Зеркальные нейроны и процесс обучения нейросетей

Итак, что же такое зеркальные нейроны?

Зеркальный нейрон – это клетка, которая активируется как при выполнении определенного действия, поведенческой программы, так и при наблюдении за выполнением аналогичного действия кем-то другим.

То есть зеркальные нейроны встроены не только в двигательные нейросети, но также имеют входы, ориентированные на внешние сенсорные потоки, поступающие в мозг сигналы, слуховые и зрительные раздражители. В случае птиц это может быть как чужая, так и своя песня. У зеркального нейрона обезьяны или человека на выходе происходит передача сигналов к исполнительным нейронам премоторной и моторной коры. Входы и выходы зеркального нейрона могут быть врожденно заданы, но чаще формируются в результате обучения нейросетей и мозга в целом.

Работ на зеркальных нейронах человека пока единицы. Как пример – статья Роя Мукомела и Исака Фрайда (Roy Mukamel, Itzhak Fried) с соавторами, опубликованная в 2010 году. Одна и та же реакция может возникать, когда сама обезьяна захотела взять изюм с тарелки и когда увидела, как сосед его берет. И если раньше потянуться за сухофруктом она не осмеливалась, то, посмотрев несколько раз, как более решительный сосед это делает, вполне может тоже запустить подобную программу, а заодно и лапу в тарелку. То есть за счет «зеркального» механизма можно научить свою нейросеть новым программам, даже не реализуя их в полной мере, а просто смотря и хотя бы частично подражая. Это очень важно и, кроме того, вызывает дофаминовые положительные эмоции, поскольку связано с движением и новизной.

Кстати, у человекообразных обезьян, когда взрослый делает что-то интересное, подросток может подойти и издать специальный звук, который обозначает: «Я буду только смотреть. Я не буду тебе мешать, я буду только наблюдать и учиться. Мне интересно, я хочу знать, как это делается». Взрослые обезьяны в этот момент иногда начинают даже действовать медленнее, чтобы показать подростку, как надо, например, правильно разбивать орех камнем. Более того, если подросток отвлекается, могут ему еще и оплеуху отвесить: «Раз уж пришел учиться, так учись, не бездельничай!». Простые варианты подобных программ могут быть установлены врожденно. То же подражательное высовывание языка. В кору больших полушарий, судя по всему, встроены соответствующие генетически заданные нейросети, управляющие собственной реакцией и обладающие «отзеркаливающими» входами. Получается, что как человеческий, так и обезьяний детеныш врожденно знают схему лица взрослого представителя своего вида. И когда зрительный образ высунутого языка попадает в нужный центр моторной коры, сразу – раз! – детеныш так же открывает рот и показывает язык. Но гораздо чаще подобные программы являются результатом дополнительного обучения. В итоге мы можем подражать очень сложным навыкам.

Подражание движениям

У братьев наших меньших бывает подражание не только вокализации звука, но и самым разным движениям. Наиболее простой вариант – это двигаться, перемещаться вместе. Стая саранчи это прекрасно умеет. Одна особь взлетела – и за ней поднялась в воздух вся стая, и, более того, все дружно полетели в одном направлении.

Пресноводные рыбки Данио рерио (Zebrafish) являются модельными организмами для изучения такого типа поведения. Они обычно плавают стайкой, и каждая рыбка краем глаза (а еще и с помощью органа боковой линии) ощущает, где ее соседи и куда они плывут. Если одна особь повернула направо, то можно ожидать от остальных синхронного правого поворота. Данио рерио показывают самый простой вариант подражания – вместе двигаться в стае. Это дает много преимуществ, потому что совместные движения всей группы позволяют лучше находить пищу, обманывать, а иногда даже пугать хищников. Например, какой-то молодой барракуде может показаться, что приближается огромная рыбина, – она испугается и даст деру от греха подальше. А на самом деле это проплыла плотная стая из множества маленьких анчоусов.

