"Об интеллекте" - читать интересную книгу автора

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), 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.

Согласно преданию, Альберт Эйнштейн сказал однажды, что путь к специальной теории относительности был прямым, почти легким. Он следовал естественным путем из единственного наблюдения: что скорость света постоянна для всех наблюдателей, даже если наблюдатели движутся с различными скоростями. Это противоречит интуиции. Это все равно, что сказать, что скорость брошенного мяча всегда одна и та же, независимо от того, как сильно он был брошен, или как быстро бегут бросающий и наблюдающий. Все видят мяч, движущийся с одинаковой скоростью относительно них в любой обстановке. Кажется, что такое не может быть истиной. Но было доказано, что это истинно для света, и Эйнштейн сообразительно задался вопросом, каковы следствия этого странного факта. Он методично обдумал все следствия постоянности скорости света, и это привело его к еще более странным предсказаниям специальной теории относительности, таким, как замедление времени при увеличении скорости, что энергия и масса — фундаментально одно и то же. Книги по теории относительности повторяют его цепочку рассуждений на обыденных примерах с поездами, пулями, вспышками света и т. д. Теория не сложна, но она определенно противоречит интуиции.

В нейрофизиологии есть аналогичное открытие — факт о неокортексе, который является настолько неожиданным, что некоторые ученые отказываются верить в него и большинство оставшихся игнорируют его, потому что не знают, что с ним делать. Но это факт настолько важный, что если вы аккуратно и методически исследуете его следствия, это раскроет секрет того, что делает неокортекс и как он работает. В этом случае, неожиданное открытие пришло из базовой анатомии самого кортекса, но потребовался необычайно догадливый разум, чтоб распознать его. Это был Вернон Монткастл, нейрофизиолог из университета Джона Хопкинса в Балтиморе. В 1978 году он опубликовал статью, названную «Организационные принципы Церебральных Функций». В этом документе Монткастл указал, что неокортекс удивительно однороден по виду и структуре. Области неокортекса, которые оперируют слуховой информацией, похожи на области, оперирующие с осязанием, управлением мускулатурой, языковую область Брока, практически как любые области неокортекса. Монткастл предположил, что поскольку эти области выглядят одинаково, они действительно выполняют одну и ту же базовую операцию! Он предположил, что кортекс использует один и тот же вычислительный инструмент для всего, чем он занимается.

Все анатомы в то время и за десятилетие до МонтКастла уже знали, что кортекс выглядит одинаково везде; это непреложный факт. Но вместо того, чтоб задаться вопросом, что это могло бы означать, они тратили свое время на поиски различий между областями кортекса. Но они не находили различий. Они полагали, что если одна область используется для языка, а другая — для зрения, то вероятнее всего должны быть различия между этим областями. Если вглядеться достаточно близко — они найдутся. Области кортекса отличаются по толщине, плотности клеток, относительной пропорции типов клеток, длине горизонтальных соединений, плотности синапсов и по многим другим параметрам, которые сложно найти. В одной из наиболее изученных областей, первичной визуальной области V1, действительно есть некоторые дополнительные подразделения в одном из ее слоев. Ситуация аналогична работе биологов начала 19-го века. Они тратили свое время на поиски сиюминутных различий между видами. Успехом для них было найти, что две мыши, выглядящие практически идентично, в действительности принадлежат к различным видам. Многие годы Дарвин следовал тем же самым курсом, нередко изучая моллюсков. Но Дарвина в конце концов осенило вопросом, как такие виды могут быть настолько похожи. Их похожесть была более удивительной и интересной, гораздо больше чем их различия.

Монткастл проводил подобные наблюдения. Работая среди анатомов, отыскивающих различия между областями кортекса, он показал, что несмотря на различия, неокортекс удивительно однороден. Одни и те же слои, типы клеток и соединения существуют по всему кортексу. Он везде похож на шесть визиток. Отличия настолько тонки, что опытные анатомы не могли с ним согласиться. Следовательно, Монткастл утверждал, что все области кортекса выполняют одну и ту же операцию. То, каким образом области кортекса соединены друг с другом и с другими частями центральной нервной системы, является причиной того, что визуальные области являются визуальными, моторные — моторными.

