Джеф Хокинс - Об интеллекте
Возможно, сейчас вы держите в руках книгу. Когда вы двигаете книгу, или меняете освещение, или по-другому усаживаетесь на стуле, или фиксируете глаза на другой части страницы, паттерны освещенности, попадающие на вашу сетчатку, полностью меняются. Визуальная информация изменяется от момента к моменту и никогда не повторяется. Фактически, вы могли бы держать эту книгу сотни лет и ни разу паттерны на вашей сетчатке, и, следовательно, попадающие в ваш мозг, не повторились бы. Но у вас ни на секунду не возникало бы сомнений, что книга, которую вы держите, действительно та самая книга. Внутренний паттерн вашего мозга, представляющий «эту книгу», не меняется, хотя стимулы, информирующие вас находятся в постоянном изменении. Поэтому мы будем использовать термин инвариантное представление, ссылаясь на внутреннее представление в мозгу.
Другой пример, вспомните лицо подруги. Вы узнаете ее каждый раз, когда видите. Это происходит автоматически менее чем за секунду. Не имеет значения, что она в двух шагах от вас, трех или на другой стороне комнаты. Когда она близко, изображение ее лица занимает всю вашу сетчатку. Когда она далеко, ее изображение занимает маленькую часть вашей сетчатки. Она может быть лицом к вам, немного боком или в профиль. Она может улыбаться, прищуриваться или зевать. Вы можете видеть ее в ярком свете, в тени или под специфическим освещением дискотеки. Ее лицо может появляться в бесчисленных позициях и вариациях. В каждом случае паттерны света, попадающие на сетчатку, уникальны, но в каждом случае вы точно знаете, что смотрите именно на нее.
Давайте приоткроем завесу и взглянем на то, что происходит в вашем мозгу во время выполнения этого изумительного трюка. Из экспериментов нам известно, что если мы будем отслеживать активность нейронов визуальной области кортекса, называемой V1, паттерны активности будут отличаться при каждом различном взгляде на лицо. Каждый раз, когда лицо двигается или ваши глаза фиксируются в новой точке, паттерны активности в V1 изменяются, практически подобно изменению паттернов на сетчатке. Однако, если мы будем отслеживать активность клеток в области, ответственной за распознавание лиц — функциональной области на несколько уровней выше по кортикальной иерархии, чем V1 — мы обнаружим стабильность. То есть, некоторое множество клеток в области, ответственной за распознавание лиц, остается активным, пока лицо вашей подруги находится в поле вашего зрения (или даже если воображается в мысленном поле зрения), несмотря на его размер, положение, ориентацию, масштаб и выражение лица. Эта стабильность возбуждения нейронов — инвариантное представление.
Интроспективно эта задача кажется настолько простой, что едва ли стоит называть ее проблемой. Она работает автоматически, как дыхание. Она кажется тривиальной, потому что мы не осознаем, как это происходит. И в некотором смысле, она тривиальна, потому что наш мозг может решить ее очень быстро (вспомните правило ста шагов). Однако, проблема понимания того, как кортекс формирует инвариантное представление, остается одной из величайших тайн науки. Насколько сложна эта проблема, спросите вы? Настолько, что никто, даже используя самый мощный компьютер в мире, не способен решить ее. И это не от не от недостатка количества попыток.
Размышления по данной проблеме имеют древние корни. Они доходят до Платона, 23 столетия назад. Платон удивлялся, каким образом люди способны мыслить и узнавать о мире. Он обратил внимание, что реальные воплощения вещей и идеи всегда несовершенны, и всегда различны. Например, у вас есть понятие совершенной окружности, хотя вы никогда не видели такую в действительности. Все нарисованные окружности несовершенны. Даже если она нарисована с помощью циркуля, окружность представляется темной линией, тогда как линия настоящей окружности не имеет толщины. Как же вы тогда вообще смогли воспринять понятие идеальной окружности? Или возьмем более житейский случай, подумаем о понятии «собака». Любая из собак, каких вы видели, отличается от других, и каждый раз вы видите именно конкретную собаку. Все собаки различны и вы никогда бы не смогли увидеть конкретную собаку одним и тем же образом. Но весь ваш опыт относительно собак сходится к ментальному понятию «собака», которое неизменно. Платон был сбит с толку. Как возможно такое, что мы запоминаем и применяем понятия в этом мире бесконечно разнообразных форм и постоянно меняющихся ощущений?
Решением Платона была его известная Теория Форм. Он пришел к выводу, что наш высший разум должен быть связан с некоторым трансцендентным миром сверхреальности, где в безвременном совершенстве существуют постоянные, неизменные идеи (Формы с заглавной Ф). Наши души приходят из этого мистического места в момент рождения, заключил он, где они узнают о Формах в их первоначальном виде. После рождения у нас сохраняются скрытые знания о них. Обучение и понимание происходит потому что формы реального мира напоминают нам о Формах, которым они соответствуют. Вы можете узнать про окружности и собак, потому что они соответственно вызывают воспоминания Окружности и Собаки.