Итак, первый уровень – двигаться вместе. Но есть, конечно, и более специфические действия. Например, активно изучается хватание пищи для этих же рыбок Данио рерио. Если одна особь начинает хватать еду, то и ее сородичи тоже начинают это делать. Причем, порой бывает так, что одной рыбке что-то показалось и на самом деле еды нет, а движение в стае запускается.

История из жизни. В одном доме держали трех небольших собак и кролика. Ушастый, видимо, тоже считал себя гордым потомком волков. Когда кто-то приходил в гости и собаки, заступив на свой охранный пост, начинали лаять, кролик принимал активное участие: прыгал вокруг и беззвучно открывал рот синхронно с «собратьями». Издать «гав!» не получалось, но он пытался. Вот такое интересное подражательное поведение!

Выполнение сложных произвольных движений

Если посмотреть, как идет подражание движениям, которые для нас являются новыми, необычными, можно увидеть компоненты, характерные вообще для любого произвольного движения. У млекопитающих этим занимается лобная доля, причем в ее пределах выделяют три различающиеся по функциям области: ассоциативную кору, премоторную (поле 6) и моторную (поле 4) кору (рис 7.3).

Ассоциативная лобная кора вступает в игру первой и принимает решение. Например: «Я хочу взять с полки вот эту книгу». Премоторная кора общую идею превращает в совокупность движений. Скажем, чтобы взять книжку, нужно поднять руку, разогнуть ее, разогнуть пальцы, потом сомкнуть их на предмете. На третьем этапе сигналы от премоторной коры идут в самую заднюю часть лобной доли – в моторную кору. Нейроны поля 4 непосредственно взаимодействуют со спинным мозгом, мозжечком, дают конкретные команды конкретным мышцам. Скажем, даже поднять руку весьма непросто. При этом работают дельтовидная и трапециевидная мышцы, а в каждой из них – еще и отдельные группы мышечных клеток (двигательные единицы). На этом этапе в реализации движения активно участвуют сигналы системы мышечной чувствительности.

Рис. 7.3. Процесс «разворачивания» двигательной программы в пределах лобных долей коры больших полушарий человека. Выбор программы происходит в ассоциативной лобной коре, после чего сигнал передается в поле 6 (премоторная кора, программа превращается в комплекс параллельно и последовательно выполняемых движений), а затем – в поле 4 (моторная кора, движения преобразуются в наборы конкретных мышечных сокращений, после чего команды уходят к подкорковым моторным центрам). На последнем этапе важнейшую роль играет информация от системы мышечной чувствительности (передняя часть теменной доли). В случае подражания чьим-либо движениям на всех этапах управляющие функции могут выполнять зрительные сигналы, поступающие из затылочной доли

Итак, сначала возникает идея движения, потом она превращается в совокупность относительно простых моторных компонентов, а далее – каждый компонент «раскладывается» на совокупность конкретных мышечных сокращений. При этом сигналы последовательно распространяются спереди назад: ассоциативная лобная кора (3-й уровень) → премоторная кора (2-й уровень) → моторная кора (1-й уровень). Когда мы подражаем чему-то, наш мозг генерирует варианты двигательных программ, затрагивающие все перечисленные уровни.

1. Первый уровень подражания. Например, мы увидели движение руки другого человека, гримасу или какую-то интересную позу и просто повторяем это движение как набор мышечных сокращений. «Как удобно он откинулся на спинку кресла, сделаю так же». В этом случае подражание идет прямо через моторную кору и, конечно, визуально контролируется.

2. Если нам нужна целая двигательная программа, скажем: «Я вижу, как ты чешешь собаку, и за ухом, и по спине, это так мило! Я тоже так хочу сделать». Здесь, скорее всего, будет задействована премоторная кора. В случае речедвигательных реакций с ней будет тесно взаимодействовать зона Брока. На втором уровне мы подражаем не конкретному одиночному движению, а двигательной программе в целом.

