Страница:
Первичные сенсорные зоны, в которые непосредственно поступает информация об окружающем мире, являются низшими функциональными зонами. Эти области занимаются обработкой первичной информации на самом простом, базовом уровне. Например, зрительная информация поступает в кору головного мозга через первичную зрительную зону, назовем ее V1. Зона V1 обеспечивает зрительные свойства низшего уровня, такие как восприятие мелких контурных сегментов, простых составляющих движения, бинокулярное рассеивание (для стереоизображения), основные цвета, информация о контрастности. Зона V1 посылает информацию в зоны V2, V4, IT (о них мы расскажем позже), а также в другие зоны коры головного мозга. Каждая из этих зон отвечает за более узко специализированные или абстрактные аспекты восприятия визуальной информации. Например, нервные клетки, образующие зону V4, позволяют нам воспринимать объекты средней сложности, такие как формы звезд различных цветов. Зона МТ специализируется на восприятии движущихся объектов. На более высоких иерархических уровнях расположены зоны, отвечающие за запоминание всевозможных визуальных объектов (людей, животных, предметов и т. д.) и ассоциативные связи между ними.
Похожая иерархическая структура существует и в других отделах мозга, ответственных за получение информации об окружающем мире по другим сенсорным каналам. Так, есть первичная слуховая зона А1 и иерархия слуховых областей, расположенных над ней, а также соматосенсорная (ответственная за восприятие физических ощущений) зона S1 и иерархия соматосенсорных областей, расположенных над ней.
Наконец, сенсорная информация поступает в ассоциативные зоны (данное название используют для описания тех областей коры головного мозга, которые получают и оценивают информацию, исходящую от разных рецепторов). Например, есть зоны, получающие информацию от органов зрения и осязания. Именно благодаря этим ассоциативным зонам вы понимаете связь между видом мухи, ползущей по вашей руке, и щекочущим чувством на коже руки. Большинство ассоциативных областей получают значительно переработанную информацию от нескольких органов чувств, но их функции до сих пор остаются невыясненными. Позже мы еще вернемся к иерархической структуре коры головного мозга.[8]
В лобных долях коры головного мозга расположены моторные зоны, также имеющие иерархическое строение. Низшая моторная зона М1 посылает сигналы в спинной мозг и непосредственно управляет мускулами. Высшие зоны осуществляют обратную связь, посылая сложные моторные команды в зону M1. Иерархия моторных зон и иерархия сенсорных зон удивительно похожи, словно построены по одной и той же модели. В моторной области информация поступает из зон высшего порядка в зону M1 низшего порядка приводит мускулы в движение; в сенсорных областях органы чувств посылают информационные сигналы вверх по иерархической лестнице. В действительности же информационные сигналы передаются в обоих направлениях. То, что является обратной связью для сенсорных областей, одновременно является выходной информацией для моторных областей, и наоборот.
Большинство схематических изображений мозга представляют собой упрощенные отображения потоков информации и иерархических отношений зон коры головного мозга. Согласно таким описаниям, сенсорные сигналы из органов чувств (зрение, слух, осязание) поступают в первичные сенсорные зоны и по мере передвижения вверх по иерархии подвергаются обработке, потом проходят через ассоциативные зоны, поступают в лобные доли коры головного мозга и, видоизмененные, передаются назад в моторные зоны. Я не оспариваю такие представления. Действительно, когда вы читаете вслух, зрительная информация на самом деле поступает в зону V1, передается вверх к ассоциативным зонам, потом поступает в моторные зоны, расположенные в лобных долях коры головного мозга, и преобразуется в команду, заставляющую мышцы речевого аппарата сокращаться и воспроизводить звуки. Но не все так просто. Я хотел бы предостеречь вас от такого излишне упрощенного подхода, в котором сложные процессы передачи информации считаются односторонними, как будто сигналы всегда передаются в одном и том же направлении, подобно деталям автомобиля при сборке на конвейере. Я утверждаю, что информационные сигналы в коре головного мозга одновременно передаются и в нисходящем направлении, причем обратные информационные потоки, поступающие от зон высшего порядка к низшим, имеют большую информационную насыщенность. Возвращаясь к примеру с чтением вслух, высшие зоны коры головного мозга посылают к первичным зонам зрительного восприятия намного больше информации, чем получают ее от взгляда, бегущего по строкам книги! Ниже мы еще коснемся вопроса обратной передачи информации. А теперь – внимание: хотя иерархия строения коры головного мозга действительно существует, не стоит считать, что информационные потоки всегда движутся одними и теми же путями.
Вернемся к нашему воображаемому секционному столу Допустим, у нас есть очень мощный микроскоп. Мы сделали небольшой срез коры головного мозга, нанесли краску на несколько нервных клеток и рассматриваем их под микроскопом. Если бы мы окрасили все нейроны, то увидели бы однородную черную массу, поскольку клетки очень плотно прилегают друг к другу. Но, окрасив лишь небольшую их часть, мы сможем увидеть шестислойную структуру, о которой упоминалось выше. Слои различаются по типам и плотности составляющих их нейронов, а также по характеру связей между ними.