Фактически, Монткастл утверждал, что причина того, что области кортекса выглядят слегка различными, заключается в том, к чему они подсоединяются, а не в том, что отличаются их основные функции. Он сделал вывод, что есть одна общая функция, общий алгоритм, который выполняют все области кортекса. Зрение не отличается от слуха, не отличается от моторного управления. Он предположил, что наши гены указывают, как области кортекса соединяются, что очень индивидуально для функций и видов, но кортикальная ткань сама по себе выполняет всегда одно и то же.

Давайте взглянем на это сиюминутно. Для меня зрение, слух и осязание кажутся совершенно различными. У них фундаментально разные качества. Зрение охватывает цвет, текстуру, форму, глубину. Слух работает с высотой, ритмом и тембром. Они кажутся совершенно разными. Как они могут быть одним и тем же? Монткатстл говорит — они не одинаковы, но способ, которым кортекс обрабатывает сигналы от уха такой же, как и способ, которым он обрабатывает сигналы от глаза. Он так же говорит, что моторное управление работает на тех же принципах.

Ученые и инженеры в большинстве своем игнорировали предложение Монткастла. Когда они пытались понять зрение или сделать «видящий» компьютер, они выдумывали словарь и технологии, специфические для зрения. Они говорили о краях, текстурах, трехмерном представлении. Если они хотели понять язык, они строили алгоритмы, базирующиеся на правилах грамматики, синтаксисе и семантике. Но если Монткастл прав, эти подходы не такие, как решает эти проблемы мозг, и скорее всего будут безуспешными. Если Монткастл прав, алгоритм кортекса должен быть выражен независимо от любых специфических функций или чувств. Мозг использует одни и те же процессы, чтобы видеть и слышать. Мозг занимается чем-то универсальным, что может быть применено к любому типу сенсорных или к моторной системе.

Когда я впервые прочитал статью Монткастла, я чуть не упал со стула. Это был Розеттский камень нейронауки — единственная статья и единственная идея, объединяющая все многообразные и поразительные возможности человеческого разума. Она объединяла их под единым алгоритмом. Одним махом она показала ошибочность всех предыдущих попыток понять и воплотить в технике человеческое поведение как многообразие возможностей. Я надеюсь вы сможете оценить, насколько радикальным и с чудесно элегантным является предложение Монткастла. Лучшие идеи в науке всегда просты, элегантны и неожиданны, и это одна из лучших. По моему мнению это было, есть и будет оставаться в перспективе одним из самых важных открытий нейронауки. Невероятно, однако многие ученые и инженеры либо продолжают отказываться верить в это, игнорируют это, либо вообще не знают об этом.

Частично такое пренебрежение произрастает из скудности инструментов для изучения того, как информация распространяется внутри шестислойного кортекса. Имеющиеся у нас инструменты оперируют на более грубом уровне и в основном нацелены на нахождении того, где (вместо когда и как) в кортексе возникают различные способности. Например, большинство нейрофизиологов неявно пропагандируют в популярной прессе идею, что мозг — это набор высокоспециализированных модулей. Техника функционального отображения, наподобие функциональной магниторезонансной томографии (MRI) и позитрон-эмисиионной томографии (PET), сфокусирован в основном исключительно на картировании мозга и функциональных областей, о которых я упоминал ранее. Обычно в таких экспериментах подопытный лежит головой в сканере и выполняет определенный вид ментальных или моторных задач. Это может быть видеоигры, спряжение глаголов, чтение высказываний, рассматривание лиц, называние картинок, воображение чего-либо, запоминание списков, принятие финансовых решений и т. д. Сканер детектирует, какие области мозга при выполнении этих задач более активны, чем в обычном состоянии, и рисует цветные точки на изображении мозга субъекта, чтоб точно указать местоположение. Эти области, предположительно, центральные для данной задачи. Произведены тысячи экспериментов по функциональному отображению, и еще тысячи предстоит сделать. Таким образом мы постепенно строим картину того, где происходят определенные функции в типичном взрослом мозге. Легко сказать «это область, ответственная за распознавание лиц, эта — за математические способности, эта — за музыкальные» и т. д. Поскольку мы не знаем, как мозг выполняет эти задачи, естественно предположить, что мозг решает различные задачи различными способами.

