Книги по психологии

ИНВАРИАНТНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ
О - Об интеллекте

Помните ли вы, как я назвал кору головного мозга тканью из нерв­ных клеток размером со столовую салфетку и толщиной в шесть визит­ных карточек, в которой связи между разными зонами создают опре­деленную иерархическую структуру? Сейчас я хочу проиллюстриро­вать иерархическую структуру неокортекса иначе. Представьте, что мы разрезали эту салфетку на несколько частей, соответствующих зонам, специализирующимся на выполнении определенных задач, и наложили полученные кусочки друг на друга. У нас вышел своеобразный слоеный, или “блинный” пирог. Разрезав “пирог”, получим срез (см. рис. 6.3). Ра­зумеется, в действительности неокортекс выглядит по-другому, но бла­годаря этой картинке вы составите четкое представление о передвиже­нии потоков информации. На рис. 6.1 показано, как информационные сигналы поступают в низшую зону коры головного мозга и передвига­ются вверх от зоны к зоне. Обратите внимание, что информационные потоки циркулируют в обоих направлениях.

Рис. 6.1 представляет первые четыре зрительные зоны, вовлеченные в распознание объектов окружающего мира. С их помощью вы узнаете кошку, церковь, свою мать, Большую китайскую стену и так далее. Био­логи обозначают эти зоны VI, V2, V4 и 1Т. Входной визуальный сигнал показан стрелкой под зоной VI. Зрительная информация с сетчатки ваших глаз передается к VI. Этот входной поток информации можно представить как непрерывно изменяющиеся последовательности сиг­налов, которые передаются приблизительно по миллиону аксонов, со­ставляющих ваш зрительный нерв.

Ранее мы уже упоминали о пространственно-временных сигналах, однако сейчас стоит освежить эти знания, поскольку мы будем часто к ним обращаться. Кора головного мозга состоит из функциональных зон, специализирующихся на отдельных задачах. Эти зоны связаны друг с другом большими пучками аксонов, или нервных волокон, пе­редающих информацию из одной зоны в другую. Каждую секунду ка­кой-то пучок волокон посылает электрический разряд, называемый потенциалом действия, или импульсом, в то время как другие пучки молчат. Общая активность'пучка волокон называется паттерном (по­следовательностью сигналов). Паттерн, полученный зоной VI, будет пространственным, если ваши глаза на мгновение остановились на объ­екте, и временным, если они его разглядывают.

Примерно трижды в секунду ваши глаза осуществляют скачкообраз­ное движение — саккаду, после чего следует пауза — фиксация. Если бы вы участвовали в эксперименте и исследователь при помощи специаль­ного устройства отслеживал движения ваших глаз, вы бы удивились, узнав, насколько резки саккады, при том что воспринимаемое изобра­жение кажется вам постоянным и устойчивым; На рис. 6.2 а показа­но, как двигались глаза одного из участников эксперимента, когда он рассматривал изображение лица. Обратите внимание, что фиксации вовсе не беспорядочны. А теперь представьте, что вы могли бы видеть паттерн, поступающий к зоне V1 этого человека. Он полностью меня­ется с каждой саккадой. Значит, несколько раз в секунду зрительная зона коры головного мозга получает совершенно новую последова­тельность сигналов.

А) б)

image002

Рис. 6.2. а) Траектория саккад при рассматривании лица человека; б) искажение, вызванное неравномер­ным распределением рецепторов в сетчатке глаза


