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

мы находимся в вашем мозгу меньше секунды. В течение полной секунды менее 10 % кортикальных нейронов сгенерируют импульсы. 90 % предпочтут хранить молчание [150]. Даже если бы мы просидели здесь целую минуту, большинство нейронов все равно не отправили бы ни одного импульса. Тем не менее, следуя за импульсами этого меньшинства активных нейронов, мы достигли самого дальнего конца пути через все зрительные области коры ваших больших полушарий всего за несколько сотен миллисекунд.

В самом начале этой книги я сказал вам, что в среднем на каждый нейрон в коре головного мозга приходится один импульс в секунду. Но что, если 90 % нейронов в эту секунду молчат? То есть, чтобы получить в среднем один импульс на нейрон каждую секунду, некоторые нейроны должны отправлять множество импульсов. Так и есть.

Около 10 % нейронов коры производят половину всех импульсов. Я повторю еще раз, потому что лично мне потребовалось время на осмысление, когда я впервые столкнулся с этим фактом: половину всех импульсов в коре головного мозга отправляют лишь 10 % нейронов. В наборе нейронов из первичного слухового поля (A1), которые исследовал Громадка, 16 % отправили половину всех зарегистрированных импульсов. В исследованиях О’Коннора по регистрации активности зоны сенсорной коры (S1), обслуживающей определенную вибриссу, половину всех зарегистрированных импульсов отправили ровно 10 % нейронов. Болтливое меньшинство отправляет большинство сообщений, доминируя в информационном обмене. Это означает, что существует континуум – весь непрерывный ряд активности от действительно темных нейронов на одном конце и до этих трескучих сорóк на другом.

Чтобы выяснить, как именно выглядит этот континуум, в 2012 году я занялся изучением наработанного за много лет массива лабораторных данных об активности групп нейронов в коре головного мозга – часть моего вклада в гигантский обзор нейронной активности в коре, написанный совместно с Адрианом Ворером и Кристианом Махенсом [151]. И везде я видел одно и то же. Когда мы выбираем временной отрезок, количество импульсов на нейрон распределяется неравномерно. В каждый определенный промежуток времени некоторые нейроны будут совершенно неактивны, большинство из них отправит всего несколько импульсов, зато несколько нейронов отправят огромное их количество. Распределение активности по группе нейронов коры является «длинно-хвостым» (рис. 6.1).

Рисунок 6.1. Что я имею в виду под «длиннохвостым» распределением активности. Мы берем запись активности большой группы нейронов и наблюдаем, сколько импульсов каждый нейрон посылает в секунду. Затем выясняем, какая часть нейронов посылает, скажем, 1 импульс в секунду; или 2 в секунду; или 0,1 импульса в секунду (т. е. один каждые 10 секунд). Построив график, как здесь, мы всегда видим одно и то же: пик между 0 и 1 импульсом в секунду и длинный хвост распределения далеко вправо, с небольшой долей нейронов, отправляющих 10 или более импульсов в секунду

Я повсюду находил такие длиннохвостые распределения. В первичной зрительной и слуховой коре, в двигательных областях и в префронтальной коре; в данных, полученных с использованием различных методов записи импульсов. И независимо от того, что животное делало в это время – спокойно сидело, смотрело, двигалось или принимало решение. В этих группах нейронов всегда наблюдалась одна и та же картина: кто-то молчит, большинство изредка вступает в разговор, а несколько – болтают без остановки.

Из моего исследования молчаливых нейронов можно сделать весьма важные предположения. Во-первых, измерение «средней» активности как способ понять, что делает какая-либо область коры головного мозга, бесполезно. Горстка болтливых нейронов искажает средние показатели наших измерений, задирая их вверх, заставляя нас предполагать, что большинство нейронов в этой области посылают импульсы, когда на самом деле это не так. Во-вторых, оно показало, что темные нейроны, посылающие гораздо меньше одного импульса в секунду, есть повсюду. Более того, оно отчетливо показало, что в течение нескольких коротких секунд, когда животное сидит, смотрит, движется или думает, эти темные нейроны ничего никому не сообщают. Для чего тогда они нужны, эти молчаливые темные нейроны?

Для чего нужны темные нейроны

Темные нейроны – это настоящая головоломка. Наши теории о том, как работают различные участки мозга, основаны на последовательностях импульсов, регистрируемых в них. Но преобладание молчаливых темных нейронов означает, что наши теории касаются лишь части нейронов – далеко не всех.

Помните простые и сложные клетки в V1? Когда мы были там, я пересказал вам теории о том, как можно объяснить настройку простых клеток, комбинируя импульсы их входящих сигналов от сетчатки, а настройку сложных клеток – комбинируя импульсы, приходящие от простых ячеек. С учетом темных нейронов понятно, что эти теории относятся лишь к горстке нейронов в V1, к тем клеткам, у которых мы можем надежно зарегистрировать реакцию на изображения, а не к молчаливому большинству. Выходит, наша уверенность, что распознавание изображений в сетях искусственного интеллекта сродни работе мозга, возможно, не так уж и обоснованна, как кажется, поскольку является сравнением с относительно небольшой горсткой активных нейронов. И эти проблемы не ограничиваются первичной зрительной корой V1. Они проявляются во всех областях коры головного мозга, везде, где мы построили теории на основании наблюдений за отдельными нейронами, там, где мы вообразили два визуальных шоссе, в областях, ответственных за другие органы чувств, во всех остальных частях коры.

Эти темные нейроны должны что-то делать. Нейрон обходится организму слишком дорого – его дорого вырастить, дорого поддерживать в нем жизнь и дорого использовать [152]. Мозг ежедневно расходует около 20 % всего вашего энергетического бюджета. На одно только поддержание жизнеспособности и хорошего состояния клеток мозга уходит около 25 % энергетического бюджета мозга, то есть 5 % вашего общего бюджета каждый день. Мы уже видели, как дороги синапсы: примерно половина энергии, расходуемой нейронами, приходится на их входы; другая половина уходит на создание импульсов [153]. Темные нейроны потребляют энергию, чтобы остаться в живых и получать входящие сигналы, но практически не производят никаких исходящих данных. Возможное решение – перевернуть этот вопрос, оттолкнуться от энергии, которую они не используют. В конце концов, один из способов сохранить часть энергии – не отправлять импульсы, ведь так можно вдвое уменьшить затраты энергии на использование нейрона.

Но если бы вам не были нужны темные нейроны, эволюция не стала бы заботиться об их существовании. И при развитии организма не тратилось бы столько энергии на их выращивание, деление и распространение аксонов в нужные места. У вашего тела есть масса вещей поинтереснее, на которые можно было бы потратить этот энергетический бюджет, кроме мертвого груза нервных клеток в голове. Было бы абсурдно заполнять зрительную кору нейронами, которые ничего не видят. Абсурдно выращивать массивную префронтальную кору, а затем заполнять ее нейронами, сидящими там в темноте. Так для чего они нужны?