медовый месяц, к политическим проблемам в прошлом и т. д. Мысли и воспоминания ассоциативно связаны, произвольно мысли никогда не возникают. Информация, поступающая в мозг, автоассоциативно связана сама с собой, заполняя настоящее и автоассоциативно связывая с тем, что должно последовать. Мы называем эти цепочки воспоминаний
Сейчас мы можем рассмотреть третье важное свойство неокортикальной памяти: как она формирует то, что мы называем инвариантным представлением. В этой главе я поясню основные идеи инвариантного представления, а в главе 6 — детали того, как кортекс создает его.
Компьютерная память разработана для того, чтоб хранить информацию в точно таком же виде, как она представляется. Если вы копируете программу с компакт-диска на жесткий диск, каждый байт копируется со стопроцентной точностью. Единичная ошибка или отличие между двумя копиями может вызвать сбой программы. Память неокортекса отличается от этого. Наш мозг не помнит в точности, что он видит, слышит или чувствует. Мы не помним или не вспоминаем вещи со точно — не потому что кортекс и его нейроны небрежные или подвержены ошибкам, а потому что мозг помнит важные взаимосвязи мира независимо от деталей. Давайте рассмотрим несколько примеров, иллюстрирующих это.
Как мы видели в главе 2, простая модель автоассоциативной памяти существует десятилетия, и, как сказано выше, мозг вспоминает автоассоциативно. Но между автоассоциативной памятью, построенной исследователями нейронных сетей, и памятью кортекса есть большая разница. Искусственная автоассоциативная память не использует инвариантное представление и, следовательно, она ошибочна в некоторых базовых принципах. Вообразите, что у меня есть изображение лица, сформированное большим набором черных и белых точек. Эта картинка — паттерн, и если у меня есть искусственная автоассоциативная память, я могу хранить множество картинок в этой памяти. Наша искусственная автоассоциативная память надежна в том, что если я дам половину лица, или даже пару глаз, она распознает эту часть и корректно заполнит оставшуюся часть. Этот эксперимент в точности был проделан несколько раз. Но если я сдвину каждую точку на пять пикселей влево, память совершенно не сможет распознать лицо. Для искусственной автоассоциативной памяти это совершенно новый паттерн, потому что ни один из пикселей сохраненного паттерна и нового паттерна не выровнены. Вы и я, конечно же, без труда видим сдвинутый паттерн как то же самое лицо. Возможно, мы даже не заметим изменений. Искусственная автоассоциативная память не может распознать паттерны, если они сдвинуты, повернуты, масштабированы или трансформированы одним из тысяч других способов, тогда как наш мозг легко справляется с этими вариациями. Что позволяет нам воспринимать что-то как то же самое или неизменное, тогда как поступающие паттерны, представляющие его, новые или измененные? Давайте рассмотрим другой пример.
Возможно, сейчас вы держите в руках книгу. Когда вы двигаете книгу, или меняете освещение, или по-другому усаживаетесь на стуле, или фиксируете глаза на другой части страницы, паттерны освещенности, попадающие на вашу сетчатку, полностью меняются. Визуальная информация изменяется от момента к моменту и никогда не повторяется. Фактически, вы могли бы держать эту книгу сотни лет и ни разу паттерны на вашей сетчатке, и, следовательно, попадающие в ваш мозг, не повторились бы. Но у вас ни на секунду не возникало бы сомнений, что книга, которую вы держите, действительно та самая книга. Внутренний паттерн вашего мозга, представляющий «эту книгу», не меняется, хотя стимулы, информирующие вас находятся в постоянном изменении. Поэтому мы будем использовать термин
Другой пример, вспомните лицо подруги. Вы узнаете ее каждый раз, когда видите. Это происходит автоматически менее чем за секунду. Не имеет значения, что она в двух шагах от вас, трех или на другой стороне комнаты. Когда она близко, изображение ее лица занимает всю вашу сетчатку. Когда она далеко, ее изображение занимает маленькую часть вашей сетчатки. Она может быть лицом к вам, немного боком или в профиль. Она может улыбаться, прищуриваться или зевать. Вы можете видеть ее в ярком свете, в тени или под специфическим освещением дискотеки. Ее лицо может появляться в бесчисленных позициях и вариациях. В каждом случае паттерны света, попадающие на сетчатку, уникальны, но в каждом случае вы точно знаете, что смотрите именно на нее.
Давайте приоткроем завесу и взглянем на то, что происходит в вашем мозгу во время выполнения этого изумительного трюка. Из экспериментов нам известно, что если мы будем отслеживать активность нейронов визуальной области кортекса, называемой V1, паттерны активности будут отличаться при каждом различном взгляде на лицо. Каждый раз, когда лицо двигается или ваши глаза фиксируются в новой точке, паттерны активности в V1 изменяются, практически подобно изменению паттернов на сетчатке. Однако, если мы будем отслеживать активность клеток в области, ответственной за распознавание лиц — функциональной области на несколько уровней выше по кортикальной иерархии, чем V1 — мы обнаружим стабильность. То есть, некоторое множество клеток в области, ответственной за распознавание лиц, остается активным, пока лицо вашей подруги находится в поле вашего зрения (или даже если воображается в мысленном поле зрения), несмотря на его размер, положение, ориентацию, масштаб и выражение лица. Эта стабильность возбуждения нейронов — инвариантное представление.
