попадают изменяющиеся паттерны. Каждая область пытается интерпретировать ее поток паттернов как часть известной последовательности паттернов. Колонки пытаются предсказать свою активность. Если у них получается, они передают стабильный паттерн, имя последовательности в вышестоящую область. И снова, как если бы область сказала: «Я слышу песню, вот ее название. В ее деталях я разберусь сама.»
Но что если придет неожиданный паттерн, неожиданная нота? Или что если мы увидим что-то, что не является частью лица? Неожиданный паттерн автоматически передается вышестоящей кортикальной области. Это происходит естественным путем, когда возбудятся нейроны из слоя 3б, которые не являются частью ожидаемой последовательности. Вышестоящая область может быть способна понять этот новый паттерн как часть ее собственной последовательности. Она могла бы сказать: «О, я вижу, что пришла новая нота. Может быть, это первая нота следующей песни в сборнике. Очень похоже, поэтому я предсказываю, что мы должны перейти к следующей песне. Нижестоящая область, вот название следующей песни, которая, как я думаю, вы должны сейчас услышать». Но если этого распознавания не происходит, неожиданный паттерн продолжает распространяться вверх по иерархии до тех пор, пока некоторая высшая область не сможет проинтерпретировать его как часть ее нормальной последовательности событий. Чем выше неожиданный паттерн поднимется, тем больше областей кортекса будет вовлечено в объяснение неожиданной информации. Наконец, когда область где-то вверху иерархии думает, что сможет понять неожиданное событие, она генерирует новое предсказание. Это новое предсказание распространяется вниз по иерархии до тех пор, пока получается. Если новое предсказание не верное, будет обнаружена ошибка и снова она будет карабкаться вверх по иерархии до тех пор, пока какая-либо область не сможет проинтерпретировать ее как часть ее активной в данный момент последовательности. Таким образом мы можем увидеть, как наблюдаемые паттерны идут вверх по иерархии, а предсказания — вниз по иерархии. В идеале, если бы мир был извествен и предсказуем, большинство потоков вверх-вниз происходили бы мгновенно и возникали бы в нижележащих областях кортекса. Мозг быстро пытается обнаружить, какая часть его модели мира соответствует неожиданной информации. Только тогда он поймет эту информацию и будет знать, чего ожидать дальше.
Если я иду обычным путем по комнате в моем доме, совсем немного ошибок будет распространяться вверх по кортикальной иерархии. Глубоко заученные последовательности моего дома могут быть обработаны в низших областях визуальной, соматосенсорной и моторной иерархии. Я знаю комнату настолько хорошо, что могу пройти по ней даже в темноте. Моя осведомленность об окружении эффективно освобождает большую часть моего кортекса для других задач, таких как размышление о мозге и написание книг. Однако, если бы я попал в незнакомую комнату, особенно в такую, которая отличается от любой из комнат, которые я видел ранее, мне нужно было бы не только смотреть и видеть, куда я иду, но неожиданные паттерны постоянно поднимались бы на самый верх кортикальной иерархии. Чем больше мой сенсорный опыт не соответствует заученным последовательностям, тем больше ошибок возникало бы. В такой нестандартной ситуации я не смог бы больше думать о мозге, потому что большая часть моего кортекса уделяла бы внимание проблемам навигации по комнате. Это распространенная ситуация для людей, которые выходят из самолета в незнакомой стране. Тогда как дороги могут казаться похожими на те, к которым вы привыкли, машины могут проноситься не по той стороне улицы, деньги будут странными, язык непонятным, и поиск туалета может занять всю вашу кортикальную мощь. Не пытайтесь произносить длинные речи, когда идете по чужой стране.
Ощущение неожиданного понимания, момент «Ага!» может быть объяснен в этой модели. Вообразите, что вы смотрите на неоднозначную картинку. Заполненная чернильными кляксами и разбросанными линиями, она не похожа ни на что. Она не имеет смысла. Когда кортекс не может найти какие-либо воспоминания, соответствующие поступающей информации, возникает замешательство. Ваши глаза сканируют все детали картинки. Новая информация полностью поступает на вершину вашей кортикальной иерархии. Высокоуровневый кортекс пробует множество различных гипотез, но, когда эти предсказания идут вниз по иерархии, каждая из них конфликтует с поступающей информацией и кортекс вынужден пробовать снова. В процессе этого замешательства ваш мозг полностью занят попытками понять картинку. В конце концов, вы делаете высокоуровневое предсказание, которое оказывается правильным. Когда это происходит, предсказание начинается на верхушке кортикальной иерархии и успешно распространяется все ниже и ниже. Менее чем за секунду, каждая область получает последовательность, которая удовлетворяет входным данным. Больше ни одна ошибка не поднимается наверх. Вы понимаете картинку, вы видите далматинца среди точек и каракуль (смотрите рисунок 12).
