Эволюция разума - Рэймонд Курцвейл

По такому же принципу устроен электронный чип, называемый «программируемой пользователем вентильной матрицей» (ППВМ, англ. Field-Programmable Gate Array, FPGA). Этот чип содержит миллионы модулей, использующих логическую функцию «ожидающих связей». При реализации определенной функции эти связи либо активируются, либо инактивируются (посредством электронных сигналов).

Те протяженные связи в новой коре, которые не применяются, в итоге отключаются, что отчасти объясняет, почему адаптация соседних участков новой коры для компенсации поврежденных участков не является столь же эффективной, как использование исходного участка. В соответствии с результатами Ван Видена исходные связи в высшей степени упорядочены и повторяемы, как и сами модули, а их сеть применяется для «направления проведения [сигналов]» в новой коре. Такая картина обнаружена в головном мозге человека и всех приматов и распространяется на все зоны новой коры, начиная от участков, ответственных за распознавание ранних (наиболее простых) сенсорных образов, и заканчивая уровнем высших эмоциональных образов. В заключительной части статьи Ван Видена говорится, что «всеобъемлющая, единая и последовательная сетчатая структура церебральных путей соответствует трем основным осям развития». Это опять же говорит о едином алгоритме функционирования новой коры.

Высокоупорядоченная структура решетки начальных связей нейронов новой коры (по данным исследований, проведенных Национальным институтом здоровья США).

Уже давно известно, что как минимум некоторые отделы новой коры построены по иерархическому принципу. Лучше всего исследован зрительный отдел коры, подразделяемый на зоны V1, V2 и MT (она же зона V5).

Еще одно изображение регулярных связей нейронов в новой коре.

При перемещении в более высокие отделы этой области коры («высокие» в смысле понятийной иерархии, а не в физическом смысле, поскольку новая кора по толщине всегда соответствует лишь одному распознающему модулю) происходит распознавание все более сложных (более абстрактных) понятий.

Структура решетки, обнаруженная в новой коре, удивительным образом напоминает структуру так называемой координатной коммутации, используемой в интегральных схемах и монтажных платах.

Зона V1 отвечает за самые примитивные формы, V2 может распознавать контуры, соответствие изображений, полученных от каждого глаза, пространственную ориентацию, а также является ли данный образ частью какого-то объекта или фоном[49]. Наивысшие зоны коры распознают такие понятия, как идентичность объектов и лиц и их движения. Также давно известно, что связь между этими иерархическими зонами осуществляется как снизу вверх, так и сверху вниз и что сигналы могут быть как возбуждающими, так и тормозящими. Нейрофизиолог из Массачусетского технологического института Томазо Поджо (род. в 1947 г.) активно занимался изучением зрительных отделов коры, и полученные им за последние 35 лет результаты были очень полезны для понимания иерархических принципов обучения и распознавания образов в «ранней» (находящейся на нижнем понятийном уровне) зрительной области коры[50].

Наши представления о нижних иерархических уровнях зрительной коры вполне соответствуют теории мысленного распознавания образов, о которой я говорил в предыдущей главе, а недавно удалось продемонстрировать иерархическую природу процессов далеко за пределами этих уровней новой коры. Профессор нейробиологии Техасского университета Даниель Дж. Феллман и его коллеги проследили «иерархическую организацию коры головного мозга… [в] 25 областях новой коры», в числе которых как зрительные зоны, так и участки высокого понятийного уровня, объединяющие образы, поступающие от нескольких органов чувств. Они обнаружили, что в соответствии с иерархическим строением коры обработка образов усложняется, затрагиваются все более обширные участки мозга и процесс занимает все более длительное время. И каждая проанализированная ими связь служит для проведения сигнала в обоих направлениях[51].

