22.05.2016

Мозг и «чувствующие черепахи» Грея Уолтера

Уильям Грей Уолтер (William Grey Walter) входил в число пионеров сразу в двух научных областях — в нейрофизиологии и робототехнике. Он одним из первых в Великобритании применил метод электроэнцефалографии и установил, что по определенным параметрам электроэнцефалограммы можно определить, в каком участке мозга нарушена работа нервных клеток и как именно она нарушена. Кроме того, Грей Уолтер был членом междисциплинарного клуба Ratio, резиденты которого обсуждали новую тогда науку кибернетику. Уолтер, пользуясь своими знаниями о нейробиологии, создал несколько роботов, способных изменять свое «поведение» в зависимости от того, что происходит вокруг. И хотя многие считали, что машины Грея Уолтера — не более чем поделки для развлечения и начального обучения робототехнике, в основе уолтеровских «черепах» (так их называл конструктор) лежат интересные биологические принципы.

Родители Грея Уолтера, журналисты из США, познакомились в Италии. Их сын родился в Соединенных Штатах, но пара решила, что воспитывать сына они будут в Великобритании. Грей Уолтер закончил Королевский колледж в Кембридже (King's College, Cambridge), однако не смог получить место исследователя в университете, из-за чего вынужден был несколько лет проводить нейрофизиологические изыскания в лондонских клиниках. В 1939 Уолтер получил работу в только что открывшемся Институте неврологии Бердена (Burden Neurological Institute, в настоящее время не существует), где проработал вплоть до несчастного случая в 1970 году.

По иронии судьбы, происшествие, послужившее причиной отставки Уолтера, напрямую касалось области его исследовательских интересов: это была травма мозга, полученная в ходе дорожного происшествия. (К сожалению, ученый так и не оправился полностью от того ранения и умер в 1977 году в возрасте 67 лет.) Грей Уолтер был первым, кто связал определенные формы активности мозга, различимые на электроэнцефалограмме, с неврологическими и психиатрическими патологиями.

Электроэнцефалография

Электроэнцефалограмма (ЭЭГ) — запись суммарной электрической активности клеток мозга с помощью электродов, установленных на коже головы и смазанных электропроводящим гелем. Число электродов может быть различным; современные приборы используют обычно 64-128 штук. Электроды устанавливают симметрично по определенной системе. Самая известная из таких систем носит название «10-20»; эти числа обозначают проценты от расстояния между двумя крайними точками на черепе. В активности мозга выделяют несколько типов ритмов, обозначаемых буквами греческого алфавита: альфа-, бета-, гамма-, дельта-, мю-, сигма-, тета- и каппа-ритмы. По сути, это волны, которые отличаются друг от друга частотой и амплитудой. Некоторые из этих ритмов проявляются с открытыми глазами, некоторые — с закрытыми. Дельта-ритм в норме бывает у спящих людей, а тета-ритм — у уставших или готовых заснуть. Кроме того, большинство ритмов ЭЭГ проявляется в норме только в каких-то конкретных областях мозга, а их появление в других участках может быть сигналом проблем с работой нервной системы.

Грей Уолтер не только открыл связь «мозговых волн» с нервными патологиями — он впервые зарегистрировал некоторые ритмы ЭЭГ. Уолтер был одним из первых, кто вообще применил метод электроэнцефалографии в Великобритании. Ученый увлекся электрофизиологией после посещения в 1935 году германской лаборатории Ганса Бергера — исследователя, который впервые снял электроэнцефалограмму с поверхности головы человека. Сам Бергер использовал всего два электрода, на лбу и на затылке, и сумел зарегистрировать лишь альфа-ритм. (Как выяснилось позже, альфа-ритм характерен в первую очередь как раз для затылочных областей.) Германские коллеги Бергера считали его чудаком, а используемый им метод рассматривали как бесперспективный.

В отличие от немецких скептиков, Грей Уолтер загорелся идеей исследовать «мозговые волны». Вернувшись на родину, он сконструировал собственный электроэнцефалограф, взяв за основу аппарат Бергера и усложнив его. Уже через год, в 1936, Уолтер доказал связь необычного ритма ЭЭГ и шизофрении у одного из пациентов неврологической клиники. Оказалось, что ненормальную активность проявляют клетки опухоли больного, и место проявления этой активности на электроэнцефалограмме точно совпало с данными о локализации опухоли, полученными другими методами. Еще через некоторое время Грей Уолтер установил, что у многих больных эпилепсией во время бодрствования нередко проявляется дельта-ритм, меж тем как в норме он характерен для глубокого сна.