Рассмотрим строение нейрона. Любая нервная клетка состоит из тела клетки, или сомы, и двух типов внешних древоподобных ветвей: аксона («передатчика») и дендритов («приемников»). Тело клетки включает ядро, которое содержит информацию о наследственных свойствах, и плазму, обладающую молекулярными средствами для производства необходимых нейрону материалов. Нейрон получает сигналы (импульсы) от других нейронов через дендриты и передает сигналы, сгенерированные телом клетки, вдоль аксона, который в конце разветвляется на волокна. На окончаниях этих волокон находятся синапсы. Синапсы (от греч. synapsis – соединение, связь) – это специализированные функциональные контакты между возбудимыми клетками, служащие для передачи и преобразования сигналов.
Нервный импульс – это процесс распространения возбуждения по аксону от тела клетки до окончания аксона. Некоторые аксоны имеют обратное действие, таким образом подавляя возбуждение клетки. Итак, по функциональному значению синапсы могут быть возбуждающими и тормозящими – в зависимости от того, активируют они или подавляют деятельность соответствующей клетки. В зависимости от поведения двух клеток сила синапса может изменятся. Наиболее простая форма синаптического обмена имеет место, когда два нейрона создают возбуждение почти одновременно, а сила взаимодействия между ними возрастает. Исследователь нейронных сетей Дональд Хебб предположил, что синаптическая связь, соединяющая два нейрона, будет усиливаться, если в процессе обучения нейронной сети оба нейрона согласованно испытывают возбуждение либо торможение. Простой алгоритм, реализующий такой механизм обучения, получил название правила Хебба, к которому мы вернемся позже. Помимо переменной силы синапса, существуют также доказательства того, что в результате взаимодействия двух нейронов могут возникнуть совершенно новые синапсы. Возможно, данный процесс происходит постоянно. Научные доказательства такого факта носят противоречивый характер. Независимо от того как изменяется сила синапсов, с уверенностью можно утверждать, что формирование и усиление синапсов – это то, от чего зависит процесс запоминания.
В коре головного мозга существует много типов нейронов, но 80% из них являются пирамидальными. Они называются так потому, что тела их клеток напоминают форму пирамид. За исключением верхнего слоя шестислойной коры головного мозга, которая состоит из километров аксонов, но очень небольшого количества клеток, каждый последующий слой состоит из пирамидальных клеток. Каждый пирамидальный нейрон связан со многими соседними нейронами, и каждый из них посылает длинный аксон к более отдаленным зонам коры головного мозга или к низшим зонам мозга, таким, например, как таламус.
Типичная пирамидальная клетка имеет несколько, тысяч синапсов. Из-за исключительно высокой плотности и малых размеров очень трудно установить их точное количество. Причем это количество различно для разных клеток, слоев и зон мозга. Если бы мы заняли консервативную позицию, утверждающую, что средняя пирамидальная клетка состоит из тысячи синапсов (на самом деле это число ближе к 5 или 10 тысячам), тогда кора головного мозга в общей сложности состояла бы из 30 миллиардов синапсов. Это астрономически большое число, которое невозможно охватить человеческим воображением. Такого количества синапсов было бы вполне достаточно, чтобы запомнить все, чему мы учимся на протяжении своей жизни.
Поговаривают, будто Альберт Эйнштейн утверждал, что открыть теорию относительности было очень просто. Ее можно было сформулировать даже из одного наблюдения: скорость света является постоянной для всех наблюдателей, даже если они передвигаются с различной скоростью. На первый взгляд, это идет вразрез с очевидным. Это настолько же нелепо, как и утверждать, что скорость брошенного мяча всегда одинакова независимо от силы броска или того, насколько быстро передвигаются игроки или наблюдатели. Разве по отношению к каждому из них мяч передвигается с одной и той же скоростью, независимо от обстоятельств? На первый взгляд, такое кажется невозможным. Тем не менее для света это был достоверный факт. И тут Эйнштейн спросил себя о том, каковы последствия столь удивительного факта. Он методически размышлял о последствиях неизменной скорости света и пришел к еще более неожиданным расчетам особенной относительности. Время начинает идти медленнее, если вы двигаетесь быстрее, в то время как масса и энергия остаются неизменными. Книги о принципе относительности объясняли, как он работает в повседневной жизни. Теория сама по себе не была сложной, но она шла вразрез с интуицией.
Подобное открытие имело место и в нейрологии, касалось оно коры головного мозга. Многие нейрологи отказывались признавать его только потому, что не понимали, какую пользу из него можно извлечь. И все же это никоим образом не умаляет научную ценность данного поразительного факта. А если внимательно и методично изучить последствия данного открытия, то мы значительно продвинемся в познании свойств и особенностей работы коры головного мозга. Итак, о чем же речь?
Выдающийся ученый Вернон Маунткастл – нейрофизик, работавший в Университете Джона Хопкинса, Балтимор, – в 1978 году опубликовал работу под названием Организующий принцип мозговой функции. В своей публикации автор подчеркнул, что кора головного мозга очень однородна по внешнему виду и строению. Зоны коры, отвечающие за зрительное восприятие, внешне не отличаются от зон, отвечающих за осязание, зон управления двигательной активностью, речевых зон и т. д. Все они выглядят почти одинаково. А если эти зоны выглядят одинаково, значит, заключил Маунткастл, вполне возможно, что они выполняют одну и ту же операцию! Он предположил, что при выполнении разных функций кора головного мозга использует один и тот же инструмент.
