Мозжечок и его модульная структура

Чтобы разобраться в том, как связаны друг с другом компьютерные нейросети и интеллект человека, предлагаю сделать небольшое отступление и вернуться к моменту зарождения Вселенной. Поначалу процесс перехода материи к более организованным формам шел очень медленно, поскольку не было разума, который мог бы им управлять. (В разделе главы 3 под названием «Ваше существование – редчайшая удача» мы обсудим, насколько в принципе маловероятным было появление Вселенной, в которой может существовать информация.) На то, чтобы образовались новые структуры, ушли сотни миллионов, а то и миллиарды лет³⁰.

По крайней мере, не меньше нескольких миллиардов лет понадобилось на то, чтобы появилась молекула, способная хранить закодированные инструкции по созданию живого организма. Есть некоторые разногласия относительно времени появления жизни на Земле, однако большинство ученых сходятся во мнении, что это произошло от 3,5 до 4 миллиардов лет назад³¹. Возраст Вселенной оценивается в 13,8 миллиарда лет (точнее сказать, столько времени прошло с момента Большого взрыва), а наша планета образовалась 4,5 миллиарда лет назад³². Таким образом, между формированием первых атомов и появлением (по крайней мере здесь, на Земле) первых молекул, способных самовоспроизводиться, прошло около 10 миллиардов лет. Такая задержка отчасти может объясняться случайностью этого процесса – мы не знаем, насколько маловероятным было столкновение нужных молекул в «первичном бульоне» на Земле. Возможно, жизнь могла зародиться немного раньше, а скорее всего, значительно позже, чем это произошло в действительности. В любом случае, прежде чем появилась такая возможность, многие звезды должны были завершить свой жизненный цикл, превратив водород в более тяжелые элементы, из которых и состоят живые организмы.

По оценкам ученых, с момента зарождения жизни на Земле до возникновения первых многоклеточных организмов прошло примерно 2,9 миллиарда лет³³. Еще 500 миллионов лет понадобилось, чтобы животные вышли на сушу, а затем 200 миллионов – для появления первых млекопитающих³⁴. Что касается эволюции мозга, промежуток времени от появления первых примитивных нервных путей до возникновения подобия централизованного трехчастного мозга составил около 100 миллионов лет³⁵. Простые варианты новой коры стали формироваться спустя еще 350–400 миллионов лет, а результатом последующих 200 миллионов лет развития стало появление современного мозга человека³⁶.

В процессе эволюции всякий раз более совершенный мозг давал своему обладателю решающее преимущество. В схватке за ресурсы побеждали самые сообразительные представители животного мира³⁷. Развитие разума произошло гораздо быстрее, чем эволюция центральной нервной системы на предыдущих этапах – всего лишь за миллионы лет. Очевидно, прогресс ускорился. Со времен первых млекопитающих самым значительным изменениям подвергся мозжечок. У современного человека мозжечок содержит больше нейронов, чем новая кора, которая отвечает за высшую умственную деятельность³⁸. Мозжечок хранит и задействует множество шаблонов движений, например, то, как ваша рука ставит автограф. В обиходе эти шаблоны иногда называют «мышечной памятью». Но это свойство именно мозжечка, а не мышц как таковых. По мере того как мы снова и снова повторяем какое-то действие, мозг адаптируется таким образом, чтобы оно требовало все меньших усилий и доходило до автоматизма – примерно так колеса раз за разом накатывают колею³⁹.

Чтобы поймать брошенный мяч, можно решить систему дифференциальных уравнений, которые описывают траекторию его полета, а также движения вашей руки, и занять положение в пространстве, соответствующее полученным решениям. К сожалению, наш мозг не предназначен для решения задач по дифференциальному и интегральному исчислению, так что приходится выбирать способ попроще: надо сообразить, как наиболее оптимально расположить перчатку между своим телом и мячом. Мозжечок предполагает, что в каждом броске ваша рука и мяч должны занять примерно одно и то же положение относительно друг друга. Так что, если мяч летит чересчур быстро, а рука движется слишком медленно, мозжечок заставит вашу руку ускориться, чтобы она успела занять знакомое положение поблизости от мяча.

Мозжечок пользуется простым приемом отображения сенсорной информации на мускульные движения, что соответствует математическому принципу «базовых функций» и позволяет нам ловить мяч, не решая сложных уравнений⁴⁰. С помощью этого отдела мозга мы также можем представить, какие последствия будут иметь наши действия, не совершая их в действительности. Например, мозжечок подскажет вам, что у вас есть шансы поймать мяч, но, скорее всего, вы столкнетесь с другим игроком, поэтому, возможно, пытаться не стоит. Все это происходит неосознанно.