Интроспективно эта задача кажется настолько простой, что едва ли стоит называть ее проблемой. Она работает автоматически, как дыхание. Она кажется тривиальной, потому что мы не осознаем, как это происходит. И в некотором смысле, она тривиальна, потому что наш мозг может решить ее очень быстро (вспомните правило ста шагов). Однако, проблема понимания того, как кортекс формирует инвариантное представление, остается одной из величайших тайн науки. Насколько сложна эта проблема, спросите вы? Настолько, что никто, даже используя самый мощный компьютер в мире, не способен решить ее. И это не от не от недостатка количества попыток.
Размышления по данной проблеме имеют древние корни. Они доходят до Платона, 23 столетия назад. Платон удивлялся, каким образом люди способны мыслить и узнавать о мире. Он обратил внимание, что реальные воплощения вещей и идеи всегда несовершенны, и всегда различны. Например, у вас есть понятие совершенной окружности, хотя вы никогда не видели такую в действительности. Все нарисованные окружности несовершенны. Даже если она нарисована с помощью циркуля, окружность представляется темной линией, тогда как линия настоящей окружности не имеет толщины. Как же вы тогда вообще смогли воспринять понятие идеальной окружности? Или возьмем более житейский случай, подумаем о понятии «собака». Любая из собак, каких вы видели, отличается от других, и каждый раз вы видите именно конкретную собаку. Все собаки различны и вы никогда бы не смогли увидеть конкретную собаку одним и тем же образом. Но весь ваш опыт относительно собак сходится к ментальному понятию «собака», которое неизменно. Платон был сбит с толку. Как возможно такое, что мы запоминаем и применяем понятия в этом мире бесконечно разнообразных форм и постоянно меняющихся ощущений?
Решением Платона была его известная Теория Форм. Он пришел к выводу, что наш высший разум должен быть связан с некоторым трансцендентным миром сверхреальности, где в безвременном совершенстве существуют постоянные, неизменные идеи (Формы с заглавной Ф). Наши души приходят из этого мистического места в момент рождения, заключил он, где они узнают о Формах в их первоначальном виде. После рождения у нас сохраняются скрытые знания о них. Обучение и понимание происходит потому что формы реального мира напоминают нам о Формах, которым они соответствуют. Вы можете узнать про окружности и собак, потому что они соответственно вызывают воспоминания Окружности и Собаки.
Все это достаточно далеко от современных взглядов. Но если вы уберете высокопарную метафизику, вы увидите, что он в действительности говорил об инвариантности. Его система объяснения была далека от цели, но его интуиция, что это один из важнейших вопросов о природе человека, которыми мы можем задаться, попала в яблочко.
Чтоб у вас не сложилось впечатление, что инвариантность относится только к зрению, давайте взглянем на некоторые примеры с другими чувствами. Рассмотрим тактильные ощущения. Когда вы тянетесь к бардачку в машине, чтоб найти солнечные очки, ваши пальцы должны только слегка задеть их, чтоб вы их нашли. Не важно, какая часть вашей руки соприкоснется; это может быть большой палец, любая часть любого пальца или ладонь. Соприкоснуться можно с любой частью очков, с линзой, дужкой, петлей или частью оправы. Всего лишь движения любой части вашей руки над любой частью очков достаточно, чтоб ваш мозг идентифицировал их. В каждом случае поток пространственных и временных паттернов, поступающих с ваших тактильных рецепторов, совершенно различный — различные участки кожи, различные части объекта — но вы хватаете ваши очки без раздумий.
Или рассмотрим сенсомоторную задачу — вставить ключ в замок зажигания. Положение, в котором вы сидите, положение тела, рук, каждый раз слегка отличаются. Для вас это выглядит как повторяющееся изо дня в день действие, но это потому что у вас инвариантное представление в мозгу. Если вы попытаетесь сделать робота, который смог бы попасть в машину и вставить ключ, вы быстро бы увидели, что это практически невозможно, пока вы не будете уверены, что робот находится в одном и том же положении и держит ключ одинаково каждый раз. И даже если вы смогли бы управлять им, чтоб сделать это, робота пришлось бы перепрограммировать под различные машины. Роботы и компьютерные программы, подобно искусственной автоассоциативной памяти, ужасны при обращении с вариациями.