Рисунок 12. Вы видите далматинца?
За десятилетия стало известно, что соединения в кортикальной иерархии являются реципрокными. Если область А проецируется на область Б, то и Б проецируется на А. Часто бывает, что больше аксонов идет вниз, чем вверх. Но даже хотя это описание является широко принятым, превалирующей парадигмой является то, что играют второстепенную, или «модулирующую» роль в мозге. Идея, что сигнал в обратных связях мог бы немедленно и точно вызывать возбуждение различных множеств нейронов в слое 2, не является превалирующей точной зрения среди нейрофизиологов.
Почему бы так могло быть? Частично причина в том, как я упомянул раньше, что нет реальной необходимости привлекать обратные связи, если вы не принимаете центральную роль предсказания. Если вы считаете, что информация течет напрямую в моторную систему, то зачем вам нужны обратные связи? Другая причина игнорирования обратных связей в том, что сигнал в обратных связях распределен по большому числу областей слоя 1. Интуитивно мы должны были бы ожидать, что сигнал, рассеянный по большой площади мог бы иметь только второстепенный эффект на большинстве нейронов, и несомненно в мозгу есть несколько таких модулирующих сигналов, которые не воздействуют на конкретный нейрон, а изменяют глобальные атрибуты, такие как уровень внимания.
Последняя причина игнорирования обратных связей в том, сколько ученых верят в независимую работу нейронов. Обычный нейрон имеет тысячи или десятки тысяч синапсов. Некоторые расположены очень далеко от тела нейрона, другие почти рядом с ним. Синапсы ближе к телу клетки имеют сильное влияние на возбуждение нейрона. Примерно с десяток синапсов возле тела нейрона могут заставить его сгенерировать спайк или импульс электрического разряда. Это известный факт. Однако, подавляющее большинство синапсов располагаются вдали от тела нейрона. Они распространяются вдаль и вширь по древоподобной структуре дендритов нейрона. Поскольку эти синапсы далеки от тела нейрона, ученые склоняются к уверенности, что спайк, прибывающий на один из таких синапсов, имел бы слабый или почти незаметный эффект на то, сгенерирует нейрон спайк или нет. Эффект от отдаленных синапсов рассеивался бы за то время, пока он достигнет тела нейрона.
Как правило, информация, идущая вверх по кортикальной иерархии, передается по синапсам, расположенным близко к телу нейрона. Информация, идущая вверх по иерархии, имеет, следовательно, более определенный путь от области к области. Также, как правило, обратные связи идущие вниз по кортикальной иерархии, используют для этого синапсы, удаленные от тела нейрона. Нейроны в слоях 2, 3 и 5 посылают дендриты в слой 1 и формируют там множество синапсов. Слой 1 — это масса синапсов, но все они от далеких нейронов из слоев 2, 3 и 5. Более того, любой конкретный нейрон, скажем, в слое 2 будет формировать совсем мало синапсов с помощью конкретного волокна обратной связи. Таким образом, некоторые ученые могут возражать идее, что короткий паттерн в слое 1 мог бы точно вызывать возбуждение набора нейронов в слоях 2, 3 и 5. Но именно это соответствует имеющейся у меня теории.
Разрешение это дилеммы в том, что нейроны ведут себя не так, как в классической модели. Фактически, в последние годы становилось все больше ученых, предполагающих, что синапсы на удаленных тонких дендритах могут играть активную и особую роль в возбуждении нейронов. В этих моделях удаленные синапсы ведут себя не так, как синапсы на толстых дендритах возле тела нейрона. Например, если два синапса располагаются очень близко на тонком дендрите, они могут выступать как «детектор совпадений». То есть, если бы оба синапса получали входной импульс в течение короткого промежутка времени, они могли бы вызывать значительный эффект на нейрон, даже если они далеко от тела нейрона. Они могли бы заставить тело нейрона сгенерировать спайк. Как ведут себя дендриты нейрона до сих пор является загадкой, так что я не могу сказать что-нибудь еще о них. Что важно, так это то, что модель кортекса «память-предсказание» требует, чтобы синапсы, далекие от тела нейрона были способны обнаруживать специфические паттерны.
Глядя в прошлое, мне кажется почти безрассудным говорить, что тысячи синапсов нейрона играют только модулирующую роль. Многочисленные обратные связи и огромное число синапсов существуют с вполне конкретной целью. Используя эту догадку, мы можем сказать, что типичный нейрон имеет способность запоминать сотни точных совпадений на волокнах обратных связей, если они формируют синапсы на тонких дендритах. Это значит, что каждая колонка в неокортексе очень пластична в том смысле, какие паттерны обратных связей могут ее активизировать. Это значит, что каждое конкретное свойство может быть точно ассоциировано с тысячами различных объектов и последовательностей. Моя модель требует, чтобы обратные связи были быстродействующими и точными. Нейроны должны возбуждаться, если они чувствуют некоторое количество совпадений на их удаленных дендритах. Новые модели нейронов должны допускать такое.
