事故や問題解決に脳は不要―単純な細胞でも可能
(scientificamerican.com)- Michael Levinと基底認知の研究者たちは、学習・記憶・問題解決のような 認知能力 は脳だけでなく、細胞集団や単一細胞のレベルでも現れると考えている
- プラナリアは頭を失って新しい頭を再生した後でも、粗い皿で肝臓の報酬を得た経験をより素早く活用し、記憶が 脳の外 に残りうることを示した
- 植物、粘菌、ウミウシの実験は、電気信号、RNA、細胞内部構造、遺伝子制御ネットワークなどの ニューロン以外のメカニズム が情報保存と行動変化に関与しうることを裏づけている
- Levinは、細胞が 生体電気 状態によって体の形態と再生を調整していると見ており、プラナリアの二つ頭状態、オタマジャクシの異所性の眼、カエルの脚の再生を根拠に挙げている
- 基底認知は、がん、臓器再生、創傷治癒といった医学的応用や、身体を通じて学ぶロボット・AI設計に影響を与える可能性があり、生命を 問題解決マシン として見る視点を強めている
プラナリアが示した脳の外の記憶
- プラナリアは世界中の湖や池の底に生息する小さな扁形動物で、頭部には顕微鏡的な構造の脳と二つの眼点がある
- 体を半分に裂くと、頭側は新しい尾を、尾側は新しい頭を作り、約1週間後には2匹の健康な虫になる
- Tufts Universityの生物学者Michael Levinは、生物の知能のかなりの部分が 脳の外側 に存在しうると考え、プラナリアを実験対象に選んだ
- 自然状態のプラナリアは、滑らかで隠れ場所のある環境を好み、溝のある皿に入れると縁のほうに集まる
- Levinは約10年前、一部のプラナリアに対して、溝のある皿の中央にあるレバーピューレを報酬として与えながら訓練し、別のプラナリアは滑らかな皿で同じ方法で訓練した
- その後、すべての個体の頭を切り落とし、頭側は捨てて、尾側が2週間かけて新しい頭を再生するようにした
- 再生した虫を溝のある皿に入れて中央にレバーを落とすと、以前は滑らかな皿で暮らしていた個体は動くのをためらった
- 一方、以前に溝のある皿で報酬を受け取っていた尾から再生した個体は、餌へより速く移動する方法を学んだ
- 脳が完全に失われた後でも、レバー報酬の記憶 が残っていた可能性を示す事例である
基底認知：脳なしの学習と問題解決
- Levinは、ニューロンのような特殊な脳細胞だけでなく、一般的な細胞も情報を保存し、その情報に基づいて行動できると考えている
- 細胞が微細な電場の変化、すなわち 生体電気 を記憶の一形態として使えることを示す結果に注目している
- この流れは 基底認知(basal cognition) の分野へとつながり、研究者たちは学習・記憶・問題解決の痕跡を脳の内外で探している
- かつて多くの科学者は、真の認知は約5億年前に最初の脳とともに出現したと考え、複雑なニューロン集団のない行動は反射に近いとみなしていた
- Levinと一部の研究者は、細胞の塊と脳の違いを種類の差ではなく 程度の差 と見ている
- 認知は複雑な有機体を作るために細胞が協力し始めたときに進化し、その後、動物がより速く動き、より速く考えられるよう脳によって強化された可能性がある
- University of VermontのJosh Bongardは、脳は自然界の比較的新しい発明の一つであり、まず身体が重要で、その上に神経認知が積み重なっていると語る
植物と粘菌に見られる非神経的認知
- 生命界全体で脳を持たない知能の事例が相次いで見つかり、基底認知への関心が高まっている
- University of FlorenceのStefano Mancusoは、ニューロンは「奇跡の細胞」ではなく、植物のほぼすべての細胞も電気信号を作り出せると考えている
- touch-me-notは通常、触れられると葉を閉じるが、University of Western AustraliaとUniversity of Firenzeの研究チームが害のない揺れを一日中与えて条件づけると、その刺激をすぐに無視するようになった
- 1か月後に再試験したときも、その経験を記憶していた
