Джеф Хокинс - Об интеллекте
Рисунок 2а. Как глаза совершают саккады по человеческому лицу.
Рисунок 2б. Искажение, вызванное неравномерным распределением рецепторов по сетчатке.
Если мы поместим электроды в V1 и будем наблюдать, как отвечают отдельные клетки, мы обнаружим, что каждая конкретная клетка возбуждается только в ответ на визуальную информацию от крошечной части сетчатки. Этот эксперимент был проделан много раз и является опорным в исследовании зрения. Каждый нейрон в области V1 имеет так называемое рецептивное поле, которое сильно специфично для каждой мельчайшей части общего поля зрения — то есть, цельного мира перед вашими глазами. Представляется, что клетки в V1 совсем не знают о лицах, машинах, книгах или других значительных объектах, которые вы видите все время; они «знают» о крошечных, с игольное ушко, порциях визуального мира.
Каждая клетка в V1 также настроены на специфические виды поступающих паттернов. Например, конкретная клетка может активно пульсировать, когда она видит линию или край, наклоненный под углом в 30 градусов. Эти края сами по себе имеют небольшое значение. Они могли бы быть частью любого объекта — половицы, стволом отдаленного пальмового дерева, стороной буквы М или одной из почти бесконечного числа возможностей. При каждой новой фиксации, рецептивное поле клетки попадает на новую и совершенно отличную порцию визуального пространства. При некоторых фиксациях клетка будет сильно возбуждаться, на других будет возбуждаться слабо или вообще не будет. Таким образом, каждый раз, когда вы совершаете саккаду, множество клеток в V1 вероятнее всего изменяет свою активность.
Однако, нечто волшебное происходит, если вы помещаете электрод в верхнюю область, показанную на рисунке 1, область IT. Здесь мы обнаруживаем некоторые клетки, которые становятся и остаются активными, когда объект полностью появляется где-нибудь в поле зрения. Например, мы могли бы найти клетки, которые возбуждаются только тогда, когда видно лицо. Эти клетки остаются активными до тех пор, пока ваши глаза видят лицо где-нибудь в поле вашего зрения. Они не включаются и не выключаются при каждой саккаде, как это делают клетки в V1. Рецептивное поле этих клеток в IT покрывает большую часть визуального пространства и настроено на возбуждение, когда видно лицо.
Давайте откроем тайну. Походу охвата четырех кортикальных этапов от сетчатки до IT, клетки изменяются от быстро изменяющихся, пространственно специфичных, распознающих крошечные кусочки ячеек, до постоянно возбужденных, пространственно неспецифичных, распознающих объекты. Клетки в IT говорят нам, что мы видим лицо где-то в поле нашего зрения. Эти клетки, называемые обычно нейронами лица, будут возбуждаться независимо от того, наклонено ли лицо, повернуто ли, или частично загорожено. Это часть инвариантного представления для «лиц».
Написать эти слова кажется так просто. Четыре коротких этапа, и Вуаля, мы узнали лицо. Ни одна компьютерная программа или математическая формула не решает эту задачу с надежностью и общностью, близкой к человеческому мозгу. Но мы знаем, что мозг решает ее за несколько шагов, так что ответ не может быть сложным. Одна из основных целей этой главы объяснить, как получаются нейроны лица, нейроны Билла Клинтона или другие. Мы доберемся до этого, но мы должны охватить сначала много другого.
Взглянем на рисунок 1 по-другому. Вы видите, что информация также течет от высших областей к низшим через сеть обратных связей. Эти связки аксонов, которые идут от областей вроде IT к низшим областям вроде V4, V2 и V1. Более того, обратных связей много, если не больше, чем прямых.
Много лет ученые игнорировали обратные связи. Если ваше понимание мозга сфокусировано на том, как кортекс принимает информацию, обрабатывает ее и затем действует на ее основе, вам не нужны обратные связи. Все что вам нужно — это прямые соединения, ведущие от сенсорных областей кортекса к моторным. Но когда вы начинаете понимать, что функция кортекса — предсказание, то вам необходимо ввести в модель обратные связи; мозг должен посылать поступающую информацию обратно к областям, которые получили информацию первыми. Предсказание требует сравнения того, что происходит и того, что вы ожидаете. То, что действительно происходит идет вверх, то, что вы ожидаете идет вниз.