У всех нейронов во всех слоях кортекса есть синапсы, и большинство этих синапсов может изменяться при обучении. Будет корректно сказать, что обучение и память возникают во всех слоях, вот всех колонках и во всех областях кортекса.
Ранее в книге я упоминал правило Хебба, названное в честь канадского нейропсихолога Дональда О. Хебба. Его формулировка проста: Когда два нейрона возбуждаются одновременно, синапсы между ними усиливаются. (Коротко и точно это передается фразой «Fire together, wire together»). Мы знаем, что Хебб был в основном прав. Конечно, в природе не все так просто, и в действительности детали реального мозга более сложны. Наша нервная система использует множество вариаций правила Хебба; например, некоторые синапсы изменяют свою силу в ответ на небольшие изменения во времени прихода сигнала, некоторые синаптические изменения короткоживущие, некоторые долгоживущие. Но Хебб создал только основу для изучения памяти, не законченную теорию, и эта основа невероятно полезная.
Принципы обучения по Хеббу могут объяснить большую часть того кортикального поведения, которое я упомянул в этой главе. Вспомните, еще в 1970 году устройства автоассоциативной памяти, использовавшие классические алгоритмы обучения по Хеббу, могли запоминать пространственные паттерны и последовательности паттернов. Основная проблема была в том, что те устройства не могли нормально работать с вариациями образов. Согласно теории, предложенной в этой книге, кортекс обошел это ограничение путем использования иерархической стопки из модулей автоассоциативной памяти, и частично, за счет использования усложненной колончатой архитектуры. В этой главе было почти все о иерархии и о том, как она работает, потому что иерархия это то, в чем заключается сила кортекса. Так что вместо того, чтоб идти через детали того, как каждый нейрон запоминает то или это, я хочу охватить более общие принципы обучения в иерархии.
Когда человек рождается, его кортекс практически ничего не знает. Он не знает ни про язык, ни про культуру, ни про дом, ни про город, ни про людей, вместе с которыми он вырастет, ничего. Вся эта информация, структура мира, должна быть выучена. Двумя базовыми компонентами обучения являются классификация паттернов и построение последовательностей. Эти две комплементарные компоненты памяти взаимодействуют друг с другом. Когда одна область запоминает последовательность, информация, которую она посылает в слой 4 в вышестоящую кортикальную область, изменяется. Таким образом, нейроны слоя 4 обучаются формировать новую классификацию, которая изменяет паттерны, проецируемые обратно в слой 1 нижестоящей области, на которую влияет последовательность.
Основа формирования последовательностей — это группирование паттернов, которые являются частью одного объекта. Один способ сделать это заключается в группировании паттернов, которые возникают рядом во времени. Если ребенок держит игрушку в его руке и медленно двигает ее, его мозг может вполне законно предположить, что изображение на сетчатке от момента к моменту относятся к одному и тому же объекту, и, следовательно, изменяющееся множество паттернов может быть сгруппировано. Иногда вам нужны дополнительные сведения, чтоб принять решение, какие паттерны должны принадлежать к одной группе. Чтобы запомнить, что яблоки и бананы являются фруктами, а морковь и сельдерей не являются, требуется учитель, который поможет сгруппировать эти вещи. В любом случае ваш мозг медленно строит последовательности паттернов, которые должны быть вместе. Но когда область кортекса строит последовательности, информация, поступающая к вышестоящим областям, меняется. Информация изменяется от представления индивидуальных паттернов к представлению групп паттернов. Информация, поступающая в область, меняется с нот на мелодии, с букв на слова, с носов на лица и так далее. Поскольку информация, идущая снизу вверх, становится более «объектно-ориентированной», вышестоящие области кортекса могут теперь запоминать последовательности этих высокоуровневых объектов. Там, где раньше область строила последовательность букв, теперь она строит последовательность слов. Неожиданным результатом такого процесса обучения является то, что в процессе повторяющегося обучения представление объектов продвигается вниз по кортикальной иерархии. В течение первых лет жизни ваши знания о мире формируются сначала в вышестоящих областях кортекса, но по мере обучения они реформируются все ниже и ниже по кортикальной иерархии. Мозг не двигает знания; он переобучается снова и снова. (Я не говорю, что все знания начинаются на верхушке кортекса. В действительности формирование знаний более сложно. Я считаю, что классификация паттернов в слое 4 начинается внизу и движется вверх. Но когда это происходит, мы начинаем формировать последовательности, которые движутся вниз. Я полагаю, что эта память о последовательности переформируется все ниже и ниже по кортексу.) По мере