- ハエトリソウは、感覚毛2本が短時間のうちに触れられたときだけ閉じ、閉じた後にさらに感覚毛が3回触れられて初めて消化液を分泌する
- 植物の反応も動物と同じように 電気信号 によって媒介される
- ハエトリソウとtouch-me-notを電線でつなぐと、ハエトリソウの感覚毛に触れることでtouch-me-not全体をしおれさせることができる
- 一部の植物は麻酔ガスによって電気活動が平坦になり、意識を失ったかのように反応を止める
- 植物は環境を精密に感知している
- 自分の体の一部が作る影と外部物体の影を区別する
- 流れる水の音を感知してそちらへ成長できる
- ハチの羽音を感知して蜜を準備できる
- 虫に食べられているときに防御化学物質を作れる
- Arabidopsis 系の植物は、幼虫がかじる録音を聞かせると葉のカラシ油を増やす
- 粘菌は神経系を持たないが、迷路や資源配置の問題を解く
- 日本とハンガリーの研究チームが、迷路の片端に粘菌を、反対側にオート麦片を置くと、粘菌は可能な経路を探索した後、行き止まりから引き返し、4つの候補解の中から毎回最短経路を選んだ
- 同じ研究チームは、東京の人口構造を表すようにオート麦片を配置し、粘菌は東京の地下鉄網によく似た形を作り出した
- Audrey Dussutourがカフェインを敷いた橋の先にオートミールの皿を置くと、粘菌は数日間それを渡れなかったが、空腹のためにやがて渡り、その後カフェインへの嫌悪を失った
- この記憶は1年間の休眠状態に入った後でも維持された
記憶の保存はニューロン結合だけの仕事ではない
- 伝統的な記憶モデルでは、記憶は脳内のニューロン間にある安定したシナプス結合ネットワークに保存されると考えられている
- UCLAのDavid Glanzmanは、電気ショックの記憶をあるウミウシから別の個体へ移す実験を行った
- ショックを受けたウミウシの脳からRNAを抽出し、新しいウミウシの脳へ注入した
- 受け手の個体は、ショックに先立って与えられていた接触に対して身をすくめる反応を示した
- RNAが記憶保存の媒体になりうるなら、ニューロンだけでなく他の細胞も記憶保存能力を持ちうる
- 細胞集団が経験を反映できる候補メカニズムは多様である
- 細胞骨格や遺伝子制御ネットワークはさまざまな形で調節され、その後の行動に影響を与えうる
- プラナリアの場合、残された体が細胞内部に情報を保存し、再生過程で全身へ伝えた可能性がある
- 粗い床に対する神経の基本反応自体がすでに変わっていた可能性もある
- Levinは、情報が細胞内部だけでなく、細胞間の 相互作用状態 や生体電気パターンに保存されていた可能性により注目している
生体電気が身体の形を調整する仕組み
- 生物の体に電気が流れていること自体は古くから知られていたが、最近まで多くの生物学者はそれを主にシグナル伝達の用途として見ていた
- 1930年代以降、一部の研究者は、異なるタイプの細胞も生体電気を使って情報を保存し共有できると観察してきた
- Levinはコンピューター科学の背景をもとに、細胞膜のチャネルが電圧ゲートのように動作して電流レベルを調整する点に注目した
- コンピューターがトランジスタを0と1の間でトグルしてプログラムを構成するように、細胞も電気に基づく情報処理によって活動を調整できると見ている
- Levinは2000年代に、プラナリアの各地点の電圧を測定する方法を設計し、頭部と尾端で電圧が異なることを確認した
- 薬剤で尾の電圧を頭部に通常現れる電圧へ変えた後、プラナリアを半分に切ると、頭側は尾の代わりに2つ目の頭を再生した
- その後、新しい虫をさらに半分に切ると、2つの頭の両方が新しい頭を生やした
- 遺伝的には正常なプラナリアと同じだったが、1回の電圧変化が恒久的な 二つ頭状態 につながった
- African clawed frogでの実験でも、生体電気が形態形成と再生を制御できることが示された
- オタマジャクシの特定部位に特定の電圧を誘導して、機能する眼を作ることができた
- 傷に適切な生体電気信号を24時間適用することで、機能する脚の再生を誘導できた
- Levinはこれをプログラミングの サブルーチン呼び出し にたとえている
