Книги по психологии

ПАМЯТЬ
О - Об интеллекте

К

Огда вы читаете книгу, идете по улице, заполненной прохожи­ми, слушаете симфонию, утешаете плачущего ребенка, все ор­ганы чувств посылают в ваш головной мозг пространственно- временные сигналы. Окружающий мир — это океан постоянно меня­ющихся сигналов. Что же происходит с ними при попадании в кору головного мозга?

Еще на заре индустриальной революции ученые рассматривали мозг как своего рода биологический механизм, или программируемый ком­пьютер. Разумеется, никто не сомневался в отсутствии гаек и шурупов в голове человека, но данная метафора представлялась большинству исследователей самой точной.

Как мы отмечали в главе 1, этой позиции придерживались и разра­ботчики искусственного интеллекта. Считалось, что неспособность со­здать искусственный интеллект напрямую связана с тем, что компью­теры слишком малы и медленны по сравнению с человеческим мозгом. Современный компьютер может считаться эквивалентом мозга букаш­ки, говорили изобретатели, а вот когда мы создадим более быстрые и объемные машины, они будут такими же умными, как человек.

Аналогия между живым мозгом и вычислительной машиной не­корректна. По сравнению с транзисторами нейроны головного мозга действуют гораздо медленнее. Нейрон собирает из синапсов входные сигналы, объединяет их и принимает решение. Он либо генерирует им­


Пульс — потенциал действия, который будет восприниматься синап­сами соседних нейронов, — либо воздерживается от этого. Обычный нейрон может осуществить подобную операцию и вернуться в исход­ное состояние за пять миллисекунд, т. е. 1/200 секунды. Современный компьютер на кремниевой основе может осуществлять миллиард опе­раций в секунду. Значит, основная компьютерная операция осущест­вляется в 5 миллионов раз быстрее, чем базовая операция в человечес­ком мозге! Каким же образом, вопреки столь существенной разнице, мозг способен действовать быстрее, чем наиболее быстрые цифровые компьютеры? “Да это же очевидно, — скажут сторонники идеи созда­ния вычислительных и управляющих систем по образу и подобию моз­га, — мозг — это параллельный компьютер. У него миллиарды клеток, занимающихся одновременным вычислением. Этот параллельный про­цесс во много раз увеличивает мощность биологического мозга”.

Я считаю данный аргумент заблуждением и готов опровергнуть его при помощи простого эксперимента, так называемого “правила ста ша­гов”. Человек способен выполнять существенные задания за намного меньший промежуток времени, чем одна секунда. Например, я мог бы показать вам фотографию и спросить, есть ли на снимке кошка. Если вы увидите кошку, а не медведя или луковицу, то должны будете нажать кнопку. Для современного компьютера такая задача является очень сложной или вообще невыполнимой, а человек даст правильный ответ за полсекунды или даже быстрее. Но, поскольку нейроны малоподвиж­ны, это значит, что за полсекунды информация, поступившая в ваш мозг, может пройти цепочку не более чем из сотни нейронов. То есть мозг “вычисляет” ответ за сто шагов или даже меньше, независимо от того, какое количество нейронов вовлечено в процесс передачи ин­формации. С момента, когда ваши глаза фиксируют изображение, и до момента, когда вы нажимаете кнопку, сигналы прошли цепочку из ста нейронов. Цифровой компьютер для решения той же задачи использует около миллиарда шагов. Сотни шагов для компьютера будет недоста­точно даже для того, чтобы передвинуть один знак на дисплее, не говоря о более сложных задачах.

Но разве миллионы одновременно работающих нейронов не похо­жи на параллельный компьютер? Не совсем. Принцип параллельности используется и мозгом, и компьютером, но это все, что их роднит. Параллельные компьютеры объединяют значительное количество быстродействующих компьютеров для выполнения сложных задач, та­ких как составление прогноза погоды. Чтобы предвидеть погоду, нужно просчитать физические условия во многих частях планеты одновре­менно. Каждый компьютер может работать над одной задачей. Но даже если сотни или тысячи машин объединить в параллельную систему, от­дельному компьютеру для обработки информации и выполнения своей задачи понадобятся миллиарды или миллионы шагов. Какой большой параллельный компьютер мы бы ни собрали, каким бы быстродейству­ющим он ни был, он не сможет сделать ничего полезного за сто шагов.

Приведу пример: представьте, что я попросил вас перенести сотню каменных глыб через пустыню. За один раз вы можете перенести толь­ко один камень, а чтобы пересечь пустыню, вам нужно сделать мил­лион шагов. Понимая, что справиться с заданием в одиночку будет непросто, вы нанимаете сто рабочих для параллельного выполнения задачи. Дело станет продвигаться в сто раз быстрее, однако тот факт, что для пересечения пустыни нужно пройти миллион шагов, остался неизменным. Наем новых работников, даже тысячи, ничего изменить не может. Независимо от количества нанятых работников задание мо­жет быть выполнено только за миллион шагов. То же самое справед­ливо и для параллельных компьютеров. Добавление дополнительных процессоров не меняет дела. Независимо от количества и мощности процессоров и быстродействия компьютер не может решить сложную задачу за сто шагов.