Все анатомы в то время, точно так же как и десятки лет до Маунткастла, знали, что кора головного мозга однородна. Но, вместо того чтобы задуматься над смыслом этой однородности, они тратили время и силы на поиск различий между зонами коры головного мозга. Они полагали, что если одна зона отвечает за зрительное восприятие, а другая – за слух, то между ними непременно должны существовать различия. Действительно, определенные различия можно заметить. Зоны коры головного мозга отличаются по толщине, плотности нервных клеток, относительной пропорции разных типов клеток, длине горизонтальных связей, плотности синапсов и многим другим параметрам, которые довольно сложно исследовать. Один из слоев первичной зрительной зоны V1 – из числа наиболее изученных зон мозга – как оказалось (к радости ученых), действительно имеет разделения. Ситуация очень напоминала работу биологов XIX века, которые посвящали свое время изучению малейших различий между видами. Например, большим успехом они считали открытие того, что две внешне совершенно одинаковые мыши на самом деле принадлежали к двум различным видам. Много лет такой тропой следовал и Дарвин, изучая моллюсков. Но Дарвин проявил неординарную проницательность, поставив вопрос о причине поразительной общности всех видов. Общность видов была для него куда более интересной и невероятной, чем их различия.
Так произошло и с Маунткастлом. В то время как именитые анатомы бились над поиском ничтожных различий между зонами коры головного мозга, он обратил внимание именно на ее однородность. Одни и те же слои, одни и те же типы клеток, одни и те же связи существуют везде. Различия, в свою очередь, настолько неуловимы, что профессиональные анатомы не могут прийти к единому мнению в отношении того, в чем они заключаются.
Маунткастл заключил, что причина внешних отличий различных зон коры головного мозга заключается в том, с чем эта зона взаимодействует, а не в различии базовых функций. Таким образом, существует общая функция, общий алгоритм, выполняемые всеми зонами коры головного мозга. Механизм зрительного восприятия не отличается от слухового восприятия, а слуховое восприятие – от двигательной функции. По предположению Маунткастла, гены человека предопределяют характер связи между зонами коры головного мозга, что является очень специфическим параметром для разных видов, однако во всех случаях ткань коры головного мозга сама по себе выполняет одну и ту же функцию.
Давайте остановимся на этом подробнее. Зрение, слух и осязание кажутся мне совсем непохожими, а порой – принципиально различными. Зрение позволяет судить о цвете, составе, форме, глубине исследуемых объектов. Слух позволяет оценивать ритм, тембр, громкость звуков. В чем может заключаться их сходство? Но Маунткастл не настаивает на сходстве, он лишь утверждает, что кора головного мозга использует одни и те же принципы обработки слуховых, зрительных и двигательных сигналов.
Большинство ученых и инженеров оставили без внимания теорию Маунткастла. Пытаясь создать компьютер, который смог бы «видеть», кибернетики использовали терминологию, характеризирующую визуальное восприятие, и старались воссоздать его механизм. Они размышляли в терминах форм и трехмерных изображений. Те же из них, кто намеревался разработать говорящий компьютер, создавали алгоритмы, использующие правила синтаксиса, грамматики и семантики. Если бы они прислушались к Маунткастлу, то поняли бы, что такие подходы лишь уводят прочь от создания искусственного интеллекта, а потому обречены на провал. Следуя логике этого непризнанного гения, алгоритм коры головного мозга един, независимо от того, из какого органа чувств обрабатывается информация или о каком типе восприятия идет речь. Чтобы человек мог слышать и видеть, мозг следует одному и тому же алгоритму, выполняет универсальную функцию.
Впервые наткнувшись на публикацию Манткастла, я был поражен. Да это же ключ к разгадке нейробиологии – одна работа, единая теория давала ключ ко всем самым невероятным загадкам человеческого мозга! В один миг я понял всю тщетность предыдущих попыток понять и воспроизвести поведение человека как набор различных операций. Надеюсь, вы сможете по достоинству оценить, насколько революционным и в то же время изысканным был подход, предложенный Маунткастлом. Впрочем, это не удивительно, ведь все лучшие научные открытия были просты, изысканны и неожиданны. Подход Маунткастла как нельзя лучше доказал последнее, и я считаю его революционным в области нейрологии. После сказанного мною отказ большинства ученых-кибернетиков поверить в модель Маунткастла выглядит не просто досадным упущением, а преступлением против науки.
