The Computational Primitives of Adaptation

池に漂う単細胞生物から、賑やかな街を歩く人間に至るまで、あらゆる生命体は同じ根本的な課題に直面している。それは、世界は絶えず変化しており、生き延びるためにはその変化に適応しなければならないということである。生物学者は、動物が生存のためにどのように行動するかを観察してその行動を研究し、神経科学者は、それらの行動を可能にする身体内部の物理的な仕組みを解明してきた。しかし、このパズルの層には、しばしば見過ごされがちな第三の層が存在する。それは、動物が行う特定の行動についてでも、脳内の特定の配線や化学物質についてでもない。むしろ、ある生命システムが存続するために、いかなる不可視の計算を行わなければならないのか、という問いである。もし、毛皮や羽、あるいはニューロンを取り除いたとしたら、システムを継続させるために絶対に必要な、基本的な精神的操作として何が残るのだろうか。

生物学と人工知能の境界領域で研究を行っているジョナサン・ペイジは、その答えは6つの小さな普遍的な計算タスクの中にあると提唱している。彼は、システムが環境に適応し、存続するためには、6つの特定の操作を行わなければならないと示唆している。すなわち、エネルギーレベルを管理すること、注意を向ける対象を絞ること、何が良いか悪いかを判断すること、空間における自分の位置を知ること、そして自分自身を外界から区別することである。これらは単に複雑な脳が行うことではなく、適応そのものの基礎となるルールである。ペイジは、これら6つのタスクがあまりに不可欠であるため、単純な細胞から哺乳類に至るまで、独立して進化したあらゆる系統の生命体の中に現れると考えている。さらに、これらは生物学的なルールではなく情報の処理ルールであるため、機械にも適用できると彼は示唆している。ただし、これらの基本要素は、自身の存続が自らの生存可能性（viability）にかかっている、つまり何かを賭けている機械にのみ適用される。何も賭けていない機械は、これらの計算をシミュレートすることしかできない。もし私たちが、真に変化する世界に適応し、生き残ることができる人工知能を構築したいのであれば、人間の脳の物理的な構造を模倣しようとするのではなく、これら6つの計算を実行する方法を機械に教える必要があるかもしれない。

論文は、馴染みのある光景を描写することから始まる。蜜蜂が花の一群を見つけ、巣に戻って仲間たちに場所を伝える場面である。伝統的に、科学者はこれを、蜂の行動（飛行、ダンス）とそのメカニズム（脳内のニューロンの発火）を列挙することで説明してきた。ペイジは異なる問いを投げかける。この旅を可能にするために、蜂はどのような計算を行わなければならないのか。これに答えるため、彼は比較心理学者のR・アレン・ガードナーによって提唱された「アメーバ・ヒューリスティック」という単純なテストを用いた。これは、単細胞生物が特定のタスクを実行できるかどうかを問うものである。もしそのタスクが複雑な脳や特定の身体部位を必要とするならば、それは派生した行動であり、根本的なものではない可能性が高い。もし単一の細胞がそれを実行できるなら、それは原始的なものである可能性がある。

このテストと4つの厳格な基準を用いて、ペイジは長い潜在的メンタルタスクのリストを6つに絞り込んだ。第一の基準は「必要性」であり、タスクは生存に不可欠でなければならない。それなしではシステムは崩壊する。第二の基準は「普遍性」であり、タスクは別々に進化した多くの種に共通して現れ、それが特定の家系の特異な性質ではなく、普遍的な問題に対する解決策であることを証明しなければならない。第三の基準は「保存性」であり、そのタスクのための仕組みが数百万年にわたる進化の中で保存されていなければならない。最後の基準は「既約性」であり、タスクを同じリスト内のより小さく単純なタスクに分解できないことである。もしある行動が他の2つのタスクの組み合わせとして記述できるならば、それは原始的なものではなかった。

この厳格なフィルタリングを生き残った6つのタスクは、「覚醒（Arouse）」、「定位（Orient）」、「価（Valence）」、「位置（Position）」、「境界（Boundary）」、そして「同調（Attune）」である。「覚醒」はエネルギーの管理という計算である。生物は、危険に対して備える必要性と資源を節約する必要性のバランスを取りながら、どの瞬間にどれだけの労力を費やすべきかを決定しなければならない。「定位」は、情報の洪水の中から重要なものを選び出す能力である。生物は一度にすべてを処理することはできないため、どの信号に注意を向けるべきかを選択しなければならない。「価」は、あるものが良いか悪いか、近づいてもよいか危険かを判断する能力である。「位置」は、空間における生物の所在と、他のものが自分に対してどこにあるかを知る能力である。「境界」は、「自己」と「非自己」を区別し、何が生物に属し、何が外部の世界の一部であるかを知る能力である。最後に、「同調」は経験に基づいて変化し、新しい条件に合わせて内部設定を調整する能力である。