Но так ли это? Растущий и зачаровывающий массив данных подтверждает предположение Монткастла. Несколько лучших примеров демонстрируют крайнюю гибкость неокортекса. Любой человеческий мозг, правильно питающийся и помещенный в правильное окружение, может изучить тысячи языков. Один и тот же мозг может выучить язык жестов, письменный язык, музыкальный язык, математический язык, компьютерные языки, язык тела. Он может научиться выживать в прохладном северном климате или в обжигающей пустыне. Он может стать экспертом по шахматам, рыбной ловле, сельскому хозяйству или теоретической физике. Рассмотрим факт, что у вас есть специальная визуальная область, которая предположительно специально предназначена представлению письменных букв и цифр. Значит ли это, что вы родились с языковой областью, готовой к обработке букв и цифр? Вряд ли. Письменный язык существует совсем недолго для того, чтоб попасть в наши гены, чтоб задействовать специальный механизм для этого. Таким образом, кортекс все равно разделяется на функциональные области, специфичные для конкретных задач в детстве, основываясь исключительно на опыте. Человеческий мозг имеет невероятную емкость для изучения и адаптации к тысячам обстановок, которые не существовали ранее. Это указывает на черезвычайную гибкость системы, а не на то, что в ней тысячи решений для тысяч задач.

Нейрофизиологи также обнаружили, что соединения в неокортексе поразительно «пластичны», что означает, что неокортекс может изменять и перекоммутировать себя в зависимости от типа информации, поступающей в него. Например, мозг новорожденного хорька можно хирургически переделать так, что глаза животного будут посылать свои сигналы в области, в норме развивающиеся для слуха. Неожиданный результат в том, что хорек развивает функционирующий визуальный канал в слуховой части своего мозга. Другими словами, он видит той мозговой тканью, которая в норме слышит звуки. Аналогичные эксперименты были проведены с другими органами чувств и областями мозга. Например, часть визуального кортекса крысы может быть пересажена при рождении в область, где обычно представлено осязание. Когда крыса вырастает, трансплантированная ткань обрабатывает осязание, а не зрение. Клетки не рождаются специализированными к зрению, осязанию или слуху.

Каждая часть человеческого неокортекса пластична. Взрослые люди, родившиеся глухими, обрабатывают визуальную информацию в тех областях, которые в норме становятся слуховыми областями. А люди с врожденной слепотой используют тыльную часть своего кортекса, которая обычно становится визуальной, для чтения азбуки Брайля. Поскольку азбука Брайля затрагивает осязание, вы могли бы подумать, что она должна в первую очередь активироваться в областях осязания, но, очевидно, ни одна область кортекса не бездействует. Визуальный кортекс, не получающий информацию от глаз, как это «предполагалось», переназначается на просеивание других паттернов — в данном случае от других кортикальных областей.

Все это приведено, чтобы показать, как области мозга развивают специализированные функции базируясь в основном на типе информации, поступающей в него во время развития. Кортекс не запрограммирован жестко для выполнения различных функций с использованием различных алгоритмов, как и земная поверхность не предопределена для того, чтоб прийти к современному расселению национальностей. Организация вашего кортекса, подобно политической географии на земном шаре, могла бы пойти по-другому, если б ранее были заданы другие условия.

