Скорость мысли. Грандиозное путешествие сквозь мозг за 2,1 секунды - Марк Хамфрис

сети для ИИ построены на основании одной и той же модели нейрона – очень простой, которая лишь суммирует входящие данные от других моделей нейронов. И после суммирования проверяет, больше ли их сумма, чем ноль, и если да, то отправляет эту сумму всем своим адресатам (в противном случае отправляет ноль). Самые глубочайшие из глубоких нейросетей построены из миллионов этих элементарных нейронов. Но я только что потратил больше пяти тысяч слов на то, чтобы рассказать вам, что отдельный нейрон в коре головного мозга не просто суммирует поступающие на его дендритные входы данные. То, как нейрон коры головного мозга обрабатывает входящие данные, зависит от множества факторов, которые еще и взаимодействуют друг с другом: от баланса и синхронности сигналов на его входах, от того, в какое место они поступают и как группируются, суммируются ли они линейно, каков уже накопленный электрический потенциал в тот момент, когда поступают входящие импульсы, и что находится на пути между точкой входа и телом нейрона. Современные сети искусственного интеллекта едва приблизились к тому, что может делать мозг.

Собственно говоря, подробные модели нейронов уже продемонстрировали нам, что отдельный нейрон коры может представлять собой двухслойную нейронную сеть [79]. Если каждая ветвь дендритного дерева способна производить нелинейное суммирование, значит, каждая ветвь действует как одна гипотетическая ячейка простой сети ИИ. Сигналы от дендритов (первый слой сети) сходятся в теле нейрона (второй слой сети). Это дает возможность отдельным нейронам самостоятельно вычислять многие логические функции [80]. Таким образом каждый отдельный нейрон по своей вычислительной мощности эквивалентен ноутбуку, стоящему перед вами на столе, с мигающим курсором в пустой ячейке незаполненной таблицы квартального отчета. Его чересчур яркий экран, к счастью, отклонен под таким углом, что не закрывает от вас плоскую квадратную коробку, в которой находится только что замеченное вами печенье. Каждый нейрон в коре головного мозга – почти компьютер [81].

Оказывается, создание нового импульса – дьявольски сложный процесс. Наш импульс, прибывший по аксону из сетчатки глаза, перепрыгнул через синаптический промежуток, совершив трансмутацию из волны электрического потенциала типа «все или ничего» в химический сигнал нейромедиатора глутамата и обратно в небольшой всплеск напряжения. Вместе с нами из сетчатки прибыл целый легион импульсов, и все вместе они возбудили нейрон до критической точки его мембранного потенциала. Наш импульс – одинокий голос в крещендо дерзкого хорала, воспевающего печенье в коробке на столе. Но, кроме нашего хора, синапсы принимающего нейрона атакуют легионы других импульсов от местных нейронов коры, посылающих ингибирующий нейромедиатор, ГАМК, через синаптический промежуток. Отрицательные всплески напряжения гасят возбуждение нейрона, удаляя его потенциал от критической точки возбуждения. Двигаясь по дендритам к телу нейрона, всплески потенциала находятся в равновесии, чтобы работа мозга оставалась стабильной. Тем не менее, пока каждый из них пробегает по своему дендриту, мы можем наблюдать, как некоторые из наших попутчиков постепенно гаснут и умирают, а других внезапно поглощают ниндзя ГАМК. В водовороте внезапной, случайным образом сложившейся серии положительных всплесков, пришедших вместе, напряжение нейрона минует критическую точку, и новый мощный импульс отправляется в путь из первого нейрона в коре. Но куда?

Глава 4

Раздвоение личности

Разделяй и властвуй

Импульсы плывут туда, куда ведут аксоны. Каждый аксон тонкой ниточкой выходит из тела своего нейрона, прокладывая линию связи от одного к другому. Когда мы говорим о соединении двух нейронов, может показаться, что аксон – это просто провод между нейронами, игрушечная телеграфная линия, две консервные банки на веревке. Но аксон – это не выделенная линия, передающая персональное сообщение одного нейрона единственному приватному адресату.

Аксон – извилистая структура, которая многократно раздваивается, яростно ветвится, извивается, скручиваясь и изворачиваясь. Аксон простой клетки, по которому мы несемся, следуя за нашим импульсом, впереди извивается и поворачивает, как быстрая река, разделяясь на протоки больше ста раз. От него отходят ветки, но расположены они неравномерно: одни находятся рядом с телом клетки, другие ответвляются в слоях, расположенных выше и ниже, некоторые – где-то вдалеке от нас. И он такой не один – большинство нейронов в коре головного мозга испускают извилистые заросли аксонов, покрывающих объем, который многократно превосходит размеры родительского нейрона вместе с его дендритным деревом. Поднимаясь над простой клеткой, мы видим возвышающиеся стволы ветвящихся аксонов пирамидальных нейронов третьего слоя. Они делятся сотни раз, одна длинная ветвь каскадом спускается мимо нас, а затем снова и снова расщепляется под нами в пространстве пятого слоя. У нас едва хватает времени осознать эту картину, как наш импульс налетает на первую развилку.

При каждом ветвлении импульс копируется, клонируется, отправляется в каждую новую ветвь, чтобы множество копий сообщения неслись по аксону всё дальше и дальше. Сотни разветвлений на пути вниз. Таким образом из одного импульса, исходящего из тела нейрона, создаются сотни клонов. А те в свою очередь вызывают высвобождение молекул нейромедиаторов в синаптических промежутках на конце каждой из ветвей, потому что соединения между нашим аксоном и дендритами других нейронов разбросаны по всей его длине. Периодически мы пролетаем мимо этих соединений, расположенных через каждые пять микрометров, упакованных настолько плотно, насколько позволяет размер их молекулярного механизма, и каждый готов к сбросу своего молекулярного заряда, чтобы вызвать всплеск напряжения на другой стороне. Мы проходим и через длинные отрезки аксона без единого разветвления, без связей с другими нейронами, часто до странности прямые, – это «магистрали» аксона, предназначенные для передачи импульса в другие зоны коры головного мозга, где вновь будет взрыв ветвления и извивов.

Достигнув конца аксона, наш импульс с помощью клонов успел вступить в контакт с тысячами других нейронов. По другую сторону большинства синаптических промежутков находится другой нейрон. Таким образом бóльшая часть из примерно 7000 возбуждающих входов одного коркового нейрона принимает сигналы от разных аксонов, исходящих из разных нейронов. Это означает, что каждый возбуждающий нейрон коры головного мозга через аксон осуществляет соединения примерно с 7000 различными нейронами, что возможно именно благодаря ветвлению и извилистости аксона, когда он изгибается и разделяется после каждого синаптического контакта, чтобы достичь новой цели.

Путем клонирования аксон одного нейрона передает импульс возбуждения тысячам принимающих его нейронов коры головного мозга. Знание, что это за получатели и где именно они расположены, может многое сказать нам о назначении этого нейрона. Чтобы разобраться, какое сообщение несет наш импульс, нам нужно знать две вещи о нейроне, который его отправил. Во-первых, на что реагирует этот нейрон, что в первую очередь вызвало его возбуждение – и мы знаем из предыдущей главы, что