Страница:
Как вы поймаете мяч, используя при этом память? В вашем мозге сохраняется память о моторных командах (точно так же, как и многих других типов поведения), необходимых для поимки мяча. Когда бросают мяч, происходят три события. Во-первых, вид мяча автоматически активизирует соответствующие воспоминания. Во-вторых, в памяти оживает временная последовательность моторных команд. В-третьих, вызванное воспоминание соотносится с обстоятельствами конкретной ситуации, т. е. приспосабливается к фактической траектории мяча и положению вашего тела. Воспоминание о том, как нужно ловить мяч, не было запрограммировано в вашем мозге. Вы обучились этому в процессе жизни, соответственно информация не вычисляется, а сохраняется в нейронах коры вашего головного мозга. «Минуточку! – возразите вы, – Каждый бросок отличается от другого. Как было только что сказано, вызванное воспоминание приспосабливается к положению мяча при каждом броске. Разве это не требует решения уравнений – того, чего мы пытались избежать?» На первый взгляд, это действительно так, но природа решила проблему переменных обстоятельств иным, гораздо более совершенным способом.
В этой главе мы увидим, что кора головного мозга создает инвариантные представления, которые компенсируют изменчивость окружающего мира. Представьте, например, что вы садитесь на водную кровать. При этом непроизвольно перемещаются все расположенные на ней объекты – скажем, подушки и другие люди. Кровать не высчитывает, насколько высоко или низко нужно поднять тот или иной край; функция приспосабливания осуществляется автоматически за счет физических свойств воды и поверхности матраца. В следующей главе мы увидим, что структура шестислойной коры головного мозга обладает приблизительно таким же свойством по отношению к поступающему в нее из внешнего мира потоку информации.
Итак, принципы действия неокортекса и компьютера различны. В место вычисления решений и программирования поведения кора головного мозга использует память.
У компьютеров тоже есть память в форме жестких накопителей и чипов памяти. Но четыре особенности памяти неокортекса коренным образом отличают ее от памяти компьютера:
• неокортекс запоминает последовательности элементов, а не отдельные элементы окружающего мира;
• неокортекс вспоминает последовательности автоассоциативно;
• неокортекс запоминает последовательности в инвариантной форме;
• неокортекс сохраняет последовательности иерархически.
Первые три принципа мы рассмотрим в данной главе. Концепция иерархичности коры головного мозга была представлена в главе 3, а в главе 6 мы более подробно остановимся на ее прикладном значении.
В следующий раз, рассказывая собеседнику о каком-нибудь происшествии, попробуйте абстрагироваться от происходящего и проанализировать последовательность вашего повествования. Вы не можете рассказать все, что случилось, одновременно, даже если ваша речь будет очень быстрой, а собеседник – внимательным. Вы выдаете порции информации последовательно, одну за другой. Это происходит не только потому, что разговорная речь сама по себе является серийной. Любой рассказ – будь то письменный, устный или рисованный в картинках – всегда носит серийный характер. Это объясняется тем, что память о событиях сохраняется в вашем мозге в серийной форме и может быть извлечена оттуда тоже в серийной форме. Вы не можете вспомнить все, случившееся с вами, одномоментно. Собственно, невозможно думать о чем-то сложном вне рамок серии событий или мыслей.
Некоторые люди в разговорах подолгу не могут перейти к сути. Они топчутся на месте, нагромождая в своем рассказе скучные подробности и многочисленные отступления от темы. Если вам доводилось общаться с такими собеседниками, то вы наверняка вспомните, насколько раздражает подобная манера повествования. Вам так и хочется крикнуть: «Да скажите же наконец о главном!» Но человек продолжает в деталях описывать хронологию произошедших с ним событий. По-другому у него просто не выходит.
Приведу другой пример. Закройте глаза и представьте свой дом. Вообразите, что вы подходите ко входной двери. Постарайтесь рассмотреть ее во всех подробностях. Откройте ее. Войдите внутрь. Посмотрите налево. Что вы видите? Посмотрите направо. Затем пройдите в ванную комнату. Что вы видите на стене справа от вас? Слева? Что лежит в верхнем правом ящике туалетного столика? Какие еще вещи вы храните в ванной? Вы знаете ответы на эти и тысячи подобных вопросов, вы можете вспомнить их со всеми подробностями. Вся эта информация хранится в коре вашего головного мозга. Можно сказать, что ответы на перечисленные вопросы – часть воспоминания о вашем доме. Но вы не способны думать обо всем сразу. В вашей памяти эта информация действительно связана, но не существует способа, который бы позволил вам увидеть в своем воображении все одновременно. Чтобы вызвать из памяти полное и устойчивое воспоминание о своем доме, вам придется пройти через серию последовательных фрагментов в таком же порядке, как вы их переживали в действительности.
И таковы все воспоминания. Воспоминание об одном эпизоде (приближение к двери) активизирует следующий (войти в дверь), который, в свою очередь, повлечет за собой следующий (подняться или спустится по лестнице) и так далее. Все это – последовательности, которые вы проходили раньше. Конечно, приложив определенные усилия, можно сменить порядок описания своего дома – скажем, перепрыгнуть от описания входной двери к описанию второго этажа. Но, как только мне вздумается рассказать собеседнику, как выглядит моя комната или любой элемент интерьера, я возвращусь к последовательному способу описания. По-настоящему беспорядочных мыслей вообще не существует. Воспоминания всплывают в памяти путем ассоциирования.
Вы знаете алфавит. Но попробуйте-ка произнести его в обратном порядке и убедитесь, насколько это трудновыполнимая задача. Кроме того, вы на собственном опыте поймете, каково учить алфавит маленькому ребенку. В вашей памяти алфавит представлен как последовательность сигналов. Как и другие воспоминания, данное не является чем-то «законсервированным» в вашем мозге и не поддается моментальному извлечению или извлечению в произвольном порядке. Точно так же обстоит дело и с днями недели, месяцами в году, вашим номером телефона и множеством другой информации. Запоминание песни – еще один отличный пример временной последовательности. Припомните какой-нибудь известный вам мотив. Скажем, моя любимая песня – Somewhere over the Rainbow, а вы выберите другую мелодию по своему вкусу. Вы не сможете вспомнить песню всю сразу, только в последовательности. Вы начнете с начала или с припева, но будете придерживаться определенной последовательности. Вам не удастся припомнить слова в обратном порядке или охватить своим вниманием песню целиком. В реальности прослушивание песни занимало у вас определенный промежуток времени, и вы сможете вспомнить ее только в том порядке, в каком заучили.
