Алексей Редозубов - Мозг напрокат. Как работает человеческое мышление и как создать душу для компьютера
Умение человека говорить и понимать речь — это способность переводить информацию, содержащуюся в текущем представлении, в речь и обратно.
Память
Кора головного мозга содержит более 10 млрд нейронов. Нейроны коры имеют в среднем от 10 000 до 100 000 связей. Количество и сложность связей увеличиваются с возрастом. Изначально, при рождении, большая часть нейронов «нового мозга» не осуществляет какой-либо функции. Такая «девственная» структура служит единственной цели — быть готовой к запоминанию всего, что станет происходить с человеком в течение жизни. Каждый нейрон в течение жизни «зафиксирует» на себе некую картину, которая будет соответствовать текущей на тот момент картине активности мозга. Впоследствии такой нейрон будет в состоянии узнать повторение «зафиксированной» картины и в случае своей активации — воспроизвести картину, соответствовавшую моменту запоминания.
В 2000 году американский нейробиолог Эрик Кандел получил Нобелевскую премию по медицине «За открытие молекулярных механизмов работы синапсов». Память изучалась им на примере формирования условного рефлекса у гигантского моллюска — морского зайца аплизии (Aplysia).
Моллюску осторожно трогали сифон, и тотчас вслед за этим сильно били по хвосту. После такой процедуры моллюск некоторое время реагировал даже на легкое прикосновение к сифону бурной защитной реакцией, но вскоре все забывал (кратковременная память). Если «обучение» повторялось несколько раз, формировался стойкий условный рефлекс (долговременная память).
Рисунок 18. Молекулярный механизм работы синапсов.
На рис.18 показаны два синапса. Первый служит для передачи импульса от сенсорного нейрона к моторному. Второй синапс передает импульс от модулирующего нейрона к окончанию сенсорного. Если в момент прикосновения к сифону модулирующий нейрон «молчит» (по хвосту не бьют), в синапсе 1 выбрасывается мало нейромедиатора и моторный нейрон не возбуждается.
Однако удар по хвосту приводит к выбросу нейромедиатора в синапсе 2, что вызывает важные изменения в поведении синапса 1. В окончании сенсорного нейрона вырабатывается сигнальное вещество cAMP (циклический аденозинмонофосфат). Это вещество активизирует регуляторный белок протеинкиназу А. Протеинкиназа А, в свою очередь, активизирует другие белки, и это в конечном счете приводит к тому, что синапс 1 при возбуждении сенсорного нейрона (то есть в ответ на прикосновение к сифону) начинает выбрасывать больше нейромедиатора, и моторный нейрон возбуждается. Это и есть кратковременная память: пока в окончании сенсорного нейрона много активной протеинкиназы А, передача сигнала от сифона к мышцам жабры и чернильного мешка осуществляется более эффективно.
Если прикосновение к сифону сопровождается ударом по хвосту много раз подряд, протеинкиназы А становится так много, что она проникает в ядро сенсорного нейрона. Это приводит к активизации другого регуляторного белка — транскрипционного фактора CREB. Белок CREB «включает» целый ряд генов, работа которых в конечном счете приводит к разрастанию синапса 1 (как показано на рисунке) или к тому, что у окончания сенсорного нейрона вырастают дополнительные отростки, которые образуют новые синаптические контакты с моторным нейроном. В обоих случаях эффект один: теперь даже слабого возбуждения сенсорного нейрона оказывается достаточно, чтобы возбудить моторный нейрон. Это и есть долговременная память.
Остается добавить, что, как показали дальнейшие исследования, у высших животных и у людей память основана на тех же принципах, что и у аплизии (Han, и др., 2007).
Эрик Кандел расшифровал устройство памяти моллюска. Он показал, что достаточно трех нейронов, чтобы реализовать базовую модель его поведения.
Конечно, память человека устроена значительно сложнее. С моей точки зрения, самую красивую теорию организации сложной памяти выдвинул А. Н. Радченко. Если говорить максимально упрощенно, то своим открытием он показал организацию ассоциативной памяти на рецепторных кластерах (Радченко, 2002). Чтобы понять, что это значит, вспомним сначала о ритмах мозга.