Другой интересный пример — это ваша подпись. Где-то в вашем моторном кортексе, в передних долях, у вас есть инвариантное представление вашего автографа. Каждый раз, когда вы подписываетесь, вы используете одну и ту же последовательность ударов, изгибов и ритмов. Это верно и когда вы подписываетесь ежеминутно хорошей ручкой на весу, и когда неловко подписываетесь карандашом, зажатым между кончиками пальцев. Каждый раз получается что-то разное, конечно, особенно в неудобных условиях, которые я только что указал. Тем не менее, несмотря на масштаб, пишущую принадлежность или комбинацию частей тела, вы всегда запускаете одну и ту же абстрактную «моторную» программу.
Из примера с подписью видно, что инвариантное представление в моторном кортексе в некотором смысле это зеркальное отражение инвариантного представления в сенсорном кортексе. С сенсорной стороны, большое множество входных паттернов может активировать один и тот же ансамбль, который представляет один и тот же абстрактный паттерн (лицо вашей подруги, ваши очки). С моторной стороны, один и тот же ансамбль, представляющий некоторую абстрактную моторную команду (ловля мяча, подпись) способен проявит себя в широком множестве мышечных команд и удовлетворить широкому множеству других ограничений. Эта симметрия между восприятием и действием и есть то, что мы должны ожидать, если, как предположил Монткастл, во всех областях кортекса работает единый базовый алгоритм.
В качестве последнего примера давайте вернемся к сенсорному кортексу и снова взглянем на музыку (мне нравится использовать музыкальную память в качестве примера, потому что легко увидеть все проблемы, которые должен решить неокортекс). Инвариантное представление музыки иллюстрируется вашей способностью распознавать мелодию в любой тональности. Тональность, в которой сыграна мелодия, ссылается на музыкальную шкалу, на которой построена мелодия. Одна и та же мелодия, сыгранная в различных тональностях, построена из различных нот. Выбрав тональность для исполнения, вы задаете все оставшиеся ноты в мелодии. Мелодия может быть воспроизведена в различных тональностях. Это значит, что каждое исполнение «одной и той же» мелодии в новой тональности — фактически полностью отличающаяся последовательность нот! Каждое исполнение стимулирует различные участки вашей улитки, вызывая совершенно различные пространственно-временные паттерны, поступающие в слуховой кортекс… и тем не менее вы воспринимаете одну и ту же мелодию в каждом случае. Если у вас нет абсолютного слуха, вы не сможете даже различить, что одна и та же сыграна в другой тональности, если только не будете сравнивать.
Представьте песню «Somewhere over the Rainbow». Возможно вы впервые услышали ее в исполнении Джуди Гарленд в фильме «Волшебник страны Оз», но если у вас нет абсолютного слуха, то возможно вы не сможете даже вспомнить тональность, в которой она ее исполняла (Ля минор). Если я сяду за фортепиано и начну играть песню в такой тональности, в которой вы ее никогда не слышали — скажем, в Ре миноре — она будет звучать как точно та же самая песня. Вы не заметите, что все ноты отличаются от нот в той версии, с которой вы знакомы. Это означает, что ваша музыкальная память должна быть в форме, игнорирующей высоту ноты. Память должна хранить существенные отношения между нотами, но не сами ноты. В данном случае существенными отношениями являются относительная высота ноты, или «интервал». «Somewhere over the Rainbow» начинается с октавы вверх, затем полутон вниз, затем большая терция вниз и т. д. Интервальная структура мелодии одна и та же при исполнения в любой тональности. Ваша способность легко узнавать песню в любой тональности показывает, что ваш мозг хранит ее в форме, инвариантной к высоте нот.
Аналогично, память о лице вашей подруги также должно храниться в форме, не зависящей от особенностей точки зрения. Что делает ее лицо узнаваемым, так это его относительные размеры, относительные оттенки цвета, относительные пропорции, а не то, как оно выглядело в последний вторник в обед. Есть некоторые «пространственные интервалы» между чертами ее лица, также как и «высотные интервалы» между нотами в песне. Ее лицо шире относительно ее глаз. Ее нос короче относительно ширины ее глаз. Цвет ее волос и цвет ее глаз связаны подобным отношением, которое остается постоянным даже если при различном освещении их абсолютные цвета значительно изменяются. Когда вы запоминаете ее лицо, вы запоминаете эти относительные атрибуты.
Я верю, что подобное абстрагирование формы возникает во всем кортексе, в любой его области. Это общее свойство неокортекса. Память хранится в форме, которая фиксирует суть отношений, а не конкретные детали. Когда вы видите, чувствуете или слышите что-либо, кортекс получает детальную, высоко специфическую информацию и конвертирует ее в инвариантную форму. Именно инвариантная форма хранится в памяти, и любая новая информация сравнивается именно в инвариантной форме. Хранение, вспоминание и узнавание происходят в инвариантной форме. В вычислительной технике нет эквивалентной концепции.
Это поднимает интересную проблему. В следующей главе я докажу, что важной функцией кортекса является использование памяти для предсказания. Но исходя из того, что кортекс