Но как же мозгу удается решать сложные задачи за сто шагов, в то время как даже самый большой параллельный компьютер ничего по­добного сделать не в состоянии за миллион или миллиард шагов? Дело в том, что мозг на самом деле не “вычисляет” решения задач, он извле­кает их из памяти, представляющей, по сути, хранилище готовых реше­ний. Соответственно, для того чтобы их извлечь, нужно всего несколько шагов. Медленных нейронов для этого более чем достаточно, ведь они сами и составляют память. Можно утверждать, что мозг, точнее, неокор - текс, который является “интеллектуальной” частью мозга, — это единое запоминающее устройство, а вовсе не компьютер.

* ****

С вашего позволения, я продемонстрирую разницу между вычисле­нием решения и использованием памяти для решения задачи. Пусть на­шей задачей будет поймать мяч. Кто-то бросает мяч, и он летит прямо на вас. У вас есть меньше секунды, чтобы схватить его еще в воздухе. Задача не ахти какая - сложная, но лишь до тех пор, пока вы не захотите запрограммировать на ее выполнение робота. Когда инженеры и разра­ботчики программного обеспечения берутся за такое задание, они снача­ла пытаются вычислить траекторию полета мяча и определить его про­странственное расположение в момент контакта с рукой. Вычисления требуют использования ряда уравнений, которые можно почерпнуть из курса физики высшей школы. После этого все сгибы руки робота нуж­но отрегулировать так, чтобы конечность могла занимать определен­ную позицию. Здание требует составления и решения математических уравнений другого типа, на сей раз более сложных, чем предыдущие. И наконец, всю операцию нужно повторить несколько раз, поскольку по мере приближения мяча робот получает более точную информацию о его положении в пространстве и траектории полета. Если робот нач­нет движение только после определения точной цели полета мяча, он не успеет его поймать. Робот должен начать движение с целью поймать мяч гораздо раньше, не обладая полной информацией, а потом постоян­но корректировать свои действия по мере приближения мяча. И хотя для выполнения этой задачи можно запрограммировать компьютер, для успешного решения ему понадобится миллион шагов. Правило “ста шагов” подскажет нам, что мозг решает эту задачу иначе. Он обращает­ся к памяти.

Как вы поймаете мяч, используя при этом память? В вашем мозге сохраняется память о моторных командах (точно так же, как и многих других типов поведения), необходимых для поимки мяча. Когда броса­ют мяч, происходят три события. Во-первых, вид мяча автоматически активизирует соответствующие воспоминания. Во-вторых, в памяти оживает временная последовательность моторных команд. В-третьих, вызванное воспоминание соотносится с обстоятельствами конкретной ситуации, т. е. приспосабливается к фактической траектории мяча и по­ложению вашего тела. Воспоминание о том, как нужно ловить мяч, не было запрограммировано в вашем мозге. Вы обучились этому в процес­се жизни, соответственно информация не вычисляется, а сохраняется в нейронах коры вашего головного мозга. “Минуточку! — возразите вы, — Каждый бросок отличается от другого. Как было только что ска­зано, вызванное воспоминание приспосабливается к положению мяча при каждом броске. Разве это не требует решения уравнений — того, чего мы пытались избежать?” На первый взгляд, это действительно так, но природа решила проблему переменных обстоятельств иным, гораздо более совершенным способом.

В этой главе мы увидим, что кора головного мозга создает ин­вариантные представления, которые компенсируют изменчивость ок­ружающего мира. Представьте, например, что вы садитесь на водную кровать. При этом непроизвольно перемещаются все расположенные на ней объекты — скажем, подушки и другие люди. Кровать не высчи­тывает, насколько высоко или низко нужно поднять тот или иной край; функция приспосабливания осуществляется автоматически за счет фи­зических свойств воды и поверхности матраца. В следующей главе мы увидим, что структура шестислойной коры головного мозга обладает приблизительно таким же свойством по отношению к поступающему в нее из внешнего мира потоку информации.

£ ф ***

Итак, принципы действия неокортекса и компьютера различны. Вместо вычисления решений и программирования поведения кора го­ловного мозга использует память.

У компьютеров тоже есть память в форме жестких накопителей и чипов памяти. Но четыре особенности памяти неокортекса коренным образом отличают ее от памяти компьютера:

• неокортекс запоминает последовательности элементов, а не от­дельные элементы окружающего мира;

• неокортекс вспоминает последовательности автоассоциативно;

• неокортекс запоминает последовательности в инвариантной форме;

• неокортекс сохраняет последовательности иерархически.

Первые три принципа мы рассмотрим в данной главе. Концепция

Иерархичности коры головного мозга была представлена в главе 3, а в главе 6 мы более подробно остановимся на ее прикладном значении.