Те же самые прямые и обратные процессы возникают во всех областях кортекса, задействованных во всех органах чувств. На рисунке 3 рядом с визуальной стопкой блинчиков изображены похожие стопки для слуха и осязания. Там также изображена чуть более высшая кортикальная область, ассоциативная, которая получает и интегрирует информацию от нескольких различных органов чувств. Тогда как рисунок 1 основан на знании соединений между четырьмя известными областями кортекса, рисунок 3 чисто концептуальная диаграмма, не пытающаяся охватить действительные кортикальные области. В реальном мозгу человека масса кортикальных областей соединены различными способами. Фактически, большая часть человеческого кортекса состоит из ассоциативных областей. Анимированная характеристика, показанная здесь и на следующих рисунках, предназначена для того, чтобы помочь вам понять, что происходит, не вводя сильно в заблуждение.
Рисунок 3. Формирование инвариантного представления для слуха, зрения и осязания.
Трансформация — от быстро изменяющихся к медленно меняющимся и от пространственно специфичных к пространственно инвариантным — очень хорошо изучена для зрения. И хотя это не так очевидно и требует доказательств, многие нейрофизиологи верят, что то же самое происходит во всех сенсорных областях кортекса, не только в визуальных.
Возьмем слух. Когда кто-то разговаривает с вами, изменения в звуковом давлении происходят очень быстро; паттерны, поступающие в первичную слуховую область, называемую A1, изменяются очень быстро. Но если мы могли бы поместить электроды чуть выше по слуховому потоку, мы нашли бы инвариантные клетки, которые отвечают на слова или даже на фразы. Ваш слуховой кортекс мог бы иметь группу клеток, которые возбуждаются, когда вы слышите «спасибо» и другую группу клеток, возбуждающуюся на фразу «доброе утро». Такие клетки должны оставались бы активными, в течение всего высказывания, полагая, что вы распознали фразу.
Паттерны, получаемые первой слуховой областью могут изменяться очень широко. Слово может быть произнесено с различным акцентом, на различной высоте или с различной скоростью. Но чем выше по кортикальной иерархии, тем менее значимыми становятся низкоуровневые особенности; слово есть слово, несмотря на акустические детали. То же самое верно и для музыки. Вы можете услышать «Three Blind Mice», сыгранное на пианино, на кларнете или спетое ребенком, и ваш A1 будет получать совершенно различные паттерны в каждом случае. Но электрод, помещенный в высшие слуховые области, должен обнаружить клетки, которые монотонно возбуждаются каждый раз, когда играют «Three Blind Mice», не зависимо от инструмента, темпа или других деталей. Такой конкретный эксперимент не был проведен, конечно, потому что он требует слишком больших вмешательств для человека, но если вы согласны, что должен существовать общий кортикальный алгоритм, вы можете быть уверены, что такие клетки существуют. Мы видим, что в слуховом кортексе тот же самый вид обратных связей, предсказания и инвариантного вспоминания, что и в визуальном.
Наконец, осязание должно вести себя точно также. Опять же, конкретные эксперименты не были проведены, хотя полным ходом идут исследования на обезьянах с помощью аппаратуры, отображающей мозг с высоким разрешением. Поскольку сейчас я сижу и пишу, у меня в руке авторучка. Я трогаю колпачок авторучки, и мои пальцы поглаживают его металлический держатель. Паттерны, поступающие в мой соматосенсорный кортекс от сенсорных рецепторов моей кожи, постоянно изменяются, пока мои пальцы двигаются, но у меня постоянное ощущение авторучки. В один момент я могу согнуть металлический держатель пальцами, в другой момент я это сделаю другим набором пальцев или вообще губами. Много информации, поступающей из различных в соматосенсорный кортекс. Однако, наш электрод снова должен найти клетки в областях, удаленных на несколько шагов от первичной, которые инвариантно отвечают на «авторучку». Они должны оставаться активными, пока я поглаживаю авторучку, и им должно быть все равно, от каких именно пальцев или частей моего тела я дотрагиваюсь до нее.
Подумайте над этим. Слухом или осязанием вы не можете опознать объект с одномоментного сенсорного потока. Паттерны, поступающие от ушей или рецепторов кожи содержат недостаточно информации в каждый конкретный момент времени, чтоб сказать вам, что вы слышите или чувствуете. Когда вы воспринимаете серию слуховых паттернов, такую как мелодия, произнесенное слово или хлопающую дверь, или когда вы тактильно ощущаете объект, такой как авторучка, единственный способ сделать это — использовать поток информации во времени. Вы не можете узнать мелодию, услышав одну ноту, вы не можете узнать ощущение авторучки одним прикосновением. Таким образом, нейронная активность, соответствующая ментальному восприятию объекта, такого как произнесенное слово, должно длиться по времени дольше, чем отдельный паттерн. Это просто другой способ прийти к тому же самому выводу, что чем выше область кортекса в иерархии, тем меньше изменений по времени вы должны видеть.