Машина мышления. Заставь себя думать - Андрей Владимирович Курпатов

внешнюю среду три иона Na+, запустив обратным током внутрь себя два иона К+.

Калий нейрону нужнее, чем солёнящий его натрий, а обмен трёх положительных зарядов Na+ на два положительных заряда К+ постепенно приводит к тому, что «плюсов» снаружи клетки становится столько же, сколько и внутри — клетка, так сказать, успокаивается, жизнь налаживается.

Казалось бы, что тут хитрого и где тут, как было заявлено, место для «мысли» нейрона? Но давайте подумаем над этим.

Количество сочленений на одном отдельно взятом нейроне огромно. То есть нейрон не просто получает сигнал от другого нейрона, он получает тысячи сигналов от разных нейронов. И опять-таки не просто сигналов…

Какие-то из нейронов возбуждены сильнее (у них мощный потенциал действия), а поэтому они выстреливают значительным количеством молекул нейромедиатора в синаптические щели.

Какие-то из нейронов по своей природе являются возбуждающими, то есть передают потенцирующий заряд на соседа, а какие-то, напротив, тормозными, то есть они не увеличивают, а, наоборот, уменьшают поляризацию на принимающей сигнал мембране (то есть деполяризуют её).

• Наконец, плотность соприкосновения разных нейронов с нейроном-реципиентом тоже различается. Проще говоря, разные синаптические щели по площади вовсе не одинаковы. Посмотрите, как это выглядит на рис. 22.

Кто читал мою «Красную таблетку», наверное, помнит о синаптических «шипиках», которые были обнаружены Эриком Канделом в его экспериментах на аплазиях (за это открытие он получил Нобелевскую премию в 2000 году)26.

Рис. 22. На изображении слева — срез нервной ткани, осуществляемой для последующего JD-моделирования коннектома (справа) — всех связей между нейронами мозга.

Отрастание этих «шипиков» — основной механизм долговременной памяти: если нейроны вынуждены взаимодействовать друг с другом часто, то их синапсы становятся анатомически больше, что увеличивает общую плотность соприкосновения данных нейронов.

Таким образом, когда два таких нейрона общаются друг с другом, то даже при незначительном, казалось бы, возбуждении одного он передаёт второму достаточно мощный сигнал, потому что просто физически дотягивается до большего количества рецепторов на его постсинаптической мембране.

Итак, один нейрон получает от других нейронов тысячи сигналов — разного заряда (возбуждающие и тормозные), а также разной интенсивности по причине силы активации этих нейронов и своей площади соприкосновения с ними.

Тут, как вы понимаете, без высшей математики не обойтись… И если «мышлением» деятельность нейрона ещё, наверное, трудно назвать, в том что он подобен «слабому искусственному интеллекту» («роботу», как говорит Дэниел Деннет), сомнений нет никаких.

Впрочем, вся эта «математика» на уровне нейрона только начинается… И чтобы разобраться в этом, давайте чуть отодвинемся и увеличим, так сказать, площадь обзора.

Каждый нейрон живёт в группах нейронов. Они могут быть организованы по-разному — в виде кортикальных колонок в коре головного мозга (рис. 23), о чём мы с вами ещё поговорим, или, например, специфическими ядрами в подкорковых областях.

Рис. 23. Слева представлена схема организации одной микроколонки, а справа — организация этих мини-колонок в более крупные образования — макроколонки, гиперколонки.

Есть своя специфическая, очень плотная организация и у нейронов мозжечка (где их, кстати, даже больше, чем во всём остальном мозге), и у протяжённых клеток ретикулярной формации, и у других изначально функционально связанных групп нейронов.

Каждая такая группа отвечает за какой-то свой функционал — от самого примитивного до, в случае, например, гиперколонки, уже достаточно сложного. Это определяется и генетически, и, что особенно актуально для коры головного мозга, за счёт тренировки и жизненного опыта.

Однако такая «локальная интеграция» клеток — это только один из уровней организации общей, весьма сложной иерархической структуры мозга.

Объединившись в кортикальную колонку (или группу кортикальных колонок) в зрительной коре, такое образование будет иметь свою конкретную миссию: опознавать или, точнее сказать, генерить внутреннее изображение какой-то геометрической формы.

Зрительные колонки, находящиеся в другой области мозга, будут опознавать/производить и что-то другое — звуковой образ, например, или тактильное ощущение, запах и т. д.

Но и тут не всё так просто… Эту сложность легче всего представить на примере именно зрительного анализатора. Какую фигуру вы видите на рис. 24 слева, а какую — справа?

Рис. 24. Правильный шестнадцатиугольник.

И слева, и справа — правильный шестнадцатиугольник. Но подумайте о том, какая сейчас конкуренция происходит в вашей зрительной коре!

Одни группы кортикальных колонок отчаянно уверяют вас в том, что вы видите «круг», а другие яростно сигналят о куче «углов».

Что ж, теперь вам, наверное, стоит оглянуться вокруг: весь этот мир создан вашим мозгом из таких вот элементарных кортикальных откликов — палочка, косая палочка, кривая палочка…

ПАЛКА, ПАЛКА, ОГУРЕЧИК — ВОТ И ВЫШЕЛ ЧЕЛОВЕЧЕК

За открытие того, что наш с вами визуальный мир состоит именно из таких палочек разных форм и прочих загогулин, Дэвид Хьюбел и Торстен Визель получили в 1981 году Нобелевскую премию по физиологии и медицине27.

Вот схема эксперимента, в котором они мучили кошку, а именно — её зрительную кору (рис. 25).

Рис. 25. Схема классического эксперимента

Д. Хьюбела и Т. Визеля (справа на вертикальной диаграмме изображены предъявляемые животному стимулы, слева — интенсивность реакции нейронов зрительной коры, в которые был установлен воспринимающий нейронные разряды электрод).

Исследователи установили в зрительную кору кошки электроды, которые должны были фиксировать активность соответствующих нейронов. Закрепили голову кошки перед экраном и начали демонстрировать ей стимульный материал.

Экспериментальному животному сначала показывали самые разные статичные объекты, потом объекты в движении, но клетки, в которых были установлены электроды, молчали как мёртвые.

Исследователи были в отчаянии. И буквально случай — неаккуратное смещение экспонируемого объекта в угол поля зрения — дал вдруг резкий разряд: до того молчавший, проинтрубированный электродом нейрон сработал!

Хьюбел с Визелем предположили, что зафиксировали реакцию не на объект, а на то, как он выглядел в этот момент для животного, а именно — как наклонённая линия.

То есть попавшийся (во время установки) их электроду нейрон, как оказалось, реагировал строго на вид линии определённого наклона.

Последующие исследования доказали, что не он один, а все нейроны зрительной коры (точнее, небольшие кортикальные колонки) отвечают за подобные — совершенно незначительные, примитивные, казалось бы, по отдельности — элементы.

Это может казаться странным, неправдоподобным и, конечно, является контринтуитивным… Но вспомните своё впечатление, когда вы смотрите на гравюру или на знаменитые импрессионистские «Кувшинки» Клода Моне.

Разве перед вашими глазами не изображения соответствующих объектов? Да, вы видите и то, что изображено на гравюре, и кувшинки на водной глади пруда. Но приблизьтесь — перед вами на самом деле вовсе не объекты, а