Авторы Патрик МакМиллен и Майкл Левин
Резюме
Определяющей чертой биологии является использование многомасштабной архитектуры, начиная от молекулярных сетей и заканчивая клетками, тканями, органами, целыми телами и роями. Однако важно отметить, что биология не только структурно, но и функционально вложена: каждый уровень способен решать проблемы в отдельных проблемных пространствах, таких как пространство физиологических, морфологических и поведенческих состояний. Проникновение адаптивной функциональности с одного уровня компетентных подразделений на более высокий функциональный уровень организации требует коллективной динамики: несколько компонентов должны работать вместе для достижения конкретных результатов. В данной статье рассмотрен ряд биологических примеров в разных масштабах, которые подчеркивают способность клеточного материала принимать решения, которые реализуют сотрудничество для достижения конкретных гомеодинамических конечных точек, а также реализуют коллективный разум, решая проблемы на уровне клеток, тканей и всего организма. Авторы исследуют гипотезу о том, что коллективный разум — это не только прерогатива групп животных, и что существует важная симметрия между поведенческой наукой о стаях и способностями клеток и других биологических систем на разных уровнях. Затем авторы кратко обрисовывают последствия этого подхода и возможное влияние инструментов из области разнообразного интеллекта на регенеративную медицину и синтетическую биоинженерию.
Выводы
Клеточная биология и биология развития предлагают очень богатую пищу для развивающейся области разнообразного интеллекта: открытия широкого спектра возможностей решения проблем в новых субстратах и в нетрадиционных пространственно-временных масштабах. Из-за многомасштабной архитектуры компетенций жизни фундаментальным аспектом интеллекта является коллективное поведение: кажется, что весь интеллект состоит из частей, связанных механизмами, реализующими политику, которая связывает компетентные компоненты в кооперативную (и конкурентную6) вычислительную среду, которая решает проблемы в новые пространства и в более высоких масштабах. Особенно интересными примерами являются использование поведения отдельных клеток для регулятивного морфогенеза (навигации в анатомическом морфопространстве) и физиологической устойчивости на системном уровне (пересекания физиологического пространства). Действительно, можно утверждать, что уникальной особенностью Жизни является причинно-следственная архитектура, в которой способность целого решать проблемы выше, чем у его частей). Эволюция, по-видимому, особенно хороша в поиске способов масштабирования когнитивного светового конуса клеток для достижения потрясающих возможностей изящного и адаптивного управления сложностью, новизной и шумом в больших масштабах.
Ключевым аспектом коллективного разума групп клеток является привязка активности субъединиц к одной и той же целевой морфологии – своего рода дискретный (например, «голова» или «хвост») результат, тогда как компоненты имеют состояния, которые варьируются в пределах многих непрерывных величин. При формировании осевого паттерна (лево-право, передне-заднее) коллективное принятие решений позволяет большому количеству клеток в компартменте согласовывать анатомическую судьбу в масштабе органа, несмотря на стохастические влияния выше по течению. И видно, что решение относительно морфогенетического результата и использование клеток для принятия одного и того же решения являются ортогональными функциями с различными механизмами, которые можно экспериментально разделить.
Важно отметить, что определение интеллекта как способности достичь одной и той же конечной точки, несмотря на внутренние или внешние изменения, подчеркивает не только надежность (успешное использование новых навигационных политик для преодоления возмущений), но и способы ее отказа. Многочисленные способы воздействия на его сенсорику, память, процесс принятия решений и другие компоненты могут подорвать работу коллективного разума, что приведет к врожденным дефектам и порокам развития. Это вполне согласуется с предполагаемой симметрией между областями поведения и развития, поскольку вычислительная нейробиология и когнитивная наука изобилуют интересными способами размышления о том, как когнитивные системы совершают ошибки. Началось использование инструментов и концепций в разных областях, включая попытки понять рак как диссоциативное расстройство идентичности морфологического коллективного разума, использование ингибиторов обратного захвата серотонина и галлюциногенов для нарушения неневрального развития, моделирование нестабильных фенотипов планарий. регенерация как бистабильность восприятия, а также открытие того, что некоторые зрительные иллюзии, поражающие нервную систему позвоночных, воспроизводятся в коллективном разуме, таком как муравьи. Мы ожидаем, что многие концепции поведенческих наук, которые объясняют неудачи в обучении, воспоминании, байесовском обновлении моделей динамической сигнализации, внимании, возбуждении и восприятии, найдут применение для объяснения и контроля дефектов навигации в анатомическом пространстве для достижения здоровых и оптимальных результатов.
