3. Человеческий Мозг
Итак, что делает человеческий мозг таким непохожим на программирование ИИ и нейронные сети? Что такого необычного в структуре мозга, и почему оно так значимо? Как мы увидим в следующих нескольких главах, в архитектуре мозга есть много чего, что может сказать о том, как действительно работает мозг и почему он в корне отличается от компьютера.
Давайте начнем наше знакомство с мозгом в целом. Вообразите, что мозг лежит на столе, и мы препарируем его вместе. Первое, что вы заметите, это то, что внешняя поверхность мозга кажется весьма однородной. Розовато-серый, он похож на гладкую цветную капусту с несколькими гребнями и впадинами, называемыми извилинами и бороздами. Он мягкий и желеобразный на ощупь. Это неокортекс, тонкий слой нервной ткани, который окутывает большинство более старых частей мозга. Мы собираемся сфокусировать большую часть нашего внимания на неокортексе. Практически все, о чем мы думаем, как о интеллекте – восприятие, язык, воображение, способности к математике, рисованию, музыке, планированию – происходит здесь. Ваш неокортекс читает эту книгу.
Сейчас я должен признаться, что я неокортикальный шовинист. Я знаю, что я встречу некоторое сопротивление на этой позиции, поэтому позвольте мне взять минуту на защиту моего подхода прежде, чем мы заберемся слишком далеко. У каждой части мозга есть свое сообщество ученых, изучающих ее, и предположение, что мы сможем добраться до оснований интеллекта пониманием только неокортекса, конечно же вызовет возмущение со стороны сообществ обиженных исследователей. Они скажут что-то вроде: «Вам не удастся понять неокортекс без понимания области X, потому что эти две области мозга очень сильно взаимосвязаны, и вам необходима область X для того-то и того-то». Я не говорю, что не согласен. При условии, что мозг состоит из множества частей и большинство из них критически важны для человека. (Странно, исключением является часть мозга с достаточно большим числом нейронов, мозжечок. Если вы родились без мозжечка или если он поврежден, вы можете вести почти нормальную жизнь. Однако это неверно для большинства других отделов мозга; большинство из них требуются для базовых жизненных функций или способностей к ощущениям).
Моим контраргументом является то, что я не заинтересован в построении человека. Я хочу понять интеллект и построить интеллектуальную машину. Быть человеком и быть интеллектуальным – различные вещи. Интеллектуальной машине не нужны сексуальные желания, голод, пульс, мускулы, эмоции или человекоподобное тело. Человек нечто большее, чем интеллектуальная машина. Мы биологические создания со всеми необходимым и иногда нежелательным багажом, которые происходят из многих этапов эволюции. Если вы хотите построить интеллектуальную машину, которая ведет себя как человек – то есть проходит Тест Тьюринга во всех случаях – тогда вы возможно должны будете воспроизвести множество из тех вещей, которые делают человека человеком. Но как мы увидим дальше, чтобы построить машину, которая несомненно интеллектуальна, но не является в точности человеком, мы можем сфокусироваться на той части мозга, которая строго соотносится с интеллектом.
Тем, кого возможно задевает мое исключительное внимание к неокортексу, позвольте сказать, что я согласен, что другие структуры мозга, такие как мозговой ствол, базальные ганглии, несомненно важны для функционирования человеческого неокортекса. Без вопросов. Но я надеюсь убедить вас, что все основные аспекты интеллекта возникают в неокортексе, где также важную роль играют два других отдела – таламус и гиппокамп, что мы обсудим дальше по книге. В течение продолжительного периода нам необходимо будет понять функциональную роль всех отделов мозга. Но я верю, что эти вещи было бы лучше адресовать в контексте хорошей общей теории функций неокортекса. Но давайте вернемся к неокортексу, или как его сокращенно называют, к кортексу (коре).
Возьмем шесть визиток или игральных карт и сложим их в стопку. (Это действительно поможет, если вы сделаете это, а не просто вообразите). Сейчас вы держите модель кортекса. Ваши шесть визиток примерно 2 миллиметра в толщину и должны дать вам ощущение того, как тонок кортикальный слой. Также как и стопка визиток, неокортекс примерно 2 миллиметра в толщину и содержит 6 слоев, каждый имитируется примерно одной картой.
Развернутый, неокортикальный слой человека примерно размером с обеденную салфетку. Кортикальные слои других животных меньше: у крысы – размером с почтовую марку; у обезьяны – размером с почтовый конверт. Но несмотря на размеры, большинство из них состоят из шести слоев, аналогично той стопке из шести визиток. Люди умнее потому что наш кортекс относительно размеров тела покрывает большую площадь, а не потому, что слои толще или содержат специальные «умные» нейроны. Его размеры впечатляющи, так как он окружает и обертывает большинство других частей мозга. Чтобы приспособиться к большим размерам мозга, природа модифицировала нашу общую анатомию. Человеческие женщины развиваются с широким тазом, чтоб дать возможность родиться ребенку с большой головой, свойством, которое некоторые палеоантропологи считают эволюционировавшим совместно со способностью ходить на двух ногах. Но это еще не все, также эволюция скомкала неокортекс, запихнув его в наши черепа как мятый лист бумаги в рюмке для бренди.
