В чем состоит принципиальное различие между человеческим мозгом и программируемым искусственным интеллектом, а также нейронными сетями? Как мы увидим в последующих главах, архитектура мозга может многое рассказать о его функционировании и о принципиальных отличиях от компьютера.
Предлагаю начать наш анализ с рассмотрения самого органа. Представьте, что перед нами на столе лежит мозг, и мы его разрезаем пополам. Первое, что вы отметите, – внешняя оболочка мозга выглядит очень однородной. Она напоминает головку цветной капусты, испещренную многочисленными извилинами и бороздами. Это кора головного мозга, в которой преобладает неокортекс (около 90%) – новая кора, которая впервые появилась у млекопитающих. Тончайшая ткань нейронов обволакивает более старые филогенетические отделы головного мозга. Наше внимание будет приковано в первую очередь к неокортексу. Все функции, связанные с работой разума (восприятие, речь, воображение, способности к математике, искусству, музыке, прогнозированию и так далее) связаны с этим отделом головного мозга. Чтение данной этой книги – тоже отражение одного из процессов, происходящих в неокортексе.
Должен сознаться, что меня можно обвинить в шовинизме в отношении неокортекса. Отдавая себе отчет в том, что далеко не все разделяют мои взгляды, хочу обосновать свою позицию, пока мы еще не углубились в дебри. У каждой части человеческого мозга есть поклонники, посвящающие свое время ее изучению, поэтому гипотеза о том, что вся сущность разума может быть постигнута благодаря изучению только лишь неокортекса, будет встречена критикой со стороны инакомыслящих. Они возразят: «Вы не разберетесь в работе неокортекса, не включив в свой анализ некую зону X человеческого мозга, потому что они тесно взаимосвязаны, а зона X выполняет такие-то и такие-то функции». Не могу не согласиться. Безусловно, все отделы головного мозга важны для того, чтобы быть человеком. (Любопытно, что исключением из этого правила является часть мозга, которая включает наибольшее количество клеток, – мозжечок. Человек, у которого поврежден или от рождения отсутствует данный отдел мозга, все равно сможет вести практически полноценную жизнь. Большинство других зон мозга жизненно важны для человека.) Мой контраргумент – я же не собираюсь создавать людей! Моим намерением является понять разум и создать мыслящий компьютер. Существует огромная разница между тем, чтобы быть человеком и обладать интеллектом. У разумного компьютера нет пульса, мускулов, человекоподобного тела, сексуальных потребностей, он не чувствует голода и не испытывает эмоций. Человек – это намного больше, чем разумный компьютер. Мы являемся биологическими созданиями со всем необходимым, иногда нежелательным, багажом, собранным за многие годы эволюционного развития. Если вы захотите создать разумные механизмы, деятельность которых была бы неотличима от человеческой, способные без малейших трудностей пройти тест Тьюринга, тогда вам придется воссоздать и другие признаки, совокупность которых делает человека человеком. Если же ваша цель – создание мыслящей машины, не обязательно во всем подобной человеку, тогда имеет смысл сосредоточиться на изучении той части мозга, которая отвечает за разум.
Всем оскорбленным моей однобокой заинтересованностью неокортексом хочу сказать следующее: я с готовностью признаю важность других составляющих человеческого мозга (таких, как ствол, подкорковые узлы или миндалевидное тело), но настаиваю на том, что зоной действия интеллекта является именно неокортекс, а также две других значимых для моего исследования области мозга – таламус и гиппокамп (мы обсудим их немного позже). В долгосрочной перспективе нужно понять функциональную роль всех зон мозга. Однако начать следует с неокортекса, к чему мы и приступим.
Возьмите шесть визитных карточек (или игральных карт) и сложите их в стопку. (Лучше всего, если вы действительно выполните это задание, а не просто прочтете описание.) В руках у вас простейшая модель коры головного мозга. Толщина вашей стопки будет составлять около двух миллиметров и поможет вам составить представление о толщине слоев коры головного мозга. Как и стопка визиток или карт, кора головного мозга имеет толщину около двух миллиметров и состоит из шести слоев, каждый из которых имеет примерно такую же толщину, как одна визитная карточка или игральная карта.