- レンズや網膜など眼の細部構成を一つずつ直接指示しなくても、生体電気レベルの信号が細胞集団の下位タスクを実行させる
- 生体電気は、細胞集団が一緒に働くよう結びつける「認知的接着剤」と解釈される
医学的応用：がん、再生、創傷治癒
- Levinは、生体電気によって細胞行動を調整する方法を学べば、がん治療、臓器再生、創傷治癒に影響を与えられると考えている
- がんは、身体の一部が残りの身体と協力しなくなった状態として解釈される
- 正常細胞は肝細胞や皮膚細胞のように、集団の一部として定められた役割を果たす
- がん細胞は周囲の身体を見知らぬ環境のように扱い、栄養を探し、複製し、攻撃から自分を守る独立した有機体のように振る舞う
- ストレス、化学物質、遺伝的変異は、細胞間コミュニケーションを壊しうる
- Levinのチームは、健康な組織に「悪い」生体電気パターンを強制的に適用して、カエルで腫瘍を誘導できた
- 適切な生体電気パターンを再び与えることで腫瘍を消失させた事例もある
- この方法は、逸脱したがんと身体とのあいだのコミュニケーションを再構築するアプローチと見なせる
- Levinは将来のある時点で、生体電気治療が人間のがんに適用され、腫瘍成長を止める可能性を示している
- 臓器再生でも、細胞が正しいパターンで成長を始めるようにする 生体電気コード を解読することが重要である
- オタマジャクシ実験では、出生時に大きな脳損傷を負った動物が、適切な生体電気刺激の後に正常な脳を作ることができた
集団知能としての身体
- Levinは2019年の論文 “The Computational Boundary of a Self” で、人間をより小さな問題解決エージェントから構成された 集団知能 として解釈している
- Josh Bongardは人間を「知能機械によって作られた知能機械によって作られた知能機械」と表現する
- African clawed frogの変態過程は、この見方を強める
- オタマジャクシが成体のカエルへ変わるとき、頭の形は大きく変わり、眼、口、鼻孔の位置が移動する
- Levinはカエル胚の正常発生を電気的にかき乱し、眼、鼻孔、口が誤った位置にある「Picasso tadpoles」を作った
- 最終的な顔形成が単なる事前プログラム済みの機械的アルゴリズムなら、成体の顔も壊れているはずだった
- しかし変態過程で、眼と口は正しい配置を見つけていった
- Levinは、細胞が抽象的な目標を持ち、変化する状況のなかで新しい段階を経て問題を解決する 知能の働き としてこの事例を見ている
AIとロボティクスへつながる基底認知
- AIとロボティクスの分野は、基底認知を現在のシステムの弱点に対処する方法として注目している
- 言語操作やルールが明確なゲームで優れたAIでも、物理世界の理解には大きな困難を抱える
- シェイクスピア風のソネットは作れても、歩き方や、ボールが坂を転がる仕組みを予測することには弱い
- Bongardは、こうしたAIは身体を通じた因果学習ができないと考えている
- 身体があれば、世界に影響を起こし、その反応を観察しながら因果関係を学べる
- 彼は 身体性認知(embodied cognition) の流れの中で、形態が世界と相互作用する仕組みを観察しながら学ぶロボット設計を追求している
- Bongardの研究室は、柔らかいLEGOのようなキューブでロボットを設計するAIプログラムを使っている
- 彼はこれをロボティクスのための「Minecraft」と呼ぶ
- キューブはブロック状の筋肉のように機能し、ロボットをイモムシのように動かす
- AI設計ロボットは試行錯誤でキューブを追加・削除し、最も悪い設計を取り除きながら、よりよく動く形へと「進化」する
- 2020年、BongardのAIは歩行ロボット設計法を発見し、これはLevin研究室のxenobot実験へとつながった
Xenobotとanthrobot
- Levin研究室は、African clawed frogの生きた皮膚幹細胞を微小手術で取り出し、水中で互いに凝集させた
- 細胞はゴマ粒ほどの塊に融合し、一つのユニットのように振る舞う
