Играть в долгую игру
Появление технологий на рынке, как правило, отстает от теоретических исследований в фундаментальной науке лет на 50. Великие открытия в области теории относительности и квантовой механики, совершенные в первом десятилетии XX века, привели к созданию CD-плееров, GPS и компьютеров во второй половине века. Открытие ДНК и генетического кода в 1950-х годах нашло применение в медицине и сельском хозяйстве и сейчас существенно влияет на экономику. Основные открытия, сделанные в рамках проекта BRAIN и других программ по всему миру, через 50 лет получат практическое применение в таких вещах, которые сегодня считаются научной фантастикой. Можно ожидать, что к 2050 году операционные системы ИИ будут сопоставимы с той, что находится в нашем мозге.
Глава 16. Сознание
Мать Фрэнсиса Крика однажды спросила его, какие научные проблемы он хотел бы исследовать в жизни (рис. 16.1). Молодой Фрэнсис ответил, что его интересуют только две проблемы: тайна жизни и тайна сознания.
Рис. 16.1. Фрэнсис Крик со своей женой Одиль и дочерью Жаклин плывут на лодке прямо на камеру. Кембридж, около 1957 года. Источник: www.orartswatch.org/kindra-cricks-mad-pursuit/
Он явно понимал, как эти вопросы важны, но, возможно, не осознавал сложность поставленных задач. Вряд ли его мать могла знать, что в 1953 году ее сын и Джим Уотсон откроют структуру ДНК – нить, которая приведет к ответу на одну из величайших загадок жизни. Однако Фрэнсис Крик не удовлетворился этим достижением.
Когда Крик в 1977 году перешел в Институт Солка, он занялся темой сознания, которая его давно интересовала, и сосредоточился на визуальном восприятии, поскольку о зрительных отделах мозга уже многое было известно и понимание нейронной основы восприятия послужило бы прочным фундаментом для изучения нейронной основы других аспектов сознания. Это также позволило избежать расплывчатости термина «сознание», который используется для описания различных явлений.
В 1980-х годах у биологов изучать сознание было не в моде, но Крика это не остановило. Зрительное восприятие было полно странностей и загадок, которые не поддавались пониманию, и он искал для них объяснения в анатомии и физиологических механизмах. Например, он разработал гипотезу «центра внимания». Ганглиозные клетки проецируются по зрительному нерву в таламус (двусторонние области мозга, которые передают сенсорную информацию в кору), который, в свою очередь, передает импульсы в зрительную кору. Но почему ганглиозные клетки не могут проецироваться прямо в кору? Крик отметил, что от коры к таламусу идет обратная проекция, которая, как луч прожектора, может выделять части изображений для дальнейшей обработки.
Нейронные корреляты сознания
Ближайшим коллегой Крика по исследованию сознания был нейробиолог Кристоф Кох из Калтеха, с которым он опубликовал серию работ, где изучались нейронные корреляты сознания (НКС; структуры мозга и нейронной деятельности, отвечающие за генерацию состояний сознательного восприятия). В случае зрительного восприятия это означало поиск корреляций между ним и возбуждающими свойствами нейронов в различных частях мозга. Одна из их идей гласила, что мы не знаем, что происходит в первичной зрительной коре – первой области коры головного мозга, получающей сигнал от сетчатки. Они предположили, что нам, скорее всего, известно только о результатах обработки на высших уровнях иерархии зрительных областей в коре (см. рис. 5.11). В пользу этого варианта говорит изучение бинокулярного соперничества: перед двумя глазами демонстрируют два разных рисунка, например вертикальные полосы для одного глаза и горизонтальные полосы – для другого, и вместо того, чтобы видеть смесь двух изображений, визуальное восприятие резко перескакивает между отдельными картинками каждые несколько секунд. Различные нейроны в первичной зрительной коре реагируют на информацию, поступающую от каждого глаза независимо от того, какая фиксируется сознанием в отдельно взятый момент. Однако на более высоких уровнях визуальной иерархии многие нейроны реагируют только на воспринимаемое изображение. Таким образом, для нейрона недостаточно быть активным, чтобы стать нейронным коррелятом восприятия. По-видимому, вы знаете только то, что представлено в подмножестве активных нейронов, распределенных по иерархии визуальных областей, скоординированно работающих вместе.
Бабушкины клетки
В 2004 году в медицинском центре Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе больным эпилепсией, которым проводили мониторинг активности мозга для выявления причин судорог, показали серию фотографий знаменитостей. Электроды, имплантированные в центры памяти мозга пациента, сообщали об импульсах в ответ на фотографии. У одного из таких пациентов единичный нейрон активно реагировал на некоторые снимки Холли Берри и ее имя (рис. 16.2), но не на изображения и имя Билла Клинтона или Джулии Робертс, или портреты и имена других известных людей. Были обнаружены нейроны, которые реагировали на отдельных знаменитостей, конкретные объекты и здания, такие как Сиднейский оперный театр.