В следующий раз, рассказывая собеседнику о каком-нибудь проис­шествии, попробуйте абстрагироваться от происходящего и проанали­зировать последовательность вашего повествования. Вы не можете рас­сказать все, что случилось, одновременно, даже если ваша речь будет очень быстрой, а собеседник — внимательным. Вы выдаете порции ин­формации последовательно, одну за другой. Это происходит не только потому, что разговорная речь сама по себе является серийной. Любой рассказ — будь то письменный, устный или рисованный в картинках — всегда носит серийный характер. Это объясняется тем, что память о со­бытиях сохраняется в вашем мозге в серийной форме и может быть из­влечена оттуда тоже в серийной форме. Вы не можете вспомнить все, случившееся с вами, одномоментно. Собственно, невозможно думать

О чем-то сложном вне рамок серии событий или мыслей.

Некоторые люди в разговорах подолгу не могут перейти к сути. Они топчутся на месте, нагромождая в своем рассказе скучные подробности и многочисленные отступления от темы. Если вам доводилось общаться с такими собеседниками, то вы наверняка вспомните, насколько раздра­жает подобная манера повествования. Вам так и хочется крикнуть: “Да скажите же наконец о главном!” Но человек продолжает в деталях опи­сывать хронологию произошедших с ним событий. По-другому у него просто не выходит.

Приведу другой пример. Закройте глаза и представьте свой дом. Во­образите, что вы подходите ко входной двери. Постарайтесь рассмот­реть ее во всех подробностях. Откройте ее. Войдите внутрь. Посмотрите налево. Что вы видите? Посмотрите направо. Затем пройдите в ванную комнату. Что вы видите на стене справа от вас? Слева? Что лежит в верхнем правом ящике туалетного столика? Какие еще вещи вы хра­ните в ванной? Вы знаете ответы на эти и тысячи подобных вопросов, вы можете вспомнить их со всеми подробностями. Вся эта информация хранится в коре вашего головного мозга. Можно сказать, что ответы на перечисленные вопросы — часть воспоминания о вашем доме. Но вы не способны думать обо всем сразу. В вашей памяти эта информация действительно связана, но не существует способа, который бы позволил вам увидеть в своем воображении все одновременно. Чтобы вызвать из памяти полное и устойчивое воспоминание о своем доме, вам придется пройти через серию последовательных фрагментов в таком же порядке, как вы их переживали в действительности.

И таковы все воспоминания. Воспоминание об одном эпизоде (при­ближение к двери) активизирует следующий (войти в дверь), который, в свою очередь, повлечет за собой следующий (подняться или спус­тится по лестнице) и так далее. Все это — последовательности, кото­рые вы проходили раньше. Конечно, приложив определенные усилия, можно сменить порядок описания своего дома — скажем, перепрыгнуть от описания входной двери к описанию второго этажа. Но, как только мне вздумается рассказать собеседнику, как выглядит моя комната или любой элемент интерьера, я возвращусь к последовательному способу описания. По-настоящему беспорядочных мыслей вообще не существу­ет. Воспоминания всплывают в памяти путем ассоциирования.

Вы знаете алфавит. Но попробуйте-ка произнести его в обратном порядке и убедитесь, насколько это трудновыполнимая задача. Кроме того, вы на собственном опыте поймете, каково учить алфавит малень­кому ребенку. В вашей памяти алфавит представлен как последователь­ность сигналов. Как и другие воспоминания, данное не является чем-то “законсервированным” в вашем мозге и не поддается моментальному извлечению или извлечению в произвольном порядке. Точно так же обстоит дело и с днями недели, месяцами в году, вашим номером теле­фона и множеством другой информации. Запоминание песни — еще один отличный пример временной последовательности. Припомните какой-нибудь известный вам мотив. Скажем, моя любимая песня — Somewhere over the Rainbow, а вы выберите другую мелодию по своему вкусу. Вы не сможете вспомнить песню всю сразу, только в последо­вательности. Вы начнете с начала или с припева, но будете придер­живаться определенной последовательности. Вам не удастся припом­нить слова в обратном порядке или охватить своим вниманием песню целиком. В реальности прослушивание песни занимало у вас опреде­ленный промежуток времени, и вы сможете вспомнить ее только в том порядке, в каком заучили.

То же самое справедливо и для низшего уровня сенсорных запомина­ний. Возьмем, к примеру, тактильную память о разных типах поверхнос­тей. В вашем мозге хранятся вспоминания об ощущениях, вызванных касанием к гравию, поглаживанием вельветовой ткани, нажиманием клавиш пианино. Эти запоминания основаны на последовательностях точно так же, как алфавит или песня. Различие в том, что более корот­кие последовательные ряды тактильных ощущений будут разбиваться на секундные промежутки вместо минутных. Если бы во время ваше­го сна я поместил бы вашу руку в ведро с гравием, то, проснувшись, вы бы легко определили, к чему прикасается ваша рука, пошевелив пальцами. Ваше воспоминание о тактильном ощущении при касании к гравию основано на последовательности сигналов о вибрации и давле­нии, воспринимаемых нейронами вашей кожи. Эти последовательнос­ти сигналов очень отличаются от тех, которые возникли бы у вас, будь ваша рука зарыта в песок или сухие листья. Скрип и перекатывание гальки, сопровождающее даже самые незначительные движения ва­шей руки, продуцируют контрольные последовательности сигналов, которые приводят в действие соответствующие вспоминание в сома­тосенсорной части неокортекса.