Гены предопределяют общую архитектуру кортекса, включая то, какие области соединяются, но внутри этой структуры система черезвычайно гибкая.

Монткастл был прав. Есть единый мощный алгоритм, реализованный в каждой области кортекса. Если вы соедините области кортекса в подходящую иерархию и обеспечите потоками информации, он будет изучать свое окружение. Таким образом, нет причин, по которым интеллектуальные машины будущего должны иметь тот же самый набор органов чувств или возможностей, что и человек. Кортикальный алгоритм может быть использован другим путем, с другими органами чувств в машинном кортексе, так что подлинный гибкий интеллект возникнет не только в биологическом мозгу.

Давайте перейдем к вопросу, который посвящен предположению Монткастла и такой же неожиданный. Информационные потоки, поступающие в ваш кортекс, в основном идентичны. Вы, возможно, снова думаете, что ваши чувства полностью отдельные сущности. В конце концов, звук передается волнами давления по воздуху, зрение передается светом, осязание передается через давление на вашу кожу. Слух кажется временным, зрение кажется в основном в виде отдельных изображений, осязание — в основном пространственным. Что может быть более различным, чем звук блеющего козла и изображение яблока?

Но давайте взглянем более пристально. Визуальная информация посылается в ваш мозг через миллионы волокон в оптическом нерве. После короткой передачи через таламус она попадает в первичный визуальный кортекс. Звуки переносятся через тридцать тысяч волокон слухового нерва. Они передаются через некоторые более старые области мозга и попадают в первичную слуховую кору. Ваш спинной мозг переносит информацию о прикосновениях и внутренних ощущениях в ваш мозг через другие миллионы волокон. Они принимаются вашим первичным соматосенсорным кортексом. Это основные каналы попадания информации в ваш мозг. Они являются тем, как вы ощущаете мир.

Вы можете представлять эти каналы как связку электрических проводов или связку оптических волокон. Вы могли бы увидеть индикаторы, организованные оптическими волокнами, где цветные точки появляются на конце каждого волокна. Каналы попадания информации в мозг похожи на это, только волокна называются аксонами, и они переносят нервные сигналы, называемые «потенциалами действия» или «спайками», имеющие электрохимическую природу. Органы чувств, подающие эти сигналы, различны, но как только они превращаются в потенциалы действия, они становятся одним и тем же — просто паттернами.

Если вы взглянете, например, на собаку, множество паттернов поступит через волокна вашего оптического нерва в визуальную часть вашего кортекса. Если вы слышите собачий лай, другое множество паттернов поступит по слуховому нерву в слуховую область вашего мозга. Если вы гладите собаку, множество осязательных паттернов поступает из вашей руки по волокнам в спинном мозге в часть вашего мозга, оперирующую с осязанием… Каждый паттерн — от взгляда на собаку, от звука ее лая, от прикосновения к собаке — расценивается по-разному, потому что приходит различными путями кортикальной иерархии. Важно где кабели приходят в мозг. Но на абстрактном уровне сенсорного ввода, они все по существу одно и то же, и все обрабатываются похожим образом в шестислойном кортексе. Слышите ли вы звук, видите ли свет, чувствуете ли давление — в мозгу нет фундаментальных различий между этими типами информации. Потенциал действия есть потенциал действия. Эти мгновенные спайки идентичны, несмотря на то, чем исходно они были вызваны. Все, что знает ваш мозг — это паттерны.

Ваше восприятие и знания о мире построены из этих паттернов. Внутри вашей головы нет света. Там темно. Внутрь головы не приходят звуки. Там тихо. Фактически, мозг — это только часть вашего тела, которая не ощущает сама по себе. Хирург мог бы ткнуть пальцем в ваш мозг и вы бы не почувствовали этого. Вся информация, попадающая в ваш разум, приходит как пространственные и временные паттерны на аксонах.

