Лист, окрашенный в промежуточный между красным и оранжевым цвет, можно бросить и в то, и в другое ведро, но вам нужно выбрать только одно, даже если вы сделаете это наугад. Задача данного упражнения состоит в том, чтобы показать, как мозг должен классифицировать сигналы. Зоны коры головного мозга именно этим и занимаются, с той лишь разницей, что у них не имеется контейнеров, в которые они бы помещали сигналы.
А сейчас вам выпадает шанс найти последовательность. Вы замечаете, что листы очень часто следуют в таком порядке: красный, красный, пурпурный, оранжевый, зеленый. Вы присваиваете этой последовательности имя «ккпоз». Обратите внимание, что распознавание какой бы то ни было последовательности было бы невозможным, если бы вы сначала не рассортировали все листы по десяти ведрам. Не рассортировав листы по десяти из возможных категорий, вы бы не смогли определить, что две последовательности одинаковы.
Сейчас вы собираетесь проанализировать все входные сигналы – цветные листы бумаги, соответствующие в нашей аналогии сигналам, получаемым из низших зон коры головного мозга. Вы сортируете их и пытаетесь обнаружить последовательности. Оба шага – сортировка и формирование последовательностей – являются необходимыми для создания инвариантных репрезентаций, и любая зона коры головного мозга именно этим и занимается.
Процесс формирования последовательностей окупается с лихвой, когда входные сигналы неоднозначны, как, например, лист бумаги, который можно назвать и красным, и оранжевым. Допустим, вам предстоит определиться, какое ведро выбрать для этого листа, даже если вы не уверены наверняка в своем выборе. Зная наиболее вероятную последовательность для серии входных сигналов, вы сможете использовать эти знания для классификации неоднозначных входных сигналов. Если вы считаете, что попали на «ккпоз»-последовательность, поскольку вам попались два красных, зеленый и пурпурный цвета, то у вас формируется ожидание, что следующий цвет будет оранжевым. Но оказывается, что следующий лист совсем не оранжевый, он, скорее, нечто между красным и оранжевым. Вполне может быть, что он даже более близок к красному цвету, чем к оранжевому. Вы же ожидали «ккпоз»-последовательность, вы знакомы с ней, поэтому положите лист в ведро, предназначенное для оранжевых листов. В сомнительных случаях вы наверняка воспользуетесь контекстом известных последовательностей.
Этот феномен постоянно подтверждается в повседневной жизни. Когда люди разговаривают, то часто «глотают» отдельные слова, понять которые вне контекста было бы невозможно. Тем не менее такая особенность устной речи не мешает собеседникам прекрасно понимать друг друга. Бывает, невозможно прочесть отдельно взятое написанное от руки слово, смысл которого проясняется при прочтении целой фразы. В подавляющем числе таких случаев вы не осознаете, что восполняете недостающую информацию, исходя из усвоенных ранее последовательностей сигналов. Вы слышите то, что ожидаете услышать, и видите то, что ожидаете увидеть, тогда, когда услышанное и увиденное вами соответствует прошлому опыту.
Обратите внимание, что запоминание последовательностей не только облегчает интерпретацию неоднозначных входных сигналов, но и позволяет спрогнозировать, какой сигнал окажется следующим. Высшие зоны коры головного мозга сообщают зонам более низкого порядка, чего им следует ожидать дальше. Возвращаясь к примеру с сортировкой бумаги, вы могли бы сказать человеку, передающему вам листы: «Послушай, если ты не можешь никак решить, какого цвета лист подавать мне следующим, то, насколько я помню, это должен быть оранжевый». Распознавая последовательности сигналов, вышестоящая зона коры предсказывает, каким будет следующий сигнал, и сообщает зонам нижестоящим, чего им следует ожидать.
Зона коры головного мозга не только усваивает определенные последовательности, но и модифицирует уже имеющиеся классификации. Допустим, вы начали заполнять ведра зеленого, желтого, красного, пурпурного и оранжевого цветов. Вы уже приготовились к поступлению листов в последовательности «ккпоз» (или похожей комбинации этих цветов). Но что, если ваши ожидания не оправдаются? Что, если всякий раз, когда вы столкнетесь с подобием данной последовательности, вместо пурпурного вам предоставят лист цвета индиго? Скорее всего, вы измените надпись на соответствующем ведре с «Пурпурного» на «Индиго». Так вы приспосабливаетесь к меняющимся обстоятельствам и уходите от двусмысленности. И все это благодаря поразительной гибкости неокортекса.
