Ознакомительная версия.
Как мозг работает на уровне нейронных цепей
Оптогенетика – это, можно сказать, первое свидание нейронауки с мозгом. Первая их реальная возможность вступить в диалог – когда начинается двусторонний обмен информацией. Оптогенетика позволяет ученым избирательно «слышать» мозг, наблюдая за тем, как активизируется одна выбранная ими функционально значимая цепочка нейронов. И они могут целенаправленно «отвечать», заставляя один строго определенный тип нейронов изменять свою деятельность на очень малом участке мозга. Экспериментаторы могут теперь влиять на работу даже отдельно взятого нейрона.
Благодаря тому, что оптогенетика способна подавлять возбуждение нервных клеток, диалог между учеными и мозгом может быть избирательно остановлен. Например, блокировав возбуждение аксонов, передающих сигнал «сверху вниз» (downstream) [133] от первичной зрительной коры непосредственно к сетчатке глаза, и наблюдая за остаточной активностью, можно вычленить ту информацию, которую глаз самостоятельно посылает в мозг. Эта же задача решается и по-другому. Блокируя поток данных, идущих «снизу вверх» (upstream), можно выделить активность мозга, отражающую его «предположения и ожидания» (expectations) – то есть связанную с механизмами памяти и прогнозирования. Это все равно, что управлять диалогом людей, попеременно заставляя замолкать то одного говорящего, то другого – и сор тируя, таким образом, фрагменты разговора. В конечном счете, вы можете и реконструировать диалог, снова собрав его по этим фрагментам.
Совершенно очевидно: важны информационные потоки, идущие в обоих направлениях. Однако тот факт, что сверху вниз поступает в 10 раз больше данных, свидетельствует: нисходящий поток принципиально важнее . Наблюдая за ним, можно судить о том, какие воспоминания мозг извлекает из хранилищ своей памяти. Иначе говоря, вы можете точно установить, в какой части мозга хранится та репрезентация объекта, данные о котором поступают сверху вниз, переходя на уровень отдельных нейронов. Анализ подобного рода раскрывает механизмы восприятия и памяти, представляя их на клеточном уровне.
Именно этим и занят Бойден. Действуя в сотрудничестве с учеными из Стэнфордского, Калифорнийского и Нью-Йоркского университетов, он экспериментирует с крысами, исследуя, каким образом ожидания мозга влияют на зрительное восприятие. Давно известно, что люди видят то, что хотят увидеть, – независимо от того, что происходит в действительности. И виновник подобного поведения тоже известен – нейронная цепь, реализующая обратную связь: высшие уровни мозга навязывают низшим то, что последним следует видеть. «Многие люди мыслят так, что высшие уровни, ответственные за формирование структурных связей в картине мира, создают модели, на основе которых и действуют сенсорные уровни, отвечающие за начальное восприятие», – утверждает Бойден. Однако детали в механизме обратной связи все еще окутаны покровом тайны. В своих исследованиях Бойден и его коллеги активируют высшие уровни в системе визуального восприятия крыс и регистрируют те сигналы, которые следуют в направлении сверху вниз и переходят на низшие уровни.
Если бы у нашего мозга не было иного выбора, кроме как принимать все увиденное глазами без возможности хоть как-то это подправить, то что бы мы видели на самом деле? Кто-то может подумать, что мы узнали бы мир именно таким, каков он есть в действительности – не «подредактированный», не пропущенный через наши внутренние фильтры. В 1793 году об этом мечтал Уильям Блейк, писавший: «Будь наше восприятие ничем не замутнено, все вокруг представало бы перед человеком неискаженным и первозданным». Однако нейроученые предсказывают, что в подобном случае нас ожидает не трансцендентная ясность окружающего, а полная сумятица в голове. Человек ощущал бы себя словно потерявшим вес и плавающим в состоянии невесомости внутри сферы из 500 работающих телевизоров. Чтобы мир не казался бессмысленным, наш мозг должен действовать избирательно. Т. С. Элиот был куда ближе к истине, чем У. Блейк, когда писал: «Человечеству не вынести слишком много реальности».
Грустное, отчасти, заключение, но есть в нем и скрытая сила. Суть в том, что подобное понимание облегчает нам задачи отправки информации в мозг и получения ее обратно. Мы должны активировать или, если угодно, расшифровать воспоминания, накопленные мозгом в течение того времени, когда человек наблюдает мир. Непросто, разумеется, но концептуально – вполне возможно. Как утверждает Джефф Хокинс, передача информации от высших уровней сознания к низшим может означать только одно: мозг предвидит то, что должен увидеть, услышать или почувствовать.