Возможно, вы подумаете: “Ну ладно, ведь все равно это лицо остает­ся одним и тем же, несмотря на сдвиги”. Доля истины в этом есть, но на­много меньшая, чем вы себе представляете. Световые рецепторы на сет­чатке глаза распределены неравномерно. Их плотность, очень высокая в центральной ямке, постепенно уменьшается по направлению к перифе­рии глаза. А нервные клетки коры головного мозга, напротив, распреде­лены равномерно. В результате изображение, переданное с сетчатки в первичную зрительную зону VI, очень искажено. Если вы, рассматри­вая одно и то же лицо, направите взгляд на нос, а потом сконцентрируе­те его на глазе, зрительный входной сигнал будет очень отличаться, как будто вы смотрите на это лицо через немилосердно дергающийся “рыбий глаз”[16]. Тем не менее при взгляде на лицо оно не кажется вам искажен­ным; изображение не “прыгает” у вас перед глазами. Скорее всего, вы вообще не осознаете, что получаемые от сетчатки визуальные сигналы изменяются, более того — так сильно изменяются. Вы просто видите “лицо” (на рис. 6.2 б показан эффект взгляда на прибрежный пейзаж через линзу “рыбий глаз”). По сути, это переформулирование загадки

Об инвариантном представлении, о которой мы беседовали в главе 4.

Вы воспринимаете не то, что видит зона VI. Откуда ваш мозг знает, что вы смотрите на одно и то же лицо, и почему вашему восприятию со­вершенно не мешает, что входные сигналы постоянно меняются, более того, они очень искажены?

Поместив в зону V1 электрод и наблюдая за “поведением” отдельных клеток, мы обнаружим, что каждый нейрон посылает разряд только в ответ на зрительный сигнал из крошечной части сетчатки. Такой опыт по изучению зрительной функции проводили много раз. Каждый ней­рон зоны V1 привязан к своему рецептивному полю, которое является очень ограниченным по сравнению с общим полем зрения. Нервные клетки зоны V1 ничего не знают о лицах, автомобилях, книгах или дру­гих объектах, постоянно встречающихся на вашем пути. Все, что они знают, — это крошечная, как укол булавки, часть всего мира перед ва­шими газами.

Каждая клетка зоны V1 настроена на восприятие определенных ви­дов входных сигналов. Например, некий нейрон бурно реагирует, когда в его рецептивное поле попадает линия или угол в тридцать градусов. Сам по себе такой угол не имеет особенного значения. Он может быть частью какого угодно предмета — доской паркета, обломком дерева, час­тью буквы М. При каждой новой фиксации рецептивное поле клетки исследует новую часть видимого пространства. При разных фиксациях поток импульсов, посылаемый клеткой, может быть сильнее или сла­бее, а может и вовсе отсутствовать, т. е. при каждой саккаде активность клеток в зоне V1 изменяется.

А вот если мы введем электрод в верхнюю зону 1Т (см. рис. 6.1), то обнаружим нечто совершенно невероятное. Мы увидим, что некоторые клетки указанной зоны возбуждаются и остаются активными, когда в поле зрения человека появляются целые объекты. Например, мы мо­жем найти клетку, энергично реагирующую каждый раз, когда в поле зрения появляется лицо. Эта клетка будет активной до тех пор, пока лицо присутствует в любой точке поля зрения, под любым ракурсом и при любом освещении. Она не включается-выключается при каждой последующей саккаде, как это делают клетки зоны VI. Рецептивное поле такой клетки покрывает большую часть зрительного пространст­ва, и она возбуждается всякий раз, когда человек видит лица.

Остановимся на этом подробнее. Какие изменения характеризу­ют четыре уровня зон коры головного мозга? По мере продвижения от сетчатки до зоны 1Т изменчивые, пространственно специфические, ориентированные на распознание мелких деталей нейроны сменяются нейронами высших зон — пространственно неспецифическими, посто­янно активными и способными распознавать целые объекты. Нейрон из зоны 1Т сообщает нам, что где-то в поле нашего зрения присутствует лицо. Эту нервную клетку называют клеткой лица, и она активизиру­ется независимо от того, стоит ли хозяин лица прямо, склонил ли он голову или повернулся к вам в профиль. Это часть инвариантной реп­резентации для объекта “лицо”.