То же самое справедливо и для низшего уровня сенсорных запоминаний. Возьмем, к примеру, тактильную память о разных типах поверхностей. В вашем мозге хранятся вспоминания об ощущениях, вызванных касанием к гравию, поглаживанием вельветовой ткани, нажиманием клавиш пианино. Эти запоминания основаны на последовательностях точно так же, как алфавит или песня. Различие в том, что более короткие последовательные ряды тактильных ощущений будут разбиваться на секундные промежутки вместо минутных. Если бы во время вашего сна я поместил бы вашу руку в ведро с гравием, то, проснувшись, вы бы легко определили, к чему прикасается ваша рука, пошевелив пальцами. Ваше воспоминание о тактильном ощущении при касании к гравию основано на последовательности сигналов о вибрации и давлении, воспринимаемых нейронами вашей кожи. Эти последовательности сигналов очень отличаются от тех, которые возникли бы у вас, будь ваша рука зарыта в песок или сухие листья. Скрип и перекатывание гальки, сопровождающее даже самые незначительные движения вашей руки, продуцируют контрольные последовательности сигналов, которые приводят в действие соответствующие вспоминание в соматосенсорной части неокортекса.
В следующий раз, выходя из душа, обратите внимание на то, как вы вытираетесь полотенцем. Однажды я сделал для себя открытие, что всякий раз этот процесс состоит из одних и тех же движений и положений тела. Наблюдая за своей женой (очень приятный эксперимент!), я заметил точно то же. Думаю, в вашем случае результат окажется сходным: вы отметите полужесткую последовательность движений и поворотов тела. Но попробуйте-ка ее изменить! Приложив некоторые усилия, вы сможете это проделать, но лишь при условии предельной сосредоточенности на своем занятии. Как только отвлечетесь, сразу почувствуете, что вернулись к старой модели поведения.
Все наши вспоминания хранятся в синаптических связях между нейронами. Если учесть, что неокортекс содержит огромнейшее количество информации, но в каждый конкретный момент времени мы можем вспомнить лишь малую ее толику, то можно предположить, что любое воспоминание обеспечивается лишь ограниченным количеством нейронов и синаптических связей между ними. Когда вы начинаете вспоминать об интерьере своего дома, то сначала активизируется один набор нейронов, потом он приводит в действие следующий набор и так далее. Объем памяти неокортекса невероятно вместителен. Тем не менее в каждый конкретный момент времени мы можем погрузиться лишь в несколько воспоминаний, вызываемых лишь как последовательность ассоциаций.
Выполните еще одно задание. Погрузитесь в прошлое и попытайтесь вспомнить места, где вы жили, в которых вам довелось побывать, людей, с которыми вы были знакомы. Оказывается, в процессе такого упражнения в памяти всплывают факты, казалось бы, давно позабытые. Нейронные синапсы хранят тысячи подробнейших воспоминаний, используемых очень редко или не используемых вовсе. В каждое отдельное мгновение мы извлекаем из памяти лишь крошечную часть того, что в ней хранится. Большинство же воспоминаний, образно говоря, сидят и бьют баклуши в ожидании сигнала.
Память компьютера не хранит последовательности сигналов. С помощью разных программных доработок можно этого достичь (как, например, в случае, сохранения и воспроизведения песни), но память компьютера не способна на автоматическое выполнение такого задания. В то же время запоминание последовательностей символов – это неотъемлемое свойство системы памяти коры головного мозга, данное ей от природы.
А сейчас предлагаю рассмотреть второе ключевое свойство человеческой памяти – ее автоассоциативную природу. В главе 2 мы выяснили, что значение данного термина подразумевает ассоциирование сигналов самих с собой. Автоассоциативная система способна воспроизвести полную последовательность на основе неполной или искаженной входной информации. Последнее касается как пространственных, так и временных сигналов. Так, заметив, что из-за шторы выглядывают ботинки вашего сына, вы автоматически представите его в полный рост. Вы создали полный образ из неполной информации о нем. Или представьте, что вы увидели человека, ожидающего автобус, но при этом большая часть его тела скрыта от вас кустом. Ваш мозг не растеряется. Хотя глаза увидят только часть целого, перед вами возникнет полный образ. Причем он будет настолько отчетливым и ярким, что вы вряд ли будете отдавать себе отчет в том, что это всего лишь предположение.
Мозг способен дополнять и временные образы. Припомните незначительную подробность из давно минувших событий, и вам на ум придет вся соответствующая последовательность. Марсель Пруст в известном собрании романов, объединенных названием «В поисках утраченного времени» открывает свой первый рассказ вспоминанием о том, как пахнет печенье «Мадлен», а затем разворачивает повествование на тысячу с лишним страниц. Общаясь в каком-либо шумном месте, мы зачастую не слышим все слова собеседника. Ничего страшного, ведь наш мозг сам дополнит то, что он ожидает услышать. Общеизвестно, что мы на самом деле не слышим полностью всех слов, которые воспринимаем. Привычку некоторых людей «читать мысли» собеседника и заканчивать чужие высказывания считают дурным тоном. Но наш мозг поступает подобным образом постоянно, причем, дополняя не только окончания наблюдаемых явлений, но и их начало и середину. Подобная склонность заниматься постоянным додумыванием фактов редко осознается человеком, однако она является фундаментальной характеристикой памяти. В любой момент времени часть может активизировать целое – в этом состоит суть автоассоциативных воспоминаний.
