Mozek jako síť agentů

Ing. Jan Burian vystudoval informační a znalostní inženýrství na Vysoké škole ekonomické. Zabývá se modelováním poznávacích procesů a dynamikou sociálních multiagentních systémů a na toto téma dokončuje na VŠE disertační práci.

Jaký je současný stav poznání lidského mozku? Jak rozumíme procesům, které se zde odehrávají, jak umíme léčit poškození a nakolik je reálné normální funkce mozku zdokonalovat, nebo dokonce přidávat funkce nové? Co dnes mediálně tak populární "implantáty" skutečně dokáží a co jsou spíše zbožná přání či spekulace? A vzato z jiného úhlu pohledu, jak pokrok neurověd přispívá k rozvoji systémů umělé inteligence? Na naše otázky odpovídá odborník na kognitivní vědu Jan Burian.

Obor, kterým se zabýváte, se označuje jako kognitivní věda. Mohl byste tento zatím ne úplně běžný pojem nějak upřesnit? Jaký vztah má kognitivní věda k neurovědám, jaký k umělé inteligenci a k dalším oborům?
Kognitivní věda je obor zkoumající poznávací procesy u organismů a jejich societ i u umělých systémů. Mezi poznávací procesy řadíme zejména vnímání, učení a usuzování, ale v širším kontextu i komunikaci, paměť, rozhodování, vědomí, kreativitu apod.
Poznávací procesy jsou společným tématem mnoha disciplín od psychologie, etologie a evoluční biologie přes neurovědy, kybernetiku, umělou inteligenci, lingvistiku až k filozofii mysli. Cílem kognitivní vědy je tyto obory propojit. Významnou roli v tomto úsilí hraje zejména interakce empirických pozorování biologie, psychologie a neurověd s formálními modely poznávacích procesů používaných v kybernetice a umělé inteligenci.
K jakému vývoji těchto oborů došlo v poslední době, řekněme za posledních pět let?
Neurovědy v posledních let těží z ohromného množství dat, které poskytují metody jako funkční magnetická rezonance (fMRI) nebo pozitronová emisní tomografie (PET). Tyto metody umožňují relativně detailní zobrazování dynamiky procesů probíhajících v mozku. Současně výpočetní technika umožnila tato data ukládat, analyzovat a vytvářet na jejich základě zjednodušené modely.
Pro umělou inteligenci jsou objevy neurověd neustálým zdrojem inspirace při konstrukci metod pro analýzu rozsáhlých databází, rozhodování v situacích s neúplnými či zašuměnými daty (například počítačová analýza obrazu), obecně v situacích, které nelze jednoduše analyticky popsat - to jsou totiž situace, které nastávají v reálném světě a které musejí naše mozky řešit.

Často můžeme číst o různých implantátech, které vrátí mozku jeho funkce, nebo mu dokonce jeho funkce přidají? Nakolik se jedná o výzkumné projekty a nakolik jsou již nasazovány do praxe? Mám trochu pocit, že už hrozně dlouho jsou všech těchto vynálezů plné stránky novin, ale kolem sebe je nevidím...
Některé smysly, jako například sluch, lze ve formě tzv. kochleárních implantátů do jisté míry nahradit. Podobné pokusy nahradit zrak jsou zatím v plenkách, jde o podstatně náročnější úkol.
Existují i pokusy nahradit i funkce některých částí mozku. V současnosti se například tým vedený Theodorem Bergerem pokouší navrhnout hardware, který by v reálném čase modeloval činnost části krysího hipokampu (část mozku, uplatňující se zejména při ukládání a vybavování informací), tj. jednalo by se o jakousi "protézu" této části mozku. Nutno podotknout, že se jedná pouze o velmi malou část hipokampu (v podstatě jen tenký řez) , a i tak zde vědci narážejí na řadu obtíží. Nejde jen o to zvládnout přesné modelování funkce této části mozkové tkáně, problémem je například i napojení elektronických částí zařízení na živou tkáň. Celá "protéza" navíc bude v první fázi externí, její miniaturizaci a implantace přímo do těla živočicha je zatím v nedohlednu.

To nezní příliš optimisticky...
Vzato ale z druhé strany, mnohem zajímavější je situace u implantátů, které jen přenášejí signály ven z mozku. Bouřlivě se rozvíjí průmyslová výroba zařízení, které pomocí elektrod snímají aktivitu přímo v mozkové kůře (což je mnohem přesnější než například pomocí EEG) a umožňují ochrnutým lidem pohybovat robotickou končetinou, ovládat kurzor počítače nebo hlasový syntetizátor.
Stejně se tak se rozvíjí i aplikace jednoduchých elektrických stimulátorů mozku; jde především o elektrody implantované do mozku stimulující podkorové oblasti. Tyto stimulátory mohou s relativně vysokou úspěšností léčit těžké případy Parkinsonovy choroby, některé formy chronických bolestí a patrně některé těžké případy deprese.