Но существуют неоспоримые доказательства правоты Маунткастла, подтверждающие невероятную гибкость коры головного мозга. Мозг любого человека, если ему обеспечить правильное питание и соответствующие условия, способен освоить любой из тысяч разговорных языков, язык знаков, язык музыки, язык математики, языки программирования и язык тела. Мозг может приспособиться к условиям арктической мерзлоты и испепеляющей жары пустыни. Благодаря мозгу человек становится экспертом в шахматах, рыбной ловле, сельском хозяйстве, физике и других областях деятельности. Особая зрительная зона коры головного мозга специализируется на считывании визуальных символов – прежде всего, букв и цифр. Означает ли последнее, что у человека уже при рождении присутствует языковая зона для обработки букв и цифр? Вряд ли. Письменный язык – это очень молодое приобретение человека как вида, слишком молодое для того, чтобы соответствующий механизм его обработки мог передаваться генетически. Таким образом, кора головного мозга сама себя подразделяет на специфические функциональные зоны, руководствуясь исключительно опытом человека. Человеческий мозг обладает редкостным даром – способностью к обучению и адаптации к изменениям. Это признак очень гибкой системы, а не такой, у которой есть тысяча решений на тысячу задач.
Нейрологи также отмечают, что соединения в коре головного мозга очень пластичны, т. е. они могут видоизменятся в зависимости от входных информационных сигналов. Например, мозг новорожденного хорька можно путем хирургического вмешательства изменить так, что глаза зверька будут посылать сигналы в зону коры головного мозга, отвечающую за слуховое восприятие. Результаты просто удивительны: у хорьков развиваются каналы визуальной передачи в зоне слухового восприятия. Подобные эксперименты проводились также с другими органами восприятия и зонами мозга. Например, частички зрительной коры головного мозга у крысы после ее рождения трансплантируют в зоны коры головного мозга, отвечающие за осязание. По мере взросления крысы трансплантированные ткани занимаются переработкой осязательных сигналов в большей степени, чем визуальных. Нервные клетки универсальны, они не специализируются на зрительном восприятии, осязании или же слуховом восприятии.
Кора головного мозга человека в высшей степени податлива. Мозг взрослых людей с врожденной глухотой перерабатывает зрительную информацию в зонах, которые в обычных условиях отвечают за слуховое восприятие. Слепые от рождения люди используют большую часть зоны, которая у зрячих отвечает за зрительное восприятие, в процессе освоения и использования шрифта Брайля. Но ведь шрифт Брайля в первую очередь связан с осязанием, и закономерно было бы ожидать, что его освоение прежде всего должно активизировать зоны, отвечающие за осязание! Однако, судя по всему, такого, чтобы какая-либо из зон коры головного мозга ни за что не отвечала, не бывает. Когда, вопреки начальным ожиданиям, часть коры головного мозга, отвечающая за зрительное восприятие, не получает зрительных сигналов, она начинает искать другие информационные сигналы, хотя бы и предназначенные для других зон.
Все приведенные примеры показывают, что зоны мозга развивают специализированные функции в зависимости от типа поступающей к ним информации. Кора головного мозга не является жесткой структурой, части которой предназначены для выполнения разных функций согласно разным алгоритмам, подобно тому, как разделение поверхности Земли на страны не было «запрограммировано» в ходе эволюции. Организация вашей коры головного мозга, как и политическая карта мира, могла бы стать совсем иной при других обстоятельствах.
Гены предопределяют общее строение коры головного мозга, включая характер взаимосвязи различных зон, но ее внутреннее строение отличается необычайной гибкостью.
Маунткастл был прав – каждая зона коры головного мозга следует единому мощному алгоритму. Объединенные в соответствующую иерархическую структуру и под воздействием потока информационных сигналов на входе, эти зоны исследуют окружающую среду. Механизм действия коры головного мозга может быть использован новаторским образом в рукотворном мозге, причем так, что искусственный интеллект станет реальностью.
С гипотезой Маунткастла связана тема, которая столь же неожиданна, как и сама гипотеза. Входные сигналы, поступающие в вашу кору головного мозга, по сути своей одинаковы. Возможно, вы полагаете, что ваши функции восприятия являются совершенно разными. В конце концов, ведь звуковое восприятие обусловлено чувствительностью к колебанию воздушных волн, зрительное восприятие – чувствительностью к свету, а осязание зрительное – чувствительностью к давлению на кожу. Звук (колебания воздушных волн) характеризируется продолжительностью, зрительные образы – своими визуальными свойствами и положением в пространстве, осязание – в первую очередь соматосенсорными ощущениями. Что может быть более несхожим, чем блеяние козы, вид яблока и ощущение мяча у вас в руках?
Давайте поразмыслим. Зрительная информация от внешнего мира передается в головной мозг посредством миллионов волокон в вашем зрительном нерве. Ненадолго задержавшись в таламусе, она поступает в первичную зону коры головного мозга, отвечающую за зрительное восприятие.
Представим эти потоки сигналов в виде скопления электропроводов или оптических волокон. Возможно, вам доводилось видеть лампы с оптическими волокнами, где кончики каждого волокна светятся разными цветами. В нашем случае волокнам соответствуют аксоны, передающие к телу нейрона нервные импульсы. Как только сигналы, поступающие в головной мозг от различных органов чувств, превращаются в нервные импульсы, последние сразу становятся равноценными.
Похожая иерархическая структура существует и в других отделах мозга, ответственных за получение информации об окружающем мире по другим сенсорным каналам. Так, есть первичная слуховая зона А1 и иерархия слуховых областей, расположенных над ней, а также соматосенсорная (ответственная за восприятие физических ощущений) зона S1 и иерархия соматосенсорных областей, расположенных над ней.