В следующий раз, выходя из душа, обратите внимание на то, как вы вытираетесь полотенцем. Однажды я сделал для себя открытие, что вся­кий раз этот процесс состоит из одних и тех же движений и положений тела. Наблюдая за своей женой (очень приятный эксперимент!), я заме­тил точно то же. Думаю, в вашем случае результат окажется сходным: вы отметите полужесткую последовательность движений и поворотов тела. Но попробуйте-ка ее изменить! Приложив некоторые усилия, вы сможете это проделать, но лишь при условии предельной сосредоточен­ности на своем занятии. Как только отвлечетесь, сразу почувствуете, что вернулись к старой модели поведения.

Все наши вспоминания хранятся в синаптических связях между ней­ронами. Если учесть, что неокортекс содержит огромнейшее количест­во информации, но в каждый конкретный момент времени мы можем вспомнить лишь малую ее толику, то можно предположить, что любое воспоминание обеспечивается лишь ограниченным количеством ней­ронов и синаптических связей между ними. Когда вы начинаете вспо­минать об интерьере своего дома, то сначала активизируется один на­бор нейронов, потом он приводит в действие следующий набор и так да­лее. Объем памяти неокортекса невероятно вместителен. Тем не менее в каждый конкретный момент времени мы можем погрузиться лишь в несколько воспоминаний, вызываемых лишь как последовательность ассоциаций.

Выполните еще одно задание. Погрузитесь в прошлое и попытай­тесь вспомнить места, где вы жили, в которых вам довелось побывать, людей, с которыми вы были знакомы. Оказывается, в процессе такого упражнения в памяти всплывают факты, казалось бы, давно позабытые. Нейронные синапсы хранят тысячи подробнейших воспоминаний, ис­пользуемых очень редко или не используемых вовсе. В каждое отдель­ное мгновение мы извлекаем из памяти лишь крошечную часть того, что в ней хранится. Большинство же воспоминаний, образно говоря, сидят и бьют баклуши в ожидании сигнала.

Память компьютера не хранит последовательности сигналов. С по­мощью разных программных доработок можно этого достичь (как, например, в случае сохранения и воспроизведения песни), но память компьютера не способна на автоматическое выполнение такого зада­ния. В то же время запоминание последовательностей символов — это неотъемлемое свойство системы памяти коры головного мозга, данное ей от природы.

*****

А сейчас предлагаю рассмотреть второе ключевое свойство челове­ческой памяти — ее автоассоциативную природу. В главе 2 мы выяс­нили, что значение данного термина подразумевает ассоциирование сигналов самих с собой. Автоассоциативная система способна воспро­извести полную последовательность на основе неполной или искажен­ной входной информации. Последнее касается как пространственных, так и временных сигналов. Так, заметив, что из-за шторы выглядывают ботинки вашего сына, вы автоматически представите его в полный рост. Вы создали полный образ из неполной информации о нем. Или пред­ставьте, что вы увидели человека, ожидающего автобус, но при этом большая часть его тела скрыта от вас кустом. Ваш мозг не растеряется. Хотя глаза увидят только часть целого, перед вами возникнет полный образ. Причем он будет настолько отчетливым и ярким, что вы вряд ли будете отдавать себе отчет в том, что это всего лишь предположение.

Мозг способен дополнять и временные образы. Припомните незначи­тельную подробность из давно минувших событий, и вам на ум придет вся соответствующая последовательность. Марсель Пруст в известном собрании романов, объединенных названием “В поисках утраченного времени” открывает свой первый рассказ вспоминанием о том, как пах­нет печенье “Мадлен”, а затем разворачивает повествование на тысячу с лишним страниц. Общаясь в каком-либо шумном месте, мы зачастую не слышим все слова собеседника. Ничего страшного, ведь наш мозг сам дополнит то, что он ожидает услышать. Общеизвестно, что мы на самом деле не слышим полностью всех слов, которые воспринимаем. Привычку некоторых людей “читать мысли” собеседника и заканчивать чужие высказывания считают дурным тоном. Но наш мозг поступает подобным образом постоянно, причем, дополняя не только окончания наблюдаемых явлений, но и их начало и середину. Подобная склонность заниматься постоянным додумыванием фактов редко осознается чело­веком, однако она является фундаментальной характеристикой памяти. В любой момент времени часть может активизировать целое — в этом состоит суть автоассоциативных воспоминаний.

Неокортекс — это сложная биологическая автоассоциативная сис­тема памяти. В каждый момент времени каждая функциональная зона зорко бдит, не появились ли на входе знакомые элементы или их фраг­менты. Появление в поле вашего зрения знакомого человека мгновенно прервет поток самых глубоких размышлений — ваши мысли переклю­чатся на приятеля. Визуальный сигнал — появление знакомого — застав­ляет мозг включится в процесс вспоминания других сигналов, ассоци­ируемых с ним. Это неизбежно. А после такого внезапного отвлечения внимания мы часто ломаем голову: “Так о чем же я думал?” Обеденный разговор с друзьями тоже протекает в ассоциативных рамках. Скажем, беседа начинается с обсуждения блюд. Вы отмечаете, что такой же салат ваша мать приготовила вам на свадьбу, и это наводит кого-то на воспо­минания о его свадьбе, затем о медовом месяце и путешествии в экзоти­ческую страну, о политических проблемах в той части мира и так далее. Мысли и воспоминания ассоциативно взаимосвязаны — случайностей здесь нет и быть не может. Входные сигналы, поступающие в мозг, ав - тоассоциативны по отношению к самим себе, они дополняют новые мо­дели и автоассоциативно связаны с тем, что произойдет дальше. Такая цепочка воспоминаний называется мыслью, и, хотя ее путь не предна­чертан, полного контроля над ней мы тоже не имеем.

