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

Тем не менее у него есть преданные последователи. Ученые - от студентов до профессоров, в том числе и те, кто находится далеко за пределами традиционных границ нейронауки, - ритуально собираются по понедельникам, чтобы получить несколько минут его озарений. Они приходят за его уникальной мудростью в основном по одной теме. Это всеобъемлющая основа, на которой Фристон уже более 15 лет строит понимание мозга, поведения и других процессов: принцип свободной энергии.

Свободная энергия" - это математический термин, определяемый различиями между распределениями вероятностей. Однако его значение в системе Фристона можно сформулировать довольно просто: свободная энергия - это разница между предсказаниями мозга о мире и фактической информацией, которую он получает. Принцип свободной энергии гласит, что все, что делает мозг, можно понимать как попытку минимизировать свободную энергию - то есть сделать так, чтобы предсказания мозга как можно больше соответствовали реальности.

Вдохновленные таким способом понимания, многие исследователи занялись поиском того, где в мозге могут делаться предсказания и как они могут сверяться с реальностью. Небольшая отрасль исследований, построенная на идее "предиктивного кодирования", изучает, как это может происходить, в частности, в сенсорной обработке. В большинстве моделей предиктивного кодирования информация проходит через систему сенсорной обработки в обычном режиме. Например, слуховая информация поступает из ушей, сначала проходит через области ствола и среднего мозга, а затем последовательно проходит через несколько областей в коре головного мозга. Этот прямой путь широко признан решающим для превращения сенсорной информации в восприятие даже теми исследователями, которые не слишком доверяют теории предиктивного кодирования.

Уникальность предиктивного кодирования заключается в том, что оно утверждает об обратном пути - связях, идущих от более поздних областей к более ранним (например, от второй слуховой области в коре головного мозга обратно к первой). В целом ученые выдвинули множество гипотез о различных ролях этих проекций. Согласно гипотезе предиктивного кодирования, эти связи несут в себе предсказания. Например, когда вы слушаете любимую песню, ваша слуховая система может иметь очень точное представление о предстоящих нотах и тексте. В соответствии с моделью предиктивного кодирования эти предсказания отправляются назад и объединяются с поступающей вперед информацией о том, что на самом деле происходит в мире. Сравнивая эти два потока, мозг может вычислить ошибку между предсказанием и реальностью. Фактически, в большинстве моделей кодирования предсказаний особые нейроны "ошибки" наделены именно этой задачей. Таким образом, их активность указывает на то, насколько мозг ошибся: если они часто стреляют, значит, ошибка в предсказании была высокой, если молчат - низкой. Таким образом, активность этих нейронов является физическим воплощением свободной энергии. И, согласно принципу свободной энергии, мозг должен стремиться к тому, чтобы эти нейроны работали как можно меньше.

Существуют ли такие ошибочные нейроны в сенсорных путях? И учится ли мозг их заглушать, делая более точные прогнозы о мире? Ученые ищут ответы на эти вопросы уже много лет. Например, исследование, проведенное учеными из Франкфуртского университета имени Гете, показало, что некоторые нейроны в слуховой системе действительно снижают свою активность, когда слышится ожидаемый звук. В частности, исследователи научили мышей нажимать на рычаг, издающий шум. Когда мыши слышали ожидаемый звук после нажатия на рычаг, их нейроны реагировали меньше, чем если бы этот же звук воспроизводился случайным образом или если бы рычаг издавал неожиданный звук. Это говорит о том, что у мышей в голове было предсказание, и нейроны их слуховой системы срабатывали чаще, когда это предсказание нарушалось. В целом, однако, доказательства предиктивного кодирования неоднозначны. Не все исследования, направленные на поиск нейронов с ошибками, находят их, и даже если находят, эти нейроны не всегда ведут себя именно так, как предсказывает гипотеза предиктивного кодирования.

Сделать мозг более совершенной предсказательной машиной может показаться самым очевидным способом минимизации свободной энергии, но это не единственный способ. Поскольку свободная энергия - это разница между предсказаниями мозга и опытом, ее также можно минимизировать, контролируя опыт. Представьте себе птицу, которая привыкла летать по определенному лесу; она может предсказать, какие деревья подойдут для строительства гнезда, где находится лучшая пища и так далее. Однажды она вылетает за пределы своего обычного ареала и оказывается в городе. Впервые столкнувшись с высокими зданиями и автомобильным движением, он теряет способность предсказывать практически все, что касается окружающего его мира. Такое большое расхождение между предсказаниями и опытом означает, что свободная энергия высока. Чтобы снизить свободной энергии, птица может остаться здесь и надеяться, что ее сенсорные системы адаптируются, чтобы быть в состоянии предсказывать особенности городской жизни. Или же она может просто улететь обратно в лес, откуда прилетела. Наличие второго варианта - выбора действий, которые приводят к предсказуемым сенсорным ощущениям, - делает принцип свободной энергии кандидатом на роль ГУТ мозга. Этот принцип не просто объясняет особенности сенсорной обработки, он может охватывать и решения о поведении.

Принцип свободной энергии действительно использовался для объяснения восприятия, действия и всего, что между ними. Он включает в себя такие процессы, как обучение, сон и внимание, а также такие расстройства, как шизофрения и зависимость. Также утверждается, что этот принцип может объяснить анатомию нейронов и областей мозга, а также детали их взаимодействия. На самом деле Фристон даже не ограничивает свободную энергию мозгом. Он утверждал, что она является руководящим принципом всей биологии и эволюции и даже способом понимания основ физики.

Эта склонность пытаться упаковать сложные темы в простые пакеты не покидала Фристона на протяжении всей его жизни. В статье, опубликованной в 2018 году в журнале Wired, он вспоминает мысль, которая пришла ему в голову в подростковом возрасте: "Должен быть способ понять все, начав с нуля... Если мне позволено начать только с одной точки во всей Вселенной, могу ли я вывести из нее все остальное, что мне нужно?". В мире принцип свободной энергии - это почти ничто, которое может объяснить почти все.

Однако за пределами мира Фристона возможности принципа свободной энергии не всегда столь очевидны. Учитывая его грандиозные обещания, бесчисленные ученые пытались разобраться во всех тонкостях теории Фристона. Лишь немногие (даже те, кто считает себя поклонниками этого принципа) считают свои попытки полностью успешными. Дело не в том, что уравнения слишком сложны - многие ученые посвятили свою жизнь постижению математики разума. Скорее, для того чтобы экстраполировать и применить принцип свободной энергии ко всем закоулкам и закоулкам работы мозга, требуется интуиция, которая, похоже, сильнее всего развита у самого Фристона. Не имея четкого и объективного способа интерпретации свободной энергии в каждом конкретном случае, Фристон вынужден играть роль шептуна свободной энергии,