Подобные изменения уже сложившихся классификаций происходят в зонах коры головного мозга на протяжении всей вашей жизни. Данный процесс осуществляется на основе взаимодействия последовательностей сигналов; он же положен и в основу обучения. Все зоны коры головного мозга очень пластичны, т. е. информация, сохраняющаяся в них, модифицируется под влиянием прошлого опыта и восприятия текущей ситуации. Создавая новые классификации и новые последовательности, вы запоминаете мир.
И наконец, давайте обсудим, как эти классификации и прогнозы взаимодействуют с высшими зонами коры головного мозга. Здесь следует представить вам еще одну функцию коры головного мозга – трансляцию воспринятого в зону на уровень выше (в нашем случае это будет передача вверх по иерархии листа с отметкой «ккпоз»). Для следующего уровня буквы сами по себе мало что означают. Название – это просто сигнал, подлежащий последующей обработке и сопоставлению с остальными сигналами, классификации и последующему размещению в последовательности более высокого порядка. Точно так же, как и вы, эта высшая зона следит за последовательностями, которые воспринимает. В какой-то момент она может обратиться к вам: «Эй, послушайте, если вы не знаете, что мне подавать следующим, то, насколько мне известно, это должна быть последовательность «жжкзж». Фактически, это прямое указание на то, что вы должны искать в данный момент в своем потоке входящих сигналов. Вы будете изо всех сил стараться распознать составляющие компоненты известной вам последовательности.
Поскольку многие из нас сталкивались с понятием классификации сигналов, принятым в теории искусственного интеллекта и используемым при описании зрительного восприятия, давайте рассмотрим, чем отличаются эти сигналы от функционирования коры головного мозга. Пытаясь обучить компьютер распознавать объекты, исследователи, как правило, создают шаблон, например, изображение чашки или какую-то прототипную форму чашки, а потом программируют машину на поиск соответствия входящей информации шаблону. В случае значительного сходства выдается ответ, что обнаружена чашка. Отличие реального интеллекта состоит в том, что в нашем мозге нет таких шаблонов, а сигналы, поступающие в верхние зоны коры головного мозга, совсем не похожи на картинки. Вы не запоминаете моментальных изображений, воспринимаемых вашей сетчаткой, или ушами, или тактильными рецепторами, расположенными по всей поверхности вашей кожи. Иерархическое строение коры головного мозга обеспечивает распределение информации об объекте по всей иерархии – воспоминание о том или ином явлении или событии, предмете или человеке не сохраняется в каком-то одном месте. Кроме того, каждая зона из образующих иерархию формирует инвариантные запоминания, а в определенном поле неокортекса возникает последовательность инвариантных репрезентаций, которые, в свою очередь, тоже являются последовательностями инвариантных запоминаний. В головном мозге не сохраняются изображения чашки или каких-либо других объектов внешней среды.
В отличие от камеры ваш мозг запоминает окружающую среду такой, какая она есть, а не такой, какой она выглядит. Когда вы думаете о мире, то вспоминаете последовательности сигналов, соответствующих свойствам объектов, их функционированию и характеристикам ощущений в определенный момент времени. Последовательности, в рамках которых вы воспринимаете объекты окружающей действительности, отражают инвариантную структуру самого мира. Порядок, в котором вы воспринимаете составляющие внешнего мира, предопределяется его структурой. Например, вы можете попасть в самолет по трапу, но не напрямую от кассы. Последовательностями, в которых вы воспринимаете мир, представлена его реалистичная структура, именно она и формируется в коре головного мозга.
Не забывайте, однако, что инвариантная репрезентация в любой зоне коры головного мозга может превратиться в подробный прогноз того, какие ощущения возникнут в органах чувств, с одновременной ретрансляцией сигнала вниз по иерархии. Точно так же инвариантная репрезентация в моторной коре головного мозга может перейти в подробные ситуационно-специфические моторные команды посредством передачи сигнала вниз по иерархии.

Строение зон коры головного мозга

А сейчас давайте рассмотрим отдельную зону коры головного мозга, одну из тех, что изображены блоками на рис. 6.5.