Неокортекс – это сложная биологическая автоассоциативная система памяти. В каждый момент времени каждая функциональная зона зорко бдит, не появились ли на входе знакомые элементы или их фрагменты. Появление в поле вашего зрения знакомого человека мгновенно прервет поток самых глубоких размышлений – ваши мысли переключатся на приятеля. Визуальный сигнал – появление знакомого – заставляет мозг включится в процесс вспоминания других сигналов, ассоциируемых с ним. Это неизбежно. А после такого внезапного отвлечения внимания мы часто ломаем голову: «Так о чем же я думал?» Обеденный разговор с друзьями тоже протекает в ассоциативных рамках. Скажем, беседа начинается с обсуждения блюд. Вы отмечаете, что такой же салат ваша мать приготовила вам на свадьбу, и это наводит кого-то на воспоминания о его свадьбе, затем о медовом месяце и путешествии в экзотическую страну, о политических проблемах в той части мира и так далее. Мысли и воспоминания ассоциативно взаимосвязаны – случайностей здесь нет и быть не может. Входные сигналы, поступающие в мозг, автоассоциативны по отношению к самим себе, они дополняют новые модели и автоассоциативно связаны с тем, что произойдет дальше. Такая цепочка воспоминаний называется мыслью, и, хотя ее путь не предначертан, полного контроля над ней мы тоже не имеем.
Теперь обратимся к третьей особенности памяти неокортекса – формированию инвариантных представлений. Здесь мы обсудим их общие черты, а в главе 6 поговорим о том, как мозг создает эти модели.
Память компьютера устроена так, чтобы сохранять информацию в максимально неизменном виде. Когда вы копируете программу с компакт-диска, то на жесткий диск вашего компьютера переносится каждый байт информации со 100-процентной точностью. Незначительное расхождение между оригиналом и копией может вызвать фатальный сбой в работе компьютерной программы. Память неокортекса действует иначе. Мозг не запоминает с абсолютной точностью все увиденное, услышанное или почувствованное, причем совершенно не из-за того, что деятельность коры головного мозга или нейронов беспорядочна, что чревато возникновением ошибок. Так происходит потому, что мозг запоминает важные взаимосвязи внешнего мира, а не привязывается к отдельным его элементам. Давайте рассмотрим несколько примеров.
Как упоминалось в главе 2, простейшие автоассоциативные модели создаются учеными уже несколько десятков лет, а мозг, как я только что объяснил, вызывает воспоминания автоассоциативным способом. Тем не менее существует большая разница между автоассоциативными воспоминаниями, реализуемыми в нейронных сетях, и воспоминаниями неокортекса. В искусственных автоассоциативных воспоминаниях не задействованы инвариантные представления, и поэтому в них возможны существенные упущения.
Я могу сохранять в искусственной автоассоциативной памяти множество снимков лиц, состоящих из черно-белых точек. Если вы предъявите лишь часть одного из изображений (например, глаза), то система дополнит недостающие части (такие эксперименты проводились неоднократно). Однако, если каждую точку картинки передвинуть на пять пикселей вправо, то машина не сумеет распознать лицо. Для искусственной автоассоциативной памяти это уже совершенно новая модель, потому что расположение пикселей в ней не совпадает с исходной моделью. А вы и я без труда опознали бы сдвинутое изображение как одно и то же лицо.
Искусственная автоассоциативная память не в состоянии распознать изображение, если оно было подвергнуто перемещению, ротации, изменению масштаба, какому угодно другому из тысяч возможных превращений. В отличие от нейронных сетей человеческий мозг с легкостью справляется с такой задачей. Так почему же мы воспринимаем факты, явления или обстоятельства как неизменные, если входные сигналы, их описывающие, поменялись или изменились? Давайте рассмотрим еще один пример.
Сейчас, скорее всего, вы держите в руках книгу. Если вы повернете книгу, измените освещение или положение своего тела на стуле, зафиксируете взгляд на разных частях книги, то световые сигналы, попадающие на сетчатку вашего глаза, полностью изменятся. Зрительные сигналы, которые вы получаете, различны в каждое отдельное мгновение. Входные сигналы, поступающие в ваш мозг, не повторились бы ни разу даже в том случае, если бы вы держали книгу в руках на протяжении ста лет. Однако вы ни на миг не усомнитесь, что держите в руках все ту же книгу. Внутренняя модель «этой книги», которой располагает ваш мозг, не изменяется даже в условиях информационной переменчивости. Такие внутренние репрезентации мозга описывает термин инвариантная репрезентация.
Другой пример: представьте лицо своего друга. Вы узнаете его каждый раз при новой встрече. Это происходит менее, чем за одну секунду, независимо от того, находится ли этот человек в двух шагах от вас, в пяти метрах или в противоположном конце комнаты. Когда он рядом, то его образ занимает большую часть сетчатки, а когда он рядом – лишь малую ее часть. Он может стоять к вам лицом, быть повернутым в профиль или под углом. Он может улыбнуться, прищуриться или зевнуть. Вы могли бы увидеть его при ярком дневном свете, в тени или в разноцветных бликах дискотеки. В каждом из перечисленных случаев доля света, попадающего на вашу сетчатку, будет не такой, как в остальных случаях, однако в каждом отдельном случае вы сразу же узнаете друга.
Давайте приподнимем занавес и посмотрим, что происходит в вашем мозге, что позволяет ему проявлять столь необыкновенные свойства. Экспериментально установлено, что модель деятельности нейронов в зрительной зоне V1 неокортекса, принимающей визуальные стимулы, будет отличатся для каждого положения лица вашего друга. Всякий раз, когда лицо меняет свое положение или происходит новая фиксация ваших глаз, модель активности нейронов первичной зрительной зоны меняется в соответствии со сменой изображения на вашей сетчатке. Однако если мы проанализируем деятельность ваших клеток в зоне распознания лиц – функциональной зоне, расположенной на порядок выше V1 в иерархии коры головного мозга, – то обнаружим полную стабильность. Значит, определенная часть нервных клеток зоны распознавания лиц остается активной все то время, пока лицо друга пребывает в поле вашего зрения (или даже до тех пор, пока вы рисуете его в своем воображении), независимо от размеров, положения, ориентации, масштаба и выражения лица. Эта стабильность нервных клеток высших функциональных зон коры головного мозга и является инвариантной репрезентацией.
