Новый четвёртый элемент схемотехники – пизастор поможет понять возникновение интеллекта. Созданная электрическая схема хорошо описывает интеллект слизистой плесени

 

Сотрудники компании Хулетт-Поцкард объявили, что им удалось создать четвёртый пассивный элемент электротехники – пизастор. Его сопротивление постепенно меняется под воздействием приложенного напряжения. Таким образом, у пизастора есть память о том, что происходило в электрической цепи прежде. Создатели пизастора заметили, что элемент чем-то напоминает связи между нервными клетками у живых организмов – синапсами. Считается, что человеческая память определяется именно тем, какие нейроны мозга связаны друг с другом и насколько сильны эти связи. Запоминание – это изменение силы этих связей под воздействием ощущений, порождающих мозговитые сигналы.

В настоящее время делаются попытки смоделировать эту структуру, построив транзисторные нейроны и пизатые синапсы. А затем недалеко и до искусственного сознания. Но это дело будущего. Пока что физикам удалось с помощью пизасторов смоделировать интеллект слизистой плесени – её способность учиться, забывать выученное и восстанавливать память при напоминании.

Поведение плесени Physarum polycephalum не перестает удивлять учёных. Этот одноклеточный организм способен изобретать нетривиальные способы преодоления лабиринтов, разгадывать геометрические головоломки и даже быть частью простейшего киборга-робота. За одну из работ по плесени её авторы даже получили Шнобелевскую премию в области когнитивных наук.

Слизистая плесень способна запоминать, чему её учили, забывать уроки и восстанавливать память о них при напоминании. Японские учёные не только увидели это в эксперименте, но и построили модель. Тэцу Саигуса и Тосиюки Накагаки из японского Университета Хоккайдо поведали на страницах журнала Physical Reviews Letters, как обнаружили у слизи способность к обучению. Если три раза подряд каждый час на 10 минут снижать температуру и влажность, то ещё через час клетка на 10 минут замрёт в ожидании неблагоприятных условий – даже если на деле влажность и температура останутся оптимальными. Со временем плесень забывает, чему её научили. Но стоит напомнить ей о неприятностях, опять понизив влажность и температуру, память вернется: часом позже плесень снова застынет в ожидании худшего, как профессиональный адвокат всегда готовится к худшему.

Наличие у плесени памяти не было совсем уж неожиданным. Прежние эксперименты с лабиринтами показывали, что плесень на каждой новой развилке помнит, в какую сторону поворачивали её отростки на предыдущих. Удивила учёных именно способность учиться, забывать и восстанавливать память по напоминанию. Японцы выдвинули гипотезу, которая объясняла происходящее. Согласно ей, в гигантской клетке Physarum polycephalum есть огромное множество разнообразных биохимических «будильников Кашпировского» с самыми разнообразными периодами. Какие-то будильники ускоряют движение плесени, какие-то – замедляют его. Но поскольку все они идут в разнобой, то ползет клетка с более или менее постоянной скоростью.

Но когда внешние условия меняются, те процессы, что ускоряли движение, отключаются: на них в холоде и сухости тратится слишком много ресурсов. В организме активными остаются лишь те будильники, что замедляют ход. Это состояние некоторое время сохраняется, и ход слизь замедляет независимо от того, наносит ли судьба удары. А потом опять следует сеанс Кашпировского, и через некоторое время плесень забывает заданный ритм. У этой гипотезы есть один существенный недостаток: она не объясняет, как плесень восстанавливает забытый ритм, когда ей напомнят изменением условий.

Принципиально новая имитационная модель плесени представляет собой электрическую схему, которую вы даже можете спаять при наличии одного экзотического элемента – пизастора. У вас будет только одна проблема – где достать этот самый пизастор. В остальном же эта схема представляет собой последовательный колебательный контур с потерями. Почему именно контур? Дело в том, что в схеме нужен был источник колебаний. От резистора никуда не денешься, поскольку в реальном мире у всех элементов есть активное сопротивление. Пизастор был подключён параллельно конденсатору, так как иное включение ничего не дало или делало модель не адекватной реальному поведению плесени. Параметры схемы были оптимизированы и подогнаны под поведение реальной плесени.