Недавние исследования позволили нам значительно расширить эти наблюдения за пределы зрительной коры и связанных с ней областей, принимающих сигналы от различных органов чувств. В 2007 г. профессор психологии Ури Хассон и его коллеги из Принстонского университета показали, что процессы, наблюдаемые в зрительной коре, имеют место и во многих других отделах коры: «Доказано, что нейроны зрительной коры имеют очень широкие рецептивные поля. В этом состоит основной принцип организации системы зрительного восприятия… Реальные события разворачиваются не только в пространственном, но и во временном измерении. Поэтому мы предполагаем, что иерархия, аналогичная иерархии пространственных рецептивных полей, должна существовать в различных отделах мозга и для реакций во временном измерении». Именно это они и обнаружили и пришли к заключению, что «существует иерархия прогрессивно увеличивающихся временных рецептивных полей, аналогичная известной иерархии пространственных рецептивных полей новой коры»[52].

Самым мощным аргументом в пользу универсального характера обработки информации в новой коре является доказательство пластичности этого процесса (не только обучаемость, но и взаимозаменяемость). Иными словами, один отдел мозга может выполнять работу других отделов, пользуясь общим для всей новой коры алгоритмом. Многочисленные нейрофизиологические исследования были посвящены идентификации участков новой коры, ответственных за обработку различных типов образов. Классический подход к исследованию данного вопроса состоит в проведении корреляций между повреждениями головного мозга (в результате травмы или инсульта) и потерей соответствующей функции мозга. Например, если выясняется, что в результате повреждения веретенообразной извилины человек перестает распознавать лица, но все еще способен узнавать людей по голосам и манере говорить, можно сделать вывод, что поврежденный участок связан с распознаванием лиц. При этом предполагается, что каждый такой отдел мозга предназначен для распознавания и обработки образов определенного типа. В результате отдельные физические участки мозга стали связывать с восприятием определенных типов образов, поскольку в норме именно в этих участках происходит обработка соответствующей информации. Однако выясняется, что при нарушении по какой-либо причине нормального потока информации эту функцию может взять на себя другой отдел новой коры.

Неврологам хорошо известна эта пластичность мозга, благодаря которой пациенты с повреждениями мозга в результате травмы или инсульта могут вернуть утерянные функции за счет других участков новой коры. Возможно, один из самых удивительных примеров пластичности мозга был продемонстрирован в 2011 г. американским нейрофизиологом Мариной Бедни и ее коллегами, которые изучали зрительную кору пациентов с врожденной слепотой. В соответствии с классическими представлениями, первичные уровни зрительной коры, такие как V1 и V2, воспринимают и обрабатывают самые примитивные образы (углы и линии), тогда как фронтальная кора (новый в эволюционном плане отдел мозга, заключенный в нашей необычайно развитой лобной части черепа) обрабатывает гораздо более сложные и тонкие речевые образы и другие абстрактные понятия. Однако Бедни и ее коллеги обнаружили следующее: «Считается, что левый лобный и височный отделы человеческого головного мозга предназначены для обработки речевых образов. Однако у слепых от рождения людей при решении некоторых речевых задач происходит активация зрительной коры. Мы показали, что эта активность зрительной коры на самом деле отражает обработку речевых образов. Мы обнаружили, что у людей с врожденной слепотой левая часть зрительной коры ведет себя аналогично классическим участкам, отвечающим за восприятие речи… Мы пришли к заключению, что отделы мозга, которые, как считалось, эволюционировали для восприятия зрительных образов, в результате раннего опыта могут участвовать в обработке речевых образов»[53].

Подумайте, что это означает. Получается, отделы новой коры, которые физически удалены друг от друга и, как считалось, отвечают за совершенно разные функции (восприятие примитивных зрительных образов и сложных речевых построений), фактически используют один и тот же алгоритм. Эти отделы, предназначенные для восприятия совершенно разных типов образов, могут заменять друг друга.

Нейрофизиолог Даниэль Фельдман из Университета Калифорнии в Беркли в 2009 г. опубликовал обширный обзор о том, что мы называем «механизмами синаптической пластичности новой коры», и привел доказательства подобной пластичности в разных отделах коры. Он пишет, что «пластичность позволяет мозгу узнавать и запоминать образы чувственного мира, совершенствовать движения… и восстанавливать функции после повреждений». Он добавляет, что эта пластичность достигается за счет «структурных изменений, включающих образование, удаление и морфологические перестройки кортикальных синапсов и дендритных шипиков»[54].