Наконец, сенсорная информация поступает в ассоциативные зоны (данное название используют для описания тех областей коры головного мозга, которые получают и оценивают информацию, исходящую от разных рецепторов). Например, есть зоны, получающие информацию от органов зрения и осязания. Именно благодаря этим ассоциативным зонам вы понимаете связь между видом мухи, ползущей по вашей руке, и щекочущим чувством на коже руки. Большинство ассоциативных областей получают значительно переработанную информацию от нескольких органов чувств, но их функции до сих пор остаются невыясненными. Позже мы еще вернемся к иерархической структуре коры головного мозга.[8]
В лобных долях коры головного мозга расположены моторные зоны, также имеющие иерархическое строение. Низшая моторная зона М1 посылает сигналы в спинной мозг и непосредственно управляет мускулами. Высшие зоны осуществляют обратную связь, посылая сложные моторные команды в зону M1. Иерархия моторных зон и иерархия сенсорных зон удивительно похожи, словно построены по одной и той же модели. В моторной области информация поступает из зон высшего порядка в зону M1 низшего порядка приводит мускулы в движение; в сенсорных областях органы чувств посылают информационные сигналы вверх по иерархической лестнице. В действительности же информационные сигналы передаются в обоих направлениях. То, что является обратной связью для сенсорных областей, одновременно является выходной информацией для моторных областей, и наоборот.
Большинство схематических изображений мозга представляют собой упрощенные отображения потоков информации и иерархических отношений зон коры головного мозга. Согласно таким описаниям, сенсорные сигналы из органов чувств (зрение, слух, осязание) поступают в первичные сенсорные зоны и по мере передвижения вверх по иерархии подвергаются обработке, потом проходят через ассоциативные зоны, поступают в лобные доли коры головного мозга и, видоизмененные, передаются назад в моторные зоны. Я не оспариваю такие представления. Действительно, когда вы читаете вслух, зрительная информация на самом деле поступает в зону V1, передается вверх к ассоциативным зонам, потом поступает в моторные зоны, расположенные в лобных долях коры головного мозга, и преобразуется в команду, заставляющую мышцы речевого аппарата сокращаться и воспроизводить звуки. Но не все так просто. Я хотел бы предостеречь вас от такого излишне упрощенного подхода, в котором сложные процессы передачи информации считаются односторонними, как будто сигналы всегда передаются в одном и том же направлении, подобно деталям автомобиля при сборке на конвейере. Я утверждаю, что информационные сигналы в коре головного мозга одновременно передаются и в нисходящем направлении, причем обратные информационные потоки, поступающие от зон высшего порядка к низшим, имеют большую информационную насыщенность. Возвращаясь к примеру с чтением вслух, высшие зоны коры головного мозга посылают к первичным зонам зрительного восприятия намного больше информации, чем получают ее от взгляда, бегущего по строкам книги! Ниже мы еще коснемся вопроса обратной передачи информации. А теперь – внимание: хотя иерархия строения коры головного мозга действительно существует, не стоит считать, что информационные потоки всегда движутся одними и теми же путями.
Вернемся к нашему воображаемому секционному столу Допустим, у нас есть очень мощный микроскоп. Мы сделали небольшой срез коры головного мозга, нанесли краску на несколько нервных клеток и рассматриваем их под микроскопом. Если бы мы окрасили все нейроны, то увидели бы однородную черную массу, поскольку клетки очень плотно прилегают друг к другу. Но, окрасив лишь небольшую их часть, мы сможем увидеть шестислойную структуру, о которой упоминалось выше. Слои различаются по типам и плотности составляющих их нейронов, а также по характеру связей между ними.
Рассмотрим строение нейрона. Любая нервная клетка состоит из тела клетки, или сомы, и двух типов внешних древоподобных ветвей: аксона («передатчика») и дендритов («приемников»). Тело клетки включает ядро, которое содержит информацию о наследственных свойствах, и плазму, обладающую молекулярными средствами для производства необходимых нейрону материалов. Нейрон получает сигналы (импульсы) от других нейронов через дендриты и передает сигналы, сгенерированные телом клетки, вдоль аксона, который в конце разветвляется на волокна. На окончаниях этих волокон находятся синапсы. Синапсы (от греч. synapsis – соединение, связь) – это специализированные функциональные контакты между возбудимыми клетками, служащие для передачи и преобразования сигналов.
Нервный импульс – это процесс распространения возбуждения по аксону от тела клетки до окончания аксона. Некоторые аксоны имеют обратное действие, таким образом подавляя возбуждение клетки. Итак, по функциональному значению синапсы могут быть возбуждающими и тормозящими – в зависимости от того, активируют они или подавляют деятельность соответствующей клетки. В зависимости от поведения двух клеток сила синапса может изменятся. Наиболее простая форма синаптического обмена имеет место, когда два нейрона создают возбуждение почти одновременно, а сила взаимодействия между ними возрастает. Исследователь нейронных сетей Дональд Хебб предположил, что синаптическая связь, соединяющая два нейрона, будет усиливаться, если в процессе обучения нейронной сети оба нейрона согласованно испытывают возбуждение либо торможение. Простой алгоритм, реализующий такой механизм обучения, получил название правила Хебба, к которому мы вернемся позже. Помимо переменной силы синапса, существуют также доказательства того, что в результате взаимодействия двух нейронов могут возникнуть совершенно новые синапсы. Возможно, данный процесс происходит постоянно. Научные доказательства такого факта носят противоречивый характер. Независимо от того как изменяется сила синапсов, с уверенностью можно утверждать, что формирование и усиление синапсов – это то, от чего зависит процесс запоминания.
