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.
Давайте вернемся к сенсорной зоне коры головного мозга и рассмотрим последний пример, касающийся восприятия музыки (я часто использую пример с музыкой, потому что он позволяет рассмотреть все аспекты функционирования неокортекса). Инвариантные представления в музыке обеспечивают способность узнавать мелодию, исполненную в разных тональностях. Выбирая тональность, вы автоматически предопределяете остальные ноты мелодии. Любую мелодию можно сыграть в разных тональностях. Это означает, что каждая аранжировка одной и той же мелодии – по сути, совершенно другая последовательность нот! Каждая новая аранжировка стимулирует совершенно разные наборы чувствительных слуховых рецепторов, заставляя разные наборы пространственно-временных сигналов устремляться к слуховой зоне неокортекса. Тем не менее каждый раз вы воспринимаете услышанное как одну и ту же мелодию. Не обладая абсолютным слухом, вы даже не различите два варианта одной и той же песни, исполненной в разных музыкальных тональностях.
Вспомните песню Somewhere over the Rainbow. Скорее всего, вы впервые услышали ее в исполнении Джуди Гарланд в фильме Волшебник страны Оз, но, не имея совершенного слуха, вы вряд ли вспомните тональность, в которой она была спета. Если я сяду за пианино и исполню эту песню в такой тональности, в которой вы ее никогда не слышали, для вас она прозвучит та же самая песня. Вы даже не заметите, что все ноты отличаются от тех, которые вы слышали когда-то. Это, в свою очередь, означает, что в вашей памяти песня была запечатлена в форме, игнорирующей высоту звука. Память сохраняет важные связующие песни, а не отдельные ноты. В данном случае важными являются соотношение высоты нот и интервалы между ними. Песня Somewhere over the Rainbow начинается с верхней октавы, затем снижается на полтона, затем еще на один тон ниже и так далее. Интервальная структура мелодии сохраняется неизменной вне зависимости от того, в какой тональности она исполняется. Ваша способность без затруднений распознать песню в любой тональности указывает на то, что ваш мозг сохранил ее в форме инвариантного по отношению к высоте звуков представления.
Точно так же лицо вашего друга сохраняется в памяти в инвариантной форме, независимо от угла видения. Вы распознаете его лицо на основе относительных измерений, относительных цветов и относительных пропорций, а не на основе того, каким вы его увидели во вторник за обедом. Между чертами его лица существуют «пространственные интервалы», подобно тому, как в песне существуют неизменные интервалы между нотами. Его лицо является широким по отношению к его глазам, по отношению к расстоянию между глазами, у него короткий нос. Цвет его глаз и цвет волос остаются приблизительно в одном и том же соотношении при разном освещении, даже когда оно существенно меняется. Запоминая его лицо, вы запоминаете именно эти важные признаки.
По моему мнению, подобная абстрактность форм свойственна всем зонам коры головного мозга, т. е. это общее свойство неокортекса. Вспоминания сохраняются в форме, охватывающей существенные связи между элементами целого, а не преходящие детали. Когда вы видите, чувствуете или слышите что-то, кора вашего головного мозга получает специфические информационные сигналы, которые она сохраняет в инвариантной форме. Именно инвариантная форма хранится в вашем мозге, и именно с ней впоследствии сравниваются новые входные сигналы. Запоминание, припоминание и распознавание – все это происходит на уровне инвариантных форм. Компьютеры на такое не способны.
Все сказанное выше подводит нас к весьма интересному вопросу. В следующей главе я попытаюсь вас убедить, что важнейшей функцией неокортекса является прогнозирование на основе воспоминаний. Но если мозг действительно сохраняет инвариантные формы, то как же он тогда может составлять прогнозы для конкретных случаев? Я хотел бы привести некоторые примеры и предложить возможные варианты их решения.
Представьте себе 1890 год, вы находитесь в небольшом городке на западе и ожидаете свою подружку, которая должна прибыть к вам с востока. Разумеется, вы хотите встретить ее на вокзале, поэтому за несколько недель до даты ее приезда начинаете следить за расписанием прибытия-отправления поездов. Строгого графика не существует, и, по вашим наблюдениям, поезд никогда не прибывает и не отправляется в одно и то же время на протяжении дня. Вам начинает казаться, что вы никак не сможете предвидеть, когда именно приедет ваша подружка. И вдруг вы замечаете определенную закономерность. Поезд с востока прибывает через четыре часа после отправления поезда в сторону востока. Оказывается, четырехчасовой интервал остается постоянным всегда, хотя время отправления и прибытия меняется день ото дня. Наконец наступает день встречи. Вы засекаете время отправления поезда на восток. Ровно через четыре часа приходите на вокзал и встречаете свою девушку. Это пример задач, с которыми сталкивается неокортекс, и пример того, как он находит их решение.
Внешний мир, который воспринимают ваши органы чувств, не бывает статичным. Он подобен поездам, прибывающим и отправляющимся в разное время суток. Единственный способ, которым человек может познать этот изменчивый мир, – найти инвариантную структуру для переменного потока информации. Однако инвариантная структура сама по себе не является достаточной базой для частных прогнозов.
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