В конце 1940-х годов Уолтер пришел к мысли: а может, ритмы ЭЭГ не только отражают общее состояние человека, но и то, как мозг «сканирует» пространство вокруг его обладателя, получая различные сенсорные стимулы? Кроме того, в 1960 году ученый обнаружил так называемый потенциал готовности, существование которого, кстати, ставит под сомнение наличие у человека свободной воли. Потенциал готовности возникает в премоторной коре больших полушарий перед тем, как человек совершает какое-нибудь движение, и, что самое главное, до того как испытуемый осознает, что вообще собирается это движение совершить.

«Черепахи» Уолтера

Грей Уолтер начал конструировать различные агрегаты еще в детстве на пару с отцом. В зрелом возрасте это увлечение не пропало, и Уолтер продолжил создавать движущиеся машины. Только теперь он обладал знаниями об устройстве нервной системы и о достижениях кибернетики. В молодости Грей Уолтер симпатизировал идеям Ивана Петровича Павлова об условных рефлексах и даже ездил на обучение в лабораторию нобелевского лауреата в Санкт-Петербург. Однако Уолтеру все же было интереснее изучать, как работает мозг в целом, а не как устроены отдельные рефлекторные дуги. По мнению ученого, большое количество связей между несколькими логическими элементами могло обеспечить сложное поведение не хуже, чем множество однотипных, но слабо связанных между собой «нейронов». Кроме того, он считал, что искусственный интеллект нужно создавать на основе аналоговых элементов, а не цифровых (за использование последних ратовал, в частности, Алан Тьюринг, коллега Уолтера по клубу Ratio).

Уолтер неоднократно подчеркивал, что использует в первую очередь биологические принципы при создании своих роботов. За медлительность и приземистый вид Грей Уолтер называл своих роботов черепахами, а кроме того, давал имена каждому агрегату. Первые образцы назывались Элмер (ELMER: ELectro-MEchanical Robot) и Элси (ELSIE: Electro-mechanical robot, Light-Sensitive with Internal and External stability). Общее название роботов было построение по тому же принципу, что и видовые названия живых организмов: Элмер и Элси принадлежали к «виду» Machina speculatrix.

«Черепахи» имели настолько простое строение, насколько это возможно: три колеса, два моторчика, два реле, два конденсатора и один фотоэлемент. Все это было собрано из деталей от старых электроприборов и часов и накрыто «панцирем» — кожухом обтекаемой формы. Незамысловатая конструкция была призвана смоделировать важные формы поведения — исследование окружающего пространства, поиск и достижение цели. Фотоэлемент на «голове» робота находил самый яркий источник света из имеющихся и следовал за ним. Кроме того, Элмер и Элси работали без проводов, а на подзарядку самостоятельно приезжали в специальную коробку, внутри которой горела лампочка. При этом «особи» Machina speculatrix могли огибать разнообразные препятствия — например, зеркала, в которых отражались они сами вместе с источниками света. Правда, роботы некоторое время «плясали» перед зеркалами, будто бы раздумывая, что делать дальше. В некоторых заметках Уолтер упоминает такое поведение как пример самоузнавания, что вряд ли соответствует действительности.

Более поздние версии «черепах» могли отдавать предпочтение одному из двух одинаковых источников света. Кроме того, Грей Уолтер постоянно улучшал их скорость и траектории поиска объектов. А одна из последних моделей уолтеровских роботов, Ирма (IRMA: Innate Releasing Mechanism Analogue), был сконструирован так, чтобы изменять свое «поведение» в зависимости от сигналов, которые подавал другой робот. Таким образом, две Ирмы могли адаптировать свои действия к «поступкам» друг друга.

Последователи Уолтера разрабатывали «черепах» и после того, как сам исследователь прекратил свою деятельность. Новые модели роботов реагировали не только на свет, но и на звуки. Впоследствии «черепах» стали соединять с компьютерами, которые и подавали роботам сигналы к действию. В основе таких машин лежали уже несколько иные закономерности, чем у Грея Уолтера.

Светлана Ястребова

Источники:

1. polit.ru