Скорость мысли. Грандиозное путешествие сквозь мозг за 2,1 секунды - Марк Хамфрис
Глава 5
Провал
Что означает неудача
Так много клонов – выберем один. По пути из зрительных в центральные области коры наше путешествие внезапно прерывается. Наш импульс закончил свой веселый бег в синапсе аксона, и… ничего не произошло. Пузырьки с молекулами не раскрылись. Всплеск потенциала не пощекотал нейрон с другой стороны. Сообщение, которое нес наш импульс, оказалось навсегда потерянным для другого нейрона. Это провал.
В такие моменты эволюция вызывает недоумение. Потребовались невероятные усилия, чтобы создать этот импульс, тысячи товарищей-легионеров, прибывших скопом в нужное место и в нужное время, к дендритам одного нейрона; избыток энергии, чтобы управлять открытием и закрытием каналов, которые создали бинарный – все-или-ничего – электрический импульс. И все впустую. Информация была безвозвратно утеряна [114]. Какой криворукий ковбой насыпал нейронов в этот чертов мешок с клетками и назвал его мозгом?
Неудача в передаче информации импульсом – это сбой, баг, ошибка, поломка, потенциально неизбежное следствие работы на пределах возможностей. И это нормально для биологии. В таком микроскопическом масштабе, где тело нейрона в десятки раз тоньше человеческого волоса, помехи исходят отовсюду, от малейших изменений температуры до движений мозга, которые слишком малы, чтобы их могло заметить что-то размером с муху, мышь или человека. Поэтому неудивительно, что по прибытии импульса в синапс цепочка событий, которая должна была привести к вскрытию пузырьков с молекулами, прервалась из-за какой-то помехи. А иногда пузырьки с молекулами просто заканчиваются, поэтому, возможно, когда прибыл наш импульс, выпускать было нечего.
Частота неудач заметно различается в зависимости от части мозга и даже от типа нейронов в одной и той же части мозга [115]. Импульсы от некоторых нейронов терпят неудачу с угрожающей частотой: в возбуждающих синапсах в гиппокампе примерно 70 % импульсов никогда не приводят к передаче сигнала; в худшем случае эта цифра составляет 95 % [116]. Девяносто пять процентов. Только 5 % от всех импульсов, поступающих к этим синапсам, создают всплеск напряжения в дендрите нейрона на другой стороне.
Но в мозгу есть и синапсы, которые не сбоят никогда. Каждый приходящий импульс вызывает реакцию на другой стороне [117]. Что еще удивительнее, разные синапсы одной и той же пары нейронов могут иметь разную частоту отказов [118]. Если бы отсутствие передачи сигнала было случайной ошибкой, этот показатель не мог бы различаться столь радикально. Тогда, возможно, неуспешная передача, сбой – это «фича, а не баг», особенность, а не ошибка.
Эта небольшая, но назойливая неприятность на самом деле – мощный вычислительный инструмент.
Неудача: чтобы эффективнее передавать информацию
Возможно, вы не так уж удивитесь, если я скажу, что теоретики обожают сбои в передаче импульсов. Это еще один из тех странных парадоксов, о которых мы уже говорили. Мозг использует импульсы для передачи информации между нейронами, но, допуская синаптические сбои, он намеренно препятствует этому. Почему мозг препятствует отправке информации? Теоретики в восторге потирали руки, обдумывая возможные причины.
Одна довольно простая идея состоит в том, что отказы в передаче необходимы для контроля интенсивности взаимодействия нейронов друг с другом. Вы, должно быть, помните, что у множества входов нейрона разная чувствительность: некоторые из них слабые, а некоторые – сильные. Попав на сбойный синапс, мы видим то, что называется силой синаптической связи, она состоит из двух частей. Во-первых, это величина всплеска напряжения; во-вторых, надежность передачи [119]. Синаптический контакт может давать мощный импульс, но если он делает это только для 10 % входящих импульсов, то этот вход слабо влияет на вероятность возбуждения целевого нейрона. Теоретики давно отмечают, что в результате мы получаем два варианта изменения силы связи одного нейрона с другим: мы можем изменить либо величину ответа, либо его надежность [120].
Изменить амплитуду ответа сложно – это означает увеличение количества пузырьков с молекулами нейромедиатора в синапсе аксона, увеличение количества рецепторов на другой стороне, у синапса дендрита, или и то и другое. А вот чтобы повлиять на надежность, просто потребуется сделать передающую сторону более или менее чувствительной к каждому импульсу. Действительно, в экспериментах на связях между нейронами гиппокампа Чарльз Стивенс и Яньянь Ван показали, что многократная стимуляция пары соединенных нейронов может укрепить их ненадежный контакт [121]. И, поскольку невозможно сделать абсолютно надежно срабатывающий синапс еще надежнее, большинство синапсов должны формироваться как ненадежные, чтобы оставить запас для изменений настройки. Все это означает нечто совершенно замечательное для понимания того, как происходит обучение. Поскольку считается, что многие формы обучения зависят от изменения силы связей между нейронами, эта теория подразумевает, что мозг намеренно полон помех, чтобы было к чему стремиться. Обучение превращается в маршрутизацию импульсов по надежным путям, передачу надежной информации между нейронами.
Уильям Леви и Роберт Бакстер ухватились за идею о том, что ненадежные синапсы в буквальном смысле теряют информацию, чтобы спросить: а что, если эта потеря является преднамеренной? [122] Они предполагали, что ненадежные синапсы на самом деле являются очень остроумным решением фундаментальной проблемы эффективности – передачи максимально возможного количества информации с минимумом затрат электрической энергии. Отправка каждого входящего сигнала в нейрон требует энергии. Много энергии. Втягивание высвободившихся молекул для повторного использования, упаковка их обратно в пузырьки и, конечно же, создание резкого скачка напряжения с открытием и закрытием каналов в мембране. Фактически синапсы и вся эта электрохимическая кухня расходуют около 56 % всей энергии, используемой нейронами головного мозга [123]. А поскольку сам мозг потребляет 20 % всей вашей энергии, сокращение расходов на эти дорогостоящие синапсы оставит вам больше энергии для других жизненно важных функций.
Леви и Бакстер утверждают, что аксон пирамидального нейрона имеет ограниченные возможности по передаче информации, которые определяются тем, сколько импульсов в секунду он в среднем способен отправлять. Для того чтобы нейрон был энергоэффективным, ему необходимо принимать определенное количество входящей информации, и не больше, – чтобы, по крайней мере, не тратить
