наиболее сырой форме, на самом базовом уровне. Например, визуальная информация попадает в кортекс через первичную визуальную область, называемую для краткости V1. V1 обрабатывает низкоуровневые визуальные элементы, такие как крошечные краевые сегменты, мелкомасштабные компоненты движения, бинокулярные несоответствия (для стереоскопического зрения) и базовую цветовую и контрастную информацию. V1 затем передает информацию верхним областям, таким как V2, V4 и IT (расскажем о ней позже) и помимо этого многим другим областям. Каждая из этих областей работает с более специализированными или абстрактными аспектами информации. Например, нейроны в V4 отвечают на объекты среднего уровня сложности, такие как форма звезды в различных цветах, например красном и синем… Другая область, MT, специализируется на движении объектов. В верхних эшелонах визуального кортекса есть области, отвечающие за представление ваших визуальных воспоминаний всех сортов объектов типа лиц, животных, инструментов, частей тела и т. п.
Другие ваши чувства имеют похожую иерархию. В вашем кортексе есть первичная слуховая область, называемая A1, и иерархия слуховых областей над ней; в нем есть первичная соматосенсорная область, называемая S1, и иерархия соматосенсорных областей над ней. В итоге сенсорная информация попадает в «ассоциативные области», так называют иногда области кортекса, которые получают информацию более чем с одного органа чувств. Например, в вашем кортексе есть область, получающая информацию от зрения и осязания. Благодаря ассоциативным областям вы понимаете, что то, что вы видите муху, ползающую по вашей руке, и что ощущаете щекотку, вызвано одной и той же причиной. Большинство из этих областей получают сильно обработанную информацию от нескольких чувств, и их функция остается непонятной. Я еще много скажу про кортикальную иерархию позже в этой книге.
Так же есть другой набор областей в передних долях мозга, создающих двигательную (моторную) информацию. Моторная система кортекса также иерархически организована. Самая нижняя область, M1, посылает соединения в позвоночник и напрямую управляет мускулатурой. Области выше M1 посылают более сложные моторные команды в M1. Иерархия моторных областей и иерархия сенсорных областей выглядят удивительно похоже. Кажется, что они объединялись одним и тем же образом. Считается, что в моторных областях информация распространяется вниз по иерархии к M1, чтоб привести в действие мускулатуру, а в сенсорных — вверх по иерархии от органов чувств. Но в действительности информация распространяется в обоих направлениях. Что считается обратной связью в сенсорных регионах — в моторных регионах является выходной информацией, и наоборот.
Большинство описаний мозга базируется на блок-схемах, которые отображают очень упрощенную точку зрения на иерархию. То есть, входные потоки (визуальные, акустические, осязательные) попадают в первичные сенсорные области и обрабатываются по мере продвижения вверх по иерархии, затем передаются через ассоциативные области, затем попадают в передние доли кортекса и, наконец, передаются обратно вниз к моторным областям. Я не говорю, что такая точка зрения полностью ошибочна. Когда вы читаете вслух, визуальная информация несомненно приходит в V1, поднимается к ассоциативным областям, проделывает путь через фронтальный кортекс и возбуждает мускулатуру вашего рта и гортани формировать звуки речи. Но это еще не все. Не все так просто. С упрощенной точки зрения, которой я не советую придерживаться, процессы в основном рассматриваются как информация, текущая в одном направлении, как изделие на сборочном конвейере. Но информация в кортексе всегда течет также и в обратном направлении, и гораздо больше проекций, передающих вниз по иерархии, чем вверх. Когда вы читаете вслух, высшие области вашего кортекса посылают гораздо больше сигналов «вниз» к первичному визуальному кортексу, чем ваши глаза получают с напечатанной страницы! В последующих главах мы разберем, что делают эти обратные связи. Сейчас же я хочу убедить в одном факте: хотя иерархия действительно существует, необходимо всегда быть начеку, чтоб не думать, что информация течет только в одном направлении.
Вернемся к столу для препарирования, предположим, что мы настроили мощный микроскоп, взяли тонкий срез от кортикального слоя, подкрасили некоторые клетки, и взглянули на наше творчество через окуляр. Если мы подкрасили все клетки в нашем срезе, мы должны увидеть плотную черную массу, потому что клетки так плотно упакованы и перемешаны. Но если мы используем краску, которая пометит гораздо меньше клеток, мы увидим 6 слоев, о которых я упоминал. Эти слои сформированы изменением плотности клеточных тел, типов клеток и их соединений.