Площадь коры головного мозга примерно составляет около 2200 см², что вдвое превышает площадь поверхности стандартной клавиатуры или соответствует размеру большой салфетки. У других млекопитающих кора головного мозга имеет гораздо меньшие размеры: у крысы она размером с почтовую марку, у обезьяны – как конверт. Независимо от размеров, общей чертой, характерной для коры головного мозга большинства млекопитающих, является шестислойное строение. У человека слои коры головного мозга ничуть не толще и не содержат каких-то особенных «разумных» клеток. Все дело в соотношении площадей неокортекса и тела. Это соотношение у человека гораздо выше, чем у других млекопитающих.
Кроме того, для размещения такого большого мозга в теле человека природа была вынуждена модифицировать его общее анатомическое строение. Чтобы зрелый плод мог появиться на свет через родовые пути, у женщины в процессе эволюции изменилось строение таза. (Палеоантропологи считают, что это произошло также по причине перехода предков человека к прямохождению – передвижению на двух конечностях.) Однако этого было недостаточно, поэтому эволюция свернула неокортекс в черепной коробке, подобно тому, как лист бумаги можно скомкать и поместить в бокал.
Кора головного мозга образована нервными клетками, или нейронами. На площади, равной крошечному квадрату со стороной один миллиметр (вдвое меньше, чем буква о в этом тексте), содержится примерно сто тысяч нейронов. Подсчитать точное количество нервных клеток в коре головного мозга практически невозможно, тем не менее некоторые анатомы утверждают, что их число составляет порядка 30 млрд., хотя никто не удивился бы, если фактическая цифра оказалась намного меньшей или большей.
Стало быть, в вашей голове живут 30 млрд. нейронов, хранящих ваши знания, навыки, накопленный жизненный опыт. После 25 лет размышлений о мозге данный факт кажется мне не менее поразительным, чем раньше. Тончайшая пленка, состоящая из нервных клеток, видит, чувствует, творит наше мировоззрение. Это просто невероятно! Наслаждение теплотой летнего дня и смелые мечты о будущем – все создается этими клетками. Много лет спустя после публикации статьи в журнале Scientific American Фрэнсис Крик написал книгу под названием Поразительная гипотеза. Поразительная гипотеза состояла в том, что разум создается нейронами. Ничего другого не существует: никакой магии, никакого специального соуса, только нейроны, исполняющие информационный танец. Надеюсь, вы прониклись тем, насколько важным было это открытие. Существует большой философский канал, соединяющий нервные клетки и опыт нашего сознания, однако разум и мозг – это одного поля ягоды. Называя свой тезис гипотезой, Крик просто проявил политическую корректность. То, что клетки мозга – эти тридцать миллиардов нейронов – творят разум, совсем не предположение, а научный факт. Чтобы разобраться в том, как кора головного мозга формирует сознание, мы рассмотрим ее структуру более подробно.
Давайте вернемся к нашему секционному столу и еще раз взглянем на мозг в разрезе. Осматривая кору головного мозга невооруженным глазом, мы отметим, что она довольно однородна. Лишь большая продольная борозда разделяет два полушария головного мозга, а глубокая центральная борозда – его лобную долю и теменную. Других различимых разграничительных линий не существует. Одинаков и цвет всех видимых невооруженным глазом отделов мозга.
Тем не менее людям давно известно, что такие границы все же существуют. Еще до того как нейрологи обнаружили наличие обратных связей в коре головного мозга, им было известно, что за разные психические функции отвечают определенные отделы головного мозга. Человек, у которого повреждено правое полушарие, может лишиться чувствительности левой половины своего тела или способности воспринимать внешнюю среду слева от себя. При поражении левой лобной доли, где расположен центр Брока, возникает афазия Брока, которая характеризуется невозможностью объединения отдельных речевых движений в единый речевой акт (при этом словарный запас и способность понимать слова остаются неизменными). Поражение веретенообразной борозды, пролегающей по нижней поверхности височной доли, может лишить человека способности распознавать лица – он не узнает свою мать, жену, детей и даже свое собственное лицо на фотографии. Наблюдая за такими трудно вообразимыми мозговыми расстройствами, нейрологи пришли к осознанию того, что кора головного мозга состоит из многих функциональных зон. Каждая зона полунезависима и специализируется на определенных аспектах восприятия или мышления. Возникает ассоциация с лоскутным одеялом, причем почти одинаковым у большинства людей. Функциональная организация головного мозга имеет форму отраслевой иерархии.