Описанный процесс кажется настолько примитивным, что его даже трудно назвать задачей. Он происходит так же автоматически, как и дыхание. Мы можем назвать его тривиальным, поскольку не отдаем себе отчет в том, что происходит. В определенном смысле это действительно тривиальный процесс, ведь наш мозг выполняет его очень быстро (вспомните правило «ста шагов»). Однако вопрос о том, как кора головного мозга формирует инвариантные представления, остается одной из загадок, по сей день не разгаданных наукой. «Насколько сложной загадкой?» – спросите вы. «Настолько, – отвечу я, – что ни один ученый из числа обладающих самыми современными исследовательскими инструментами, не смог ее разгадать». И совсем не по причине отсутствия стараний.
У данной проблемы очень древние корни – о ней говорили еще во времена Платона, т. е. две тысячи триста лет тому назад. Задаваясь вопросом о том, как люди могут мыслить и познавать мир, Платон обратил внимание, что в реальной жизни нет двух одинаковых предметов или людей, и, кроме того, все они всегда несовершенны по своей форме. Например, у вас есть представление о том, что такое правильная окружность, тем не менее в реальной жизни она почти не встречается. Все изображения круга несовершенны. Даже если я начерчу окружность с помощью циркуля, его границы будут обозначены темной линией, в то время как идеальный круг не должен включать никаких утолщений. Как же в таком случае у вас сформировалось представление об идеальной окружности? Возьмем другой пример из повседневной жизни – например, ваше представление о собаке. Любой когда-либо увиденный вами пес отличается от остальных своих собратьев, а кроме того, любой новый взгляд на одну и ту же собаку также неповторим. Соответственно, каждый раз вы видите новую форму. Однако все впечатления о собаках, полученные вами в процессе жизненного опыта, объединились в вашем мозге под общим понятием «собака», которое остается неизменным. Платон задавался вопросом: как в мире бесконечно меняющихся форм и быстротечных ощущений люди способны усваивать и использовать неизменные представления?
Решением Платона стала его теория форм. Он считал, что наш высший разум связан с трансцендентной суперреальностью, в которой неизменные стабильные идеи («Формы», с прописной буквы) существуют в безвременном совершенстве. Наши души приходят из этого мистического места, где они обитают еще до нашего рождения. Именно там, в этом мистическом месте, человеческие души и постигают, что такое Формы. Согласно представлениям Платона, при рождении у нас уже имеются латентные знания о Формах. Обучение и понимание возможны только благодаря тому, что несовершенные формы реального мира напоминают нам соответствующие идеальные Формы. Мы узнаем окружность и собаку, потому что их образы вызывают воспоминания об Окружности и Собаке.
С современной точки зрения теория Платона чересчур эксцентрична, но если отмести пелену метафизики, то становится понятно, что Платон, по сути, имел ввиду инвариантность. Даже называя его систему толкований чудаковатой, мы вынуждены признать, что интуитивное осознание древним мыслителем того, что поставленный вопрос является одним из наиболее важных в понимании природы человека, было попаданием в десятку.
Чтобы у вас не сложилось представление, что инвариантность присуща только зрительному восприятию, давайте обратимся к другим типам ощущений – например, к тактильному. Когда вы засовываете руку в бардачок вашего автомобиля в поисках солнцезащитных очков, вашим пальцам достаточно прикосновения, чтобы определить, что вы их нашли. Не имеет значения, какая часть руки контактирует с предметом (большой палец, указательный, любая точка другого пальца или вся внутренняя поверхность ладони) и с какой именно его частью (со стеклом, оправой, дужкой, петлей). Для распознания очков вашему мозгу достаточно одной секунды соприкосновения любой части вашей ладони с любой частью предмета. В каждом случае поток пространственно-временных сигналов, поступающий от осязательных рецепторов, различен, поскольку задействованы различные зоны вашей кожи, разные части предмета. Тем не менее вы, не раздумывая, возьмете свои очки.
Или же давайте рассмотрим такой пример сенсорномоторной задачи: вы вставляете ключ в замок зажигания автомобиля. Каждый раз положение вашего сидения, тела, руки немного отличаются, однако вам кажется, что это одно и то же движение, повторяющееся изо дня в день. И все это только потому, что ваш мозг обладает инвариантной репрезентативностью. Создание робота, который проделывал бы ту же операцию, забираясь в машину и вставляя ключ, практически невозможно. Даже заставив робота абсолютно точно воспроизводить одну и ту же позицию и класть ключи точно в то же место и точно так же, как и в предыдущий раз, вы непременно столкнетесь с неразрешимой проблемой: программа будет работать только для одного-единственного автомобиля. Роботы и компьютерные программы, как и искусственная автоассоциативная память, обладают одним и тем же недостатком – вариативные задачи для них неразрешимы.
Еще один интересный пример – ваша подпись. В моторной зоне коры головного мозга, в ее лобной доле, хранится репрезентация вашего автографа. Каждый раз, выводя свою подпись, вы выполняете одну и ту же последовательность действий: и в случаях, когда вы ставите аккуратную подпись, когда даете вычурный автограф в стиле Джона Хэнкока, когда у вас локоть на весу или когда вы держите ручку пальцами ног. Естественно, каждый раз ваша подпись выглядит немного по-другому (особенно в последнем случае). Но, независимо от орудия написания, размеров подписи и комбинации ее частей, для ее написания вы всегда выполняете одну и ту же абстрактную «моторную программу».
