Мы не привыкли считать осязание временным феноменом, тем не менее и это сенсорное ощущение включает как пространственный, так и временной компонент. Чтобы убедится в этом, проведите простой опыт. Попросите своего друга протянуть руку вперед (ладонью кверху) и закрыть глаза. Положите ему на ладонь какой-нибудь небольшой предмет (например, кольцо или ластик) и попросите опознать его, не шевеля при этом ни одной частью руки. Располагая лишь приблизительной информацией о массе и размере предмета, ваш друг, скорее всего, не сможет дать правильный ответ. Но предложите ему, не открывая глаз, провести пальцем по предмету, и он тотчас его опознает! Разрешив шевелить пальцами, вы добавили составляющую времени к сенсорному восприятию осязания. Чувствительность клетчатки сравнима с чувствительностью подушечек пальцев. Значит, осязание тоже подобно песне. Постоянно меняющиеся во времени сигналы обретают особое значение в случаях, когда не обойтись без тонкого осязания (например, при застегивании рубашки или открывании двери в потемках).
Детей учат тому, что у человека есть пять органов чувств: зрение, слух, осязание, обоняние и вкус. Но их подвидов намного больше. Зрение, например, состоит из трех компонентов – восприятия движения объектов, их цвета и контрастности. Осязание включает регистрацию корой головного мозга давления, температуры, вибрации и боли. У нас также имеется целая сенсорная система, контролирующая положение тела, – проприоцептивная система Проприоцепция буквально означает «восприятие себя». – Примеч. ред.

. Чувствительные окончания органов проприоцептивной системы рассеяны повсеместно в составе мышечных пучков, в сухожилиях и суставных сумках. Эти рецепторы сигнализируют мозгу о положениях звеньев тела, о суставных углах, о напряжениях в тех или иных мышцах и т. д. У нас также есть вестибулярная система. Расположенная во внутренней части уха, она обеспечивает нам ощущение равновесия.
Есть ощущения более или менее яркие, неуловимые или очевидные, но все они передвигаются по аксонам нейронов и попадают в мозг в виде потоков временно-пространственных сигналов. Кора головного мозга не познает и не чувствует окружающий мир непосредственно. Единственное, чем она оперирует, – это сигналы, передвигающиеся по входным и выходным аксонам. Ваше видение мира и себя возникает на основе сигналов.
Нейробиологи, изучавшие закономерности формирования образа тела, выявили, что наше восприятие самих себя является куда более гибким, чем это может показаться на первый взгляд. Например, я вам дам маленькую кочергу, чтобы вы использовали ее для хватательных функций вместо руки. Вскоре вы почувствуете, что кочерга словно стала частью вашего тела. Мозг приспособился к новым входным сигналам тактильного ощущения. Кочерга фактически стала частью образа вашего тела.
Гипотеза о том, что сигналы, поступающие в головной мозг от разных органов чувств, по сути одинаковы, конечно, очень неожиданна. Чтобы обосновать ее, приведу еще несколько примеров. Первый эксперимент вы сможете провести в домашних условиях с помощью друга. Вам понадобятся картонный экран и искусственная рука. Для первого раза будет неплохо, если вы сможете достать резиновую искусственную руку вроде тех, которые продают на Хэллоуин. Если такой нет, тогда обведите контур своей руки на чистом листе бумаги. Свою настоящую руку вытяните на некоторое расстояние, причем так, чтобы она повторяла положение искусственной руки (кончики пальцев должны смотреть в одном и том же направления, ладонь в обоих случаях повернута вверх либо вниз). Затем поставьте между ними картонный экран так, чтобы вы могли видеть только искусственную руку. Итак, вы смотрите на искусственную руку, а задача вашего друга состоит в том, чтобы одновременно поглаживать/прикасаться к обеим рукам в одинаковых местах. Некоторое время спустя зоны мозга, в которых встречаются зрительные и соматосенсорные сигналы, – ассоциативные зоны, о которых мы упоминали ранее, – придут в замешательство. Вы ощутите искусственную руку как свою собственную.
