Неокортекс – это сложная биологическая автоассоциативная система памяти. В каждый момент времени каждая функциональная зона зорко бдит, не появились ли на входе знакомые элементы или их фрагменты. Появление в поле вашего зрения знакомого человека мгновенно прервет поток самых глубоких размышлений – ваши мысли переключатся на приятеля. Визуальный сигнал – появление знакомого – заставляет мозг включиться в процесс вспоминания других сигналов, ассоциируемых с ним. Это неизбежно. А после такого внезапного отвлечения внимания мы часто ломаем голову: «Так о чем же я думал?» Обеденный разговор с друзьями тоже протекает в ассоциативных рамках. Скажем, беседа начинается с обсуждения блюд. Вы отмечаете, что такой же салат ваша мать приготовила вам на свадьбу, и это наводит кого-то на воспоминания о его свадьбе, затем о медовом месяце и путешествии в экзотическую страну, о политических проблемах в той части мира и так далее. Мысли и воспоминания ассоциативно взаимосвязаны – случайностей здесь нет и быть не может. Входные сигналы, поступающие в мозг, автоассоциативны по отношению к самим себе, они дополняют новые модели и автоассоциативно связаны с тем, что произойдет дальше. Такая цепочка воспоминаний называется мыслью, и, хотя ее путь не предначертан, полного контроля над ней мы тоже не имеем.
Теперь обратимся к третьей особенности памяти неокортекса – формированию инвариантных представлений. Здесь мы обсудим их общие черты, а в главе 6 поговорим о том, как мозг создает эти модели.
Память компьютера устроена так, чтобы сохранять информацию в максимально неизменном виде. Когда вы копируете программу с компакт-диска, то на жесткий диск вашего компьютера переносится каждый байт информации со 100-процентной точностью. Незначительное расхождение между оригиналом и копией может вызвать фатальный сбой в работе компьютерной программы. Память неокортекса действует иначе. Мозг не запоминает с абсолютной точностью все увиденное, услышанное или почувствованное, причем совершенно не из-за того, что деятельность коры головного мозга или нейронов беспорядочна, что чревато возникновением ошибок. Так происходит потому, что мозг запоминает важные взаимосвязи внешнего мира, а не привязывается к отдельным его элементам. Давайте рассмотрим несколько примеров.
Как упоминалось в главе 2, простейшие автоассоциативные модели создаются учеными уже несколько десятков лет, а мозг, как я только что объяснил, вызывает воспоминания автоассоциативным способом. Тем не менее существует большая разница между автоассоциативными воспоминаниями, реализуемыми в нейронных сетях, и воспоминаниями неокортекса. В искусственных автоассоциативных воспоминаниях не задействованы инвариантные представления, и поэтому в них возможны существенные упущения.
Я могу сохранять в искусственной автоассоциативной памяти множество снимков лиц, состоящих из черно-белых точек. Если вы предъявите лишь часть одного из изображений (например, глаза), то система дополнит недостающие части (такие эксперименты проводились неоднократно). Однако, если каждую точку картинки передвинуть на пять пикселей вправо, то машина не сумеет распознать лицо. Для искусственной автоассоциативной памяти это уже совершенно новая модель, потому что расположение пикселей в ней не совпадает с исходной моделью. А вы и я без труда опознали бы сдвинутое изображение как одно и то же лицо.
Искусственная автоассоциативная память не в состоянии распознать изображение, если оно было подвергнуто перемещению, ротации, изменению масштаба, какому угодно другому из тысяч возможных превращений. В отличие от нейронных сетей человеческий мозг с легкостью справляется с такой задачей. Так почему же мы воспринимаем факты, явления или обстоятельства как неизменные, если входные сигналы, их описывающие, поменялись или изменились? Давайте рассмотрим еще один пример.
Сейчас, скорее всего, вы держите в руках книгу. Если вы повернете книгу, измените освещение или положение своего тела на стуле, зафиксируете взгляд на разных частях книги, то световые сигналы, попадающие на сетчатку вашего глаза, полностью изменятся. Зрительные сигналы, которые вы получаете, различны в каждое отдельное мгновение. Входные сигналы, поступающие в ваш мозг, не повторились бы ни разу даже в том случае, если бы вы держали книгу в руках на протяжении ста лет. Однако вы ни на миг не усомнитесь, что держите в руках все ту же книгу. Внутренняя модель «этой книги», которой располагает ваш мозг, не изменяется даже в условиях информационной переменчивости. Такие внутренние репрезентации мозга описывает термин инвариантная репрезентация.