Рис. 16.2. «Клетка Холли Берри». Отклики на фотографии от одного нейрона, записанные из гиппокампа пациента. Под каждой фотографией синим цветом показаны импульсы из шести отдельных проверок, а также гистограмма со средними значениями. (A) фотографии актрисы Холли Берри и ее имя вызвали всплеск импульсов, (B) в отличие от фотографий и имен других актрис. Источник: Friederici A. D., Singer W.: Grounding language processing on basic neurophysiological principles. Trends Cogn. Sci. 19(6), 329–338. (2015)
Нейроны, найденные командой ученых, которую возглавляли Ицхак Фрид и Кристоф Кох, были предсказаны пятьдесят лет назад, когда впервые стало возможным получать отклик из одиночных нейронов мозга кошек и обезьян. Исследователи полагали, что в иерархии зрительных областей коры головного мозга свойства отклика нейронов становятся все более и более специфичными, чем выше нейрон в иерархии. Возможно, настолько специфическими, что единственный нейрон на вершине иерархии будет реагировать только на изображения одного человека. Это известно как гипотеза «бабушкиной клетки», в честь предполагаемого нейрона в вашем мозгу, который «узнает» вашу бабушку.
Еще более впечатляющими были эксперименты, в которых пациентам показывали два наложенных друг на друга портрета знакомых им людей и просили представить одного человека в ущерб другому, при этом велась запись данных из нейронов, которые предпочитали тот или иной образ. Испытуемые смогли увеличить частоту срабатывания нейрона, который «представлял» выбранное лицо на смешанном изображении, одновременно уменьшая скорость других нейронов, которые предпочитали лицо «конкурента», хотя визуальный стимул не менялся. Затем экспериментаторы замкнули цикл, управляя соотношением двух наложенных изображений в соответствии с частотой срабатывания нейронов, предпочитающих разные изображения, поэтому испытуемые могли контролировать вход – соотношение двух лиц, – представляя то или иное изображение. Это показывает, что распознавание – не пассивный процесс, а зависящий от активного вовлечения памяти и внутреннего контроля внимания.
Несмотря на такое поразительное доказательство, гипотеза «бабушкиной клетки» вряд ли ответит на все вопросы. Согласно ей, вы узнаете бабушку, когда клетка активна, поэтому она не должна срабатывать ни на какой другой стимул. Во-первых, в тесте использовали всего несколько сотен фотографий, поэтому мы не знаем наверняка, как избирательна «клетка Холли Берри». Во-вторых, вероятность того, что электрод считывал запись от единственного в головном мозге «нейрона Холли Берри», низкая – куда вероятнее, что таких клеток тысячи. Должно быть множество копий нейрона, которые реагируют на другие известные лица, и множество копий для всех, кого вы знаете, и для каждого объекта, который вы можете распознать. Хотя в вашем мозгу миллиарды нейронов, вам будет непросто, если вы попытаетесь представить каждый объект и каждое имя, которое вы знаете, выделенной популяцией нейронов. Наконец, отклик только связан с сенсорным стимулом, он может и не быть его причиной. Не менее важен выходной сигнал нейрона и его влияние на поведение нейронов, стоящих ниже в иерархии.
Записи одновременно из сотен клеток мышей, обезьян и людей приводят к альтернативной теории о том, как нейроны воспринимают сигнал и принимают решения коллективно. На записях, полученных из мозга обезьян, стимулы и сигналы, зависящие от выполняемой задачи, широко распределены по большим популяциям нейронов, каждый из которых настроен на различную комбинацию характеристик стимулов и деталей задачи. К 2025 году можно будет записывать данные с миллионов нейронов и управлять скоростью их активации. Кроме того, разрабатываются новые методы, позволяющие определять типы нейронов и то, как они связаны друг с другом. Это может породить более широкие теории, чем теория «бабушкиной клетки», и привести к более глубокому пониманию того, как активность в популяциях нейронов порождает мысли, эмоции, планы и решения. Конечно, нейроны могут представлять лица и объекты несколькими способами. С появлением новых технологий мы, вполне вероятно, скоро получим ответ.
С 1980-х годов мы знаем, что в обученных сетевых моделях с одним слоем скрытых единиц, а в последнее время и в глубоких сетях, модели активности для каждого входа распределены так, что становятся схожи с разнообразными реакциями в популяциях корковых нейронов. Распределенное представление может использоваться для распознавания нескольких версий одного и того же объекта – и один и тот же набор нейронов может распознавать разные объекты, присваивая различный вес их выходным данным. Когда отдельные скрытые единицы проверяются так же, как нейрофизиологи записывают данные от нейронов зрительной коры, иногда выясняется, что у единичного смоделированного нейрона на вершине иерархии развилось определенное предпочтение для одного из объектов. Тем не менее производительность нейронной сети существенно не меняется, если такую единицу из нее вырезать, потому что оставшиеся нейроны несут дублирующие сигналы, представляющие объект. Устойчивость сетей к повреждениям – главное отличие архитектуры мозга от архитектуры цифровых компьютеров.
Сколько нейронов необходимо, чтобы различать много похожих объектов, например, лица? Благодаря инструментальным исследованиям мы знаем, что несколько областей человеческого мозга реагируют на лица, причем некоторые – с высокой степенью избирательности. Однако в этих областях информация о любых отдельных лицах широко распределена между многими нейронами. Дорис Цао из Калтеха записала данные от нейронов в коре мозга обезьяны, которые избирательно реагируют на лица, и показала, что можно реконструировать лица, комбинируя входные данные от 200 «лицевых» клеток – относительно небольшой части всех реагирующих на лица нейронов.