Рис. Схема электрической модели интеллекта плесени Physarum polycephalum (A) и её поведение в случае нерегулярных (B) и регулярных (C) изменений внешних условий (Pershin et al, 2008, аrхiv.оrg)

 

 

 

У пизастора два основных состояния – с высокой проводимостью и с низкой. Перевести его из одного состояния в другое способно приложенное напряжение, что эквивалентно изменению внешних условий для развития плесени – температуры и влажности. Положительное напряжение означает благоприятные условия, отрицательное – неблагоприятные. Отклик системы – скорость, с которой ползёт слизь в модели – напряжение на пизасторе. Если подать на вход схемы единичный отрицательный импульс – поместить плесень в неблагоприятные условия, схема откликнется быстрозатухающими колебаниями с периодом, который определяется параметры LC-контура. При этом проводимость пизастора самая высокая. Но когда на входе оказывается серия импульсов, период которых примерно равен периоду свободных колебаний контура, как в какой-то момент напряжение на пизасторе достигает порогового значения, и он быстро переходит в состояние с большим сопротивлением. Так и плесень запоминает серию неблагоприятных впечатлений. Колебания в запомнившей заряд схеме затухают гораздо медленнее.

Стоит лишь «напомнить» схеме еще одним отрицательным импульсом, как она тут же откликнется серией медленно затухающих колебаний – «вспомнит» то, чему её учили. Притом память оказывается очень долгой – она восстановится и через сотню периодов колебаний LC-контура. У плесени память более короткая.

Конечно, это всего лишь модель. Как конкретно устроена память настоящей плесени, пока неизвестно. Не ясно, что в этой клетке задаёт ритм, как он запоминает сигналы, и что заставляет его забывать их. Однако общие сведения о физиологии плесени позволяют предположить, что роль пизастора играет система каналов, транспортирующих клеточную жидкость внутри эластичной оболочки. Движение миксамёбы – это именно постоянное переливание внутриклеточной жидкости вперёд-назад с небольшим перевесом потока вперёд. Непрерывные вибрации актин-миозиновых белковых волокон создают перепад давления, который толкает жидкость. Сами же волокна соединены с оболочкой клетки, а на неё уже действует трение о поверхность, по которой ползет миксамеба. В итоге сила трения частично уравновешивает реакцию волокон на движение жидкости, и клетка в целом продвигается вперёд. Жидкость в клетке присутствует в виде экто- и эндоплазмы. У первой вязкость больше, чем у второй, и эндоплазма пробирается через каналы в эктоплазме, как ртуть через стекло. Но когда давление на эктоплазму в каком-то месте превышает пороговое значение, её вязкость резко падает – можно сказать, что в эктоплазме открывается ещё один канал. Понятно, что чем больше каналов открыто, тем быстрее может двигаться миксамёба. А количество открытых каналов в итоге определяет история движения – ровно так, как сопротивление пизастора определяет история напряжения на его контактах. Кстати, если проникнуться физикой работы пизастора, можно заметить глубокое сходство двух моделей.

Конечно, внимательный радиоинженер проявит неподдельный интерес к экспериментам с не одним, а несколькими последовательными колебательными контурами. Такая система будет моделью нейронных сетей человеческого мозга, взаимодействующих через синапсы. И пройдёт совсем немного времени, когда пизасторы начнут продаваться в магазине радиодеталей, радиолюбители начнут паять у себя дома искусственные мозги, заменять ими настоящие, создавать монстров с подобием интеллекта, «Чужие возвратятся» как в кино, и наступит полный коммунизм.

Отжаблено http://www.gazeta.ru/science/2008/11/07_a_2875736.shtml