Другой пример: представьте лицо своего друга. Вы узнаете его каждый раз при новой встрече. Это происходит менее, чем за одну секунду, независимо от того, находится ли этот человек в двух шагах от вас, в пяти метрах или в противоположном конце комнаты. Когда он рядом, то его образ занимает большую часть сетчатки, а когда он рядом – лишь малую ее часть. Он может стоять к вам лицом, быть повернутым в профиль или под углом. Он может улыбнуться, прищуриться или зевнуть. Вы могли бы увидеть его при ярком дневном свете, в тени или в разноцветных бликах дискотеки. В каждом из перечисленных случаев доля света, попадающего на вашу сетчатку, будет не такой, как в остальных случаях, однако в каждом отдельном случае вы сразу же узнаете друга.
Давайте приподнимем занавес и посмотрим, что происходит в вашем мозге, что позволяет ему проявлять столь необыкновенные свойства. Экспериментально установлено, что модель деятельности нейронов в зрительной зоне V1 неокортекса, принимающей визуальные стимулы, будет отличатся для каждого положения лица вашего друга. Всякий раз, когда лицо меняет свое положение или происходит новая фиксация ваших глаз, модель активности нейронов первичной зрительной зоны меняется в соответствии со сменой изображения на вашей сетчатке. Однако если мы проанализируем деятельность ваших клеток в зоне распознания лиц – функциональной зоне, расположенной на порядок выше V1 в иерархии коры головного мозга, – то обнаружим полную стабильность. Значит, определенная часть нервных клеток зоны распознавания лиц остается активной все то время, пока лицо друга пребывает в поле вашего зрения (или даже до тех пор, пока вы рисуете его в своем воображении), независимо от размеров, положения, ориентации, масштаба и выражения лица. Эта стабильность нервных клеток высших функциональных зон коры головного мозга и является инвариантной репрезентацией.
Описанный процесс кажется настолько примитивным, что его даже трудно назвать задачей. Он происходит так же автоматически, как и дыхание. Мы можем назвать его тривиальным, поскольку не отдаем себе отчет в том, что происходит. В определенном смысле это действительно тривиальный процесс, ведь наш мозг выполняет его очень быстро (вспомните правило «ста шагов»). Однако вопрос о том, как кора головного мозга формирует инвариантные представления, остается одной из загадок, по сей день не разгаданных наукой. «Насколько сложной загадкой?» – спросите вы. «Настолько, – отвечу я, – что ни один ученый из числа обладающих самыми современными исследовательскими инструментами, не смог ее разгадать». И совсем не по причине отсутствия стараний.
У данной проблемы очень древние корни – о ней говорили еще во времена Платона, т. е. две тысячи триста лет тому назад. Задаваясь вопросом о том, как люди могут мыслить и познавать мир, Платон обратил внимание, что в реальной жизни нет двух одинаковых предметов или людей, и, кроме того, все они всегда несовершенны по своей форме. Например, у вас есть представление о том, что такое правильная окружность, тем не менее в реальной жизни она почти не встречается. Все изображения круга несовершенны. Даже если я начерчу окружность с помощью циркуля, его границы будут обозначены темной линией, в то время как идеальный круг не должен включать никаких утолщений. Как же в таком случае у вас сформировалось представление об идеальной окружности? Возьмем другой пример из повседневной жизни – например, ваше представление о собаке. Любой когда-либо увиденный вами пес отличается от остальных своих собратьев, а кроме того, любой новый взгляд на одну и ту же собаку также неповторим. Соответственно, каждый раз вы видите новую форму. Однако все впечатления о собаках, полученные вами в процессе жизненного опыта, объединились в вашем мозге под общим понятием «собака», которое остается неизменным. Платон задавался вопросом: как в мире бесконечно меняющихся форм и быстротечных ощущений люди способны усваивать и использовать неизменные представления?