Что точно я имел в виду под пространственными и временными паттернами? Давайте взглянем на наши основные чувства по очереди. Зрение переносит и пространственную и временную информацию. Пространственные паттерны это одновременные паттерны во времени; они создаются, когда множество рецепторов одного и того же органа чувств стимулируются одновременно. В зрении чувствительным органом является сетчатка. Изображение попадает в зрачок, переворачивается хрусталиком, падает на сетчатку и создает пространственный паттерн. Этот паттерн передается в ваш мозг. Люди склонны думать, что маленькое перевернутое изображение мира поступает в ваши визуальные области кортекса, но это работает не так. Нет картинки. Это больше не картинка. Фундаментально это просто паттерн электрической активности. Его картинкоподобное качество теряется очень быстро по мере того, как ваш кортекс обрабатывает информацию, передавая компоненты паттерна вверх и вниз между различными областями, сдвигая его, фильтруя его.

Зрение так же соотносится и с временными паттернами, это обозначает, что паттерны, попадающие в ваши глаза, постоянно изменяются во времени. Но тогда как пространственный аспект зрения очевиден, его временной аспект менее очевидный. Примерно три раза в секунду ваши глаза совершают неожиданные движения, называемые саккадами. Они фиксируются на одной точке, затем неожиданно перепрыгивают к другой. Каждый раз, когда ваши глаза движутся, изображение на вашей сетчатке изменяется. Это обозначает, что паттерны, передаваемые в ваш мозг, также полностью меняются с каждой саккадой. Это только в простейшем возможном случае вы сидите и смотрите на неподвижную сцену. В реальной жизни вы постоянно вертите головой, двигаете телом и ходите в постоянно изменяющемся окружении. Ваше сознательное впечатление — это стабильный мир, полный объектов и людей, которые легко отслеживать. Но это впечатление возможно только благодаря способности вашего мозга оперировать с потоком сетчаточных изображений, паттерны которых никогда точно не повторяются. На самом деле зрение, расцененное как паттерны, попадающие в мозг, течет подобно реке. Зрение больше похоже на песню, чем на рисунок.

Большинство исследователей зрения игнорируют саккады и быстрые изменения визуальных паттернов. Работая с обездвиженными животными, они изучают, как возникает зрение, когда бессознательное животное фиксирует взгляд в точке. Поступая так, они уходят от временного измерения. Нет ничего ошибочного в этом принципе; исключение переменных — базовый элемент научной методологии. Но они выбрасывают центральный компонент зрения, из которого оно состоит. Время должно занимать центральное место в нейрофизиологическом учете зрения.

Говоря о слухе, мы думаем о временном аспекте звука. Для нас интуитивно очевидно, что звуки, речь и музыка изменяются во времени. Вы не можете услышать всю песню сразу же, также как не можете мгновенно услышать произнесенное предложение. Песня существует только во времени. Таким образом, мы обычно не думаем о звуке, как о пространственном паттерне. В некотором смысле это инверсия случая со зрением: временной аспект сразу же очевиден, но пространственный аспект менее очевиден.

Слух также имеет пространственный компонент. Вы конвертируете звуки в потенциалы действия в свернутом кольцами органе в ухе, называемом улиткой. Крошечный, непрозрачный, свернутый в спираль и встроенный в самую твердую кость тела височную кость, улитка была дешифрована более чем полстолетия назад Венгерским физиологом Джорджем фон Бекси. Строя модель внутреннего уха, фон Бекси открыл, что каждая компонента слышимого вами звука заставляет вибрировать участок улитки. Высокочастотные тоны заставляют вибрировать жесткое основание улитки. Низкочастотные тоны заставляют вибрировать свободную и самую внешнюю часть улитки. Средние частоты вызывают вибрацию в промежуточных сегментах. Каждая площадка улитки усеяна нейронами, которые возбуждаются, когда их встряхивает. В повседневной жизни ваши улитки вибрируют на большом количестве частот одновременно. Таким образом в каждый момент времени имеется новый пространственный паттерн возбуждений по длине каждой улитки. Каждый момент времени новый пространственный паттерн пробегает по слуховому нерву. Снова мы видим, как эта сенсорная информация сводится к пространственно-временным паттернам.