Из данного примера видно, что инвариантная репрезентация в моторной зоне коры головного мозга – это в каком-то отношении зеркальное отражение инвариантной репрезентации в сенсорной зоне коры головного мозга. В сенсорной зоне различные входные сигналы приводят в действие устойчивый набор нейронных клеток, соответствующих определенным абстрактным моделям (в приведенных выше примерах – лицо друга и солнцезащитные очки). В моторной зоне устойчивый набор нейронных клеток, соответствующий абстрактной моторной команде (хватание мяча, начертание подписи), может выразить себя посредством включения множества комбинаций мускульных групп с учетом всех вероятных ограничений. Если в разных зонах коры головного мозга всегда действует один и тот же алгоритм, как предполагал Маунткастл, то именно такой симметрии между восприятием и действием следовало ожидать.
В этой главе мы увидим, что кора головного мозга создает инвариантные представления, которые компенсируют изменчивость окружающего мира. Представьте, например, что вы садитесь на водную кровать. При этом непроизвольно перемещаются все расположенные на ней объекты – скажем, подушки и другие люди. Кровать не высчитывает, насколько высоко или низко нужно поднять тот или иной край; функция приспосабливания осуществляется автоматически за счет физических свойств воды и поверхности матраца. В следующей главе мы увидим, что структура шестислойной коры головного мозга обладает приблизительно таким же свойством по отношению к поступающему в нее из внешнего мира потоку информации.
Итак, принципы действия неокортекса и компьютера различны. В место вычисления решений и программирования поведения кора головного мозга использует память.
У компьютеров тоже есть память в форме жестких накопителей и чипов памяти. Но четыре особенности памяти неокортекса коренным образом отличают ее от памяти компьютера:
• неокортекс запоминает последовательности элементов, а не отдельные элементы окружающего мира;
• неокортекс вспоминает последовательности автоассоциативно;
• неокортекс запоминает последовательности в инвариантной форме;
• неокортекс сохраняет последовательности иерархически.
Первые три принципа мы рассмотрим в данной главе. Концепция иерархичности коры головного мозга была представлена в главе 3, а в главе 6 мы более подробно остановимся на ее прикладном значении.
В следующий раз, рассказывая собеседнику о каком-нибудь происшествии, попробуйте абстрагироваться от происходящего и проанализировать последовательность вашего повествования. Вы не можете рассказать все, что случилось, одновременно, даже если ваша речь будет очень быстрой, а собеседник – внимательным. Вы выдаете порции информации последовательно, одну за другой. Это происходит не только потому, что разговорная речь сама по себе является серийной. Любой рассказ – будь то письменный, устный или рисованный в картинках – всегда носит серийный характер. Это объясняется тем, что память о событиях сохраняется в вашем мозге в серийной форме и может быть извлечена оттуда тоже в серийной форме. Вы не можете вспомнить все, случившееся с вами, одномоментно. Собственно, невозможно думать о чем-то сложном вне рамок серии событий или мыслей.
Некоторые люди в разговорах подолгу не могут перейти к сути. Они топчутся на месте, нагромождая в своем рассказе скучные подробности и многочисленные отступления от темы. Если вам доводилось общаться с такими собеседниками, то вы наверняка вспомните, насколько раздражает подобная манера повествования. Вам так и хочется крикнуть: «Да скажите же наконец о главном!» Но человек продолжает в деталях описывать хронологию произошедших с ним событий. По-другому у него просто не выходит.
Приведу другой пример. Закройте глаза и представьте свой дом. Вообразите, что вы подходите ко входной двери. Постарайтесь рассмотреть ее во всех подробностях. Откройте ее. Войдите внутрь. Посмотрите налево. Что вы видите? Посмотрите направо. Затем пройдите в ванную комнату. Что вы видите на стене справа от вас? Слева? Что лежит в верхнем правом ящике туалетного столика? Какие еще вещи вы храните в ванной? Вы знаете ответы на эти и тысячи подобных вопросов, вы можете вспомнить их со всеми подробностями. Вся эта информация хранится в коре вашего головного мозга. Можно сказать, что ответы на перечисленные вопросы – часть воспоминания о вашем доме. Но вы не способны думать обо всем сразу. В вашей памяти эта информация действительно связана, но не существует способа, который бы позволил вам увидеть в своем воображении все одновременно. Чтобы вызвать из памяти полное и устойчивое воспоминание о своем доме, вам придется пройти через серию последовательных фрагментов в таком же порядке, как вы их переживали в действительности.
И таковы все воспоминания. Воспоминание об одном эпизоде (приближение к двери) активизирует следующий (войти в дверь), который, в свою очередь, повлечет за собой следующий (подняться или спустится по лестнице) и так далее. Все это – последовательности, которые вы проходили раньше. Конечно, приложив определенные усилия, можно сменить порядок описания своего дома – скажем, перепрыгнуть от описания входной двери к описанию второго этажа. Но, как только мне вздумается рассказать собеседнику, как выглядит моя комната или любой элемент интерьера, я возвращусь к последовательному способу описания. По-настоящему беспорядочных мыслей вообще не существует. Воспоминания всплывают в памяти путем ассоциирования.
Вы знаете алфавит. Но попробуйте-ка произнести его в обратном порядке и убедитесь, насколько это трудновыполнимая задача. Кроме того, вы на собственном опыте поймете, каково учить алфавит маленькому ребенку. В вашей памяти алфавит представлен как последовательность сигналов. Как и другие воспоминания, данное не является чем-то «законсервированным» в вашем мозге и не поддается моментальному извлечению или извлечению в произвольном порядке. Точно так же обстоит дело и с днями недели, месяцами в году, вашим номером телефона и множеством другой информации. Запоминание песни – еще один отличный пример временной последовательности. Припомните какой-нибудь известный вам мотив. Скажем, моя любимая песня – Somewhere over the Rainbow, а вы выберите другую мелодию по своему вкусу. Вы не сможете вспомнить песню всю сразу, только в последовательности. Вы начнете с начала или с припева, но будете придерживаться определенной последовательности. Вам не удастся припомнить слова в обратном порядке или охватить своим вниманием песню целиком. В реальности прослушивание песни занимало у вас определенный промежуток времени, и вы сможете вспомнить ее только в том порядке, в каком заучили.