- 皮膚細胞の繊毛は通常、成体カエル表面の保護粘液層を維持するが、この構造体ではオールのように使われて水中を移動する
- これらの塊は迷路を探索し、損傷すると傷口を閉じることもある
- 細胞は同じゲノムを共有するがカエルそのものではなく、LevinとBongardは Xenopus 属のカエル由来であることから “xenobots” と名づけた
- 2023年、Tuftsのチームは人間の肺細胞片でも同様のことが可能だと示した
- 人間の細胞塊は自ら組み上がり、特定の方法で動く
- チームはこれを “anthrobots” と名づけた
- Levinは、xenobotとanthrobotは特定の問題に対する特定の解法ではなく、進化が 問題解決マシン を作り出すという見方を裏づけると考えている
- xenobotは歴史上存在したことがなく、優れたxenobotであれという選択圧もなかった
- それにもかかわらず、細胞塊は世界に置かれて24時間以内に新しいやり方で振る舞う
生命を認知状態として見る視点
- Levinは、基底認知が粘菌やシリコンのような、人間に似ていない形の心を認める助けになると考えている
- University of AdelaideのPamela Lyonは、2018年に “basal cognition” という用語を作った研究者であり、人間の知能が質的に異なるという考えを例外主義の一形態と見ている
- Lyonは、生きているということ自体が基本的に 認知状態 だと語る
- すべての細胞は周囲の環境を絶えず評価しなければならない
- 何を取り込み、何を遮断するかを決めなければならない
- 次の段階を計画しなければならない
- この見方では、認知は進化の後期に現れた付加物ではなく、生命を可能にした条件そのものである
- 生きているものは、外部世界から燃料と原材料を取り込み、構成要素だけでなくその構成要素を作る機械まで作り、同時に修理も行う存在にたとえられる
1件のコメント
Hacker News のコメント
第一に、生体電気という言葉は、細胞内の電荷勾配と化学勾配の微妙な違いを捉えきれない一般的な用語である。勾配に基づく生物学的システムに電荷を直接加えることはできるが、それは力で押し切るやり方に近い。細胞壁は化学的に選択的なので、外部電圧をかければニューロンの発火に似た効果を出せることはあるが、正常な発火を実現するカルシウム・ナトリウムチャネル媒介の脱分極よりはるかに精密さに欠ける。つまり、生体電気は単純ではない
第二に、何らかの手段でシステムに影響を与えられるという事実は、その手段が原因だという意味ではない。アメフラシ間で RNA によって記憶を移す例を見ると、伝達直後に受け手の個体がすぐ記憶を持つわけではなく、注入された RNA が感覚細胞をより敏感にする時間が必要になる。これは、すでに訓練された動物ではシナプス再構成が終わっている状態とは対照的である。適切なシナプスがあり、関連する RNA を瞬時にすべて除去できるなら、その動物は訓練を引き続き「記憶」しているはずだ。シナプスだけで十分である
実際には、複数の時間スケールで働く複数のシステムが一緒になって行動を作り出している。一部のシステムの寄与は、別の介入でまねることができる。この複雑さのために「本当は X だ」とは言えず、「X が大きな役割を果たしている」や「X が観察された現象に Y% 寄与している」程度が最善である
最初の文が確かに正しく、RNA がより遅い時間スケールで働くことも正しい。ただ、最初の文で述べた、私たちが理解していない複雑性が、二つ目のシナリオに影響しないと 100% 確信できるわけではないのではないかと思う
アメフラシ関連の最近の研究より前に教育を受けたが、大学院では「プラナリアの RNA 記憶伝達」は「再現できない実験で大きな主張をする方法」の例として扱われていた。エピジェネティクスが今では確立した分野であることは認めるが、人々がその効果を別の現象と混同して考えるのではないかと心配している
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S240584402...
