Сегодня существует два подхода к решению этой задачи. Первый — попытка при помощи эволюции в пробирке создать простейшую клетку из различных макромолекул. Второй — постепенно упрощая одноклеточный организм, получить максимально примитивную одноклеточную систему. Исследователи, занимающиеся макромолекулами, изучают автокаталитические самовоспроизводящиеся цепочки химических реакций. На этом пути уже возникли схемы прикладного использования теории. Так, Гюнтер фон Кедровски (Gunter von Kiedrowski) продемонстрировал метод быстрого синтеза больших концентраций последовательностей ДНК. На фронте «упрощения» клетки дела тоже движутся: уже установлено, что из 500 генов самой примитивной из существующих в природе клеток работают лишь 100–150, остальные — бесполезные нейтральные последовательности. По оценкам ученых, для функционирования минимально возможной клетки необходимо примерно 50 генов, которые могут быть закодированы при помощи 1000 нуклеотидных пар.

В связи с протоклетками специально обсуждался вопрос о стратегии формирования общественного мнения и вообще о взаимоотношениях ученых и общества. С одной стороны, необходимо избежать граблей, на которые наступили исследователи стволовых клеток. Разрекламировав свою работу, чтобы добиться максимального финансирования, они вместо этого получили проблемы с проведением экспериментов из-за слишком пристального внимания общественности. С другой стороны, наука обязательно должна оставаться открытой, и каждый имеет право знать, что происходит за стенами лабораторий. Универсального рецепта участники дискуссии, конечно, не нашли, ограничившись очевидным выводом, что искусственная эволюция — штука потенциально опасная и надо стараться предвидеть возможные негативные последствия. Завершая дискуссию, Марк Бидо (Mark Bedau), президент международного общества по искусственной жизни, высказал здравую мысль: никто не может гарантировать, что прекращение исследований в какой-либо области науки не приведет к невозможности разрешить крупные проблемы в будущем, а раз так, то лучше действовать, чем ждать. На том и порешили.

Мягкая солнечная погода так и манила погреться на газоне перед конференц-залом, вместо того чтобы напряженно вслушиваться в не очень понятную речь японского докладчика. Но несмотря на все погодные перипетии, посещаемость лекций была стопроцентной. Интересно, нашелся ли бы хоть один читатель «Компьютерры», который предпочел бы солнечные ванны рассказу о попытках «связать» живой нейрон с чипом? Именно об этом говорил Питер Фромгерц (Peter Fromherz, Max Planck Institute for Biochemistry, www.biochem.mpg. de/mnphys). В первых экспериментах, начавшихся в его лаборатории еще в 1985 году, делались попытки зарегистрировать активность отдельного нейрона пиявки при помощи транзистора. К началу 90-х появились вразумительные результаты. Еще пять лет ушло на то, чтобы заставить нейрон генерировать импульсы в ответ на заряд емкости, расположенной на интегральной микросхеме. После того как элементарный интерфейс с нейроном был получен, появилась идея создать гибридный нейрочип, представляющий собой микросхему, на поверхности которой разместится сеть из живых нейронов. В микросхему должны быть встроены элементы интерфейса, которые позволят возбуждать, тормозить или регистрировать активность нейронов. Такая конфигурация даст возможность исследовать поведение нейронов, а также будет прототипом устройства, в котором параллельно идут вычисления на логическом и нейронном уровне.

Идея замечательная, но живые нейроны перемещаются в пространстве — ползают по поверхности чипа. Чтобы предотвратить сползание с мест, отведенных под контакт клетки со схемой, ученые посадили клетки за «забор», вытравленный из полиамида. Забор позволяет нейронам соединяться друг с другом, но не дает уйти с контактной площадки. Чтобы сформировать необходимую топологию связей между нейронами, приходится прибегать к дополнительным ухищрениям. Так, можно нанести на поверхность чипа маску из межклеточного белка, вдоль которой будут ветвиться отростки клетки. Но нейрон старается «минимизировать» длину отростков, соединяясь с целевой клеткой по прямой, что не всегда выгодно исследователю. Поэтому всю топологию желаемой нейронной сети, состоящую из круглых площадок для тела нейрона и узких каналов для отростков, стали вытравливать в толстом слое полиэфира. Кроме того, необходимо, чтобы отростки поворачивали в нужном направлении на развилках — это можно осуществить при помощи локальной электрической стимуляции.

На вопрос о возможных приложениях исследований, заданный студентом, воодушевленным лекцией и ожидающим скорое пришествие симбиоза мозга и компьютера, Питер Фромгерц отвечал скромно. Пока технология еще очень далека от создания работающего интерфейса между мозгом и компьютером, но существует другое важное для нейронауки приложение — картирование мозга. Если создать матрицу с большим числом регулярно расположенных активирующих и считывающих элементов, то с ее помощью можно выяснить, как связаны друг с другом различные области на живых срезах мозга.

Конечно, кроме приглашенных лекций были обычные доклады и стенды. Лучшей, по мнению участников конференции, стала презентация под названием «Распознавание образов в корыте» («Pattern Recognition in a Bucket», Chrisantha Fernando and Sampsa Sojakka, www.cogs.susx.ac.uk/users/sampsas/ bucket.pdf). Перцептрон (классическая вычислительная модель нейрона) не может решить задачу «исключающего или» (это один из знаменитых результатов в области нейрокомпьютинга), а что делать, если есть только перцептрон и обязательно нужно решить эту задачу? «Просто добавь воды!» — утверждают авторы работы. Берем емкость, в которой вода имеет достаточно большую открытую поверхность. Помещаем туда два источника волн, при помощи которых будет кодироваться задача. Дешевой веб-камерой снимаем волнение поверхности и подаем картинку на вход перцептрона. Перцептрон успешно решает поставленную задачу. Но это не все: если добавить еще шесть источников волн и промодулировать амплитуду их колебаний речевым спектром, то перцептрон сможет уверенно различать отдельные слова, например «ноль» и «один». Видать, не зря школьные плакаты советских времен учили: «Вода — народное богатство, береги ее!».

Все это обилие разношерстных новых идей порождало ощущение, что я уже где-то видел нечто подобное. Ах да, вспомнил! Читайте праотца искусственной жизни — Станислава Лема!