В этой связи становится очевидным и следующее. Если мозг располагает хранимыми в его тканях перцептивными моделями, то они должны быть закодированы в виде определенных схем, образованных синаптическими связями между группами нейронов. К примеру, опыт восприятия красного цвета должен отображаться в определенном схеме (паттерне) той активности нейронов, которая ассоциируется с восприятием красного [134] . И наш мозг не пытается строить восприятие красного цвета с чистого листа, но создает представление о нем, руководствуясь теми инструкциями, которые закодированы в соответствующих нейронных цепях.
Подобное производимое мозгом моделирование имеет важное значение для понимания того, на что способна технология, связывающая одно сознание с другим. Образы знакомых человеку объектов или имеющие к ним отношение воспоминания (например, животные, автомобили, здания) могут быть легко переданы другому лицу. С принципиально новыми объектами дело обстоит гораздо сложнее, поскольку с ними сложившиеся внутренние модели, которые мозг мог бы вызвать из памяти, еще не ассоциированы. Как уже упоминалось ранее, перцепции нельзя вызвать из глубины сознания так, как если бы они были подобны цифровым фотоснимкам, – сам механизм наших воспоминаний работает по-другому. Однако если два мозга разделяют некие общие представления, то возбуждение нейронов в одном из них может быть определено и адекватно передано в соответствующий участок другого.
Алгоритмы искусственного интеллекта
Многое из того, что связано с сознанием, хранится в закодированном виде в мозге и, следовательно, может быть легко расшифровано и приведено в активное состояние. Мы узнаем мелодии независимо от тональности или инструментальной обработки. Для нас при этом важны не абсолютная высота звука или тембр, а музыкальная схема, которой соответствуют проигрываемые звуки. Мы узнаем лица людей независимо от уровня освещенности, расстояния или угла зрения. Узнаем речь, несмотря на акцент, ритм или громкость. Многие нейроученые полагают, что мозг человека хранит инвариантные репрезентации каждого подобного явления, позволяющие нам улавливать суть – какими бы ни были ее поверхностные разновидности. Для активирования этих репрезентаций требуется совсем немного. Например, когда вы видите вспышку молнии, мозгу, чтобы идентифицировать последнюю, не нужно много времени для анализа ее размера, формы, цвета, положения в пространстве и так далее. Ему достаточно ухватить ее часть – общую форму, которая и служит ключом к восприятию. Зрительный сигнал, относящийся к частичному образу объекта, возбуждает несколько нейронов, с которыми связана вся группа, отвечающая за инвариантную репрезентацию, – и вся цепь нейронов активируется полностью. Это явление называется автоассоциацией (auto-association): возбуждение части блока памяти активирует весь блок.
Разобраться в этом механизме помогает теория Дональда Хебба (Hebbian learning). Как мы уже поняли, совместно возбуждающиеся нейроны тесно связаны между собой и расположены в непосредственной близости друг от друга (neurons that fi re together wire together). Далее, каждый объект представляется в мозге специфической конфигурацией нейронов и их синаптических связей. Поскольку у каждого нейрона есть тысячи синапсов, для хранения знаний существует огромный объем – посредством ассоциирования каждого объекта с уникальной конфигурацией синапсов в группе нейронов.
Тем не менее, не стоит уподоблять человеческий мозг почтовому отделению, в котором приходящие сообщения раскладывают исключительно по абонированным ящикам. В концепциях не все столь уж красиво разложено по полочкам. Нейроны, участвующие в создании инвариантных репрезентаций, частично накладываются друг на друга. Один и тот же может служить частью многих воспоминаний и концепций. Более того, они могут соотноситься друг с другом иерархически. Допустим, наш мозг имеет нейронную цепь, ассоциированную с общим представлением о собаке, – концепцию «собака». Однако он располагает и цепями, относящимися к столь концептуальным представлениям, как «немецкая овчарка» и «чихуахуа». Каждое из трех представлений четко отличается от всех прочих, однако многие нейроны в них используются, так сказать, совместно. Существует такое множество взаимно накладывающихся и взаимодействующих нейронных цепочек, что использовать для их выявления алгоритм соответствия паттерну (pattern-matching algorithm) просто невозможно. Не говоря уже о том, что между этими цепочками имеются и смысловые взаимосвязи, также требующие выявления.
Ознакомительная версия.