また、ニューロンが脂質に包まれた mRNA を通じて通信するという研究もある
https://www.nature.com/articles/d41586-018-00492-w
https://www.inverse.com/article/40113-arc-protein-ancient-mo...
この分野には興味深い内容が多い
科学報道でよく見られるのは、一人か二人が大胆な主張をし、ニュースになり、再現なしに人々がそれを信じてしまうパターンだ。私たちが知っているとされる多くの文にも、引用が付くべき主張が多い。ところが、そのような実験をしたことのない人たちが「当然正しい」とうなずく
実際にすべて再現されたのか。研究ではどのような強みと弱みを仮定したのか。何を証明し、あるいは反証したのか。次のステップは何か。そして、すでにシミュレータに実装できる部分はあるのか。
ちなみに、エージェントが世界をつついたり触ったりするやり方は、シミュレータで十分実装可能だと思う。原始的なレベルであっても、ゲームエンジンでその一部はモデル化できるはずだ
生物学・医学の分野が以前、単一細胞や組織レベルの知能をどのように見ていたのかは分からないが、一般的な医学的思考が通常、遺伝的なものか、生化学・ホルモン方面に分かれる中で、この空白はかなり衝撃的に感じられた。より精密な医療治療の新たな機会につながることを願う
発表やインタビューで扱っている他の内容もすばらしい。Lex Fridman とのインタビューはかなり深いが、個人的には他のインタビューの方がよかった
これは知能、心、医学に対する理解を革命的に変える可能性がある。遺伝子を変えずに、細胞に新しい心臓を作るよう指示できるかもしれない。彼は、私たちが作った「設計」を電磁的な細胞刺激に翻訳し、細胞にそれを作らせる解剖学的コンパイラを望んでいる
個人的には、あらゆる時代と文化の古代の神秘主義者たちが指し示してきた見方と、はるかによく合う世界観へ向かっていると感じる。知能は空間や時間のように存在の根本的な何かであり、もしかするとそれ以上に根本的なものかもしれない。すべては知能の戯れであり、驚異的で、アクセス可能なもののように見える
そこには、複雑系から知的システムへとつながる概念が出てくる。緩い定義では、そのようなシステムは周囲の世界を表す内部状態を持つことができる。相互作用し、将来の出来事を外挿するための一種のモデルである。この観点では、意識もより理解しやすくなる。意識は副産物に近く感じられるが、人間が心の中に世界の内部モデルを維持し、それと相互作用する能力はかなり高度だ。フィードバックループの中で「私が、彼女が、私が、彼女が考えていると考えている……」のような構造が生まれ、世界の中の自分自身についての認識のような意識が進化したのかもしれない
いずれにせよ、細胞も世界についての非常に原始的なモデルを維持し、予想される出来事を前に内部の均衡を保つことができる。ただのカクテル哲学者にすぎないが、私たちはみなそうではないか
[0] https://podverse.fm/podcast/e42yV38oN
たとえば、GPT-4に意識があるとは思わないが、ニューロンと重みの中には抽象的な世界と、その中の関係についての表現があるとかなり確信している。そうでなければ、今やっている多くのことはこなせないはずだ
世界モデルは結局、そのモデルを象徴するニューロン間の関係として表現できるものだと思う。そして、与えられたパラメータ規模であらゆるものを最も効率的に表現する、完璧なニューロンと接続の集合もあり得る。おそらく完璧な構成は存在するだろうが、訓練や進化的手法では到達できないはずだ
これらすべてに意識は必要ないと思う