ペイジは、これら6つは単なる行動のリストではなく、あらゆる適応システムに求められる一連の操作であると主張している。彼は、注意、記憶、意思決定といった複雑な人間の能力が、実はこれら6つの基本タスクが連携して機能しているものに過ぎないことを示している。例えば、私たちが「注意」と呼ぶものは、単に「定位」のタスクが「覚醒」のタスクによって調整されたものである。「記憶」とは、「同調」のタスクが「位置」と共に、物事の場所を保存することである。これらの複雑な概念を分解することで、この理論は異なる種を比較するための新しい方法を提供する。蜂が人間と同じような意味での「記憶」を持っているかどうかを問うことは（彼らの脳が大きく異なるため）困難な問いであるが、科学者は、蜂がナビゲートするためにどのように「同調」と「位置」のタスクを使用しているかを問うことができる。これにより、焦点は物理的な脳の比較から、生存の根底にある論理の比較へと移行する。

論文は次に、人工知能にも同じ論理が適用されることを示唆し、機械へと注意を向ける。ペイジは、現在の人工知能が直面している多くの問題は、単なるエンジニアリング上の不具合ではなく、より深い欠落した要素の兆候であると提案している。現代のコンピュータシステムは特定のタスクを実行することには長けているが、状況が変化した際への適応に苦慮している。この理論によれば、それは彼らがこれら6つの根本的な計算を欠いているからである。

例えば、現在の機械は、単純な質問に対しても複雑な質問と同じだけの計算資源を使用することが多く、生き物のようにエネルギーを管理できていない。これは「覚醒」の失敗である。また、彼らは無関係な情報に簡単に惑わされたり、混乱を招く指示に騙されたりするが、これは目標よりもノイズを優先できる強力な「定位」機能が欠けていることを示唆している。彼らは自信満々だが誤った回答、いわゆる「ハルシネーション（幻覚）」を生成することが多いが、これは自分が知っていることと推測していることの区別ができていない、つまり「境界」タスクの欠如によるものである。彼らは長い会話や多段階の計画において、自分がどこにいるのかを把握することに苦労しており、これは「位置」の計算が欠けていることを示している。彼らは古いことを忘れることなく新しい経験から学ぶことができず、これは「同調」の欠如を示している。そして、機械は与えられた報酬を、たとえ意図しない形であっても最適化してしまうが、それは彼ら自身に独自の「価」が存在しないからである。つまり、自身の存続（persistence）に根ざした価値判断が欠けているのである。

ペイジは、これらの問題の解決策は、より人間の脳に似た機械を作ることではなく、これら6つの計算を行う機械を作ることであると示唆している。彼は、脳の物理的構造を模倣しようとすることは間違いであると主張する。なぜなら、脳は自然がこれらの問題を解決した一つの特定の方法に過ぎないからである。生物学から学ぶべき真の教訓は、それが実行する計算のセットである。もし機械が自らのエネルギーを管理し、注意を集中させ、自らの生存を判断し、自らの位置を知り、境界を定義し、自らの間違いから学ぶように設計されれば、それはついに真に適応できるようになるかもしれない。

この理論は、完成された自然の法則というよりも、さらなる検証のための作業仮説、出発点として提示されている。ペイジは、この6つのリストを洗練させる必要があるかもしれないし、あるいはそれらの境界線を引き直す必要があるかもしれないと認めている。彼は、他の科学者たちが、これらのタスクを実行する機械を構築し、それがより堅牢で適応的になるかどうかを観察することによって、このアイデアをテストすることを求めている。また、もしこれら6つのタスクが真に適応の基礎であるならば、それらは統一されたシステムとして機能しなければならないとも示唆している。これらを一つずつ機械に追加していくだけでは、期待通りの動作は得られない。それらは最初から統合されていなければならない。もし機械がこれらの計算のうち一つでも欠いていれば、理論はそれが具体的かつ予測可能な形で失敗することを予見する。

この視点は、知能の未来を考えるための新しい方法を提示している。それは、真に適応できる機械を作るための道筋は、外見や配線をより人間らしくすることではなく、その根本的な操作においてより生命体系に近くすることであると示唆している。池の中で単細胞生物が生き延びることを可能にする6つの計算に焦点を当てることで、私たちは変化する世界で生き残ることができる機械を構築するための鍵を見出すことができるかもしれない。論文は、システムが炭素で作られているかシリコンで作られているかにかかわらず、生き延びるためのルールは同じであり、そのルールを理解することが適応の科学における次の大きなステップであると結んでいる。