Ваш неокортекс заполнен нервными клетками, или нейронами. Они так плотно упакованы, что никто точно не знает, сколько же в нем клеток. Если вы нарисуете крошечный квадрат со стороной один миллиметр сверху на стопке ваших визиток, вы обозначите положение приблизительно сотни тысяч (100 000) нейронов. Вообразите попытку посчитать точное число в таком крошечном пространстве; это даже виртуально невозможно. Тем не менее, некоторые анатомы предсказывают, что в среднем человеческий неокортекс содержит порядка тридцати миллиардов нейронов (30 000 000 000), но никого не удивит, если в действительности окажется больше или меньше.
Эти тридцать миллиардов клеток и есть Вы. Они содержат практически все ваши воспоминания, знания, мастерство и накопленный жизненный опыт. После 25 лет размышления над мозгом, я до сих пор нахожу этот факт удивительным. То что тонкий слой клеток видит, чувствует и создает наше мировоззрение – это на грани невероятного. Тепло летних дней и наши мечты о лучшем мире каким-то образом являются созданием этих клеток. Через много лет после публикации статьи в Scientific American, Френсис Крик написал книгу о мозге, названную Ошеломительная Гипотеза. Ошеломительная гипотеза состояла в том, что разум – это творение клеток в мозгу. Нет ничего больше, ни магии, не специального соуса, только нейроны и танец информации. Я надеюсь вы ощутили, как невероятна такая постановка дела. Получается, что существует большая философская воронка между набором клеток и нашим сознательным опытом, хотя разум и мозг – едины. Называя это гипотезой, Крик просто соблюдал политкорректность. То, что нейроны в нашем мозгу создают разум – это факт, а не гипотеза. На необходимо понять, что эти тридцать миллиардов нейронов делают, и как они это делают. К счастью, кортекс не просто бесформенный комок ячеек. Мы можем глубже поискать в его структуре идеи о том, как он дает начало человеческому разуму.
* * *
Давайте вернемся к нашему столу для препарирования и еще раз взглянем на мозг. Для невооруженного глаза на неокортексе практически нет каких либо ориентиров. Точнее, есть немного, такие как гигантская борозда, разделяющая большие полушария, и заметная борозда, разделяющая передние и задние отделы мозга. Но повсюду, куда бы вы не посмотрели, извилистая поверхность практически одинакова. Нет никаких видимых разделительных линий или цветовых пометок, обозначающих области, специализирующиеся на различной сенсорной информации или различных типах мыслей.
Однако людям давно уже известно, что где-то границы все-таки есть. Даже до того, как нейрофизиологи смогли разглядеть что-нибудь полезное об устройстве кортекса, они уже знали, что некоторые ментальные функции локализованы в определенных областях мозга. Если боксерский удар поражает правую затылочную долю Джо, он может потерять, представьте себе, способность к восприятию чего-либо на левой стороне своего тела или в левой половине пространства вокруг себя. Удар в левую переднюю область, известную как область Брока, наоборот, компрометирует его способность использовать правила грамматики, хотя его словарный запас и способность понимать значение слов не изменятся. Удар в так называемую веретенообразную извилину может вырубить способность распознавать лица – Джо не может узнать свою мать, своих детей или даже свое собственное лицо на фотографии. Замечательные нарушения наподобие этих дали первым нейрофизиологам представление о том, что кортекс состоит из множества функциональных областей.
За прошедшее столетие нам многое стало известно о функциональных областях, но еще много предстоит открыть. Каждый из этих регионов частично независим и, кажется, специализирован для определенных аспектов восприятия или мышления. Физически они организованы в виде лоскутного одеяла, которое совсем немного отличается у разных людей. Они редко бывают четко очерчены. Функционально они организованы в ветвящуюся иерархию.
Упоминание об иерархии критично, так что я хочу выделить время на то, чтоб основательно определить ее. Я буду ссылаться на нее в течение всей книги. В иерархических системах некоторые элементы располагаются «выше» или «ниже» других. В иерархии бизнеса, например, менеджеры среднего уровня выше почтового клерка и ниже вице-президента. Это не имеет ничего общего с физическим положением; даже если менеджер работает этажом ниже клерка, он все равно остается «выше» по иерархии. Я акцентировал на этом внимание для того, чтобы прояснить, что я имею в виду, когда говорю о том, что некоторые функциональные области выше или ниже других. Их физическое расположение в мозгу не имеет значения. Все функциональные области кортекса располагаются на одной и той же свернутой кортикальной поверхности. Что делает один регион выше другого – это то, как они соединены друг с другом. В кортексе нижние области передают информацию к верхним областям путем определенных межнейронных соединений, тогда как верхние передают информацию нижним через другие соединения. Есть также латеральные соединения между областями, которые в различных ветвях иерархии, подобно тому, как менеджер среднего уровня общается с сотрудником из другого офиса этой же компании в другом штате. Детальная схема соединений кортекса обезьяны была разработана двумя учеными, Дэниелом Феллеманом и Дэвидом ван Эссеном. Схема показывает множество областей, соединенных вместе в сложную иерархию. Мы можем предполагать, что человеческий кортекс имеет похожую структуру.
Самые нижние функциональные области, - это первичные сенсорные области, куда первоначально приходит информация в кортекс. Эти области обрабатывают информацию в ее 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.
* * *
|