Понятие «иерархия» очень важное, поэтому я хочу обсудить его подробнее и дать ему четкое определение, на которое буду ссылаться в последующих главах книги. Любая иерархическая система характеризуется тем, что одни элементы расположены выше, а другие – ниже. В иерархии делового мира, например, менеджер среднего звена расположен выше клерка и ниже вице-президента компании. Иерархическое расположение и физическая позиция в пространстве не тождественны: даже если кабинет менеджера находится этажом ниже той комнаты, в которой работает клерк, последний все равно стоит ниже в иерархической структуре компании. Я подчеркиваю это различие, чтобы в дальнейшем у вас не возникало сомнений, что я имею в виду, когда говорю, что какая-либо функциональная зона является высшей или низшей. Физическое местонахождение в структуре мозга в данном случае роли не играет. Все функциональные зоны головного мозга обитают в одной и той же ткани коры. Одна зона будет «выше» или «ниже» другой в зависимости от того, как они связаны и взаимодействуют друг с другом. Так, низшие зоны поставляют информацию в высшие через определенные нейронные каналы связи. В свою очередь, высшие зоны используют совершенно другие нейронные каналы связи для передачи обратных сигналов. Кроме этого, еще существуют вторичные связи между отдельными областями иерархии – по аналогии с коммуникацией коллег одного уровня, но работающих в разных филиалах одной и той же компании. Двое ученых – Дэниэль Феллеман и Дэвид ван Эссен разработали схему коры головного мозга обезьяны, на которой изображены десятки областей, связанных между собой в сложную иерархию. Можно предположить, что похожая иерархия существует и в коре головного мозга человека.
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.
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 изменяться. 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 видоизменяться 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.
Например, когда вы смотрите на собаку, набор сигналов поступает по волокнам зрительного нерва в зрительную зону коры головного мозга. Когда вы слышите лай собаки, другой набор сигналов посредством слухового нерва поступает в слуховые зоны коры головного мозга. Когда вы гладите собаку, набор осязательных сигналов проходит от вашей руки по волокнам спинного мозга и поступает в зоны коры головного мозга, отвечающие за осязание. Каждый набор сигналов – увидеть собаку, услышать собаку, почувствовать собаку – воспринимается по-разному, потому что передается в соответствующие зоны коры головного мозга по разным каналам. Однако на абстрактном уровне все сенсорные сигналы одинаковы, потому что перерабатываются шестислойной корой головного мозга по одному и тому же алгоритму. Вы слышите звук, видите изображение, чувствуете давление, но для вашего мозга не существует принципиальных различий между типами подачи информации. Нервный импульс – это нервный импульс. Он одинаков независимо от того, что послужило его причиной. Все, чем оперирует ваш мозг, – это сигналы.
На этих сигналах и основано ваше восприятие и знание мира. В вашей голове нет света. Там темно. Звук не попадает в ваш мозг. Там тихо. В действительности мозг – это единственная часть вашего тела, не обладающая чувствительностью. В нем нет болевых рецепторов. Хирург мог бы засунуть палец вам в мозг, и вы бы даже не почувствовали этого. Вся информация, поступающая в ваш мозг, попадает туда в виде пространственных или временных сигналов и передается по аксонам.