Другой, не менее захватывающий пример такой «сигнальной эквивалентности», называется сенсорным замещением. Это может полностью перевернуть жизнь людей, которые потеряли зрение в детском возрасте, и даже незрячих от рождения. Возможно, он поможет создать технологии нового машинного интерфейса для всех остальных, зрячих.
Понимая, что работа мозга по сути своей не что иное как передача сигналов, Пол Бачирита, профессор, специалист в области биомедицинских инженерных технологий университета штата Висконсин, задумался над тем, нельзя ли транслировать на новые участки коры головного мозга сигнал, допустим, с видеокамеры, чтобы человек, потерявший зрение, вновь начал видеть?
Теперь Бачирита знает ответ. Он воплощён в виде комплекта электроники, именуемой «Машинно-мозговой интерфейс», а конечным узлом комплекса является «языковой дисплей» (Tongue Display Unit, сокращенно TDU). Это устройство с десятками электродов, создающих слабое покалывание на языке сообразно яркости пикселей на картинке, снимаемой видеокамерой. При помощи «Языкового дисплея» незрячий человек учится «видеть» через ощущения языка.
Дисплей функционирует следующим образом.
На лоб испытуемому помещают небольшую видеокамеру. Зрительные образы попиксельно транслируются как точки давления на язык. Зрительная сцена, которая отображается сотней пикселей на телеэкране, превращается в сигналы сотен крошечных точек давления на языке человека. Мозг быстро учится правильно интерпретировать сигналы.
Эрик Вайенмайер, атлет мирового уровня, одним из первых надел «языковое устройство». Он ослеп в возрасте тринадцати лет и часто выступал с лекциями о том, что слепота не должна лишать человека полноценной жизни. В 2002 году он совершил восхождение на гору Эверест, став единственным незрячим альпинистом, взявшимся за подобное дело.
В 2003 году Вайенмайер испробовал устройство Бачириты и впервые за долгие годы увидел изображение. Он смог совершить перехват мяча, катающегося по полу, взять со стола бутылку лимонада, сыграть в игру «Камень-ножницы-бумага». Затем он спустился вниз по лестнице, прошел сквозь дверной проем, рассмотрел дверь и ее раму и заметил, что на ней висит какая-то табличка. Изображения, по сути бывшие ощущениями на языке, в скором времени стали восприниматься как пространственные.
Эти примеры еще раз показывают, что мозг очень пластичен, а входящая информация, которая поступает в него, является не чем иным, как сигналами.
Все приведенные примеры подтверждают, что на самом фундаментальном уровне работа мозга описывается языком сигналов. Независимо от того, насколько отличаются друг от друга функции зон коры головного мозга, базовый алгоритм остается одним и тем же. Коре головного мозга безразлично, какой из органов чувств посылает сигналы. Для нее не имеет никакого значения, поступают сигналы от одного органа чувств или от четырех. Ничего не изменилось бы, воспринимай вы мир через звуковые, радарные или магнитные поля, если бы у вас были щупальца вместо рук, или даже если бы вы существовали не в трехмерном, а в четырехмерном пространстве.
Все перечисленное означает, что базовой основой интеллекта не являются сенсорные каналы взаимодействия или их комбинации. Элен Келлер не могла видеть и слышать, тем не менее она выучила язык и стала знаменитой писательницей, что не под силу большинству зрячих и хорошо слышащих людей Элен Келлер с детства была слепой и глухонемой, но, несмотря на это, закончила университет и оставила после себя богатое литературное наследство. – Примеч. ред.

. Невероятная гибкость мозга позволила Элен, лишенной двух из основных функций, обеспечивающих восприятие окружающего мира, жить такой же полноценной жизнью, как и обычные люди.