То же самое справедливо и для низшего уровня сенсорных запоминаний. Возьмем, к примеру, тактильную память о разных типах поверхностей. В вашем мозге хранятся вспоминания об ощущениях, вызванных касанием к гравию, поглаживанием вельветовой ткани, нажиманием клавиш пианино. Эти запоминания основаны на последовательностях точно так же, как алфавит или песня. Различие в том, что более короткие последовательные ряды тактильных ощущений будут разбиваться на секундные промежутки вместо минутных. Если бы во время вашего сна я поместил бы вашу руку в ведро с гравием, то, проснувшись, вы бы легко определили, к чему прикасается ваша рука, пошевелив пальцами. Ваше воспоминание о тактильном ощущении при касании к гравию основано на последовательности сигналов о вибрации и давлении, воспринимаемых нейронами вашей кожи. Эти последовательности сигналов очень отличаются от тех, которые возникли бы у вас, будь ваша рука зарыта в песок или сухие листья. Скрип и перекатывание гальки, сопровождающее даже самые незначительные движения вашей руки, продуцируют контрольные последовательности сигналов, которые приводят в действие соответствующие вспоминание в соматосенсорной части неокортекса.
В следующий раз, выходя из душа, обратите внимание на то, как вы вытираетесь полотенцем. Однажды я сделал для себя открытие, что всякий раз этот процесс состоит из одних и тех же движений и положений тела. Наблюдая за своей женой (очень приятный эксперимент!), я заметил точно то же. Думаю, в вашем случае результат окажется сходным: вы отметите полужесткую последовательность движений и поворотов тела. Но попробуйте-ка ее изменить! Приложив некоторые усилия, вы сможете это проделать, но лишь при условии предельной сосредоточенности на своем занятии. Как только отвлечетесь, сразу почувствуете, что вернулись к старой модели поведения.
Все наши вспоминания хранятся в синаптических связях между нейронами. Если учесть, что неокортекс содержит огромнейшее количество информации, но в каждый конкретный момент времени мы можем вспомнить лишь малую ее толику, то можно предположить, что любое воспоминание обеспечивается лишь ограниченным количеством нейронов и синаптических связей между ними. Когда вы начинаете вспоминать об интерьере своего дома, то сначала активизируется один набор нейронов, потом он приводит в действие следующий набор и так далее. Объем памяти неокортекса невероятно вместителен. Тем не менее в каждый конкретный момент времени мы можем погрузиться лишь в несколько воспоминаний, вызываемых лишь как последовательность ассоциаций.
Выполните еще одно задание. Погрузитесь в прошлое и попытайтесь вспомнить места, где вы жили, в которых вам довелось побывать, людей, с которыми вы были знакомы. Оказывается, в процессе такого упражнения в памяти всплывают факты, казалось бы, давно позабытые. Нейронные синапсы хранят тысячи подробнейших воспоминаний, используемых очень редко или не используемых вовсе. В каждое отдельное мгновение мы извлекаем из памяти лишь крошечную часть того, что в ней хранится. Большинство же воспоминаний, образно говоря, сидят и бьют баклуши в ожидании сигнала.
Память компьютера не хранит последовательности сигналов. С помощью разных программных доработок можно этого достичь (как, например, в случае, сохранения и воспроизведения песни), но память компьютера не способна на автоматическое выполнение такого задания. В то же время запоминание последовательностей символов – это неотъемлемое свойство системы памяти коры головного мозга, данное ей от природы.
А сейчас предлагаю рассмотреть второе ключевое свойство человеческой памяти – ее автоассоциативную природу. В главе 2 мы выяснили, что значение данного термина подразумевает ассоциирование сигналов самих с собой. Автоассоциативная система способна воспроизвести полную последовательность на основе неполной или искаженной входной информации. Последнее касается как пространственных, так и временных сигналов. Так, заметив, что из-за шторы выглядывают ботинки вашего сына, вы автоматически представите его в полный рост. Вы создали полный образ из неполной информации о нем. Или представьте, что вы увидели человека, ожидающего автобус, но при этом большая часть его тела скрыта от вас кустом. Ваш мозг не растеряется. Хотя глаза увидят только часть целого, перед вами возникнет полный образ. Причем он будет настолько отчетливым и ярким, что вы вряд ли будете отдавать себе отчет в том, что это всего лишь предположение.
Мозг способен дополнять и временные образы. Припомните незначительную подробность из давно минувших событий, и вам на ум придет вся соответствующая последовательность. Марсель Пруст в известном собрании романов, объединенных названием «В поисках утраченного времени» открывает свой первый рассказ вспоминанием о том, как пахнет печенье «Мадлен», а затем разворачивает повествование на тысячу с лишним страниц. Общаясь в каком-либо шумном месте, мы зачастую не слышим все слова собеседника. Ничего страшного, ведь наш мозг сам дополнит то, что он ожидает услышать. Общеизвестно, что мы на самом деле не слышим полностью всех слов, которые воспринимаем. Привычку некоторых людей «читать мысли» собеседника и заканчивать чужие высказывания считают дурным тоном. Но наш мозг поступает подобным образом постоянно, причем, дополняя не только окончания наблюдаемых явлений, но и их начало и середину. Подобная склонность заниматься постоянным додумыванием фактов редко осознается человеком, однако она является фундаментальной характеристикой памяти. В любой момент времени часть может активизировать целое – в этом состоит суть автоассоциативных воспоминаний.