3. На третьем уровне мы подражаем глобальной цели. «Да, ты отлично устроился и листаешь журнал, мне тоже нужен журнал с того столика. Но я не буду точно повторять твои движения, а, например, подойду с другой стороны и возьму не правой рукой, а левой, да еще из-за спины». Почему? Человеку может быть сложно, неудобно или просто скучно повторять в точности за кем-то другим. «Мне нет смысла подражать движениям в точности. Но мне хочется подражать в достижении цели».

Замечательно иллюстрирует эту схему поведение выдр. Это очень активные и любопытные звери, им неинтересно поступать точно так же, как другие. Если выдры плавают через обруч, то после того как одна проплыла головой вперед, остальные обязательно испытают самые неожиданные способы: боком, с вывертом, хвостом вперед. Такое разнообразие движений их, очевидно, радует, и еще этим они друг перед другом выпендриваются: «А я вот так могу!». При этом сохраняется общая цель программы – проплыть через обруч, а вариации движений привносят новизну и яркие положительные эмоции.

Еще раз подчеркну важность речевого подражания. Новорожденный, имитируя звуки, издаваемые взрослыми, использует все доступные средства, заходя с самых простых. Мы наблюдаем, как младенец начинает с подражания фонемам, простейшим звукам «А», «У». Ребенку это интересно, он радуется. А взрослые, в свою очередь, проводят над колыбелькой массу времени, издавая нечленораздельные бессмысленные звуки. И когда на ваше «бу-бу-бу» новорожденный впервые тоже произнес «бу-бу-бу» – это счастье! И для взрослого, для его нервной системы, и для ребенка – для другой нервной системы. Потому что «заработало».

Но с таким же успехом маленький ребенок подражает и вашим движениям. Вы подняли руку – он поднял, вы покачали головой – и он покачал. Эта забавная игра тоже веселит мозг. Начинается подражание с простых, обычных движений, а дальше становится все сложнее и сложнее. Эта игра – «Сделай как я» – очень важна для формирования двигательных навыков и переноса опыта.

Потому что сверхзадача подражания состоит в том, чтобы научиться не за счет собственных проб и ошибок, а перенять информацию у более зрелого, знающего мозга.

Эту в высшей степени полезную возможность предоставляет развитая система зеркальных нейронов. Классический пример их срабатывания – заражение зеванием. Стоит кому-то зевнуть, даже в автобусе или в очереди к терапевту, – тому, кто рядом, также хочется зевнуть. Вы наверняка это не раз наблюдали, да и сами включались в процесс. Возможно, даже зевнули прямо сейчас.

Вот еще описания некоторых экспериментов. Обезьяна сама берет кубик и наблюдает за человеком, который потом делает то же самое. Во время движений, нацеленных на предмет, нервные клетки в зоне F5 премоторной коры активируются. А при таком же движении, но «холостом» (без кубика), зеркальные нейроны не включаются. Важно, что если кубик лежит на столе, но его закрыли ширмой (обезьяна его не видит, но точно знает, что он есть), зеркальные нейроны вновь активируются (см. рис. 7.1, справа).

Еще один эксперимент, имеющий отношение к глобальной цели. Обнаружены такие зеркальные нейроны, которые включаются, когда обезьяна берет изюм, чтобы его съесть. Если же она берет его, чтобы переложить в другую миску, эти нейроны не срабатывают. Но они же активируются, когда обезьяна видит, что человек взял изюм, чтобы съесть, и «молчат», если экспериментатор просто перекладывает изюм из одной миски в другую.

Зеркальные нейроны обнаруживаются на уровне моторной, премоторной и ассоциативной лобной коры. Они настолько распространены, что сейчас некоторые говорят: «А почему мы вообще эти зеркальные нейроны выделяем? Похоже, что их наличие – всеобщее свойство нейросетей». Тем не менее сам термин, конечно, имеет право на существование: красивая идея, красивое словосочетание – «зеркальные нейроны». Это позволяет выделить программы подражания как особый и очень важный аспект работы нашего мозга.

