Нервная сеть мозга
Нервная сеть мозга
Здесь я даю описание весьма упрощенной модели нервной сети, которая, однако, соответствует тому, что нам известно о реальных нервных сетях в мозге человека. Ради простоты не стану использовать специальные термины, поскольку читателю, не знакомому с неврологией, придется постоянно справляться о значении того или иного термина. Значение имеет в первую очередь функциональное поведение системы.
Означенное функциональное поведение охватывает очень широкий класс систем такого типа. Детали могут меняться, и определенного эффекта в какой-то из систем, вероятно, можно было бы достигнуть иным способом, но эффект остается тем же. Детали различных типов электрических выключателей могут меняться, но общий эффект остается тем же. Модель, предлагаемая здесь, в основном повторяет описанную мною в книге «Механизм разума» («The Mechanism of Mind»). Компьютерная симуляция поведения данной модели продемонстрировала значительное соответствие прогнозу.
Как и с любой моделью данного сорта, реальный режим поведения в очень большой степени будет зависеть от параметров, то есть значений, назначенных различным интеракциям. Я не учитывал данные параметры здесь и потому буду описывать поведение модели с оптимальными параметрами (какими бы они ни были). Я также считаю, что в мозге, как и в иных частях организма, имеются местные корректирующие системы с обратной связью, которые поддерживают значения параметров в пределах оптимального диапазона.
Представьте себе нейрон в виде осьминога с большим числом щупалец (а не с обычными восемью). Некоторые из щупалец могут быть очень длинными. Каждое из щупалец касается тела другого осьминога и способно передавать ему электрический импульс. Передача происходит посредством отделения химического агента от кончика щупальца (по аналогии с нейротрансмиттером). Когда осьминог получает достаточное число импульсов, он просыпается и начинает аналогичным образом посылать импульсы другим осьминогам. Представьте себе пляж, покрытый большим количеством осьминогов, связанных таким образом между собой. Любой из них может быть связан, благодаря своим очень длинным щупальцам, с осьминогами, находящимися на большом расстоянии от него, но ради простоты будем считать, что всякий осьминог имеет дело только со своими ближайшими соседями.
Теперь мы подвергнем группу осьминогов действию внешнего раздражителя: вертолет, висящий над пляжем, начнет светить мощным прожектором. Осьминоги проснутся и начнут «жалить» друг друга электрическими импульсами. Чтобы лучше представить, что происходит, предположим, что когда осьминог просыпается, то его цвет меняется с серо-зеленого на ярко-желтый. Итак, мы видим быстро увеличивающееся пятно желтого цвета, начинающееся с группы осьминогов, которые были разбужены нами с помощью прожектора. Данное желтое пятно могло бы продолжать расширяться, пока не покрыло бы весь пляж с осьминогами. Это в каком-то смысле соответствовало бы эпилептическому припадку в мозге, когда активируются все системы.
Добавим еще одну черту. Когда осьминог просыпается (и приобретает ярко-желтый цвет), он издает пренеприятный запах — что-то среднее между запахом гниющей рыбы и нашатыря. Он столь неприятен для других осьминогов, что если сила запаха достигает некоторого порога, то они перестают реагировать на внешние раздражители. Поэтому, когда распространяющееся желтое пятно достигает определенного размера, сила запаха также достигает критической точки. Теперь уже ни один осьминог не проснется, поэтому и пятно не будет увеличиваться.
Выражаясь неврологическими терминами, здесь мы имеем распространение возбуждения, а также нарастание торможения. Торможение может возникать в связи с увеличением концентрации химических агентов или с непосредственной ответной реакцией, переносимой другой группой нервов. Функция в обоих случаях одна и та же.
Если этим ограничиться, то желтое пятно всегда будет в виде круга с центром в той группе осьминогов, которая первоначально была пробуждена светом прожектора. Поэтому добавим еще один эффект. Когда проснувшийся осьминог получает электрический разряд от щупальца другого осьминога, в том месте под кожей, куда пришелся укол от разряда, возникает некоторое болезненное ощущение. Эта болезненность означает, что данный осьминог в будущем гораздо скорее отреагирует на разряд от того же щупальца. Следовательно, если бы два прожектора разбудили две соседние группы осьминогов, в будущем связь между данными группами будет прочнее, чем с другими осьминогами.
Данный эффект служит основанием для важного феномена ассоциации, а также реконструкции. В 1969 году я предсказал, что это необходимая часть системы. Последующие исследования показали, что в действительности имеет место обмен энзимом (кальпейном), который обеспечивает, чтобы связь между нейронами, которые активированы одновременно, была прочнее, чем с другими нейронами.
