делать предсказания, основанные на более сложных отношениях. Во-вторых, он начал взаимодействовать с моторной системой старого мозга. Для предсказания того, что вы увидите, услышите и почувствуете потом, ему нужно знать, какие действия будут предприняты. В случае людей кортекс перехватил большую часть нашего моторного поведения. Вместо того, чтобы просто делать предсказания на основе поведения старого мозга, человеческий неокортекс управляет поведением, чтобы удовлетворить свои предсказания.
Человеческий кортекс особенно большой и, следовательно, имеет огромную емкость. Он постоянно предсказывает, что вы увидите, услышите и почувствуете в основном таким образом, что вы это не осознаете. Эти предсказания являются нашими мыслями, и, в комбинации с сенсорной информацией, они являются нашим восприятием. Я называю эту точку зрения на мозг моделью «
Если бы Китайская Комната Серла содержала подобную систему памяти, которая могла бы делать предсказания о том, какие китайские символы должны появиться следующими и что потом должно происходить в рассказе, мы могли бы с уверенностью сказать, что комната понимает китайский язык и понимает рассказ. Теперь мы можем видеть, в чем ошибался Алан Тьюринг. Предсказание, а не поведение является доказательством интеллекта.
Сейчас мы готовы вдаться в детали этой новой модели «память-предсказание». Для того, чтоб делать предсказания будущих событий, ваш неокортекс должен хранить последовательности паттернов. Чтобы вызвать соответствующие воспоминания, необходимо затребовать паттерны по их сходству с прошлыми паттернами (автоассоциативная память). И, наконец, воспоминания должны быть сохранены в инвариантной форме, так чтобы знания о прошлых событиях могли бы быть применены к новой ситуации, которая похожа, но не идентична прошлой. То, как кортекс разрешает эти задачи, а также более полное исследование его иерархии, является темой следующей главы.
6. Как работает кортекс
Попытки понять, как работает мозг, подобны решению гигантской головоломки из кусочков картинки. Вы можете подходить к ее решению двумя способами. Используя подход «сверху вниз», вы начинаете с того, что берете цельную картинку, и, пользуясь ей, решаете, какие кусочки игнорировать, а какие искать. Другой подход, «снизу вверх», когда вы фокусируетесь непосредственно на самих кусочках. Вы изучаете их на наличие особенностей и ищите наиболее подходящие среди других кусочков. Если у вас нет цельной картинки-решения, метод «снизу вверх» является иногда единственным путем.
Головоломка «познай мозг» особенно устрашающая. В отсутствии хорошего теоретического обоснования для понимания интеллекта ученые стараются придерживаться подхода «снизу вверх». Но задача очень трудна, если вообще не неосуществима, если головоломка такая сложная, как мозг. Чтобы ощутить трудность, вообразите головоломку с несколькими тысячами кусочков. Большинство кусочков могут быть интерпретированы различными путями, как если бы у каждого была подходящая картинка на обоих сторонах, но только одна из них правильная. Все кусочки почти одинаковы по форме, так что вы не смогли бы определенно сказать, подходят два кусочка или нет. Большинство из них не будет использовано в конечном решении, но вы не знаете, какие и сколько. Каждый месяц новые кусочки приходят по почте. Некоторые из этих новых кусочков заменяли бы более старые, как если бы разработчик головоломки сказал, «Я знаю, что вы работали с этими старыми кусочками несколько лет, но оказалось, что они не годятся. Извините. Вместо них используйте эти новые кусочки до будущих извещений». К сожалению, у вас нет идей, на что будет похож конечный результат; еще хуже, если у вас были идеи, но они оказались неправильными.
Эта аналогия с головоломкой является великолепным описанием сложности, с которой мы сталкиваемся при создании новой теории кортекса и интеллекта. Кусочки головоломки — это биологические и поведенческие данные, которые ученые собрали за сотни лет. Каждый месяц публикуются новые документы, создающие дополнительные кусочки головоломки. Иногда данные одного ученого противоречат данным другого. Поскольку данные могут быть интерпретированы различными способами, практически во всем есть разногласия. Без теоретических оснований «сверху вниз» не будет консенсуса в том, что искать, что наиболее важно или как интерпретировать горы накопленной информации. Наше понимание мозга застряло на подходе «снизу вверх». Все, что нам нужно — это теоретические обоснования для подхода «сверху вниз».