В коре головного мозга существует много типов нейронов, но 80% из них являются пирамидальными. Они называются так потому, что тела их клеток напоминают форму пирамид. За исключением верхнего слоя шестислойной коры головного мозга, которая состоит из километров аксонов, но очень небольшого количества клеток, каждый последующий слой состоит из пирамидальных клеток. Каждый пирамидальный нейрон связан со многими соседними нейронами, и каждый из них посылает длинный аксон к более отдаленным зонам коры головного мозга или к низшим зонам мозга, таким, например, как таламус.
Типичная пирамидальная клетка имеет несколько, тысяч синапсов. Из-за исключительно высокой плотности и малых размеров очень трудно установить их точное количество. Причем это количество различно для разных клеток, слоев и зон мозга. Если бы мы заняли консервативную позицию, утверждающую, что средняя пирамидальная клетка состоит из тысячи синапсов (на самом деле это число ближе к 5 или 10 тысячам), тогда кора головного мозга в общей сложности состояла бы из 30 миллиардов синапсов. Это астрономически большое число, которое невозможно охватить человеческим воображением. Такого количества синапсов было бы вполне достаточно, чтобы запомнить все, чему мы учимся на протяжении своей жизни.
Поговаривают, будто Альберт Эйнштейн утверждал, что открыть теорию относительности было очень просто. Ее можно было сформулировать даже из одного наблюдения: скорость света является постоянной для всех наблюдателей, даже если они передвигаются с различной скоростью. На первый взгляд, это идет вразрез с очевидным. Это настолько же нелепо, как и утверждать, что скорость брошенного мяча всегда одинакова независимо от силы броска или того, насколько быстро передвигаются игроки или наблюдатели. Разве по отношению к каждому из них мяч передвигается с одной и той же скоростью, независимо от обстоятельств? На первый взгляд, такое кажется невозможным. Тем не менее для света это был достоверный факт. И тут Эйнштейн спросил себя о том, каковы последствия столь удивительного факта. Он методически размышлял о последствиях неизменной скорости света и пришел к еще более неожиданным расчетам особенной относительности. Время начинает идти медленнее, если вы двигаетесь быстрее, в то время как масса и энергия остаются неизменными. Книги о принципе относительности объясняли, как он работает в повседневной жизни. Теория сама по себе не была сложной, но она шла вразрез с интуицией.
Подобное открытие имело место и в нейрологии, касалось оно коры головного мозга. Многие нейрологи отказывались признавать его только потому, что не понимали, какую пользу из него можно извлечь. И все же это никоим образом не умаляет научную ценность данного поразительного факта. А если внимательно и методично изучить последствия данного открытия, то мы значительно продвинемся в познании свойств и особенностей работы коры головного мозга. Итак, о чем же речь?
Выдающийся ученый Вернон Маунткастл – нейрофизик, работавший в Университете Джона Хопкинса, Балтимор, – в 1978 году опубликовал работу под названием Организующий принцип мозговой функции. В своей публикации автор подчеркнул, что кора головного мозга очень однородна по внешнему виду и строению. Зоны коры, отвечающие за зрительное восприятие, внешне не отличаются от зон, отвечающих за осязание, зон управления двигательной активностью, речевых зон и т. д. Все они выглядят почти одинаково. А если эти зоны выглядят одинаково, значит, заключил Маунткастл, вполне возможно, что они выполняют одну и ту же операцию! Он предположил, что при выполнении разных функций кора головного мозга использует один и тот же инструмент.
Все анатомы в то время, точно так же как и десятки лет до Маунткастла, знали, что кора головного мозга однородна. Но, вместо того чтобы задуматься над смыслом этой однородности, они тратили время и силы на поиск различий между зонами коры головного мозга. Они полагали, что если одна зона отвечает за зрительное восприятие, а другая – за слух, то между ними непременно должны существовать различия. Действительно, определенные различия можно заметить. Зоны коры головного мозга отличаются по толщине, плотности нервных клеток, относительной пропорции разных типов клеток, длине горизонтальных связей, плотности синапсов и многим другим параметрам, которые довольно сложно исследовать. Один из слоев первичной зрительной зоны V1 – из числа наиболее изученных зон мозга – как оказалось (к радости ученых), действительно имеет разделения. Ситуация очень напоминала работу биологов XIX века, которые посвящали свое время изучению малейших различий между видами. Например, большим успехом они считали открытие того, что две внешне совершенно одинаковые мыши на самом деле принадлежали к двум различным видам. Много лет такой тропой следовал и Дарвин, изучая моллюсков. Но Дарвин проявил неординарную проницательность, поставив вопрос о причине поразительной общности всех видов. Общность видов была для него куда более интересной и невероятной, чем их различия.