Люди обычно не думают об осязании, как о пространственном феномене, но это во всех отношениях как временной, так и пространственный паттерн. Вы можете провести эксперимент, чтоб самим убедиться. Попросите друга сложить руку в виде чашки, ладонью вверх, и закрыть глаза. Поместите маленький обычный предмет в его ладонь — кольцо, ластик, или еще что-либо — и попросите его определить что это, не двигая частями руки. У него не будет другой подсказки кроме как вес или, возможно, большой размер. Затем попросите его продолжать держать глаза закрытыми, и двигать пальцами по объекту. Скорей всего, он сразу же определит. Позволив пальцам двигаться, вы добавили время к сенсорному восприятию осязания. Есть прямая аналогия между фовеальной областью в центре вашей сетчатки и вашими пальцами, и то и другое обладают высоким разрешением. Таким образом, осязание также подобно песне. Ваша способность использовать осязание сложным образом, такое как застегивание рубашки или отпирание двери в темноте, зависит от изменяющихся во времени паттернов чувства осязания.

Мы учим наших детей, что у человека пять чувств: зрение, слух, осязание, обоняние и вкус. В действительности у нас их больше. Зрение больше похоже на три чувства: чувство движения, ощущение цвета и ощущение освещенности. В осязании присутствуют давление, температура, боль и колебания. У нас также есть целая система сенсоров, говорящих нам о положении нашего тела и о углах сгиба суставов. Она называется проприоцептивной системой (proprio — имеет тот же латинский корень, что и proprietary — «собственность» и property — «свойство»). Вы не сможете двигаться без них. У нас также есть вестибулярный аппарат во внутреннем ухе, который дает нам ощущение равновесия. Некоторые из этих чувств богаче и более очевидны для нас, чем другие, но все они поступают в наш мозг как потоки пространственных паттернов, распределенные во времени по аксонам.

Ваш кортекс в действительности не знает и не чувствует мир напрямую. Единственная вещь, которую знает кортекс — это потоки паттернов на входных аксонах. Ваше восприятие мира создано из этих паттернов, включая ваше ощущение самого себя. Фактически, ваш мозг не может напрямую узнать, где кончается ваше тело и начинается мир. Нейрофизиологи, изучающие отображение тела, обнаружили, что наше ощущение самих себя более гибкое, чем нам кажется. Например, если я дам вам маленькие грабли и заставлю использовать их для того, чтоб брать и хватать вместо того, чтоб делать это руками, скоро вы почувствуете, что они стали частью вашего тела. Ваш мозг изменит его ожидания, приспосабливаясь к новым паттернам тактильной информации. Грабли станут буквально встроенными в образ вашего тела.

Идея, что паттерны от различных чувств эквивалентны внутри вашего мозга, является совершенно неожиданной, и хотя она вполне понятна, она до сих пор не оценена по достоинству. Вот еще несколько примеров. Первый вы можете воспроизвести в домашних условиях. Все что вам необходимо — это напарник, устойчивая картонная ширма и муляж руки. Если вы производите этот эксперимент в первый раз, было бы идеальным, если бы у вас была резиновая рука, наподобие тех, что продаются на распродажах перед Хеллоуином, но также сработает, если вы просто обведете вашу руку на листе чистой бумаги. Положите вашу настоящую руку на поверхность стола в нескольких дюймах от фальшивой и выровняйте их одинаково (чтобы кончики пальцев были в одном направлении, ладони либо обе вверх, либо обе вниз). Затем поставьте ширму между двумя руками, так чтобы вы видели только фальшивую руку. Пока вы пристально глядите на фальшивую руку, работа вашего напарника — одновременно постукивать по обеим рукам в соответствующих точках. Например, ваш напарник мог бы постукивать по обоим мизинцам от сустава к ногтю с одной и той же скоростью, затем сделать три быстрых постукивания по второму суставу обоих указательных пальцев с одинаковыми промежутками, затем постукивать по окружности по тыльной стороне каждой руки и т. п. Через некоторое время области вашего мозга, где сходятся визуальные и соматосенсорные паттерны — одна из тех ассоциативных областей, о которых я упоминал ранее в этой главе — станут сбиты с толку. Вы действительно будете чувствовать прикосновения к фальшивой руке, как будто она ваша собственная.