Jak jsme dnes daleko v přiřazování určitých mentálních procesů konkrétním pochodům v mozku?
Jsme určitě teprve na počátku, přesto jsou už dosažené výsledky velmi zajímavé. Ve velmi hrubých obrysech víme, které části mozku se podílejí na zpracování jednotlivých smyslových vstupů, které části plánují a řídí naši motoriku, známe oblasti podílející se na tvorbě a porozumění řeči, víme, které části ovlivňují naše emoce atd. Problém je se složitějšími mentálními procesy. Ale i zde jde vývoj kupředu, objevují se nové disciplíny jako neuroekonomie nebo neuropolitika. Dokážeme například lokalizovat mozková centra, která se podílejí na našem hodnocení a ovlivňují naše rozhodování. Ukazuje se, že ekonomické rozhodování není možné redukovat na "čistě racionální" jednání, ale u průměrného člověka je ovlivněno emocemi, konkrétně averzí k rizikovým a nejistým rozhodnutím (byť slibujícím případný vysoký zisk, takže "čistě racionálně" by se takové jednání v průměru vyplatilo). Jiné výzkumy zase ukazují, že voliči (alespoň podle výzkumů prováděných v USA) se většinou nerozhodují racionálně na základě volebních programů, ale spíše emotivně - trochu podobně, jako když fandíme sportovním týmům.
Tyto výsledky jsou však prozatím velmi hrubé. Jednotlivá mozková centra většinou nemají jen jednu funkci, ale podílejí se na nesmírně složitém vzorci vzájemných interakcí mezi mnoha dalšími centry a teprve souhrn těchto interakcí vede ke konkrétnímu prožitku a odpovídajícímu chování.
Podrobný popis těchto interakcí, které jsou základem složitějších mentálních procesů, je velký úkol, který do budoucna před neurovědou stojí. Současné zobrazovací technologie ani výpočetní technika na detailní zmapování těchto interakcí nestačí a nejspíš ještě nějakou dobu stačit nebudou. Nejde totiž jen o zmapovaní elektrických signálů mezi neurony, ale i o zmapování ještě o řády složitějších sítí chemických reakcí. Reakce, do kterých jsou zapojeny různé typy chemických přenašečů - neurotransmiterů, které zprostředkovávají okamžitou komunikaci mezi neurony, jsou zapojeny do rozsáhlých sítí reakcí, které modulují nervovou aktivitu dlouhodobě. Jde například o řízení genové exprese (tj. zapínání a vypínání určitých genů) neuronů a dalších typů buněk, které se na procesech v mozku podílejí.

Jak vlastně dnes výzkum lidského mozku probíhá? Mohou se ho nějak zúčastnit dobrovolníci, mohu provádět nějaké (smysluplné) pokusy sám na sobě?
Nejsem lékař, takže tady mě berte lehce s rezervou. Výzkum funkcí lidského mozku je každopádně nesmírně široká oblast. Většina poznatků o detailním fungování živého mozku pochází z pokusů na zvířatech a mnoho z těchto objevů lze zobecnit i na mozek lidský.
U lidských subjektů máme dnes k dispozici data z již zmíněných zobrazovacích technologií. Nadále se samozřejmě používají i tradiční metody, jako je EEG. Neurochirurgové získali řadu znalostí o fungování mozku také přímo při chirurgických výkonech. Při zákrocích v mozku je třeba zajistit, aby nebyly poškozeny nějaké důležité funkce v okolí operované tkáně, proto se tato oblast zkoumá pomocí slabé elektrické stimulace.
Funkčnost některých léčebných metod se ověří často až při její aplikaci - většinou jsou nasazena až u vážných případů rezistentních ke konvenční léčbě. Někdy se zjistí nečekané vedlejší účinky - například někteří pacienti s implantovaným stimulátorem pro léčbu příznaků Parkinsonovy choroby zakusili pocity euforie - stimulace začala neplánovaně zasahovat i centra zodpovědná za tyto emoce.
Dobrovolníci se ale mohou účastnit pouze pokusů, které nejsou nijak nebezpečné, spíše jde tedy o různé psychologické testy apod. Řadu psychologicko-kognitivních testů si můžete samozřejmě vyzkoušet i sami na sobě, populární jsou například různé optické iluze. Jakékoliv amatérské pokusy s přímou stimulací mozku, například magnetickou, ale nemohu rozhodně doporučit.

Přesuňme se od lidského mozku ke druhému tématu souvisejícímu s kognitivní vědou, tedy k umělé inteligenci. Pomáhá větší znalost o fungování lidského mozku v konstrukci umělých inteligentních systémů? Nebo je přenos poznatků z jednoho oboru do druhého spíše zbožným přáním v době, kdy se do módy dostává mezioborovost?
Efektivní inspirací, kterou světu počítačů poskytla biologie, představují neuronové sítě, multiagentní systémy nebo algoritmy umělé evoluce (vyhovující řešení je hledáno pomocí křížení, mutace a selekce).
Všechny tyto metody se ale využívají již poměrně dlouho. V současnosti se v oblasti umělé inteligenci rozhodně žádná změna paradigmatu nekoná, nedá se říci, že by například poznatky o lidském mozku získané pomocí magnetické rezonance přinesly nový pohled na vývoj expertních systémů.