Так произошло и с Маунткастлом. В то время как именитые анатомы бились над поиском ничтожных различий между зонами коры головного мозга, он обратил внимание именно на ее однородность. Одни и те же слои, одни и те же типы клеток, одни и те же связи существуют везде. Различия, в свою очередь, настолько неуловимы, что профессиональные анатомы не могут прийти к единому мнению в отношении того, в чем они заключаются.
Маунткастл заключил, что причина внешних отличий различных зон коры головного мозга заключается в том, с чем эта зона взаимодействует, а не в различии базовых функций. Таким образом, существует общая функция, общий алгоритм, выполняемые всеми зонами коры головного мозга. Механизм зрительного восприятия не отличается от слухового восприятия, а слуховое восприятие – от двигательной функции. По предположению Маунткастла, гены человека предопределяют характер связи между зонами коры головного мозга, что является очень специфическим параметром для разных видов, однако во всех случаях ткань коры головного мозга сама по себе выполняет одну и ту же функцию.
Давайте остановимся на этом подробнее. Зрение, слух и осязание кажутся мне совсем непохожими, а порой – принципиально различными. Зрение позволяет судить о цвете, составе, форме, глубине исследуемых объектов. Слух позволяет оценивать ритм, тембр, громкость звуков. В чем может заключаться их сходство? Но Маунткастл не настаивает на сходстве, он лишь утверждает, что кора головного мозга использует одни и те же принципы обработки слуховых, зрительных и двигательных сигналов.
Большинство ученых и инженеров оставили без внимания теорию Маунткастла. Пытаясь создать компьютер, который смог бы «видеть», кибернетики использовали терминологию, характеризирующую визуальное восприятие, и старались воссоздать его механизм. Они размышляли в терминах форм и трехмерных изображений. Те же из них, кто намеревался разработать говорящий компьютер, создавали алгоритмы, использующие правила синтаксиса, грамматики и семантики. Если бы они прислушались к Маунткастлу, то поняли бы, что такие подходы лишь уводят прочь от создания искусственного интеллекта, а потому обречены на провал. Следуя логике этого непризнанного гения, алгоритм коры головного мозга един, независимо от того, из какого органа чувств обрабатывается информация или о каком типе восприятия идет речь. Чтобы человек мог слышать и видеть, мозг следует одному и тому же алгоритму, выполняет универсальную функцию.
Впервые наткнувшись на публикацию Манткастла, я был поражен. Да это же ключ к разгадке нейробиологии – одна работа, единая теория давала ключ ко всем самым невероятным загадкам человеческого мозга! В один миг я понял всю тщетность предыдущих попыток понять и воспроизвести поведение человека как набор различных операций. Надеюсь, вы сможете по достоинству оценить, насколько революционным и в то же время изысканным был подход, предложенный Маунткастлом. Впрочем, это не удивительно, ведь все лучшие научные открытия были просты, изысканны и неожиданны. Подход Маунткастла как нельзя лучше доказал последнее, и я считаю его революционным в области нейрологии. После сказанного мною отказ большинства ученых-кибернетиков поверить в модель Маунткастла выглядит не просто досадным упущением, а преступлением против науки.
* * * * *
Игнорирование разработчиками искусственного интеллекта гипотезы Маунткастла отчасти объяснимо нехваткой соответствующего инструментария, который позволил бы изучить передвижение потоков информации в шестислойной коре головного мозга. Доступные ученым методы позволяют локализировать зоны, в которых сосредоточены те или иные способности человека, но не дают возможности досконально исследовать их механизмы. Например, в наши дни научно-популярные публикации в области нейробиологии косвенно пропагандируют мысль о том, что мозг является совокупностью высокоспециализированных модулей. Технологии функциональной визуализации, наподобие магнитно-резонансной томографии (МРТ), и позитронное эмиссионное томографическое сканирование (ПЭТ-сканирование) позволяют сосредоточиться исключительно на топографических картах мозга и функциональных областях, которые мы рассматривали раньше. Как правило, подобные экспериментальные исследования проводятся в положении пациента лежа, так, что его голова находится под сканирующим устройством. Пациент выполняет мыслительное задание (например, спряжение глаголов, повторение предложений, вызывание образов, запоминание списков, решение логических задач) или осуществляет заданное движение. Диагностическое устройство фиксирует активность различных зон мозга при выполнении того или иного задания и наносит цветные мазки на изображение («карту») человеческого мозга. На основании результатов тысяч экспериментов по функциональной визуализации ученые-физиологи установили, какие зоны мозга выполняют те или иные функции. Им известно местонахождение областей распознания человеческих лиц, осуществления математических операций или восприятия музыки и многих других. Казалось бы, вполне естественно предположить, что различные функции мозг выполняет разными способами.Но существуют неоспоримые доказательства правоты Маунткастла, подтверждающие невероятную гибкость коры головного мозга. Мозг любого человека, если ему обеспечить правильное питание и соответствующие условия, способен освоить любой из тысяч разговорных языков, язык знаков, язык музыки, язык математики, языки программирования и язык тела. Мозг может приспособиться к условиям арктической мерзлоты и испепеляющей жары пустыни. Благодаря мозгу человек становится экспертом в шахматах, рыбной ловле, сельском хозяйстве, физике и других областях деятельности. Особая зрительная зона коры головного мозга специализируется на считывании визуальных символов – прежде всего, букв и цифр. Означает ли последнее, что у человека уже при рождении присутствует языковая зона для обработки букв и цифр? Вряд ли. Письменный язык – это очень молодое приобретение человека как вида, слишком молодое для того, чтобы соответствующий механизм его обработки мог передаваться генетически. Таким образом, кора головного мозга сама себя подразделяет на специфические функциональные зоны, руководствуясь исключительно опытом человека. Человеческий мозг обладает редкостным даром – способностью к обучению и адаптации к изменениям. Это признак очень гибкой системы, а не такой, у которой есть тысяча решений на тысячу задач.
