Недостающее звено

Итак, если физический подход оказался слишком простым, а биологический – слишком сложным, то где же искать оптимальный вариант? В отличие от физических факторов, у схем мозга и моделей нейронных сетей есть цель – решение жизненно важных вычислительных задач, таких как зрительное восприятие и перемещение. Безусловно, можно найти идеальную модель того, как работает нейрон, но это не скажет вам, какова его цель.

Нейроны участвуют в процессе обработки сигналов, несущих информацию, и именно вычисления были недостающим звеном в попытке понять природу. Я шел к этому 40 лет, осваивая новое направление – вычислительную нейробиологию.

Рис. 4.6. Мы с Джеффри Хинтоном обсуждаем сетевые модели зрения в Бостоне в 1980 году. Фотография сделана спустя год после знакомства на семинаре по параллельным моделям ассоциативной памяти в Ла-Хойя и за год до того, как я начал работать в лаборатории Университета Джонса Хопкинса в Балтиморе, а Хинтон основал свою исследовательскую группу в Университете Карнеги – Мелона в Питтсбурге

После аспирантуры в Калифорнийском университете в Сан-Диего Джеффри Хинтон вернулся в Англию, где начал исследования на факультете прикладной психологии в Кембридже. Однажды в 1981 году в два часа ночи ему позвонил некто, представившийся Чарльзом Смитом, президентом компании System Development Foundation. Смит сказал, что его компания готова спонсировать рискованные исследования Хинтона, которые вряд ли увенчаются успехом, а самого Джеффри ему очень рекомендовали. Джеффри не верил, что все это не сон. Будучи хорошим другом, Джеффри сказал Смиту, что у моих исследований еще меньше шансов на удачное завершение.

Фонд действительно дал нам первые гранты, которые сильно продвинули исследования. Мы смогли себе позволить купить более быстрые компьютеры и платить зарплату студентам. До этого у Джеффри был компьютер Apple II, который он заменил Лисп-машиной, когда перешел в университет Карнеги – Мелона. Когда я приступил к работе в Университете Джонса Хопкинса в Балтиморе, одно время у меня были компьютеры большей мощности, чем у всего факультета информатики. Я также купил первый модем, который связал Университет Хопкинса с компьютерной сетью ARPANET, предшественником Интернета, чтобы мы с Джеффри могли переписываться по электронной почте. Мы не могли мечтать о большем, чтобы начать нашу карьеру и исследовать новые направления (рис. 4.6).

Глава 5. Понимание зрительной системы

Одним из моих первых воспоминаний, еще до детского сада, были кусочки головоломки, которые нужно соединять по форме, цвету и смыслу. Мои родители удивляли своих друзей на вечеринках тем, как быстро их малыш собирает головоломки. Тогда я этого не знал, но мой мозг уже делал то, что умеет лучше всего, – решал задачи на распознавание образов. В науке много проблем, похожих на пазлы с недостающими частями и неясными намеками на то, как выглядит полная картина. Основная сложность – понять, как именно мозг решает задачи.

Клуб Гельмгольца был небольшой научной организацией, куда входили ученые из Калифорнийского университета в Сан-Диего, Калифорнийского технологического института, Университета Южной Калифорнии и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, которые собирались каждый месяц в Калифорнийском университете в Ирвине. Герман фон Гельмгольц, физик и врач XIX века, разработал математическую теорию и экспериментальный подход к зрению, которые легли в основу современного понимания зрительного восприятия. Как секретарь клуба Гельмгольца я должен был найти оратора для выступления во второй половине дня перед 10–20 членами клуба и их гостями. Затем следовал еще один доклад члена клуба. Лекции проходили в режиме диалога с аудиторией, и для обсуждения отводилось достаточно времени. Данные встречи были важным событием в ученой среде, и один из гостей сказал мне, что его удивили вопросы: «Они действительно хотели знать ответы!» Это были мастер-классы, посвященные зрению.

Зрение – наше самое сильное и самое изученное чувство. Обоняние у приматов давно атрофировалось по сравнению с обонянием у крыс и собак. Поскольку пара глаз у нас расположена спереди, у нас прекрасное бинокулярное восприятие глубины, и половина нашей зрительной коры – зрительная. Особый статус зрения отражает поговорка «Лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать». Если бы собака могла говорить, она бы сказала: «Лучше один раз понюхать». Однако тот факт, что мы так хорошо видим, не дал нам прозреть огромную вычислительную сложность проблемы, которую решала природа в течение сотен миллионов лет эволюции, о чем говорилось в главе 2. Организация зрительной коры послужила примером для наиболее успешных сетей глубокого обучения.

За десятую долю секунды десять миллиардов нейронов в зрительной коре, работающие параллельно, могут идентифицировать чашку среди большого количества предметов, даже если вы никогда раньше не видели именно эту чашку. Она может быть в любом месте, любого размера и в любом положении по отношению к вам. Я, будучи аспирантом в Принстонском университете, был очарован зрительной системой и работал все лето в лаборатории Чарльза Гросса, который изучал нижневисочную кору у обезьян. Эта зона находится на одной из самых высоких ступеней в иерархии областей коры головного мозга (рис. 5.1), и Гросс обнаружил в ней нейроны, которые реагируют на сложные объекты, такие как лица и, что примечательно, ершики для унитаза.

Штефан Куффлер, с которым я работал на факультете нейробиологии в Гарвардской медицинской школе, обнаружил, как ганглиозные клетки в сетчатке кодируют визуальные сцены. Я работал там, когда Дэвид Хьюбел и Торстен Визель получили Нобелевскую премию по физиологии или медицине в 1981 году за фундаментальные открытия в области зрительной коры головного мозга. Штефан Куффлер, возможно, получил бы премию вместе с ними за исследования сетчатки, но он умер в 1980 году, а чтобы получить Нобелевскую премию, нужно быть живым. В конце концов я перебрался в Институт биологических исследований Солка, где Фрэнсис Крик сосредоточился на зрении, когда в 1977 году решил перейти от молекулярной генетики к мозгу. Его целью было найти минимально необходимый набор нейронов для зрительного восприятия. Мне выпала честь быть в компании величайших ученых моего времени, работающих в области зрения.

Рис. 5.1. Схема потока информации через зрительную систему макаки. Стрелки указывают схему передачи визуальной информации между зрительными зонами, начиная с сетчатки, с задержками в миллисекундах на каждом этапе ее обработки. Зрительное восприятие макаки схоже с нашим, и эти этапы у нас одинаковые. LGN: Латеральное коленчатое тело; V1: Первичная зрительная кора; V2: Вторичная зрительная кора; AIT и PIT: передние и задние части височных долей; PFC: префронтальная кора; PMC: премоторная кора; MC: моторная кора. [Thorpe, SJ, Fabre-Thorpe, M, Seeking Categories in the Brain, Science 291: 260–263 (2001)]