*****

Теперь обратимся к третьей особенности памяти неокортекса— фор­мированию инвариантных представлений. Здесь мы обсудим их общие черты, а в главе 6 поговорим о том, как мозг создает эти модели.

Память компьютера устроена так, чтобы сохранять информацию в максимально неизменном виде. Когда вы копируете программу с ком­пакт-диска, то на жесткий диск вашего компьютера переносится каж­дый байт информации со 100-процентной точностью. Незначительное расхождение между оригиналом и копией может вызвать фатальный сбой в работе компьютерной программы. Память неокортекса действу­ет иначе. Мозг не запоминает с абсолютной точностью все увиденное, услышанное или почувствованное, причем совершенно не из-за того, что деятельность коры головного мозга или нейронов беспорядочна, что чревато возникновением ошибок. Так происходит потому, что мозг запоминает важные взаимосвязи внешнего мира, а не привязывается к отдельным его элементам. Давайте рассмотрим несколько примеров.

Как упоминалось в главе 2, простейшие автоассоциативные модели создаются учеными уже несколько десятков лет, а мозг, как я только что объяснил, вызывает воспоминания автоассоциативным способом. Тем не менее существует большая разница между автоассоциативными вос­поминаниями, реализуемыми в нейронных сетях, и воспоминаниями неокортекса. В искусственных автоассоциативных воспоминаниях не задействованы инвариантные представления, и поэтому в них возмож­ны существенные упущения.

Я могу сохранять в искусственной автоассоциативной памяти мно­жество снимков лиц, состоящих из черно-белых точек. Если вы предъя­вите лишь часть одного из изображений (например, глаза), то система дополнит недостающие части (такие эксперименты проводились неод­нократно). Однако, если каждую точку картинки передвинуть на пять пикселей вправо, то машина не сумеет распознать лицо. Для искусст­венной автоассоциативной памяти это уже совершенно новая модель, потому что расположение пикселей в ней не совпадает с исходной мо­делью. А вы и я без труда опознали бы сдвинутое изображение как одно и то же лицо.

Искусственная автоассоциативная память не в состоянии распознать изображение, если оно было подвергнуто перемещению, ротации, изме­нению масштаба, какому угодно другому из тысяч возможных превра­щений. В отличие от нейронных сетей человеческий мозг с легкостью справляется с такой задачей. Так почему же мы воспринимаем факты, явления или обстоятельства как неизменные, если входные сигналы, их описывающие, поменялись или изменились? Давайте рассмотрим еще один пример.

Сейчас, скорее всего, вы держите в руках книгу. Если вы повернете книгу, измените освещение или положение своего тела на стуле, зафик­сируете взгляд на разных частях книги, то световые сигналы, попадаю­щие на сетчатку вашего глаза, полностью изменятся. Зрительные сиг­налы, которые вы получаете, различны в каждое отдельное мгновение. Входные сигналы, поступающие в ваш мозг, не повторились бы ни разу даже в том случае, если бы вы держали книгу в руках на протяжении ста лет. Однако вы ни на миг не усомнитесь, что держите в руках все ту же книгу. Внутренняя модель “этой книги”, которой располагает ваш мозг, не изменяется даже в условиях информационной переменчивости. Та­кие внутренние репрезентации мозга описывает термин инвариантная репрезентация.

Другой пример: представьте лицо своего друга. Вы узнаете его каж­дый раз при новой встрече. Это происходит менее, чем за одну секунду, независимо от того, находится ли этот человек в двух шагах от вас, в пя­ти метрах или в противоположном конце комнаты. Когда он рядом, то его образ занимает большую часть сетчатки, а когда он рядом — лишь малую ее часть. Он может стоять к вам лицом, быть повернутым в про­филь или под углом. Он может улыбнуться, прищуриться или зевнуть. Вы могли бы увидеть его при ярком дневном свете, в тени или в разно­цветных бликах дискотеки. В каждом из перечисленных случаев доля света, попадающего на вашу сетчатку, будет не такой, как в остальных случаях, однако в каждом отдельном случае вы сразу же узнаете друга.