Неокортекс – это сложная биологическая автоассоциативная система памяти. В каждый момент времени каждая функциональная зона зорко бдит, не появились ли на входе знакомые элементы или их фрагменты. Появление в поле вашего зрения знакомого человека мгновенно прервет поток самых глубоких размышлений – ваши мысли переключатся на приятеля. Визуальный сигнал – появление знакомого – заставляет мозг включится в процесс вспоминания других сигналов, ассоциируемых с ним. Это неизбежно. А после такого внезапного отвлечения внимания мы часто ломаем голову: «Так о чем же я думал?» Обеденный разговор с друзьями тоже протекает в ассоциативных рамках. Скажем, беседа начинается с обсуждения блюд. Вы отмечаете, что такой же салат ваша мать приготовила вам на свадьбу, и это наводит кого-то на воспоминания о его свадьбе, затем о медовом месяце и путешествии в экзотическую страну, о политических проблемах в той части мира и так далее. Мысли и воспоминания ассоциативно взаимосвязаны – случайностей здесь нет и быть не может. Входные сигналы, поступающие в мозг, автоассоциативны по отношению к самим себе, они дополняют новые модели и автоассоциативно связаны с тем, что произойдет дальше. Такая цепочка воспоминаний называется мыслью, и, хотя ее путь не предначертан, полного контроля над ней мы тоже не имеем.
Теперь обратимся к третьей особенности памяти неокортекса – формированию инвариантных представлений. Здесь мы обсудим их общие черты, а в главе 6 поговорим о том, как мозг создает эти модели.
Память компьютера устроена так, чтобы сохранять информацию в максимально неизменном виде. Когда вы копируете программу с компакт-диска, то на жесткий диск вашего компьютера переносится каждый байт информации со 100-процентной точностью. Незначительное расхождение между оригиналом и копией может вызвать фатальный сбой в работе компьютерной программы. Память неокортекса действует иначе. Мозг не запоминает с абсолютной точностью все увиденное, услышанное или почувствованное, причем совершенно не из-за того, что деятельность коры головного мозга или нейронов беспорядочна, что чревато возникновением ошибок. Так происходит потому, что мозг запоминает важные взаимосвязи внешнего мира, а не привязывается к отдельным его элементам. Давайте рассмотрим несколько примеров.
Как упоминалось в главе 2, простейшие автоассоциативные модели создаются учеными уже несколько десятков лет, а мозг, как я только что объяснил, вызывает воспоминания автоассоциативным способом. Тем не менее существует большая разница между автоассоциативными воспоминаниями, реализуемыми в нейронных сетях, и воспоминаниями неокортекса. В искусственных автоассоциативных воспоминаниях не задействованы инвариантные представления, и поэтому в них возможны существенные упущения.
Я могу сохранять в искусственной автоассоциативной памяти множество снимков лиц, состоящих из черно-белых точек. Если вы предъявите лишь часть одного из изображений (например, глаза), то система дополнит недостающие части (такие эксперименты проводились неоднократно). Однако, если каждую точку картинки передвинуть на пять пикселей вправо, то машина не сумеет распознать лицо. Для искусственной автоассоциативной памяти это уже совершенно новая модель, потому что расположение пикселей в ней не совпадает с исходной моделью. А вы и я без труда опознали бы сдвинутое изображение как одно и то же лицо.
Искусственная автоассоциативная память не в состоянии распознать изображение, если оно было подвергнуто перемещению, ротации, изменению масштаба, какому угодно другому из тысяч возможных превращений. В отличие от нейронных сетей человеческий мозг с легкостью справляется с такой задачей. Так почему же мы воспринимаем факты, явления или обстоятельства как неизменные, если входные сигналы, их описывающие, поменялись или изменились? Давайте рассмотрим еще один пример.
Сейчас, скорее всего, вы держите в руках книгу. Если вы повернете книгу, измените освещение или положение своего тела на стуле, зафиксируете взгляд на разных частях книги, то световые сигналы, попадающие на сетчатку вашего глаза, полностью изменятся. Зрительные сигналы, которые вы получаете, различны в каждое отдельное мгновение. Входные сигналы, поступающие в ваш мозг, не повторились бы ни разу даже в том случае, если бы вы держали книгу в руках на протяжении ста лет. Однако вы ни на миг не усомнитесь, что держите в руках все ту же книгу. Внутренняя модель «этой книги», которой располагает ваш мозг, не изменяется даже в условиях информационной переменчивости. Такие внутренние репрезентации мозга описывает термин инвариантная репрезентация.
Другой пример: представьте лицо своего друга. Вы узнаете его каждый раз при новой встрече. Это происходит менее, чем за одну секунду, независимо от того, находится ли этот человек в двух шагах от вас, в пяти метрах или в противоположном конце комнаты. Когда он рядом, то его образ занимает большую часть сетчатки, а когда он рядом – лишь малую ее часть. Он может стоять к вам лицом, быть повернутым в профиль или под углом. Он может улыбнуться, прищуриться или зевнуть. Вы могли бы увидеть его при ярком дневном свете, в тени или в разноцветных бликах дискотеки. В каждом из перечисленных случаев доля света, попадающего на вашу сетчатку, будет не такой, как в остальных случаях, однако в каждом отдельном случае вы сразу же узнаете друга.
Давайте приподнимем занавес и посмотрим, что происходит в вашем мозге, что позволяет ему проявлять столь необыкновенные свойства. Экспериментально установлено, что модель деятельности нейронов в зрительной зоне V1 неокортекса, принимающей визуальные стимулы, будет отличатся для каждого положения лица вашего друга. Всякий раз, когда лицо меняет свое положение или происходит новая фиксация ваших глаз, модель активности нейронов первичной зрительной зоны меняется в соответствии со сменой изображения на вашей сетчатке. Однако если мы проанализируем деятельность ваших клеток в зоне распознания лиц – функциональной зоне, расположенной на порядок выше V1 в иерархии коры головного мозга, – то обнаружим полную стабильность. Значит, определенная часть нервных клеток зоны распознавания лиц остается активной все то время, пока лицо друга пребывает в поле вашего зрения (или даже до тех пор, пока вы рисуете его в своем воображении), независимо от размеров, положения, ориентации, масштаба и выражения лица. Эта стабильность нервных клеток высших функциональных зон коры головного мозга и является инвариантной репрезентацией.