Опишем еще одну ситуацию. Если я, как лектор, подниму левую руку и попрошу наблюдающий за мной зал сделать то же самое, «Да побыстрее, прямо сейчас!», то большинство слушателей поднимет «зеркальную» правую руку. Почему? Тут дело в конкретных особенностях строения нашего мозга. Если я поднял левую руку, «картинка» об этом попадает в правое поле зрения слушателей и, значит, на левые половины их сетчаток. За счет перекреста зрительных нервов информация окажется в левом полушарии. А оно управляет правой рукой, и, соответственно, слушатель поднимает правую руку. Все это происходит, когда реагировать необходимо максимально оперативно и не хватает времени подумать, а что же, собственно, означает «Сделать то же самое…».

Теперь задачка посложнее. Экспериментатор совершает некоторое целенаправленное действие, например левой рукой дотрагивается до правого уха, что испытуемые должны быстро повторить. Если для наблюдателя важна именно цель – коснуться уха, то он вполне способен сделать это кратчайшим путем: правой за правое. Ухо ведь? Ухо. Дотронулся? Дотронулся. Какие вопросы? В данном случае мы видим, что у части испытуемых подражание идет не на уровне параметров движения, а на уровне цели.

Еще один пример. Экспериментатор из положения сидя нажимает на большую белую кнопку, расположенную на столе, лбом. Как испытуемые повторяют его движение? Если руки экспериментатора видны, то они тоже нажимают кнопку лбом, повторяя движение. А если руки «эталона» спрятаны под накидкой или под столом, то многие нажимают на кнопку рукой. То есть вновь достигают той же цели другим способом. «Мало ли что у экспериментатора руки вне доступа? Я-то могу нажать как положено».

Понятно, что в каждой из этих ситуаций работают разные типы зеркальных нейронов. Выбор их зависит от изначального настроя («предустановки») мозга испытуемого. Дети, кстати, чаще взрослых выбирают здесь вариант «цели», взрослые же более скрупулезно следуют инструкциям экспериментатора повторять движение.

Был и такой случай. Балерин классического балета и мастеров бразильской борьбы капоэйры поместили в томограф и предлагали посмотреть, как другие специалисты танцуют и демонстрируют боевые приемы. В итоге ученые смогли определить по записи МРТ, какие отделы мозга наблюдателей в это время активируются. У всех возбуждалась двигательная кора и, судя по всему, системы зеркальных нейронов. При этом у балерин была гораздо сильнее реакция на просмотр балета, а у спортсменов – на капоэйру. Сами испытуемые были неподвижны, но их нейросети активно сопровождали движения, причем прежде всего те, которые были для них «профессионально близки». На этом примере видно, что работа зеркальных нейронов в случае сложных двигательных навыков – результат обучения, длительной настройки и тренировки. Схожие результаты получились и при исследовании других профессионалов, например музыкантов, которые смотрят, как их коллеги исполняют симфонии. Для скрипача значима игра на скрипке, но он слабо реагирует на валторну, и наоборот. У спортсменов то же самое. Например, мозг фехтовальщика мощно реагирует на поединок на шпагах, а штангиста – на соревнование по тяжелой атлетике.

Мозг гораздо сильнее «отражает» значимые для него действия, именно те, что он уже хорошо умеет совершать.

В целом люди подражают, «отзеркаливают» много и охотно. Характерный и забавный пример из нашей цивилизации – конкурсы двойников. Многие люди хотят походить на своего кумира. Подражают «лунной походке» Майкла Джексона, прическе и наряду Элвиса Пресли, «передразнивают» Чарли Чаплина. Главное – это дает им положительные эмоции. Если для конкретно вашего мозга подражание значимо, то оно может доставлять вам колоссальное удовольствие. Например, кому-то нравится облачаться во французского гренадера времен Наполеона и участвовать в имитации Бородинской битвы. Вокруг дым, гам, пушки и мушкеты стреляют холостыми, хорошо-то как, мама дорогая! После этой битвы он приезжает домой счастливый, окрыленный и отдохнувший.

Конечно, все это очень индивидуально, и у кого-то подобный способ проведения времени вызывает лишь недоумение. Возможно, у его жены, которая устала стирать мундиры. C’est La Vie!