Давайте приподнимем занавес и посмотрим, что происходит в вашем мозге, что позволяет ему проявлять столь необыкновенные свойства. Экспериментально установлено, что модель деятельности нейронов в зрительной зоне V1 неокортекса, принимающей визуальные стимулы, будет отличатся для каждого положения лица вашего друга. Всякий раз, когда лицо меняет свое положение или происходит новая фикса­ция ваших глаз, модель активности нейронов первичной зрительной зоны меняется в соответствии со сменой изображения на вашей сетчат­ке. Однако если мы проанализируем деятельность ваших клеток в зоне распознания лиц — функциональной зоне, расположенной на порядок выше V1 в иерархии коры головного мозга, — то обнаружим полную стабильность. Значит, определенная часть нервных клеток зоны распоз­навания лиц остается активной все то время, пока лицо друга пребывает в поле вашего зрения (или даже до тех пор, пока вы рисуете его в своем воображении), независимо от размеров, положения, ориентации, мас­штаба и выражения лица. Эта стабильность нервных клеток высших функциональных зон коры головного мозга и является инвариантной репрезентацией.

Описанный процесс кажется настолько примитивным, что его даже трудно назвать задачей. Он происходит так же автоматически, как и ды­хание. Мы можем назвать его тривиальным, поскольку не отдаем себе отчет в том, что происходит. В определенном смысле это действитель­но тривиальный процесс, ведь наш мозг выполняет его очень быстро (вспомните правило “ста шагов”). Однако вопрос о том, как кора голов­ного мозга формирует инвариантные представления, остается одной из загадок, по сей день не разгаданных наукой. “Насколько сложной загадкой?” — спросите вы. “Настолько, — отвечу я, — что ни один уче­ный из числа обладающих самыми современными исследовательски­ми инструментами, не смог ее разгадать”. И совсем не по причине от­сутствия стараний.

У данной проблемы очень древние корни — о ней говорили еще во времена Платона, т. е. две тысячи триста лет тому назад. Задаваясь воп­росом о том, как люди могут мыслить и познавать мир, Платон обратил внимание, что в реальной жизни нет двух одинаковых предметов или людей, и, кроме того, все они всегда несовершенны по своей форме. На­пример, у вас есть представление о том, что такое правильная окруж­ность, тем не менее в реальной жизни она почти не встречается. Все изображения круга несовершенны. Даже если я начерчу окружность с помощью циркуля, его границы будут обозначены темной линией, в то время как идеальный круг не должен включать никаких утолщений. Как же в таком случае у вас сформировалось представление об идеальной окружности? Возьмем другой пример из повседневной жизни — напри­мер, ваше представление о собаке. 'Любой когда-либо увиденный вами пес отличается от остальных своих собратьев, а кроме того, любой но­вый взгляд на одну и ту же собаку также неповторим. Соответственно, каждый раз вы видите новую форму. Однако все впечатления о собаках, полученные вами в процессе жизненного опыта, объединились в вашем мозге под общим понятием “собака”, которое остается неизменным. Платон задавался вопросом: как в мире бесконечно меняющихся форм и быстротечных ощущений люди способны усваивать и использовать неизменные представления?

Решением Платона стала его теория форм. Он считал, что наш выс­ший разум связан с трансцендентной суперреальностью, в которой не­изменные стабильные идеи (“Формы”, с прописной буквы) существуют в безвременном совершенстве. Наши души приходят из этого мисти­ческого места, где они обитают еще до нашего рождения. Именно там, в этом мистическом месте, человеческие души и постигают, что такое Формы. Согласно представлениям Платона, при рождении у нас уже имеются латентные знания о Формах. Обучение и понимание возмож­ны только благодаря тому, что несовершенные формы реального мира напоминают нам соответствующие идеальные Формы. Мы узнаем окружность и собаку, потому что их образы вызывают воспоминания об Окружности и Собаке.

С современной точки зрения теория Платона чересчур эксцентрич­на, но если отмести пелену метафизики, то становится понятно, что Платон, по сути, имел ввиду инвариантность. Даже называя его систе­му толкований чудаковатой, мы вынуждены признать, что интуитивное осознание древним мыслителем того, что поставленный вопрос явля­ется одним из наиболее важных в понимании природы человека, было попаданием в десятку

$ * * * *

Чтобы у вас не сложилось представление, что инвариантность при­суща только зрительному восприятию, давайте обратимся к другим ти­пам ощущений — например, к тактильному. Когда вы засовываете руку в бардачок вашего автомобиля в поисках солнцезащитных очков, ва­шим пальцам достаточно прикосновения, чтобы определить, что вы их нашли. Не имеет значения, какая часть руки контактирует с предметом (большой палец, указательный, любая точка другого пальца или вся внутренняя поверхность ладони) и с какой именно его частью (со стек­лом, оправой, дужкой, петлей). Для распознания очков вашему мозгу достаточно одной секунды соприкосновения любой части вашей ладо­ни с любой частью предмета. В каждом случае поток пространственно­временных сигналов, поступающий от осязательных рецепторов, раз­личен, поскольку задействованы различные зоны вашей кожи, разные части предмета. Тем не менее вы, не раздумывая, возьмете свои очки.