Да, описать данную схему несложно. Проходим быстренько четыре стадии, и вот вам лицо. Но ни одна компьютерная программа, ни одна математическая формула не в состоянии обеспечить решение подобной задачи с той же надежностью и универсальностью, как это делает чело­веческий мозг. Нам известно, что мозг решает эту задачу за несколько шагов, значит, разгадка не должна быть слишком сложной. Одной из задач данной главы является поиск объяснения возникновения этой “клетки лица” (а также “клетки Билла Клинтона” и любой другой). Мы достигнем своей цели, но прежде нам следует обработать массу инфор­мации. Как говорится, всему свое время.

Как видно из рис. 6.1, по сети обратных связей информация по­ступает из высших зон неокортекса в низшие. Эти обратные связи представлены пучками аксонов, которые проходят от высшей зоны 1Т к низшим зонам У4, У2, VI. Примечательно, что количество обратных связей в зрительной коре головного мозга превышает количество вос­ходящих связей.

Долгие годы ученые-нейробиологи игнорировали эти обратные свя­зи, что вполне объяснимо: если вы ограничиваете свои задачи изучени­ем того, как мозг принимает входную информацию, подвергает ее обра­ботке, а потом на основе этого моделирует поведение, то в рассмотре­нии обратных связей, казалось бы, совсем нет необходимости. В таком случае фокус внимания исследователей прикован к прямым связям — проведению нервных импульсов от сенсорных зон головного мозга в моторные зоны. Однако если принять за основу идею, что ключевой функцией неокортекса является прогнозирование, то без изучения об­ратных связей не обойтись. Мозгу необходимо отсылать информацию из высших нервных центров обратно к тем зонам, от которых он ее по­лучил: для того чтобы делать прогнозы, надо сравнивать реальные со­бытия и ожидания. То, что на самом деле произошло, идет снизу вверх, а то, чего вы ожидаете, спускается сверху вниз.

Подобный круговой процесс происходит во всех сенсорных зонах коры головного мозга. На рис. 6.3 изображены аналогичные “слоеные
пироги” для тактильного, слухового и зрительного восприятия. Также показаны высшие или ассоциативные зоны коры головного мозга, кото­рые получают и анализируют информационные стимулы от нескольких органов чувств, в данном случае — слуха, зрения и осязания.


Пространственно- Медленно - Объекты, инвариантный меняющийся образы

 

Л

 
image003

Слуховое

Восприятие

 

Рис. 6.3. Формирование инвариантных репрезентаций при осязании, слуховом и зрительном восприятии

 
image004



Если рис. 6.1 представляет общеизвестную взаимосвязь четырех хо­рошо изученных зон коры головного мозга, то рис. 6.3 — это условная диаграмма, целью которой не является отображение фактических зон неокортекса. В действительности десятки зон коры головного мозга человека взаимосвязаны друг с другом самыми различными способа­ми. Большая часть неокортекса образована ассоциативными зонами. (Я использую схематические рисунки, чтобы помочь вам лучше разо­браться в излагаемом материале. И надеюсь, что они не введут вас в заблуждение.)

Переход от быстроменяющихся к медленноменяющимся и от про - странственно-специфических к пространственно-инвариантным ней­ронам был доказан многочисленными результатами исследований зри­тельного восприятия. В отношении других сенсорных зон данных зна­чительно меньше, но нейробиологи утверждают, что так же устроены и все остальные сенсорные зоны коры головного мозга.