To zní, skoro jako kdyby vývoj umělé inteligence stagnoval...
Vůbec ne. Stále se objevují nové architektury neuronových sítí a rozšiřují se oblasti jejich aplikací. Bouřlivě se také rozvíjejí evolučních metody, objevují se první reálné systémy (obvody, antény, molekulární konfigurace atd.) navržené umělou evolucí, které jsou lepší než cokoliv, co by bylo možno navrhnout konvenčně.
Výrazným současným trendem jsou snahy o sémantické zmapování internetu, tj. označení obsahu dokumentů a mediálních souborů pomocí sítí přesně definovaných významových souvislostí (tzv. ontologií). To zjednoduší automatizované zpracování obsahu internetu pomocí vzájemně komunikujících softwarových agentů.
Obecně se projevuje stále silnější tendence směrem k distribuovanému řešení problémů pomocí systémů agentů komunikujících ve vyšších jazycích. Zde opět nacházíme inspirace z neurověd - i lidský mozek si můžeme zjednodušeně představit jako složitě komunikující mnohaúrovňový multiagentní systém.
V budoucnosti (spíše vzdálenější) by nám poznatky o fungování mozku mohly pomoci budovat umělé systémy, které nebudou řešit jen úzce specializované problémy, ale poradí si i s komplexností reálného světa.

Mohl byste upřesnit, co jsou to softwarové agenty a jak se liší od klasického kódu/programu? Kde se dnes používají?
Vlastností agentů obecně je autonomnost, tj. řídí sami sebe, rozhodují se, jak zpracují zprávy, které k nim přicházejí, a situovanost, tj. existují v nějakém prostředí, musejí se v něm orientovat a v reálném čase reagovat na jeho změny. Příkladem takové agenta může být robot, který zkoumá povrch cizí planety a neřídí ho lidský tým. Softwarový agent je ten, který je autonomní a je situován do prostředí, kterým může být počítačová síť (např. internet), rozsáhlá databáze, model nějakého reálného prostředí apod.

Jaký je dnes "ekonomický potenciál" neurověd? Existuje zde nějaký trh/soukromý sektor? Co všechno si mohu (legálně) objednat a používat, pokud nepůjde o léčbu?
Ekonomický potenciál je značný. Řada firem začíná úspěšně podnikat ve výrobě různých léčebných zařízení, které jsou v přímém v kontaktu s mozkem. Stimulátorů, které léčí Parkinsonovu chorobu, již bylo aplikováno mnoho desítek tisíc.
To ovšem nejsou technologie, které by si mohl koupit běžný smrtelník. Velkou překážkou je již jenom nutnost vážného lékařského zákroku.
Existují ovšem i technologie pro nepřímou, neinvazivní, stimulaci mozku, např. pomocí magnetického pole. Za cca 200 eur si na internetu můžete objednat tzv. Shakti helmu. Tento mírně kontroverzní výrobek stimuluje slabým magnetickým polem oblasti mozkové kůry, které souvisejí s mozkovými centry, jako je amygdala nebo hypokampus. Pole je velmi slabé, ale je přesně modulováno podle charakteristické aktivity příslušných mozkových center. Výrobci slibují navozování různých typů pocitů od slasti až po spirituální prožitky.
Jiná metoda magnetické stimulace, takzvaná transkraniální magnetická stimulace, pracuje s podstatně silnějším magnetickým polem a přímo vyvolává slabý elektrický proud v mozkové kůře. Tato technologie se používá k výzkumu funkcí mozku a k léčbě deprese, ale není běžně dostupná a musí ji ovládat školený personál.
Největší byznys ale představují léky či různé potravinové doplňky, které zdokonalují některé naše kognitivní schopnosti, například paměť a soustředění.

Myslíte si, že se dočkáme doplňků, které budou mozku nejen léčit poškození, ale i přímo nové funkce přidávat? Budu třeba moci pomocí nějakého implantátu podobně jako včela vidět i v ultrafialové části spektra? Budu tímto způsobem moci zvládnout slovní zásobu cizího jazyka? Jaké jsou nejzajímavější projekty v této oblasti?
Asi vás zklamu. V současnosti, kromě již zmíněných léků zlepšujících kognitivní funkce, po pravdě řečeno nevím o žádném seriózním projektu, který by měl zdokonalit nebo přidat nové kognitivní funkce zdravým lidem pomocí nějakého typu implantátů. Vše je to zatím v oblasti spekulace, tady je ovšem prostor široký. Spekulovat můžeme například o tom, že se možná dočkáme zařízení, které zlepší či budou podporovat naši paměť, zlepší naši schopnost soustředění, zostří či doplní naše smysly. Opět ale půjde o vzdálenější budoucnost.
Mnohem reálnější jsou pokusy s tzv. extended reality. Přitom nejde o žádný zásah do mozku, ale použijí se technologie, které naše běžné vnímání, například zrak, doplní o informace zprostředkované počítačem. Tyto informace jsou promítány dovnitř speciální helmy, brýlí, či přímo na sítnici oka. Například voják vybavený takovým systémem může získat vedle vizuální informace o nějakém objektu i doplňující údaje, zda jde o nepřítele, čím je vybaven apod.