Или же давайте рассмотрим такой пример сенсорно-моторной за­дачи: вы вставляете ключ в замок зажигания автомобиля. Каждый раз положение вашего сидения, тела, руки немного отличаются, однако вам кажется, что это одно и то же движение, повторяющееся изо дня в день. И все это только потому, что ваш мозг обладает инвариантной репре­зентативностью. Создание робота, который проделывал бы ту же опе­рацию, забираясь в машину и вставляя ключ, практически невозможно. Даже заставив робота абсолютно точно воспроизводить одну и ту же позицию и класть ключи точно в то же место и точно так же, как и в пре­дыдущий раз, вы непременно столкнетесь с неразрешимой проблемой: программа будет работать только для одного-единственного автомоби­ля. Роботы и компьютерные программы, как и искусственная автоассо - циативная память, обладают одним и тем же недостатком — вариатив­ные задачи для них неразрешимы.

Еще один интересный пример — ваша подпись. В моторной зоне коры головного мозга, в ее лобной доле, хранится репрезентация вашего автографа. Каждый раз, выводя свою подпись, вы выполняете одну и ту же последовательность действий: и в случаях, когда вы ставите аккурат­ную подпись, когда даете вычурный автограф в стиле Джона Хэнкока, когда у вас локоть на весу или когда вы держите ручку пальцами ног. Естественно, каждый раз ваша подпись выглядит немного по-другому (особенно в последнем случае). Но, независимо от орудия написания, размеров подписи и комбинации ее частей, для ее написания вы всегда выполняете одну и ту же абстрактную “моторную программу”.

Из данного примера видно, что инвариантная репрезентация в мо­торной зоне коры головного мозга — это в каком-то отношении зер­кальное отражение инвариантной репрезентации в сенсорной зоне коры головного мозга. В сенсорной зоне различные входные сигналы приводят в действие устойчивый набор нейронных клеток, соответст­вующих определенным абстрактным моделям (в приведенных выше примерах — лицо друга и солнцезащитные очки). В моторной зоне устойчивый набор нейронных клеток, соответствующий абстрактной моторной команде (хватание мяча, начертание подписи), может выра­зить себя посредством включения множества комбинаций мускульных групп с учетом всех вероятных ограничений. Если в разных зонах коры головного мозга всегда действует один и тот же алгоритм, как предпо­лагал Маунткастл, то именно такой симметрии между восприятием и действием следовало ожидать.

Давайте вернемся к сенсорной зоне коры головного мозга и рассмот­рим последний пример, касающийся восприятия музыки (я часто ис­пользую пример с музыкой, потому что он позволяет рассмотреть все аспекты функционирования неокортекса). Инвариантные представле­ния в музыке обеспечивают способность узнавать мелодию, исполнен­ную в разных тональностях. Выбирая тональность, вы автоматически предопределяете остальные ноты мелодии. Любую мелодию можно сыграть в разных тональностях. Это означает, что каждая аранжировка одной и той же мелодии — по сути, совершенно другая последователь­ность нот! Каждая новая аранжировка стимулирует совершенно разные наборы чувствительных слуховых рецепторов, заставляя разные набо­ры пространственно-временных сигналов устремляться к слуховой зоне неокортекса. Тем не менее каждый раз вы воспринимаете услышанное как одну и ту же мелодию. Не обладая абсолютным слухом, вы даже не различите два варианта одной и той же песни, исполненной в разных музыкальных тональностях.

Вспомните песню Somewhere over the Rainbow. Скорее всего, вы впервые услышали ее в исполнении Джуди Гарланд в фильме Волшебник страны Оз, но, не имея совершенного слуха, вы вряд ли вспомните тональность, в которой она была спета. Если я сяду за пианино и исполню эту пес­ню в такой тональности, в которой вы ее никогда не слышали, для вас она прозвучит та же самая песня. Вы даже не заметите, что все ноты отличаются от тех, которые вы слышали когда-то. Это, в свою очередь, означает, что в вашей памяти песня была запечатлена в форме, игнори­рующей высоту звука. Память сохраняет важные связующие песни, а не отдельные ноты. В данном случае важными являются соотношение высоты нот и интервалы между ними. Песня Somewhere over the Rainbow начинается с верхней октавы, затем снижается на полтона, затем еще на один тон ниже и так далее. Интервальная структура мелодии сохра­няется неизменной вне зависимости от того, в какой тональности она исполняется. Ваша способность без затруднений распознать песню в любой тональности указывает на то, что ваш мозг сохранил ее в форме инвариантного по отношению к высоте звуков представления.

Точно так же лицо вашего друга сохраняется в памяти в инвариант­ной форме, независимо от угла видения. Вы распознаете его лицо на основе относительных измерений, относительных цветов и относитель­ных пропорций, а не на основе того, каким вы его увидели во вторник за обедом. Между чертами его лица существуют “пространственные ин­тервалы”, подобно тому, как в песне существуют неизменные интервалы между нотами. Его лицо является широким по отношению к его глазам, по отношению к расстоянию между глазами, у него короткий нос. Цвет его глаз и цвет волос остаются приблизительно в одном и том же соот­ношении при разном освещении, даже когда оно существенно меняется. Запоминая его лицо, вы запоминаете именно эти важные признаки.