熱膨張率の異なるバイメタル片とスイッチでサーモスタットを作ることもできるが、これは明らかに知的ではない装置だ。だからこの定義には同意しにくい
しかし、物質が他の物質や力と相互作用することから、どうやって主観的経験が生じるのかはまったく理解できない。私には全然筋が通らない。私の脳のコピーを作れば、そのコピーにも意識はあるだろうが、それ自身の固有の主観的経験を持つはずだ。ここまでは理解できるが、その主観的経験が正確に何であり、どうやって「単なる」機械的な物質がそのような実体を生み出すのかは分からない
短く言えば、主観的経験の実際の実体が何なのか理解できない
このような物質主義は、René Descartesと同時代の哲学者たちに由来する。西洋では、これがしばしば無意識のうちに進化論と結び付けられる。意識は何らかの形で有用だったから発達した、という具合だ。しかしこれは非常に大きな飛躍である
どちらの理論にもそれなりの根拠はあるが、非常に理論的で、はるかに多くの証拠が必要だ。それでもなお、ほぼすべての西洋思想の基盤を成している
科学的な観点から見ると、私たちは新しい意識をどう作るのか、意識とは何なのかをまったく知らない。人間の経験からすると、むしろその逆に近く、現実が意識の創発的性質のように感じられる
同時に、物質と時間が数世紀前に考えられていたほど堅固なものではないことも分かってきた
細胞が原始的なモデルを持つという概念は、CPUがアセンブリ命令を実行することに似た比喩かもしれない。CPUが「考える」からではなく、配線された方式のために、刺激に対して決まった形で反応することがほぼ必然である、というようなものだ。もちろん太陽放射のような例外はあり得るし、細胞も同様だろう。細胞の刺激反応はCPUよりはるかに複雑ではある
同じように「出来事を予想する」ということも、コンピュータのメモリの比喩として見られる。これまで実行された過程が何らかの状態をメモリに保存し、その状態が後の刺激への反応を以前とは違うものに変える、という形だ。たとえば、ある値をレジスタに保存された値と足すようなものと見なせる
脳のようなものがなければ思考とは呼びにくく、せいぜい事前にプログラムされた、または事前に訓練された行動反応である
それを裏付ける確実な証拠を私は知らない。ほとんどの人がそう信じているのは知っているが、要点はそれが信念だというところにある
Levinは、この能力が細胞スケールでも現れることを実験的に示した。事前にプログラムされた行動ではあり得ないことも示している。目標指向的行動があるように見える
本に出てくる「DNA」記憶保存の概念は、ずっとSFだと思っていた。すばらしい概念だが、かなり遠い話だと思っていたので、こうしたSF的な概念が実際に可能かもしれないというのはかなり興奮する
何かを飲んで他人の記憶を得られるとしたらどうだろう。そうやって「学位」を飲み、短時間で途方もなく学べるようになるかもしれない
「Glanzmanは、電気ショックを受けたアメフラシの脳からRNAを抽出し、新しいアメフラシの脳に注入することで、電気ショックの記憶を一匹のアメフラシから別のアメフラシへ移すことができた。受容個体は、ショックに先立っていた接触から身を引くべきだと『記憶』していた。RNAが記憶保存媒体になり得るなら、ニューロンだけでなく、どんな細胞でもその能力を持ち得る」
その通りだ。認知は微分方程式を解くことだけを意味しない。知覚や評価のような最も基本的な機能や過程も指す
その理論は、人間だけでなく植物や他の動物などにも意識があり、地球規模の人間社会も一種の意識を持ち得ると推論する
https://consciousness.social
そうなると、社会の集合はその上のさらに別のレベルのメタ知能になり、すべてがフラクタル構造のように見える