Вернемся к осьминогам. Если бы вначале были задействованы прожекторы двух вертолетов, а через некоторое время включили уже только один из них, желтое пятно прежде всего охватило бы ту группу осьминогов, которые лучше связаны между собой. Таким образом окажется реконструированной ситуация, которая возникла, когда светили два прожектора одновременно, и желтое пятно будет распространяться не как все расширяющийся круг, а будет следовать путям и более прочной ассоциативной связи, которая, в свою очередь, основана на прошлом опыте осьминогов. Подобным способом рассматриваемая масса осьминогов способна повторять или реконструировать паттерны. Даже если входящий сигнал не будет идентичен предыдущему, может быть получена по крайней мере та же форма пятна.
Мы получили повторение или реконструкцию паттернов, что является чрезвычайно важной частью системы.
Что дальше? Желтое пятно больше не распространяется и ограничено в размере (в силу зловония). Пятно образовалось на основе прежнего опыта осьминогов. Теперь следует сказать, что активные осьминоги (как и заядлые любители телевизора) не могут долго концентрировать внимание, поэтому они быстро переходят в состояние скуки или утомления. Чем сильнее они скучают, тем меньше становится запах, который они издают. Это значит, что другие осьминоги за пределами желтого пятна, которые получали достаточно уколов разрядами, но не реагировали вследствие дурного запаха, теперь начинают просыпаться и активно жалить других. Исходная группа теперь переходит в спящее состояние, и желтое пятно, ими образованное, исчезает, теряя цвет. Желтое пятно перетекает на новую группу недавно пробудившихся осьминогов.
Теперь у нас имеется переход желтого пятна от одной группы осьминогов к другой. Пятно, всегда ограниченное в размерах вследствие испускаемого им зловония, постепенно перемещается по всему пляжу. Если одна группа имеет хорошую связь посредством своих длинных щупалец с другой отдаленной группой осьминогов, пятно может исчезнуть в одном месте и возникнуть в другом, в большем или меньшем отдалении. То, как одна территория за другой превращается в желтое пятно, является некой последовательностью или паттерном. Для определенного набора условий заданный паттерн будет постоянен.
Для любого единичного осьминога тот факт, пробуждается он или остается дремлющим, будет определяться числом разрядов, полученных данным осьминогом от уже проснувшихся сородичей (иными словами, числом щупалец осьминогов, что покоятся на его теле), и степенью болезненности под данными щупальцами (иными словами, историей того, как часто данный осьминог был активен одновременно с означенной группой осьминогов). Против стимулирующих разрядов работает общая сила запаха, издаваемого в данный момент и подавляющего активность осьминогов, а также фактор усталости или скуки.
Теперь я должен заметить, что зависимость между пробуждающими или стимулирующими факторами и пробуждением осьминогов не является линейной. Имеет место так называемый пороговый эффект, совершенно типичный для нервной системы. Речь идет о том, что до определенного уровня растущая стимуляция не будет производить эффекта, зато по его достижении осьминогами стимуляция будет максимальная. Далее в книге я буду использовать аналогию со щекотанием. Можно щекотать кого-нибудь все больше и больше без видимого эффекта, пока наконец он не прыснет со смеху. Данная нелинейность является очень важной характеристикой нейронных сетей, и о ней не следует забывать при моделировании поведения. Это напоминает растущее давление на спусковой крючок, которое неожиданно оказывается достаточным, чтобы высвободить всю энергию выстрела.
Что происходит с ныне скучающей группой осьминогов, которых стимулировали самыми первыми? Останутся ли они скучающими и больше ни в чем участвовать не будут? Спустя некоторое время скука проходит, и за ней следует короткий период высокой активности.
Усталость, период невосприимчивости к внешним раздражителям и повышенная возбудимость являются частью нормального поведения нервных систем.
Повышенная активность первой стимулированной группы означает, что желтое пятно может вернуться к этой группе, поскольку рассматриваемые осьминоги имеют некоторое преимущество перед другими группами. Все это приведет к тому, что паттерн приобретет определенный циклический характер. Желтое пятно возникнет в одном месте на пляже под влиянием прямого стимулирующего фактора, обойдет по определенному рисунку весь пляж, затем вернется к исходному месту и повторит цикл. В нашем мозге именно этот циклический паттерн, по всей видимости, представляет собой мысль.
Что произойдет, если прожекторы засветят одновременно с двух вертолетов, будучи направленными в разные места на пляже? Оба возникших желтых пятна начнут распространяться. Усилится неприятный запах. Более сильная группа (в смысле лучшей связности, большего размера) продолжит распространяться, тогда как меньшая будет подавлена запахом. Таким образом, в лю-,бой момент времени будет только одна зона активности, одно желтое пятно. В нашем с вами мозге это соответствует одной области внимания в любой заданный момент времени.