По моему мнению, подобная абстрактность форм свойственна всем зонам коры головного мозга, т. е. это общее свойство неокортекса. Вспо­минания сохраняются в форме, охватывающей существенные связи между элементами целого, а не преходящие детали. Когда вы видите, чувствуете или слышите что-то, кора вашего головного мозга получа­ет специфические информационные сигналы, которые она сохраняет в инвариантной форме. Именно инвариантная форма хранится в вашем мозге, и именно с ней впоследствии сравниваются новые входные сиг­налы. Запоминание, припоминание и распознавание — все это происхо­дит на уровне инвариантных форм. Компьютеры на такое не способны.

*****

Все сказанное выше подводит нас к весьма интересному вопросу. В следующей главе я попытаюсь вас убедить, что важнейшей функ­цией неокортекса является прогнозирование на основе воспомина­ний. Но если мозг действительно сохраняет инвариантные формы, то как же он тогда может составлять прогнозы для конкретных случаев? Я хотел бы привести некоторые примеры и предложить возможные варианты их решения.

Представьте себе 1890 год, вы находитесь в небольшом городке на за­паде и ожидаете свою подружку, которая должна прибыть к вам с восто­ка. Разумеется, вы хотите встретить ее на вокзале, поэтому за несколько недель до даты ее приезда начинаете следить за расписанием прибытия - отправления поездов. Строгого графика не существует, и, по вашим на­блюдениям, поезд никогда не прибывает и не отправляется в одно и то же время на протяжении дня. Вам начинает казаться, что вы никак не сможете предвидеть, когда именно приедет ваша подружка. И вдруг вы замечаете определенную закономерность. Поезд с востока прибывает через четыре часа после отправления поезда в сторону востока. Оказы­вается, четырехчасовой интервал остается постоянным всегда, хотя вре­мя отправления и прибытия меняется день ото дня. Наконец наступает день встречи. Вы засекаете время отправления поезда на восток. Ровно


Через четыре часа приходите на вокзал и встречаете свою девушку. Это пример задач, с которыми сталкивается неокортекс, и пример того, как он находит их решение.

Внешний мир, который воспринимают ваши органы чувств, не быва­ет статичным. Он подобен поездам, прибывающим и отправляющимся в разное время суток. Единственный способ, которым человек может познать этот изменчивый мир, — найти инвариантную структуру для переменного потока информации. Однако инвариантная структура сама по себе не является достаточной базой для частных прогнозов. Знания того, что поезд прибывает через четыре часа после отправления состава в обратном направлении, явно недостаточно, чтобы явиться на вокзал вовремя и встретить свою подружку. В каждом конкретном случае мозг сопоставляет инвариантную структуру с текущими данными. Чтобы со­ставить прогноз времени прибытия конкретного поезда, недостаточно вывести правило четырехчасового интервала из расписания прибытия- отправления поездов. Нужно также применить его к точному времени отправления конкретного поезда в восточном направлении.

Когда вы слушаете, как кто-то исполняет знакомую вам мелодию на пианино, ваш мозг прогнозирует следующую ноту еще до того, как она будет сыграна. Воспоминание песни сохраняется в инвариантной фор­ме. Ваша память подсказывает вам следующий интервал, но она не знает, какая конкретно нота будет следующей. Чтобы спрогнозировать следую­щую ноту, нужно сочетать следующий интервал с последней нотой.

Когда вы видите лицо вашего друга, неокортекс мгновенно воспол­няет пробелы и прогнозирует детали внешнего вида вашего приятеля в данный момент времени. Он определяет, что это именно те глаза, тот нос, те губы и те волосы. Прогноз неокортекса отличается завидной точ­ностью. Он может предугадать малейшие особенности лица вашего дру­га, хотя никогда не видел его именно под таким углом или в такой окру­жающей обстановке. Если вы знаете относительное расстояние между глазами и носом, структуру лица, то вы правильно спрогнозируете, где должны находится губы. Если вам известно, что в лучах заката кожа вашего друга кажется оранжевой, то вы можете спрогнозировать и цвет его волос. Ваш мозг сочетает инвариантную структуру лица с особен­ностями непосредственно воспринимаемой ситуации.

Из трех вышеописанных только пример с поездом является ана­логией того, что происходит в вашей коре головного мозга. В случа­ях с мелодией и лицом речь идет о сочетании инвариантных структур и непосредственных сигналов. Это вездесущий процесс, происходящий во всех без исключения зонах неокортекса. Благодаря ему вы можете составлять прогноз о комнате, в которой сейчас находитесь. Благодаря ему вы можете спрогнозировать не только слова, которые сейчас будут произнесены, но и тон, ударения, а также в какой части комнаты будут произнесены эти слова. Благодаря ему вы в точности знаете, в каком месте ваша нога коснется пола и какие ощущения вызовет подъем на лестничную площадку этажом выше. Благодаря ему вы можете поста­вить подпись, держа ручку пальцами ноги, или поймать летящий мяч.

Три особенности памяти неокортекса, рассмотренные нами в данной главе (сохранение последовательностей символов, автоассоциативное запоминание, инвариантные представления), являются необходимыми для прогнозирования будущего на основе воспоминаний о прошлом. В следующей главе сосредоточимся на доказательстве того, что сущнос­тью разума является составление прогнозов.