Описанный процесс кажется настолько примитивным, что его даже трудно назвать задачей. Он происходит так же автоматически, как и дыхание. Мы можем назвать его тривиальным, поскольку не отдаем себе отчет в том, что происходит. В определенном смысле это действительно тривиальный процесс, ведь наш мозг выполняет его очень быстро (вспомните правило «ста шагов»). Однако вопрос о том, как кора головного мозга формирует инвариантные представления, остается одной из загадок, по сей день не разгаданных наукой. «Насколько сложной загадкой?» – спросите вы. «Настолько, – отвечу я, – что ни один ученый из числа обладающих самыми современными исследовательскими инструментами, не смог ее разгадать». И совсем не по причине отсутствия стараний.
У данной проблемы очень древние корни – о ней говорили еще во времена Платона, т. е. две тысячи триста лет тому назад. Задаваясь вопросом о том, как люди могут мыслить и познавать мир, Платон обратил внимание, что в реальной жизни нет двух одинаковых предметов или людей, и, кроме того, все они всегда несовершенны по своей форме. Например, у вас есть представление о том, что такое правильная окружность, тем не менее в реальной жизни она почти не встречается. Все изображения круга несовершенны. Даже если я начерчу окружность с помощью циркуля, его границы будут обозначены темной линией, в то время как идеальный круг не должен включать никаких утолщений. Как же в таком случае у вас сформировалось представление об идеальной окружности? Возьмем другой пример из повседневной жизни – например, ваше представление о собаке. Любой когда-либо увиденный вами пес отличается от остальных своих собратьев, а кроме того, любой новый взгляд на одну и ту же собаку также неповторим. Соответственно, каждый раз вы видите новую форму. Однако все впечатления о собаках, полученные вами в процессе жизненного опыта, объединились в вашем мозге под общим понятием «собака», которое остается неизменным. Платон задавался вопросом: как в мире бесконечно меняющихся форм и быстротечных ощущений люди способны усваивать и использовать неизменные представления?
Решением Платона стала его теория форм. Он считал, что наш высший разум связан с трансцендентной суперреальностью, в которой неизменные стабильные идеи («Формы», с прописной буквы) существуют в безвременном совершенстве. Наши души приходят из этого мистического места, где они обитают еще до нашего рождения. Именно там, в этом мистическом месте, человеческие души и постигают, что такое Формы. Согласно представлениям Платона, при рождении у нас уже имеются латентные знания о Формах. Обучение и понимание возможны только благодаря тому, что несовершенные формы реального мира напоминают нам соответствующие идеальные Формы. Мы узнаем окружность и собаку, потому что их образы вызывают воспоминания об Окружности и Собаке.
С современной точки зрения теория Платона чересчур эксцентрична, но если отмести пелену метафизики, то становится понятно, что Платон, по сути, имел ввиду инвариантность. Даже называя его систему толкований чудаковатой, мы вынуждены признать, что интуитивное осознание древним мыслителем того, что поставленный вопрос является одним из наиболее важных в понимании природы человека, было попаданием в десятку.
Чтобы у вас не сложилось представление, что инвариантность присуща только зрительному восприятию, давайте обратимся к другим типам ощущений – например, к тактильному. Когда вы засовываете руку в бардачок вашего автомобиля в поисках солнцезащитных очков, вашим пальцам достаточно прикосновения, чтобы определить, что вы их нашли. Не имеет значения, какая часть руки контактирует с предметом (большой палец, указательный, любая точка другого пальца или вся внутренняя поверхность ладони) и с какой именно его частью (со стеклом, оправой, дужкой, петлей). Для распознания очков вашему мозгу достаточно одной секунды соприкосновения любой части вашей ладони с любой частью предмета. В каждом случае поток пространственно-временных сигналов, поступающий от осязательных рецепторов, различен, поскольку задействованы различные зоны вашей кожи, разные части предмета. Тем не менее вы, не раздумывая, возьмете свои очки.
Или же давайте рассмотрим такой пример сенсорномоторной задачи: вы вставляете ключ в замок зажигания автомобиля. Каждый раз положение вашего сидения, тела, руки немного отличаются, однако вам кажется, что это одно и то же движение, повторяющееся изо дня в день. И все это только потому, что ваш мозг обладает инвариантной репрезентативностью. Создание робота, который проделывал бы ту же операцию, забираясь в машину и вставляя ключ, практически невозможно. Даже заставив робота абсолютно точно воспроизводить одну и ту же позицию и класть ключи точно в то же место и точно так же, как и в предыдущий раз, вы непременно столкнетесь с неразрешимой проблемой: программа будет работать только для одного-единственного автомобиля. Роботы и компьютерные программы, как и искусственная автоассоциативная память, обладают одним и тем же недостатком – вариативные задачи для них неразрешимы.
Еще один интересный пример – ваша подпись. В моторной зоне коры головного мозга, в ее лобной доле, хранится репрезентация вашего автографа. Каждый раз, выводя свою подпись, вы выполняете одну и ту же последовательность действий: и в случаях, когда вы ставите аккуратную подпись, когда даете вычурный автограф в стиле Джона Хэнкока, когда у вас локоть на весу или когда вы держите ручку пальцами ног. Естественно, каждый раз ваша подпись выглядит немного по-другому (особенно в последнем случае). Но, независимо от орудия написания, размеров подписи и комбинации ее частей, для ее написания вы всегда выполняете одну и ту же абстрактную «моторную программу».
Из данного примера видно, что инвариантная репрезентация в моторной зоне коры головного мозга – это в каком-то отношении зеркальное отражение инвариантной репрезентации в сенсорной зоне коры головного мозга. В сенсорной зоне различные входные сигналы приводят в действие устойчивый набор нейронных клеток, соответствующих определенным абстрактным моделям (в приведенных выше примерах – лицо друга и солнцезащитные очки). В моторной зоне устойчивый набор нейронных клеток, соответствующий абстрактной моторной команде (хватание мяча, начертание подписи), может выразить себя посредством включения множества комбинаций мускульных групп с учетом всех вероятных ограничений. Если в разных зонах коры головного мозга всегда действует один и тот же алгоритм, как предполагал Маунткастл, то именно такой симметрии между восприятием и действием следовало ожидать.