Другой замечательный пример «эквивалентности паттернов» называется сенсорной подстановкой. Это может совершить революцию в жизни людей, потерявших зрение в детстве, и может когда-нибудь стать благом для людей, родившихся слепыми. Это также может породить новую технологию человеко-машинного интерфейса для остальных.

Понимая, что для мозга паттерны это все, Пол Бах-и-Рита, профессор биомедицинской инженерии из Университета Висконсина, разработал метод для отображения визуальных паттернов на поверхности языка. Надевая это отображающее устройство, слепые люди обучались «видеть» через ощущения на поверхности своего языка.

Вот как это работает. Человек надевает маленькую камеру на голову и чип на язык. Визуальные картинки транслируют пиксель за пикселем в точечные нажимы на языке. Визуальная сцена, которая может быть изображена как сотни пикселей на телевизионном экране, может быть превращена в паттерн из сотен точечных нажимов на поверхность языка. Мозг быстро обучается правильно интерпретировать эти паттерны.

Одним из первых, кто испробовал это устройство, является Эрик Вейхенмайер, атлет мирового класса, который ослеп в возрасте тринадцати лет, и который читает лекции о том, что слепые люди не должны сдаваться. В 2002 году Вейхенмайер взобрался на гору Эверест, став первым слепым человеком, не только достигнувшим, но и впервые предпринявшим такую цель.

В 2003 году Вейхенмайер испробовал наязычное приспособление и увидел изображение впервые со своего детства. Он смог разглядеть катящийся к нему по полу мяч, достать напиток со стола и сыграть в игру «Камень, Ножницы, Бумага». Позже он прогуливался по коридору, видел открывающиеся двери, изучил дверь и окно, и заметил, что на них есть значки. Изображения, первоначально воспринимаемые как прикосновения к языку, вскоре стали восприниматься как изображения в пространстве.

Эти примеры еще раз показывают, что кортекс черезвычайно гибкий, и что информация, поступающая в мозг, всего лишь паттерны. Не важно, откуда пришли паттерны; пока они коррелируют во времени определенным образом, мозг может воспринимать их как ощущения.

Все это не должно быть неожиданным, если мы примем точку зрения, что все, о чем знает мозг. Мозг это машина для паттернов. Я не говорю, что неправильно выражать функции мозга в терминах слуха, зрения, но на более фундаментальном уровне суть дела — паттерны. Не важно, насколько различной кажется активность разных областей кортекса, в них работает один и тот же базовый кортикальный алгоритм. Кортексу не важно, исходят ли паттерны от зрения, слуха или других чувств. Ему не важно, приходит информация от одного органа чувств или от четырех. Также ему было бы не важно, если бы вы воспринимали мир с помощью сонара, радара или магнитных полей, или если б у вас были щупальца вместо рук, или даже если б вы жили в четырех измерениях, а не в трех.

Это означает, что вам не нужен какой либо из ваших органов чувств или определенная комбинация чувств, чтоб быть интеллектуальным. У Хелен Келлер не было ни зрения, ни слуха, хотя она изучила язык и стала более опытным писателем, чем большинство видящих и слышащих людей. Это был очень интеллектуальный человек без двух основных чувств, невероятная гибкость мозга позволила ей воспринимать и понимать мир как и людям с пятью органами чувств.

