Модели разума. Как физика, инженерия и математика сформировали наше понимание мозга - Lindsay Grace

По сравнению с некоторыми из самых любимых и красивых уравнений в науке, эти сети - громоздкие, неприглядные чудовища. Но, в конце концов, они работают - и нет никакой гарантии, что что-то более элегантное будет работать.

Работа Селфриджа подтолкнула биологов к рассмотрению зрительной системы как иерархической системы, а эксперименты, проведенные в результате, заложили основу для разработки конволюционных нейронных сетей. Эти семена были взращены в компьютерной науке, и в итоге сотрудничество принесло плоды обеим сторонам. В целом, стремление к созданию искусственных систем, способных решать реальные визуальные задачи в реальном мире, подтолкнуло изучение биологического зрения в направлениях, в которых оно, возможно, не продвинулось бы самостоятельно. Инженерам и компьютерщикам всегда было приятно иметь в своем распоряжении зрительную систему мозга - не только для вдохновения, но и для доказательства того, что эта сложная проблема решаема. Эта взаимная признательность и влияние делают историю изучения зрения уникально переплетенной.

 

Глава 7. Взлом нейронного кода. Теория информации и эффективное кодирование

 

В то время как сердце перекачивает кровь, а легкие осуществляют газообмен, печень перерабатывает и накапливает химические вещества, а почки выводят их из крови, нервная система обрабатывает информацию.

Целью встречи 1968 года программы Neurosciences Researchбыло обсудить, как отдельные нейроны и группы нейронов обрабатывают информацию. Резюме встречи, написанное нейробиологами Теодором Баллоком и Дональдом Перкелем, не требует каких-либо жестких и быстрых выводов. Но оно описывает широкий мир возможностей для представления, преобразования, передачи и хранения информации в мозге, обобщая состояние дел в этой области.

Как следует из цитаты из их резюме, приписывать роль обработки информации мозгу кажется столь же естественным, как и говорить, что сердце перекачивает кровь. Еще до того, как в двадцатом веке слово "информация" вошло в повседневный лексикон, ученые неявно говорили об информации, которую передают нервы, часто на языке "сообщений" и "сигналов". Например, в лекции для сотрудников больницы, прочитанной в 1892 году, объясняется, что: "Существуют волокна, которые передают сообщения от различных частей тела к мозгу", и что некоторые из этих волокон "несут особые виды сообщений, как, например, нервы, связанные с органами особого чувства, которые были названы воротами знаний". В том же ключе в публикации 1870 года описывается срабатывание двигательных нейронов как "сообщение воли мышцам" и даже говорится о том, что нервная система приравнивается к доминирующей в то время технологии передачи информации - телеграфу.

Но исследования того, как нервная система представляет информацию, всерьез начались примерно за 40 лет до доклада Буллока и Перкела, с работ Эдгара Адриана в начале XX века.

Адриан во многих отношениях являл собой образ чопорного и правильного человека, занимающегося наукой. К моменту его рождения в Лондоне в 1889 году его семья проживала в Англии уже более 300 лет - в ее роду были хирург XVI века, несколько преподобных и членов правительства. Когда он был студентом, его блестящие способности регулярно отмечались его учителями. Помимо медицины во время учебы в университете, он проявлял способности к искусству, в частности к живописи и рисунку. Будучи преподавателем в Кембридже, он проводил долгие часы в лаборатории и в аудитории. В своей карьере физиолога он добился несомненного успеха. В возрасте 42 лет он стал лауреатом Нобелевской премии, а в 1955 году королева Елизавета II пожаловала ему титул, и он стал лордом Адрианом.

Но за этими официальными наградами и почестями скрывался беспокойный и хаотичный человек. Адриан был любителем острых ощущений, ему нравилось лазить по горам и гонять на быстрых машинах. Он с удовольствием проводил эксперименты над собой, в том числе, чтобы измерить мышечную активность. Известно, что он играл в замысловатые прятки с сокурсниками в долинах Озерного края Англии. Как профессор он был столь же неуловим. Он избегал незапланированных встреч, прячась в своей лаборатории, и заставлял всех любознательных студентов пытаться поймать его, когда он ехал домой на велосипеде. Он был темпераментным, и когда ему нужно было подумать, он устраивался на полке в темном шкафу. Его товарищи по лаборатории и семья описывали его движения как быстрые, отрывистые и почти постоянные. Его мысли были такими же стремительными. На протяжении своей карьеры он изучал множество различных вопросов у самых разных животных: зрение, боль, осязание и управление мышцами у лягушек, кошек, обезьян и многих других.

Эта неспособность сохранять неподвижность, физическую или умственную, возможно, стала залогом его успеха. Благодаря своим разнообразным исследованиям активности отдельных нервов он смог найти некоторые общие принципы, которые легли в основу нашего понимания нервной системы в целом. В своей книге 1928 года "Основа ощущений" Адриан объясняет свои выводы и эксперименты, которые позволили ему к ним прийти. Страницы книги пестрят разговорами о "сигналах", "сообщениях" и даже "информации", и все это вперемешку с анатомическими подробностями нервной системы и техническими проблемами, связанными с фиксацией ее активности. Это была смесь экспериментальных достижений и концептуальных идей, которые будут влиять на эту область в течение десятилетий.

В главе 3 Адриан рассказывает об эксперименте, в котором он добавляет вес к мышце лягушки, чтобы посмотреть, как отреагируют рецепторы "растяжения", отслеживающие положение мышцы. Адриан записывал показания нервов, по которым сигнал от рецепторов поступает в спинной мозг. Примение в различные грузы, Адриан подвел итог своим выводам: "Сенсорный сигнал, который поступает в центральную нервную систему при растяжении мышцы... состоит из последовательности импульсов знакомого типа. Частота повторения импульсов зависит от силы стимула, но размер каждого импульса не меняется". Этот вывод - что размер, форма или длительность потенциала действия, испускаемого этими сенсорными нейронами, не меняется, независимо от того, насколько тяжелым или легким является вес, приложенный к мышце, - Адриан назвал принципом "все или ничего".

Примеры "все или ничего" в природе нейронных импульсов повторяются на протяжении всей книги. У разных видов, для разных нервов, несущих разные сообщения, история всегда одна и та же. Потенциалы действия не меняются в зависимости от сигнала, который они передают, но их частота может меняться. Таким образом, импульсы нейрона похожи на армию муравьев - каждый из них максимально идентичен, а их сила обусловлена главным образом их численностью.

Если природа отдельного потенциала действия одинакова вне зависимости от силы или слабости вызвавшего его сенсорного стимула, то одно можно сказать наверняка: размер потенциала действия не несет информации. Благодаря вкладу Адриана физиологи теперь могли смело приступать к поиску того, где именно в нервах находится информация и как она передается.

Оставалась только одна проблема: что такое информация? Кровь, которую перекачивает сердце, и газы, которыми обмениваются легкие, - это реальные, физические субстанции.