В 20-х годах немецкий психиатр Ганс Бергер, изучая электрическую активность головного мозга человека, впервые обнаружил слабые колебания с частотой около 10 Гц и назвал их альфа-волнами. Их амплитуда составляет всего около 30 миллионных долей вольта. Так был открыт альфа-ритм — наиболее четкий образец электрической активности мозга. Изучение этих еле заметных волн выросло в новый раздел науки, называемый электроэнцефалографией — ЭЭГ (Berger, 1929).
В возбужденном состоянии нейроны обладают импульсной активностью. Причем эта активность не индивидуальна для каждого нейрона, а синхронизирована с активностью других. Наблюдаемые ритмы мозга — это проявление суммарной активности нейронов. Каждый всплеск на энцефалограмме — это след совместного «залпа» нейронов. Активность нейронов имеет групповой характер, в каждой группе задается свой ритм импульсов. То, что мы наблюдаем при простом подсоединении электродов к голове,— это сигнал сложной формы, образованный суммированием ритмов различной частоты.
Из сигнала сложной формы выделяют отдельные гармонические составляющие. Достаточно четко прослеживаются несколько основных ритмов:
- дельта-ритм (от 0,5 до 4 колебаний в секунду, амплитуда — 50—500 мкВ);
- тета-ритм (от 5 до 7 колебаний в секунду, амплитуда — 10—30 мкВ);
- альфа-ритм (от 8 до 13 колебаний в секунду, амплитуда — до 100 мкВ);
- сигма-ритм — «веретена» (от 13 до 14 колебаний в секунду);
- бета-ритм (от 15 до 35 колебаний в секунду, амплитуда — 5—30 мкВ);
- гамма-ритм (от 35 до 100 колебаний в секунду, амплитуда — до 15 мкВ).
Английский нейрофизиолог и пионер робототехники Грей Уолтер и
американский психолог Уоррен Мак-Каллок высказали достаточно обоснованную гипотезу о том, что альфа-ритм характеризует процесс внутреннего «сканирования» мысленных образов при сосредоточении внимания на какой- нибудь умственной проблеме. Наблюдается, например, совпадение между частотой альфа-волн и периодом инерции зрительного восприятия (примерно 0,1 секунды) (Walter, 1967).
Зачем нужна такая синхронная импульсная активность? Чтобы понять это, надо посмотреть, как устроена поверхность нейрона. Поверхность нейрона вся покрыта клеточными рецепторами. Рецепторы — это белковые молекулы, соединяющие нейрон с внешней средой и служащие проводниками информации.
Клеточный рецептор — участок клеточной оболочки, молекулярная структура которого характеризуется избирательностью к некоторым определенным веществам (напр., антигенам, вирусным рецепторам), способностью вступать с ними в химическое взаимодействие (присоединять, связывать) (Кузина, и др., 2006).
Рецепторы можно объединять по схожести реакций в группы — кластеры. Количество кластеров на поверхности нейрона — 104 — 105.
Импульсная активность других нейронов передается через синапсы на поверхность каждого нейрона и образует «интерференционную картину», причем каждому состоянию соответствует определенная картина «пучностей».
Интерференция волн — сложение в пространстве двух (или нескольких) волн, при котором в разных точках получается усиление или ослабление амплитуды результирующей волны. И характерна для всяких волн независимо от их природы: для волн на поверхности жидкости, упругих (например звуковых) волн, электромагнитных (например радио- или световых) волн (Горелик, 1959).
Пучность — участок стоячей волны, в котором колебания имеют наибольшую амплитуду (Горелик, 1959).
За счет синхронности излучения нейронов картина пучностей повторяется каждый раз, когда повторяется картина их активности, то есть пучности появляются каждый раз на тех же самых местах на поверхности нейрона. Рецепторные кластеры могут фиксировать такие пучности и являться впоследствии элементами, которые обеспечивают активацию нейрона в случае повторения ситуации. И, наоборот, группа нейронов, будучи активирована, может привести к «восстановлению» окружающей картины.
Синхронная активность делает возможным образование на поверхности нейрона устойчивой интерференционной картины. Устойчивой в том смысле, что при повторении ситуации активности нейронов за счет совпадения фаз их импульсов интерференционная картина на поверхности нейрона повторится. Из такого понимания роли ритмов мозга несложно развить рассуждения относительно их роли в процессах запоминания и распознавания.
Описанная модель памяти относится к разряду «голографических», так как по своему принципу напоминает устройство голограммы, где запоминание объемного изображения достигается за счет фиксации интерференционной картины, возникающей при использовании когерентных источников освещения.