Далее выясняется, что наши осьминоги, отдыхающие на пляже, более культурные существа, чем мы думали. Большинство из них воспринимают музыку, причем не-которые предпочитают джаз, другим больше нравится стиль кантри и западная музыка, а есть и такие, которые реагируют только на Моцарта. Реакция проявляется в виде повышенной возбудимости.
Так случилось, что в незначительном отдалении от пляжа у отдыхающих на полную мощь работает магнитола. В настоящий момент времени из нее доносится джазовая музыка. Осьминоги, чувствительные к джазу, оживляются. Это означает, что они больше готовы к активизации, чем любая другая группа. Данная готовность, обусловленная музыкой, служит дополнением к другим факторам готовности, которые мы уже рассматривали (связность, степень текущей стимуляции, скука и так далее). Речь идет о том, что желтое пятно с большей вероятностью переместится теперь к этой наполовину пробудившейся группе. Если бы стояла кассета с музыкой в стиле кантри, начеку оказалась бы соответствующая группа осьминогов. Если бы заиграла музыка Моцарта, зашевелились бы осьминоги — ценители Моцарта.
Итак, фоновая музыка повышает чувствительность различных групп осьминогов. Данная повышенная чувствительность или готовность к переходу в активное состояние означает, что паттерн (последовательность перемещения желтого пятна активности) будет другим в случае, если имеется музыка, играющая в фоне, нежели когда музыки нет. Это аспект, заслуживающий более чем пристального внимания.
Перенося это на механизм мозга, мы ведем речь об эффектах эмоций или фоновых изменений в химической среде, оказывающих благотворное влияние на определенный участок нейронов. Это означает, что паттерны с большей долей вероятности осуществят переход к таким участкам. В связи с этим реакция на совершенно одинаковый стимул будет меняться сообразно фоновому химическому состоянию, которое, в свою очередь, обусловлено эмоциями. Данный эмоциональный эффект может иметь неврологическую или химическую природу — разницы никакой нет.
Означенная готовность определенной группы осьминогов к пробуждению (переходу в активное состояние) может быть достигнута и другим способом. Мы видели, как второе желтое пятно, возникшее на некотором расстоянии от первого пятна под воздействием света прожектора другого вертолета, оказалось на некоторое время подавленным более сильным паттерном. Однако готовность данной группы к переходу в активное состояние все равно будет повышенной по сравнению с другими осьминогами, поэтому весьма вероятно, что пятно двинется к этой группе в следующий свой переход. При этом следует учитывать другие возможные стимулы, могущие подействовать одновременно. Обратим внимание, что если бы лучи двух прожекторов с самого начала осветили участки, расположенные слишком близко друг к другу, то два желтых пятна слились бы вместе, образовав одно целое.
Теперь мы можем подвести итог факторам, определяющим готовность любого из осьминогов пробудиться и начать активно жалить других осьминогов:
• прямая стимуляция;
• стимуляция от других осьминогов и степень связности (которая зависит от опыта);
• повышенная возбудимость после фазы утомления;
• фоновая музыка;
• негативные факторы скуки/утомления и неприятного запаха (остаются прежними).
Что представляет собой память в данной модели? Болезненность, являющаяся основой повышенной связности, становится постоянной. В неврологических терминах подобная повышенная связность может быть достигнута энзимными изменениями, фиксацией новых протеинов или физическим привлечением дополнительных дендритов (щупальцев). Можно перечислить основные характеристики рассматриваемой системы.
1. Активность одного осьминога способна стимулировать активность других осьминогов, если между ними имеется связь (атрибутом активного состояния осьминога является изменение его окраски на ярко-желтую).
2. Общий размер группы активных осьминогов ограничивается посредством действия обратной связи, оказывающего подавляющий эффект (неприятный запах).
3. Фактор усталости или скуки подразумевает переход состояния активности от одной группы к следующей готовой к возбуждению группе.
4. Стимуляция осуществляется на пороговой основе и является нелинейной функцией.
5. Всякие осьминоги, активизированные в одно и то же время, будут характеризоваться повышенной связностью/ассоциативностью (эффект болезненности).
С учетом данных простых свойств системы ей присущи следующие характеристики поведения.
1. Неразделенное внимание.
2. Распознавание и реконструкция паттернов.
3. Объединение различной вводимой информации.
4. Создание последовательных паттернов с использованием пережитого опыта.
5. Создание циклически повторяющихся паттернов.
6. Реагирование по-разному на стимуляцию в зависимости от фоновой деятельности (или химической базовой линии).
Все это важные характеристики. Вместе они образуют часть поведения самоорганизующейся системы, создающей и использующей паттерны (паттерн-системы). Они также являются частью общего механизма восприятия.
Теперь мы перейдем от объяснения модели системы к рассмотрению ее поведения, с тем чтобы показать, что означенные характеристики имеют прямое отношение к пониманию человеческого восприятия.