Рис. 6.6. Слои и колонки в зоне коры головного мозга

На рис. 6.6 приведено схематическое строение зоны коры головного мозга. В этом разделе я покажу, как клетки зоны коры головного мозга распознают и вызывают из памяти последовательности сигналов, обеспечивая тем самым формирование инвариантных репрезентаций и составление прогнозов. Начнем с описания структуры, общей для всех зон коры головного мозга. Прежде всего, между ними имеются значительные расхождения в размерах. Наиболее обширными являются первичные сенсорные зоны. К примеру, зона V1 занимает в задней части мозга область, приблизительно соответствующую площади паспорта. Как я уже упоминал выше, она состоит из множества подзон, которые могут быть не больше букв на этой странице. Но давайте пока предположим, что типичная зона коры головного мозга размером с мелкую монету.
Вспомните шесть визиток, с помощью которых в главе 3 мы представили слои ткани неокортекса. Что это за слои? Если мы рассмотрим корковую зону размером с монету под микроскопом, то увидим, что при передвижении снизу вверх плотность и форма нервных клеток различаются. Верхний слой 1 сильнее всего отличается от остальных слоев. Он состоит из густого переплетения аксонов, идущих параллельно поверхности коры, нейронов в этом слое почти нет. Строение слоев 2 и 3 сходно – они густо «населены» большим количеством пирамидных клеток. Слой 4 состоит из нервных клеток звездчатой формы. В слое 5 мы увидим как пирамидные клетки обычных размеров, так чрезвычайно большие. Несколько типов нейронов есть и в нижнем слое 6.
Визуально мы воспринимаем горизонтальные слои, но большее значение имеют колонки клеток, располагающиеся перпендикулярно. Можете считать колонки вертикальными объединениями клеток, которые работают вместе. (Термин «колонка» вызывает много дебатов в научных кругах. Нейробиологи спорят об их размере, функциях и роли в целом. Для удобства будем мыслить в рамках их архитектуры, поскольку то, что у коры столбчатая архитектура, признается всеми.) Слои в пределах каждой колонки связываются аксонами, которые проходят вверх-вниз и создают синапсы. Отмечу, что наши колонки не имеют четких очертаний – в коре нет ничего простого. То, что колонки существуют, доказывается следующими положениями.
Положение 1. Вертикально расположенные клетки одной колонки активизируются под воздействием одних и тех же стимулов. Так, при подробном рассмотрении колонок зоны V1 мы обнаружим, что некоторые из них соответствуют линейным сегментам с правым уклоном (/), а другие – линейным сегментам с левым уклоном (\). Клетки из одной колонки тесно связаны, именно поэтому вся колонка реагирует на один и тот же стимул. Например, активная клетка слоя 4 активизирует расположенные над ней клетки слоев 3 и 2, что, в свою очередь, активизирует клетки, входящие в слои 5 и 6. Активность распространяется вниз и вверх в пределах колонки.
Положение 2. Наличие колонок нейронов в зонах неокортекса объясняется особенностями формирования коры головного мозга в эмбриогенезе. Эмбриональные клетки-предшественники мигрируют из внутренней мозговой впадины к месту образования коры головного мозга. Каждая из указанных клеток делится, образуя приблизительно сотню нейронов, называемых микроколонками. Эти нейроны связаны друг с другом вертикально так, как я описал. Термин «колонка» часто используется достаточно свободно для описания разных явлений. Под колонкой может подразумеваться общая вертикальная связность в коре или же вполне определенная группа клеток, происходящих от одной клетки-предшественницы. В рамках последнего определения мы можем утверждать, что в коре головного мозга есть несколько сотен миллионов микроколонок.
Чтобы вам легче было представить эту колончатую структуру, вообразите микроколонку в человеческий волос толщиной. Возьмите тысячи волосков и разрежьте их на небольшие сегменты, имеющие высоту строчной буквы Т. Если поставить их бок о бок очень плотно друг к другу и склеить, получится густая щетина. Теперь создайте покров из длинных и очень тонких волосков. Они будут представлять аксоны слоя 1. Приклейте их горизонтально к поверхности нашей щетины. Этот щетиноподобный коврик является упрощенной моделью зоны коры головного мозга размером с монету. Потоки информации преимущественно передвигаются преимущественно вдоль волосков: горизонтально в слое 1 и вертикально в слоях 2-6.
Рассмотрим еще одну важную особенность колонок, а затем перейдем к анализу их назначения. При пристальном рассмотрении мы увидим, что не менее 90% синапсов клеток из одной колонки – это связи с клетками, расположенными вне пределов самой колонки: некоторые соединения – с соседними колонками, некоторые – вообще с другими частями мозга. На основании чего же мы говорим о важности колонок, если большинство связей распределено по всему мозгу, а не локализовано?
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38