Нейрологи также отмечают, что соединения в коре головного мозга очень пластичны, т. е. они могут видоизменятся в зависимости от входных информационных сигналов. Например, мозг новорожденного хорька можно путем хирургического вмешательства изменить так, что глаза зверька будут посылать сигналы в зону коры головного мозга, отвечающую за слуховое восприятие. Результаты просто удивительны: у хорьков развиваются каналы визуальной передачи в зоне слухового восприятия. Подобные эксперименты проводились также с другими органами восприятия и зонами мозга. Например, частички зрительной коры головного мозга у крысы после ее рождения трансплантируют в зоны коры головного мозга, отвечающие за осязание. По мере взросления крысы трансплантированные ткани занимаются переработкой осязательных сигналов в большей степени, чем визуальных. Нервные клетки универсальны, они не специализируются на зрительном восприятии, осязании или же слуховом восприятии.
Кора головного мозга человека в высшей степени податлива. Мозг взрослых людей с врожденной глухотой перерабатывает зрительную информацию в зонах, которые в обычных условиях отвечают за слуховое восприятие. Слепые от рождения люди используют большую часть зоны, которая у зрячих отвечает за зрительное восприятие, в процессе освоения и использования шрифта Брайля. Но ведь шрифт Брайля в первую очередь связан с осязанием, и закономерно было бы ожидать, что его освоение прежде всего должно активизировать зоны, отвечающие за осязание! Однако, судя по всему, такого, чтобы какая-либо из зон коры головного мозга ни за что не отвечала, не бывает. Когда, вопреки начальным ожиданиям, часть коры головного мозга, отвечающая за зрительное восприятие, не получает зрительных сигналов, она начинает искать другие информационные сигналы, хотя бы и предназначенные для других зон.
Все приведенные примеры показывают, что зоны мозга развивают специализированные функции в зависимости от типа поступающей к ним информации. Кора головного мозга не является жесткой структурой, части которой предназначены для выполнения разных функций согласно разным алгоритмам, подобно тому, как разделение поверхности Земли на страны не было «запрограммировано» в ходе эволюции. Организация вашей коры головного мозга, как и политическая карта мира, могла бы стать совсем иной при других обстоятельствах.
Гены предопределяют общее строение коры головного мозга, включая характер взаимосвязи различных зон, но ее внутреннее строение отличается необычайной гибкостью.
Маунткастл был прав – каждая зона коры головного мозга следует единому мощному алгоритму. Объединенные в соответствующую иерархическую структуру и под воздействием потока информационных сигналов на входе, эти зоны исследуют окружающую среду. Механизм действия коры головного мозга может быть использован новаторским образом в рукотворном мозге, причем так, что искусственный интеллект станет реальностью.
С гипотезой Маунткастла связана тема, которая столь же неожиданна, как и сама гипотеза. Входные сигналы, поступающие в вашу кору головного мозга, по сути своей одинаковы. Возможно, вы полагаете, что ваши функции восприятия являются совершенно разными. В конце концов, ведь звуковое восприятие обусловлено чувствительностью к колебанию воздушных волн, зрительное восприятие – чувствительностью к свету, а осязание зрительное – чувствительностью к давлению на кожу. Звук (колебания воздушных волн) характеризируется продолжительностью, зрительные образы – своими визуальными свойствами и положением в пространстве, осязание – в первую очередь соматосенсорными ощущениями. Что может быть более несхожим, чем блеяние козы, вид яблока и ощущение мяча у вас в руках?
Давайте поразмыслим. Зрительная информация от внешнего мира передается в головной мозг посредством миллионов волокон в вашем зрительном нерве. Ненадолго задержавшись в таламусе, она поступает в первичную зону коры головного мозга, отвечающую за зрительное восприятие.
Представим эти потоки сигналов в виде скопления электропроводов или оптических волокон. Возможно, вам доводилось видеть лампы с оптическими волокнами, где кончики каждого волокна светятся разными цветами. В нашем случае волокнам соответствуют аксоны, передающие к телу нейрона нервные импульсы. Как только сигналы, поступающие в головной мозг от различных органов чувств, превращаются в нервные импульсы, последние сразу становятся равноценными.