Этот вид замечательной гибкости человеческого мозга дает мне надежду, что мы воссоздадим технологии, подсмотренные у мозга. Когда я думаю о построении интеллектуальных машин, я удивляюсь, зачем их привязывать к обычным органам чувств? Как только мы сможем расшифровать неокортикальный алгоритм и создать науку о паттернах, мы сможем применить его к любой системе, которую мы захотим сделать интеллектуальной. И одним из замечательных свойств схемы, подсмотренной в неокортексе, является то, что нам не нужно будет специально хитро программировать ее. Также, как слуховой кортекс стал визуальным кортексом у «перекоммутированого хорька», также, как визуальный кортекс находит альтернативное применение у слепых людей, точно также система, работающая на неокортикальном алгоритме, будет интеллектуальной независимо от того, какие типы паттернов мы выберем для нее. Нам все еще надо будет поломать голову над настройкой различных параметров системы, и нам необходимо будет натренировать и обучить ее. Но миллиарды нейронных деталей, дающих мозгу возможность быть сложным, создающим мысли, позаботятся сами о себе таким же естественным образом, как это происходит у наших детей.

В конечном счете, идея, что паттерны это фундаментальная валюта интеллекта, ведет к одному интересному философскому вопросу. Когда я сижу в комнате с моими друзьями, откуда я знаю, что они там или даже что они реальны? Мой мозг получает паттерны, которые согласуются с паттернами, которые я получил в прошлом. Эти паттерны соответствуют людям, которых я знаю, их лицам, их голосам, их обычному поведению, и всем видам фактов о них. Я научился ожидать, что эти паттерны возникают вместе определенным образом. Но когда вы переходите к ним, это всего лишь модель. Все наши знания о мире — это модель, основанная на паттернах. Уверены ли мы, что мир реален? Весело и необычно размышлять об этом. Некоторые фантастические книги и фильмы исследуют эту тему. Это не для того, чтоб сказать, что люди или объекты не реальны. Они реальны. Но наша уверенность в существовании мира базируется на соответствии паттернов и том, как мы их интерпретируем. Нет такой вещи, как непосредственное восприятие. У нас нет сенсоров «человека». Вспомните, мозг находится в темной и тихой коробке, и не знает ни о чем, кроме распределенных во времени паттернов, поступающих по входным волокнам. Ваше восприятие мира создано из этих паттернов, больше ничего. Существование может быть объективным, но пространственно-временные паттерны, текущие по связкам аксонов в наших мозгах, это все, с чем мы должны работать.

Эта дискуссия освещает иногда поднимаемые вопросы отношений между галлюцинациями и реальностью. Если мы можем воспринимать галлюцинации прикосновений, исходящие от резиновой руки и мы можем «видеть» симуляцией прикосновений к поверхности языка, «обманываемся» ли мы точно также, когда ощущаем прикосновения к собственной руке или видим своими собственными глазами? Можем ли мы верить, что мир таков, как кажется? Да. Мир действительно существует в абсолютной форме, близкой к той, в кокой мы его воспринимаем. Однако, наш мозг не может знать напрямую об абсолютном мире.

Мозг знает о мире через множество чувств, которые детектируют только часть абсолютного мира. Чувства создают паттерны, которые посылаются в кортекс и обрабатываются одними и теми же кортикальными алгоритмами для создания модели мира. Таким способом устная и письменная речь воспринимаются удивительно похоже, несмотря на то, что они совершенно различны на сенсорном уровне. Так же, модель мира Хелен Келлер близка к вашей и моей, несмотря на то, что у нее сильно сокращенный набор чувств. Через эти паттерны мозг создает модель мира, которая близка к реальным вещам, и затем, удивительно, держит ее в памяти. Память — вот что происходит с паттернами после того, как они попадают в кортекс — что мы и обсудим в следующей главе.