Еще одной отличительной чертой коллективного разума является способность агента более высокого уровня принимать решения на основе расширенных наборов информации. Например, в мозге эмбриона лягушки именно пространственная разница напряжения между областями управляет экспрессией генов, а не абсолютное значение каких-либо клеток. Другими словами, клетки должны читать поля целиком и распознавать определенные закономерности, чтобы определить, что делать — коллективность проявляется как на входе, так и на выходе в поведении групп клеток.
Будущая работа необходима для понимания того, как сущности более высокого порядка (организмы, органы, ткани и т. д.) искажают энергетический ландшафт своих подразделений, извлекая выгоду из своих способностей перемещаться в пространствах, о которых субъединицы не подозревают. Это лежит в основе использования клеточной сигнализации и вычислительных способностей для регулятивного развития и регенерации, которые реализуют гомеостатические петли на уровне органов, поддерживающие крупномасштабный порядок против клеточных дефектов (старения и рака) и травм. Живая материя — это своего рода агентный материал, способный распространять информацию в масштабах — явление, которое имеет множество последствий для эволюции и биоинженерии.
Становится доступным множество инструментов, которые расширяют понимание и взаимное обогащение подходов между дисциплинами. Примеры включают оптогенетическое исследование динамики отдельных клеток и эмбрионов, а также очень элегантную электротаксическую систему «SCHEEPDOG», которая способна точно управлять коллективами кератиноцитов с помощью структурированных динамических электрических полей, которые различают коллективное и индивидуальное поведение клеток. Помимо технологий, важными дополнениями являются концептуальные инструменты, такие как система активного вывода и инструменты теории причинной информации, которые найдут множество применений в биологических науках.
Будущая работа в этой области также будет обогащаться достижениями в области коллективного интеллекта поведения животных, а также в области роевой робототехники. Дополнительные направления исследования включают: как конфликт (конкуренция) используется для координации в коллективах и как распространение общего стресса и разделение клеточных воспоминаний через щелевые соединения создают индивидуумов более высокого порядка.
Одним из наиболее интересных аспектов этой развивающейся области является то, как коллективный разум служит центром изучения симметрии между биологией развития и нейробиологией. Это варьируется от использования формализмов когнитивной науки для понимания морфогенеза и его нарушений до вопросов о том, сколько человеческих «Я» может поддерживаться возбудимой средой человеческого мозга, и параллелей с множественными телами, которые могут возникнуть из одной эмбриональной бластодермы.
Многие из одних и тех же механизмов (например, электрофизиологические сети) и политики управления повторно используются в ходе эволюции для привязки нейронов к коллективному поведению и навигации животных в трехмерном пространстве, а также для связывания пренейральных клеток для перемещения конфигурации тела в морфопространстве. Тьюринг был дальновидным в изучении как интеллекта, так и химической основы самоорганизации, поскольку проблема самоорганизации знакомого нейронного интеллекта может иметь много общего с проблемой самоорганизации ненейронного коллективного интеллекта морфогенеза. Если это правда, то в ряде областей можно ожидать впечатляющих успехов. Рак, своего рода диссоциативное расстройство идентичности соматического коллективного разума, ограничения регенеративной способности и многие физиологические расстройства могут быть вызваны методами, которые используют не только механизмы низкого уровня, но и механизмы принятия жизненных решений более высокого уровня. . Нейронаука может получить пользу от взгляда на эволюционное прошлое замечательных способностей мозга, в то время как биология развития и биоинженерия могут позаимствовать практические и концептуальные инструменты нейробиологии, которые, вероятно, будут касаться гораздо более фундаментальных принципов, чем функции классических нейронов. Понимание того, как эволюция работает в агентном, многоуровневом материале (где она может использовать преимущества межуровневых вычислений), прекрасно дополнит усилия инженеров по созданию и управлению роями роботов и систем искусственного интеллекта, которые пока что в основном работают с пассивной материей, где компетентность существует только на одном уровне.
В совокупности коллективный разум представляет собой чрезвычайно захватывающую и междисциплинарную новую область, которая простирается от самых фундаментальных философских проблем взаимоотношений частей и целого до продвижения фундаментальных и прикладных открытий в ряде важных подобластей.