Модель «память-предсказание» может выступить в этой роли. Она может показать нам, как начинать складывать вместе кусочки головоломки. Чтобы делать предсказания, вашему кортексу нужен способ помнить и хранить знания о последовательностях событий. Чтобы делать предсказания новых событий, кортекс должен сформировать инвариантные представления. Вашему мозгу нужно создавать и хранить модель мира такого, какой он есть, независимо от того, как вы видите его в различных обстоятельствах. Зная, что должен делать кортекс, ведет нас к пониманию его архитектуры, особенно его иерархического дизайна и шестислойной формы.
Когда мы изучим эти теоретические основы, представленные здесь впервые, я перейду на детальный уровень, который может быть многообещающим для некоторых читателей. Большинство концепций, с которыми вы сейчас встретитесь, непривычны даже для экспертов в нейронауках. Но я верю, с небольшим усилием каждый сможет понять фундамент этих теоретических основ. Главы 7 и 8 этой книги гораздо менее технические и более широко исследуют следствия теории.
Наше решение головоломки может теперь обернуться к поиску биологических деталей, которые подтверждают гипотезу «память-предсказание»; это подобно тому, что мы оставим в стороне большой процент кусочков головоломки, зная, что относительно небольшой процент оставшихся кусочков приоткроет решение. Как только мы обнаружим, что ищем, задача станет управляемой.
В то же время я хочу заметить, что эти теоретические основания еще не завершены. Есть множество вещей, которые мне еще непонятны. Но многое я уже сделал, основываясь на дедуктивном выводе, экспериментах, выполненных во множестве различных лабораторий, и знании анатомии. Последние 5 — 10 лет исследователи из множества подобластей нейронаук исследовали идеи, подобные моим, хотя использовали другую терминологию и, насколько мне известно, не пытались сложить эти идеи в одну общую теорию. Они говорят об обработке «сверху вниз» и «снизу вверх», как паттерны распространяются через сенсорные области мозга и как важно инвариантное представление. Например, Габриэль Крейман и Кристоф Кох, нейрофизиологи из Кальтеха, совместно с нейрохирургом Ицхаком Фрейдом из UCLA, обнаружили клетки, которые возбуждаются, когда человек видит изображение Билла Клинтона. Одна из моих целей — объяснить, как образуются эти клетки Билла Клинтона. Конечно, все теории должны делать предсказания, которые могут быть протестированы в лаборатории. Я укажу несколько таких предсказаний в приложении. Сейчас мы знаем, что искать, и очень сложная система больше не выглядит такой сложной.
В следующих разделах этой главы мы глубже и глубже будем зондировать то, как работает модель «память-предсказание». Мы начнем с широкомасштабной структуры и широкомасштабных функций неокортекса, и будем двигаться к предстоящему пониманию более мелких кусочков и того, как они складываются в картинку.
Рисунок 1. Первые четыре области визуального распознавания объектов.
Ранее я изобразил кортекс как слой клеток размером с обеденную салфетку, такой же толщины, как шесть визиток, где соединения между различными областями задают в целом иерархическую структуру. Сейчас я хочу нарисовать другую картину кортекса, которая высветит ее иерархические соединения. Вообразите, что мы разрезали обеденную салфетку на функциональные области — секции кортекса, которые специализируются на определенных задачах — и сложили эти области одна на другую подобно блинчикам. Если вы разрежете эту стопку и посмотрите со стороны, вы увидите рисунок1. Кортекс на самом деле не похож на это, как вы могли бы подумать, но картинка поможет вам увидеть, как проходит информация. Я показал четыре кортикальных области, в которые снизу поступает сенсорная информация и течет вверх от области к области. Заметьте, информация ходит в обоих направлениях.
Рисунок 1 представляет четыре визуальных области, задействованных в распознавании объектов — то, как вы видите и узнаете кошку, храм, вашу маму, Великую Китайскую Стену. Биологи обозначают их V1, V2, V4 и IT. Визуальная информация, представленная направленными вверх стрелками внизу рисунка 1, возникает в сетчатке обоих глаз и идет в V1. эта информация может рассматриваться как постоянно меняющиеся паттерны, распределенные приблизительно по миллиону аксонов, связанных вместе в оптический нерв.