У всех нейронов есть общие черты. Помимо тела клетки, округлой части, которую вы представляете при упоминании клеток, у них также есть ветвящиеся, похожие на провода структуры, называемые аксонами и дендритами. Когда аксон одного нейрона соприкасается с дендритом другого, они формируют маленькое соединение, называемое синапсом. Синапс — это где нервный импульс с одной клетки воздействует на поведение другой. Нервные сигналы, или спайки, приходящие на синапс, могут сделать более вероятным появление спайка на приемной клетке. Некоторые синапсы имеют обратный эффект, делая генерацию спайка на приемной клетке менее вероятной. Таким образом, синапсы бывают возбуждающими и тормозными. Синаптическая сила может изменяться в зависимости от поведения двух клеток. Простейшая форма синаптических изменений — это когда оба нейрона генерируют спайк приблизительно в один и тот же момент, сила соединения между нейронами увеличивается. Я скажу больше про этот процесс, называемый Хеббиановским обучением, чуть позже. В дополнение к изменениям синаптической силы, очевидно, могут формироваться и новые синапсы между двумя нейронами. Это может происходить всегда, хотя научная очевидность противоречива. Независимо от деталей того, как синапсы меняют свою силу, определенно формирование и усиление синапсов — это то, что вызывает сохранение воспоминаний.
Хотя существует множество типов нейронов в неокортексе, один распространенный класс включает восемь из десяти ячеек. Это пирамидальные нейроны, называемые так, потому что из тело немного похоже на пирамиду. За исключением верхнего слоя шестислойного кортекса, который содержит мили аксонов, но очень мало клеток, каждый слой содержит пирамидальные клетки. Каждый пирамидальный нейрон соединяется с множеством других нейронов в непосредственном окружении, и каждый посылает длинный аксон вбок к более отдаленным областям кортекса или вниз, к нижележащим структурам мозга, например к таламусу.
Типичная пирамидальная клетка имеет несколько тысяч синапсов. Опять же, очень трудно узнать точно, сколько, по причине их высокой плотности и маленьких размеров. Количество синапсов изменяется от клетки к клетке, от слоя к слою и от области к области. Если б мы заняли консервативную позицию, что каждый нейрон имеет одну тысячу синапсов (действительное число синапсов оценивается ближе к пяти или десяти тысячам), то наш неокортекс должен был бы иметь примерно тридцать триллионов синапсов в сумме. Это астрономически большое число, намного за пределами наших интуитивных возможностей. Это несомненно достаточно, чтоб сохранить все вещи, которые мы когда либо узнали в течение жизни.
Согласно преданию, Альберт Эйнштейн сказал однажды, что путь к специальной теории относительности был прямым, почти легким. Он следовал естественным путем из единственного наблюдения: что скорость света постоянна для всех наблюдателей, даже если наблюдатели движутся с различными скоростями. Это противоречит интуиции. Это все равно, что сказать, что скорость брошенного мяча всегда одна и та же, независимо от того, как сильно он был брошен, или как быстро бегут бросающий и наблюдающий. Все видят мяч, движущийся с одинаковой скоростью относительно них в любой обстановке. Кажется, что такое не может быть истиной. Но было доказано, что это истинно для света, и Эйнштейн сообразительно задался вопросом, каковы следствия этого странного факта. Он методично обдумал все следствия постоянности скорости света, и это привело его к еще более странным предсказаниям специальной теории относительности, таким, как замедление времени при увеличении скорости, что энергия и масса — фундаментально одно и то же. Книги по теории относительности повторяют его цепочку рассуждений на обыденных примерах с поездами, пулями, вспышками света и т. д. Теория не сложна, но она определенно противоречит интуиции.
В нейрофизиологии есть аналогичное открытие — факт о неокортексе, который является настолько неожиданным, что некоторые ученые отказываются верить в него и большинство оставшихся игнорируют его, потому что не знают, что с ним делать. Но это факт настолько важный, что если вы аккуратно и методически исследуете его следствия, это раскроет секрет того, что делает неокортекс и как он работает. В этом случае, неожиданное открытие пришло из базовой анатомии самого кортекса, но потребовался необычайно догадливый разум, чтоб распознать его. Это был Вернон Монткастл, нейрофизиолог из университета Джона Хопкинса в Балтиморе. В 1978 году он опубликовал статью, названную «Организационные принципы Церебральных Функций». В этом документе Монткастл указал, что неокортекс удивительно однороден по виду и структуре. Области неокортекса, которые оперируют слуховой информацией, похожи на области, оперирующие с осязанием, управлением мускулатурой, языковую область Брока, практически как любые области неокортекса. Монткастл предположил, что поскольку эти области выглядят одинаково, они действительно выполняют одну и ту же базовую операцию! Он предположил, что кортекс использует один и тот же вычислительный инструмент для всего, чем он занимается.