Рассмотрим, например, слуховое восприятие. Когда вы слышите уст­ную речь, изменения звуковых колебаний происходят очень быстро. Так же быстро изменяются паттерны, поступающие в первичную слуховую
зону А1. Но если бы мы могли поместить электрод в высшую зону неокор­текса, ответственную за слуховое восприятие, то обнаружили бы инвари­антные клетки, реагирующие на определенные слова и даже фразы. Впол­не вероятно, что в вашей слуховой зоне коры головного мозга существует группа клеток, активизирующихся всякий раз, когда вы слышите слово “спасибо”, или группа клеток, реагирующих на приветствие “доброе утро”. Такие клетки остаются активными на протяжении всего времени, пока зву­чит фраза, при услойии, конечно, что вы ее воспринимаете. Последователь­ности сигналов, попадающие в низшую слуховую зону, могут очень сильно отличаться друг от друга. Одно и то же слово можно произнести с разными акцентами, разным тоном и в разном темпе. Чем выше мы поднимаемся по иерархии слуховых зон коры головного мозга, тем менее важными стано­вятся эти низкоуровневые различия. Слово идентифицируется согласно его значению, независимо от акустических эффектов. То же самое справед­ливо и в отношении музыки. Вы можете услышать одну и ту же песню, сыг­ранную на фортепиано, на кларнете или в исполнении ребенка. В каждом из перечисленных случаев ваша зона А1 получает совершенно различные звуковые сигналы. Тем не менее электрод, введенный в высшую зону слу­хового восприятия, подтвердил бы наличие клеток, посылающих нервный разряд всякий раз, когда ваши органы слуха воспринимают данную песню, независимо от инструмента или особенностей исполнения. Отмечу, что та­кой эксперимент никогда не проводился, это было бы слишком жестоко по отношению к человеку. Но, признавая существование универсального алгоритма функционирования неокортекса, следует признать и наличие подобных клеток. В слуховом восприятии существует точно такая же об­ратная связь — прогнозирование, построенное на инвариантных представ­лениях, — как и в зрительном.

Осязание работает по тому же принципу. На людях (по вполне по­нятным причинам) соответствующие эксперименты никогда не прово­дились. В настоящее время ученые занимаются подготовкой к проведе­нию таких опытов с использованием исследовательских инструментов, сканирующих мозг обезьяны.

Сейчас, сидя за столом, я держу в руке ручку. Я могу дотронуться до ее колпачка или провести пальцами вдоль металлической скрепки, с по­мощью которой ручку можно закрепить в нагрудном кармане. По мере того как я проделываю эти движения разными пальцами или даже гу­бами, последовательности сигналов, поступающие в соматосенсорную зону коры головного мозга от ■рецепторов осязания, постоянно меня­ются. Будучи столь непохожими, они попадают в разные части первич­ной соматосенсорной зоны. Тем не менее в зонах, высших по иерархии, наш воображаемый датчик обнаружил бы клетки, которые реагируют на ручку инвариантно. Эти клетки пребывают в активном состоянии до тех пор, пока я прикасаюсь к ручке, независимо от того, какими пальца­ми (или даже частями тела) я это делаю.

Вдумайтесь: ваш мозг не способен распознать объект на основании единственного мгновенного сигнала. Паттерн, поступающий от ваших органов чувств в какой-то один момент времени, содержит лишь кро­шечную толику информации, которой недостаточно для того, чтобы определить, что же вы услышали или к чему прикоснулись. Чтобы вос­принять серию слуховых паттернов (например, мелодию, слово, хлопок закрывающейся двери) или понять, что за объект у вас в руках — та же ручка, — вам необходимо время. Вы не можете узнать мелодию по одной ноте и распознать предъявленный вам объект с первого прикоснове­ния. Следовательно, нейронная деятельность, обеспечивающая созна­тельное восприятие объектов окружающей действительности, должна быть более продолжительной по времени, чем каждая отдельно взятая последовательность сигналов. Таким образом, мы опять пришли к вы­воду: чем выше расположена зона коры головного мозга, тем меньше в ней наблюдается временных изменений.

Зрительное восприятие — зависимый от фактора времени информа­ционный поток, действующий по тому же принципу, что и звуковое вос­приятие или осязание. Но у зрения есть особенность, которая вносит некоторую путаницу: мы все-таки способны распознавать отдельные объекты с одной фиксации. Это умение распознавать пространствен­ные паттерны “с первого взгляда” долгие годы вводило в заблужде­ние ученых, занимающихся исследованиями зрительного восприятия животных. Они, как правило, не принимали в расчет фактор времени. Действительно, в лабораторных условиях как люди, так и животные способны распознавать объекты таким образом, однако это не являет­ся нормой. Нормальное зрительное восприятие, как, например, чтение этой книги, предполагает постоянные движения глазных яблок.