Мы говорили ранее о пространственных и временных паттернах, но имеет смысл освежить вашу память, поскольку мы будем ссылаться на них очень часто. Вспомните, что ваш кортекс — это большой слой нервной ткани, который содержит функциональные области, специализированные на определенных задачах. Эти области соединяются большими связками аксонов или волокон, которые передают информацию от одного региона к другому, все одновременно. В любой момент времени некоторое множество волокон возбуждается электрическим импульсом, называемым потенциалом действия или спайком, тогда как другие остаются неактивными. Коллективная активность связки волокон и есть то, что обозначает
Как отмечалось ранее, примерно три раза в секунду ваши глаза совершают быстрое движение, называемое саккадой, и остановку, называемую фиксацией. Если ученый подключит устройство, отслеживающее движение глаз, вы будете удивлены, какими отрывистыми являются саккады, хотя ваше визуальное ощущение непрерывно и стабильно. Рисунок 2 показывает, как у некоторого человека движутся глаза, когда он смотрит на лицо. Заметьте, что фиксации не произвольны. Теперь вообразите, что вы могли бы видеть паттерн активности, поступающие в V1 от глаз этого человека. Он меняется постоянно с каждой саккадой. Несколько раз в секунду кортекс видит совершенно новый паттерн.
Вы могли бы подумать, «хорошо, но это все еще то же самое лицо, просто смещающееся». В этом есть доля правды, но не так много, как вы думаете. Светочувствительные рецепторы в вашей сетчатке распределены неравномерно. Они плотно сконцентрированы в фовеальной области в центре, и постепенно редеют к периферии. В отличие от этого клетки кортекса распределены равномерно. В результате изображение с сетчатки, отображаемое в первичную визуальную область V1, сильно искажено. Когда ваши глаза фиксируются на носу, а не на глазу того же самого лица, картинка значительно отличается, как если бы ее рассматривали через искажающие линзы, которые постоянно дергаются туда-сюда. Но когда вы видите лицо, оно не кажется вам искаженным, и не кажется прыгающим. Большую часть времени вы даже не осознаете, что паттерны с сетчатки полностью изменяются. Вы видите «просто лицо». (Рисунок 2б показывает этот эффект на примере берегового ландшафта). Это подтверждение загадки инвариантного представления, о котором мы говорили в главе 4. То, что вы воспринимаете — это не то, что видит V1. Как же все таки ваш мозг узнает, что он видит одно и то же лицо, и почему вы не знаете, что поступающая информация изменяющаяся и искаженная?
Рисунок 2а. Как глаза совершают саккады по человеческому лицу.
Рисунок 2б. Искажение, вызванное неравномерным распределением рецепторов по сетчатке.
Если мы поместим электроды в V1 и будем наблюдать, как отвечают отдельные клетки, мы обнаружим, что каждая конкретная клетка возбуждается только в ответ на визуальную информацию от крошечной части сетчатки. Этот эксперимент был проделан много раз и является опорным в исследовании зрения. Каждый нейрон в области V1 имеет так называемое рецептивное поле, которое сильно специфично для каждой мельчайшей части общего поля зрения — то есть, цельного мира перед вашими глазами. Представляется, что клетки в V1 совсем не знают о лицах, машинах, книгах или других значительных объектах, которые вы видите все время; они «знают» о крошечных, с игольное ушко, порциях визуального мира.
Каждая клетка в V1 также настроены на специфические виды поступающих паттернов. Например, конкретная клетка может активно пульсировать, когда она видит линию или край, наклоненный под углом в 30 градусов. Эти края сами по себе имеют небольшое значение. Они могли бы быть частью любого объекта — половицы, стволом отдаленного пальмового дерева, стороной буквы М или одной из почти бесконечного числа возможностей. При каждой новой фиксации, рецептивное поле клетки попадает на новую и совершенно отличную порцию визуального пространства. При некоторых фиксациях клетка будет сильно возбуждаться, на других будет возбуждаться слабо или вообще не будет. Таким образом, каждый раз, когда вы совершаете саккаду, множество клеток в V1 вероятнее всего изменяет свою активность.
Однако, нечто волшебное происходит, если вы помещаете электрод в верхнюю область, показанную на рисунке 1, область IT. Здесь мы обнаруживаем некоторые клетки, которые становятся и остаются активными, когда объект полностью появляется где-нибудь в поле зрения. Например, мы могли бы найти клетки, которые возбуждаются только тогда, когда видно лицо. Эти клетки остаются активными до тех пор, пока ваши глаза видят лицо где-нибудь в поле вашего зрения. Они не включаются и не выключаются при каждой саккаде, как это делают клетки в V1. Рецептивное поле этих клеток в IT покрывает большую часть визуального пространства и настроено на возбуждение, когда видно лицо.
Давайте откроем тайну. Походу охвата четырех кортикальных этапов от сетчатки до IT, клетки изменяются от быстро изменяющихся, пространственно специфичных, распознающих