Аналогичным образом во время танца мозжечок управляет вашими движениями, над которыми вы даже не задумываетесь. Если же из-за травмы или болезни мозжечок оказался поврежден, человек все еще может совершать целенаправленные действия с помощью неокортекса, но для этого ему нужно сосредоточиться. При этом у него может наблюдаться нарушение координации, которое называют атаксией⁴¹.

В освоении любого навыка ключевую роль играет регулярное повторение составляющих его действий. Если выполнять их достаточно часто, будет формироваться соответствующая «мышечная память». Движения, которые поначалу требуют сосредоточенности и внимания, со временем доводятся до автоматизма. Это явление объясняется передачей управления от моторной коры к мозжечку. Неважно, что вы делаете – бросаете мяч, собираете кубик Рубика, играете на пианино, – чем меньше вам нужно обдумывать свои действия, тем лучше вы их выполняете. Ваши движения станут быстрыми и плавными, а внимание будет направлено на другие факторы, которые способствуют успеху. Когда музыканты достигают такого уровня владея инструментом, они могут воспроизвести любую ноту с такой же легкостью и точностью, как люди, поющие «С днем рождения тебя». Если бы вас спросили, как вы настраиваете свои голосовые связки, чтобы получилась именно нужная нота, а не какая-либо другая, вряд ли вы смогли бы описать этот процесс словами. Психологи и тренеры называют этот феномен «бессознательной компетентностью». Это означает, что вы «овладели навыком на более глубоком уровне, чем тот, на котором работает сознание»⁴².

Такие возможности мозжечка обусловлены вовсе не сложностью его архитектуры. Хотя большая часть нейронов головного мозга взрослого человека, а также особей других видов, содержится именно в мозжечке, в геноме хранится не так уж много информации об устройстве этого отдела мозга – он состоит в основном из небольших простых модулей⁴³. Хотя ученым еще предстоит раскрыть все секреты функционирования мозжечка, уже достоверно известно, что тысячи маленьких обрабатывающих модулей в нем собраны в однонаправленные структуры⁴⁴. Это уже наводит на размышления о том, как должна быть организована нейронная сеть, выполняющая аналогичные функции. Будущие открытия наверняка подскажут разработчикам ИИ еще много полезного.

Большинство модулей в мозжечке имеют узкую специализацию. Те, что отвечают за движения одного из пальцев при игре на пианино, не участвуют в управлении ногами во время ходьбы. Хотя мозжечок оставался главным отделом мозга на протяжении сотен миллионов лет, современный человек полагается на него все меньше и меньше, поскольку более гибкая новая кора стала играть лидирующую роль для выживания в современном обществе⁴⁵.

У животных, не относящихся к млекопитающим, отсутствует новая кора головного мозга, что лишает их ряда преимуществ. Однако в их мозжечке записаны точные шаблоны повадок, необходимых им для выживания. Эти управляемые мозжечком действия называются фиксированными моделями поведения. Они записаны в мозгу каждого представителя вида, в отличие от выученных вариантов действий, основанных на наблюдении и повторении. Даже у млекопитающих встречается довольно сложное рефлексоподобное поведение. Например, белоногие хомячки роют неглубокие норы, а береговые хомячки – длинные норы с выходным тоннелем⁴⁶. Когда грызуны, выросшие в лабораторных условиях, оказались на природе, каждый из них вырыл нору, соответствовавшую его виду, хотя до этого не видел ни одной.

В основном рефлексы, хранящиеся в мозжечке, такие как способность лягушки поймать летящую муху языком, остаются у вида до тех пор, пока часть популяции с улучшенной версией не вытеснит всех остальных путем естественного отбора. Когда поведение определяется генетикой, а не обучением, адаптация к новым условиям происходит на несколько порядков медленнее. Способность к обучению позволяет живым существам целенаправленно менять свой образ действий в течение жизни одного поколения, в то время как врожденные рефлексы претерпевают постепенную модификацию в процессе смены многих поколений. В этой связи интересно, что разработчики компьютерных программ иногда используют имитацию эволюционного подхода – так называемые генетические алгоритмы ⁴⁷. При этом они создают ряд версий программы со случайными значениями параметров, а затем оценивают, насколько хорошо каждая из них справляется с поставленной задачей. У тех, которые показали наилучшие результаты, берут некоторые значения параметров и комбинируют с другими, в точности как при половом размножении. Также можно вносить случайные «мутации», чтобы проверить, не приведут ли они к улучшению производительности. За много поколений таким образом можно найти оптимальный набор значений параметров, до которого программисты сами никогда бы не додумались.

В реальном мире этот процесс длится миллионы лет. Может показаться, что это слишком медленно, но стоит вспомнить о том, что до возникновения жизни эволюция в некотором виде шла сотни миллионов лет – столько, например, могло уйти на формирование химических элементов, необходимых для зарождения жизни, – и мозжечок в сравнении с этим покажется довольно гибкой структурой.