Все это достаточно далеко от современных взглядов. Но если вы уберете высокопарную метафизику, вы увидите, что он в действительности говорил об инвариантности. Его система объяснения была далека от цели, но его интуиция, что это один из важнейших вопросов о природе человека, которыми мы можем задаться, попала в яблочко.
* * *Чтоб у вас не сложилось впечатление, что инвариантность относится только к зрению, давайте взглянем на некоторые примеры с другими чувствами. Рассмотрим тактильные ощущения. Когда вы тянетесь к бардачку в машине, чтоб найти солнечные очки, ваши пальцы должны только слегка задеть их, чтоб вы их нашли. Не важно, какая часть вашей руки соприкоснется; это может быть большой палец, любая часть любого пальца или ладонь. Соприкоснуться можно с любой частью очков, с линзой, дужкой, петлей или частью оправы. Всего лишь движения любой части вашей руки над любой частью очков достаточно, чтоб ваш мозг идентифицировал их. В каждом случае поток пространственных и временных паттернов, поступающих с ваших тактильных рецепторов, совершенно различный — различные участки кожи, различные части объекта — но вы хватаете ваши очки без раздумий.
Или рассмотрим сенсомоторную задачу — вставить ключ в замок зажигания. Положение, в котором вы сидите, положение тела, рук, каждый раз слегка отличаются. Для вас это выглядит как повторяющееся изо дня в день действие, но это потому что у вас инвариантное представление в мозгу. Если вы попытаетесь сделать робота, который смог бы попасть в машину и вставить ключ, вы быстро бы увидели, что это практически невозможно, пока вы не будете уверены, что робот находится в одном и том же положении и держит ключ одинаково каждый раз. И даже если вы смогли бы управлять им, чтоб сделать это, робота пришлось бы перепрограммировать под различные машины. Роботы и компьютерные программы, подобно искусственной автоассоциативной памяти, ужасны при обращении с вариациями.
Другой интересный пример — это ваша подпись. Где-то в вашем моторном кортексе, в передних долях, у вас есть инвариантное представление вашего автографа. Каждый раз, когда вы подписываетесь, вы используете одну и ту же последовательность ударов, изгибов и ритмов. Это верно и когда вы подписываетесь ежеминутно хорошей ручкой на весу, и когда неловко подписываетесь карандашом, зажатым между кончиками пальцев. Каждый раз получается что-то разное, конечно, особенно в неудобных условиях, которые я только что указал. Тем не менее, несмотря на масштаб, пишущую принадлежность или комбинацию частей тела, вы всегда запускаете одну и ту же абстрактную «моторную» программу.
Из примера с подписью видно, что инвариантное представление в моторном кортексе в некотором смысле это зеркальное отражение инвариантного представления в сенсорном кортексе. С сенсорной стороны, большое множество входных паттернов может активировать один и тот же ансамбль, который представляет один и тот же абстрактный паттерн (лицо вашей подруги, ваши очки). С моторной стороны, один и тот же ансамбль, представляющий некоторую абстрактную моторную команду (ловля мяча, подпись) способен проявит себя в широком множестве мышечных команд и удовлетворить широкому множеству других ограничений. Эта симметрия между восприятием и действием и есть то, что мы должны ожидать, если, как предположил Монткастл, во всех областях кортекса работает единый базовый алгоритм.
В качестве последнего примера давайте вернемся к сенсорному кортексу и снова взглянем на музыку (мне нравится использовать музыкальную память в качестве примера, потому что легко увидеть все проблемы, которые должен решить неокортекс). Инвариантное представление музыки иллюстрируется вашей способностью распознавать мелодию в любой тональности. Тональность, в которой сыграна мелодия, ссылается на музыкальную шкалу, на которой построена мелодия. Одна и та же мелодия, сыгранная в различных тональностях, построена из различных нот. Выбрав тональность для исполнения, вы задаете все оставшиеся ноты в мелодии. Мелодия может быть воспроизведена в различных тональностях. Это значит, что каждое исполнение «одной и той же» мелодии в новой тональности — фактически полностью отличающаяся последовательность нот! Каждое исполнение стимулирует различные участки вашей улитки, вызывая совершенно различные пространственно-временные паттерны, поступающие в слуховой кортекс… и тем не менее вы воспринимаете одну и ту же мелодию в каждом случае. Если у вас нет абсолютного слуха, вы не сможете даже различить, что одна и та же сыграна в другой тональности, если только не будете сравнивать.