Именно эта поразительная гибкость человеческого мозга питает во мне очень большие надежды на создание искусственного интеллекта. Задумываясь о создании разумных компьютеров, я задаю себе вопрос: «А зачем, собственно, привязываться только к известным нам пяти чувствам?» Как только мы расшифруем алгоритм коры головного мозга и создадим науку сигналов, то сможем применять ее к любой системе, которую захотим наделить разумом. Причем одно из наиболее замечательных свойств заложенной в мозге обратной связи состоит в том, что нам не нужно быть исключительно умными, чтобы ее программировать. Подобно тому как слуховая зона хорька «переходит» в зрительную, как зрительная часть коры находит себе альтернативное применения у незрячих людей, система, работающая на основе алгоритма коры головного мозга, будет мыслящей независимо от того, сигналы какого типа буду в нее поступать. Конечно, нам нужно быть достаточно сведущими, чтобы задать параметры системы, а также чтобы обучить ее. Но во всем остальном миллиарды нейронов, дающие мозгу способность генерировать сложные творческие мысли, позаботятся сами о себе, точно так же как они делают это в организме человека. Когда я сижу в комнате вместе со своими друзьями, откуда я знаю, что они здесь или что они реальны? Мой мозг получает набор сигналов, подобных тем, которые получал в прошлом. Сигналы соотносятся со знакомыми мне людьми, их лицами, голосами, их привычным поведением и всевозможными фактами из их жизни. Я лишь считываю определенные комбинации сигналов.
Все наши знания – это модель, построенная на сигналах. Уверены ли мы, что мир существует? Наверняка, этот вопрос показался вам странным. Но им задавались некоторые авторы фантастических фильмов и книг. Речь не о том, что люди или объекты окружающего мира не существуют. Они существуют, но наша уверенность в существовании мира полностью построена на сигналах и том, как мы их интерпретируем. Иллюзорно лишь непосредственное восприятие. Как вы помните, мозг – это темный звуконепроницаемый ящик, которому неведомо ничего, кроме переменных входящих сигналов. Ваше восприятие мира создается исключительно на основе этих сигналов.
Тогда возникает вопрос о связи галлюцинаций и реальности. Если у вас возникают галлюцинационные ощущения от искусственной руки и вы можете «видеть» через точечную стимуляцию языка, то, может, вас так же дурачат, когда вы чувствуете собственной рукой или видите своими глазами? Можем ли мы верить в реальность того мира, который ощущаем? Да. Мир действительно существует в абсолютной форме, очень приближенной к той, которую мы воспринимаем. Однако наш мозг не в состоянии познать этот мир непосредственно.
Ощущения, призванные сканировать какие-то срезы, отдельные аспекты абсолютного мира, сворачиваются в сигналы, поступающие в кору головного мозга, а в результате переработки стандартным алгоритмом они создают модель мира. И хотя письменный и разговорный язык воспринимаются органами чувств совершенно по-разному, на уровне неокортекса они работают почти одинаково. Точно так же модель мира Элен Келлер была очень близка к нашей с вами, хотя она располагала значительно меньшим набором ощущений. Благодаря сигналам кора головного мозга создает модель, очень близкую к реальному миру, а потом эту модель фиксирует в памяти. Запоминание – вот что происходит с сигналами после их попадания в кору головного мозга. Это и станет темой нашей следующей главы.


4. Память

Когда вы читаете книгу, идете по улице, заполненной прохожими, слушаете симфонию, утешаете плачущего ребенка, все органы чувств посылают в ваш головной мозг пространственно-временные сигналы. Окружающий мир – это океан постоянно меняющихся сигналов. Что же происходит с ними при попадании в кору головного мозга?
Еще на заре индустриальной революции ученые рассматривали мозг как своего рода биологический механизм, или программируемый компьютер. Разумеется, никто не сомневался в отсутствии гаек и шурупов в голове человека, но данная метафора представлялась большинству исследователей самой точной.
Как мы отмечали в главе 1, этой позиции придерживались и разработчики искусственного интеллекта. Считалось, что неспособность создать искусственный интеллект напрямую связана с тем, что компьютеры слишком малы и медленны по сравнению с человеческим мозгом. Современный компьютер может считаться эквивалентом мозга букашки, говорили изобретатели, а вот когда мы создадим более быстрые и объемные машины, они будут такими же умными, как человек.