Что я подразумеваю под пространственными и временными сигналами? Рассмотрим поочередно каждое из наших основных ощущений. Зрительное восприятие включает как пространственную, так и временную информацию. Пространственные сигналы – это сигналы, совпадающие по времени. Они возникают, когда несколько рецепторов одного органа чувств стимулируются одновременно. Для зрительного восприятия органом чувств является сетчатка глаза, в которой формируется пространственный сигнал. Через зрительный нерв и проводящие пути центральной нервной системы этот сигнал передается в зрительные центры головного мозга, где возникает зрительное ощущение. Люди склонны считать, что в зрительные зоны попадает немного искаженная картинка мира, но на самом деле это совсем не так. Нет никакой картинки и нет никакого изображения. Есть только электрические разряды, вспыхивающие в сигналах. Визуальные качества быстро исчезают, как только кора головного мозга начинает перерабатывать полученную информацию, передавая сигналы вверх-вниз от зоны к зоне, фильтруя и просеивая их.
Не следует забывать, что визуальные сигналы постоянно меняются. Если пространственный аспект зрительного восприятия интуитивно понятен, то разобраться в его временном аспекте немного труднее. Порядка трех раз в секунду ваши глаза делают быстрое скачкообразное движение – саккаду. При каждой саккаде изображение на сетчатке ваших глаз меняется. В свою очередь, это означает, что сигналы, поступающие в ваш мозг, полностью меняются при каждом скачкообразном движении глаз. Даже когда вы полагаете, что недвижимо сидите и наблюдаете одну и ту же сцену, ваше тело пребывает в непрерывном движении, а внешняя среда вокруг вас тоже постоянно меняется. В вашем сознании существует впечатление, что мир неизменен, а уследить за людьми и объектами, находящимися вокруг вас, не так уж и сложно. Однако такое впечатление возникает только благодаря тому, что ваш мозг обладает поразительной способностью обрабатывать стремительный поток поступающих из органа зрения изображений, сигналы о которых практически никогда не повторяются. Естественное зрительное восприятие, передаваемое как поток сигналов в мозг, напоминает реку. Можно также провести аналогию с песней, но не картиной.
Скачкообразные движения, совершаемые глазами, мало интересуют исследователей зрительного восприятия. Зато весьма популярны эксперименты над животными, которых подвергают наркозу, а затем изучают особенности зрительного восприятия при фиксации на одной точке. Так устраняется переменная времени. Разумеется, исключение переменных положено в основу большинства научных исследований. Однако в описанном случае не принимается в расчет главный компонент зрительного восприятия, собственно то, из чего оно и состоит. Временной фактор должен занимать центральное место в нейробиологических исследованиях зрительного восприятия.
Что касается способности слышать, то мы привыкли рассматривать ее во временных рамках. Очевидно, что любые звуки, будь то разговорная речь или музыка, меняются с течением времени. Так, песня «существует» определенный промежуток времени, но воспринимать ее как набор пространственных сигналов мы не привыкли. Этот пример является обратным ситуации со зрительным восприятием – акцент ставится на временной аспект. Но в способности слушать трудно найти пространственный компонент.
У звукового восприятия тоже есть пространственный компонент. Звуки превращаются в нервные импульсы, проходя через улитку, или переднюю часть ушного лабиринта. Крошечная светонепроницаемая спиралевидная улитка, помещенная в наиболее твердую кость человеческого тела, была открыта более полусотни лет тому назад венгерским физиком Джорджем ван Бекси. Создавая модели внутренней части уха, исследователь выявил, что разные типы воспринимаемых человеком звуков продуцируют колебания разных частей улитки. Высокочастотные звуки вызывают вибрацию твердой основы улитки, а низкочастотные – вибрацию в более гибкой и широкой наружной части. Звуки средней частоты вызывают вибрацию промежуточных сегментов улитки. Каждая часть улитки буквально усеяна нейронами, которые активизируются при колебаниях. В повседневной жизни, когда вы непрерывно подвергаетесь одновременному действию самых различных частот, улитка пребывает в постоянном движении. Таким образом, по всей длине улитки постоянно возникают сигналы стимуляции иного типа, а именно – пространственные. Каждую секунду в зрительный нерв поступает новый пространственный сигнал. Итак, мы снова убедились, что сенсорная информация передается пространственно-временными сигналами.
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. 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. 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 будут 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.