Все анатомы в то время и за десятилетие до МонтКастла уже знали, что кортекс выглядит одинаково везде; это непреложный факт. Но вместо того, чтоб задаться вопросом, что это могло бы означать, они тратили свое время на поиски различий между областями кортекса. Но они не находили различий. Они полагали, что если одна область используется для языка, а другая — для зрения, то вероятнее всего должны быть различия между этим областями. Если вглядеться достаточно близко — они найдутся. Области кортекса отличаются по толщине, плотности клеток, относительной пропорции типов клеток, длине горизонтальных соединений, плотности синапсов и по многим другим параметрам, которые сложно найти. В одной из наиболее изученных областей, первичной визуальной области V1, действительно есть некоторые дополнительные подразделения в одном из ее слоев. Ситуация аналогична работе биологов начала 19-го века. Они тратили свое время на поиски сиюминутных различий между видами. Успехом для них было найти, что две мыши, выглядящие практически идентично, в действительности принадлежат к различным видам. Многие годы Дарвин следовал тем же самым курсом, нередко изучая моллюсков. Но Дарвина в конце концов осенило вопросом, как такие виды могут быть настолько похожи. Их похожесть была более удивительной и интересной, гораздо больше чем их различия.
Монткастл проводил подобные наблюдения. Работая среди анатомов, отыскивающих различия между областями кортекса, он показал, что несмотря на различия, неокортекс удивительно однороден. Одни и те же слои, типы клеток и соединения существуют по всему кортексу. Он везде похож на шесть визиток. Отличия настолько тонки, что опытные анатомы не могли с ним согласиться. Следовательно, Монткастл утверждал, что все области кортекса выполняют одну и ту же операцию. То, каким образом области кортекса соединены друг с другом и с другими частями центральной нервной системы, является причиной того, что визуальные области являются визуальными, моторные — моторными.
Фактически, Монткастл утверждал, что причина того, что области кортекса выглядят слегка различными, заключается в том, к чему они подсоединяются, а не в том, что отличаются их основные функции. Он сделал вывод, что есть одна общая функция, общий алгоритм, который выполняют все области кортекса. Зрение не отличается от слуха, не отличается от моторного управления. Он предположил, что наши гены указывают, как области кортекса соединяются, что очень индивидуально для функций и видов, но кортикальная ткань сама по себе выполняет всегда одно и то же.
Давайте взглянем на это сиюминутно. Для меня зрение, слух и осязание кажутся совершенно различными. У них фундаментально разные качества. Зрение охватывает цвет, текстуру, форму, глубину. Слух работает с высотой, ритмом и тембром. Они кажутся совершенно разными. Как они могут быть одним и тем же? Монткатстл говорит — они не одинаковы, но способ, которым кортекс обрабатывает сигналы от уха такой же, как и способ, которым он обрабатывает сигналы от глаза. Он так же говорит, что моторное управление работает на тех же принципах.
Ученые и инженеры в большинстве своем игнорировали предложение Монткастла. Когда они пытались понять зрение или сделать «видящий» компьютер, они выдумывали словарь и технологии, специфические для зрения. Они говорили о краях, текстурах, трехмерном представлении. Если они хотели понять язык, они строили алгоритмы, базирующиеся на правилах грамматики, синтаксисе и семантике. Но если Монткастл прав, эти подходы не такие, как решает эти проблемы мозг, и скорее всего будут безуспешными. Если Монткастл прав, алгоритм кортекса должен быть выражен независимо от любых специфических функций или чувств. Мозг использует одни и те же процессы, чтобы видеть и слышать. Мозг занимается чем-то универсальным, что может быть применено к любому типу сенсорных или к моторной системе.
Когда я впервые прочитал статью Монткастла, я чуть не упал со стула. Это был Розеттский камень нейронауки — единственная статья и единственная идея, объединяющая все многообразные и поразительные возможности человеческого разума. Она объединяла их под единым алгоритмом. Одним махом она показала ошибочность всех предыдущих попыток понять и воплотить в технике человеческое поведение как многообразие возможностей. Я надеюсь вы сможете оценить, насколько радикальным и с чудесно элегантным является предложение Монткастла. Лучшие идеи в науке всегда просты, элегантны и неожиданны, и это одна из лучших. По моему мнению это было, есть и будет оставаться в перспективе одним из самых важных открытий нейронауки. Невероятно, однако многие ученые и инженеры либо продолжают отказываться верить в это, игнорируют это, либо вообще не знают об этом.
Частично такое пренебрежение произрастает из скудности инструментов для изучения того, как информация распространяется внутри шестислойного кортекса. Имеющиеся у нас инструменты оперируют на более грубом уровне и в основном нацелены на нахождении того, где (вместо когда и как) в кортексе возникают различные способности. Например, большинство нейрофизиологов неявно пропагандируют в популярной прессе идею, что мозг — это набор высокоспециализированных модулей. Техника функционального отображения, наподобие функциональной магниторезонансной томографии (MRI) и позитрон-эмисиионной томографии (PET), сфокусирован в основном исключительно на картировании мозга и функциональных областей, о которых я упоминал ранее. Обычно в таких экспериментах подопытный лежит головой в сканере и выполняет определенный вид ментальных или моторных задач. Это может быть видеоигры, спряжение глаголов, чтение высказываний, рассматривание лиц, называние картинок, воображение чего-либо, запоминание списков, принятие финансовых решений и т. д.