Аналогия между живым мозгом и вычислительной машиной некорректна. По сравнению с транзисторами нейроны головного мозга действуют гораздо медленнее. Нейрон собирает из синапсов входные сигналы, объединяет их и принимает решение. Он либо генерирует импульс – потенциал действия, который будет восприниматься синапсами соседних нейронов, – либо воздерживается от этого. Обычный нейрон может осуществить подобную операцию и вернуться в исходное состояние за пять миллисекунд, т. е. 1/200 секунды. Современный компьютер на кремниевой основе может осуществлять миллиард операций в секунду. Значит, основная компьютерная операция осуществляется в 5 миллионов раз быстрее, чем базовая операция в человеческом мозге! Каким же образом, вопреки столь существенной разнице, мозг способен действовать быстрее, чем наиболее быстрые цифровые компьютеры? «Да это же очевидно, – скажут сторонники идеи создания вычислительных и управляющих систем по образу и подобию мозга, – мозг – это параллельный компьютер. У него миллиарды клеток, занимающихся одновременным вычислением. Этот параллельный процесс во много раз увеличивает мощность биологического мозга».
Я считаю данный аргумент заблуждением и готов опровергнуть его при помощи простого эксперимента, так называемого «правила ста шагов». Человек способен выполнять существенные задания за намного меньший промежуток времени, чем одна секунда. Например, я мог бы показать вам фотографию и спросить, есть ли на снимке кошка. Если вы увидите кошку, а не медведя или луковицу, то должны будете нажать кнопку. Для современного компьютера такая задача является очень сложной или вообще невыполнимой, а человек даст правильный ответ за полсекунды или даже быстрее. Но, поскольку нейроны малоподвижны, это значит, что за полсекунды информация, поступившая в ваш мозг, может пройти цепочку не более чем из сотни нейронов. То есть мозг «вычисляет» ответ за сто шагов или даже меньше, независимо от того, какое количество нейронов вовлечено в процесс передачи информации. С момента, когда ваши глаза фиксируют изображение, и до момента, когда вы нажимаете кнопку, сигналы прошли цепочку из ста нейронов. Цифровой компьютер для решения той же задачи использует около миллиарда шагов. Сотни шагов для компьютера будет недостаточно даже для того, чтобы передвинуть один знак на дисплее, не говоря о более сложных задачах.
Но разве миллионы одновременно работающих нейронов не похожи на параллельный компьютер? Не совсем. Принцип параллельности используется и мозгом, и компьютером, но это все, что их роднит. Параллельные компьютеры объединяют значительное количество быстродействующих компьютеров для выполнения сложных задач, таких как составление прогноза погоды. Чтобы предвидеть погоду, нужно просчитать физические условия во многих частях планеты одновременно. Каждый компьютер может работать над одной задачей. Но даже если сотни или тысячи машин объединить в параллельную систему, отдельному компьютеру для обработки информации и выполнения своей задачи понадобятся миллиарды или миллионы шагов. Какой большой параллельный компьютер мы бы ни собрали, каким бы быстродействующим он ни был, он не сможет сделать ничего полезного за сто шагов.
Приведу пример: представьте, что я попросил вас перенести сотню каменных глыб через пустыню. За один раз вы можете перенести только один камень, а чтобы пересечь пустыню, вам нужно сделать миллион шагов. Понимая, что справиться с заданием в одиночку будет непросто, вы нанимаете сто рабочих для параллельного выполнения задачи. Дело станет продвигаться в сто раз быстрее, однако тот факт, что для пересечения пустыни нужно пройти миллион шагов, остался неизменным. Наем новых работников, даже тысячи, ничего изменить не может. Независимо от количества нанятых работников задание может быть выполнено только за миллион шагов. То же самое справедливо и для параллельных компьютеров. Добавление дополнительных процессоров не меняет дела. Независимо от количества и мощности процессоров и быстродействия компьютер не может решить сложную задачу за сто шагов.
Но как же мозгу удается решать сложные задачи за сто шагов, в то время как даже самый большой параллельный компьютер ничего подобного сделать не в состоянии за миллион или миллиард шагов?
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31