Скорость мысли. Грандиозное путешествие сквозь мозг за 2,1 секунды - Марк Хамфрис
Верхнее двухолмие расположено на вершине среднего мозга, являющегося продолжением ствола спинного и привилегированным получателем информации непосредственно от сетчатки – он узнаёт, что происходит в мире, задолго до вас. (Прежде чем вы спросите: да, есть еще нижнее двухолмие. И поскольку верхнее связано со зрением, а нижнее – со слухом, можно составить некоторое представление об иерархическом порядке подчинения в нейробиологии.) Исходящие сигналы верхнего двухолмия контролируют движение. Итак, если мы ищем ту часть мозга, которая может быстро накапливать зрительную информацию, а затем давать телу команду бежать, верхнее двухолмие – лучший кандидат.
Бранку с коллегами использовали целый арсенал инструментов современной нейробиологии, чтобы выяснить, есть ли в этом что-то большее, чем просто тычок пальцем в небо.
Они регистрировали активность выходных нейронов superior colliculus. Нейроны резко увеличивали свою активность с момента появления падающей тени в поле зрения. Когда мышь пряталась, активность возрастала до гораздо бóльших значений, чем когда она не реагировала на угрозу. И чем быстрее увеличивалась активность, тем скорее мышь бежала прятаться. Как будто активность верхнего двухолмия накапливала свидетельства угрозы.
Они отключили эти выходные нейроны. Теперь мышь не реагировала на падающую тень, а продолжала исследовать ящик. Как будто кто-то выключил ее детектор угроз.
Они искусственно стимулировали эти выходные нейроны верхнего двухолмия, так что они были активны, когда мышь не видела никакой падающей тени. Это решающее испытание позволило узнать, можно ли обмануть мозг, заставив его думать, что существует неминуемая угроза. Можно: стимуляция этих нейронов заставляла мышь бежать в укрытие. Более того, чем сильнее активировались нейроны, тем больше становилась вероятность того, что мышь бросится прятаться, точно так же, как если бы нейроны сигнализировали о неизбежной опасности.
В общем, было чертовски убедительно доказано, что superior colliculus – детектор угроз. Следующий очевидный вопрос: куда именно верхнее двухолмие отправляет сигнал «пора бежать»?
На сцену выходит околоводопроводное (периакведуктальное) серое вещество, или ОСВ. Еще одно гениальное название: это скопление серой нервной ткани, расположенной вокруг («пери») водопровода («акведук») – сильвиева канала в среднем мозге. Оно делает много чего полезного. Одна его часть контролирует мочеиспускание, например. А еще ОСВ имеет мощную связь с верхним двухолмием и контролирует множество быстрых реакций.
Итак, Бранку с коллегами снова сдули пыль со своих магических нейроприборов, посадили новых мышей в ящик со страшной тенью и принялись за работу.
В этот раз они выключили нейроны ОСВ. Теперь мыши видели парящую тень, реагировали на угрозу, но не убегали. Вообще. Они просто застывали на месте (еще один вариант защиты – перестать двигаться, так как мозг хищника реагирует на движение). ОСВ, похоже, контролирует бегство.
Они записали активность нейронов ОСВ. Она возрастала сразу после начала бегства, ни секундой раньше. Так что нейроны ОСВ не собирают доказательств опасности, но, видимо, управляют командой «ноги в руки».
Решающий аргумент: исследователи принудительно активировали нейроны ОСВ, когда никакой тени не было. Замечательно, что по мере того, как они активировали все больше и больше нейронов, они обнаружили ответ формата «все или ничего». Если было активировано слишком мало нейронов, мышь не убегала. Но если активировалось достаточно нейронов, мышь бросала любые дела и неслась в темный угол в поисках убежища. Никакого промежуточного варианта – никаких «если», «но» или «может быть». Когда ОСВ говорит «беги», вы бежите.
Ответ «все или ничего» в свою очередь поднимает важный вопрос: что устанавливает этот порог между побегом или игнорированием? Это определенно что-то, находящееся между двухолмием и ОСВ, потому что, когда Бранку и его команда отключали именно эту связь, мыши полностью переставали прятаться. По-видимому, сигналы superior colliculus отправляются напрямую к нейронам ОСВ, конвертируя свидетельство неминуемой угрозы в команду к бегству. Так почему же ОСВ выдает команду не при каждом увеличении активности верхнего двухолмия?
Оказывается, связи между ними слабы и подвержены синаптическим сбоям. Так же, как и в коре головного мозга, каждый импульс, отправленный от одного нейрона superior colliculus к одному входу нейрона ОСВ, создает лишь крошечный скачок напряжения в последнем. Поэтому потребуются десятки или сотни таких входящих импульсов, чтобы нейрон ОСВ отправил один исходящий. Каждое синаптическое соединение слабое. И каждое выдает отказ. В среднем около 20 % всех импульсов, приходящих из двухолмия, не производят никакого эффекта на ОСВ.
Слабое, подверженное ошибкам соединение означает, что двухолмию необходимо послать много сигналов одновременно, чтобы инициировать ответ ОСВ. Синаптические отказы – это порог. Легкие тени, каждая из которых вызывала лишь небольшую активность двухолмия, не создавали достаточной плотности сигнала, чтобы преодолеть порог слабой связи с ОСВ. Но страшные темные тени вызывали волну интенсивной активности, преодолевали слабые соединения и инициировали команду «беги».
Из этого исследования можно извлечь два особенно красивых урока для тех, кто изучает мозг. Во-первых, сложное поведение млекопитающего – побег в убежище – теперь прослеживается до единственного соединения в мозгу и свойств этого конкретного соединения. И это соединение имеет свойство порогового барьера; его слабость и ненадежность устанавливают порог – предел возбуждения, который необходимо преодолеть.
Во-вторых, эволюция использовала синаптические сбои для создания порога между решением бежать и отказом от него. Как способ отфильтровать события, которые не представляют угрозы, чтобы вам не приходилось срываться с места при каждом внезапном звуке или от каждой надвигающейся тени. И знаете что? Если вы действительно убегаете при каждом внезапном шуме или от каждой надвигающейся тени, это может означать, что связи между superior colliculus и околоводопроводным серым веществом в вашем мозгу недостаточно ненадежные – ваш мозг слишком совершенен.
Неудача: чтобы решать проблемы
Я думаю, эволюция использовала синаптические сбои для гораздо большего количества функций, чем просто установление порога между спокойствием и паникой. На мой взгляд, синаптический сбой – это намеренно создаваемые помехи в работе мозга. Преднамеренный шум. Эволюционно обусловленный шум. И дальше я собираюсь развить предположение о том, что эти помехи имеют решающее значение для работы алгоритмов мозга по обучению и поиску.
Мы знаем как минимум две веские причины, почему помехи полезны, на примере искусственного мозга, искусственного интеллекта. Первая причина – то, что вы уже прочитали выше. Вторая – поиск наилучшего решения проблемы.
Ваш мозг отлично справляется с созданием общих принципов на основе примеров. Таких как общие концепции автомобилей, автобусов и горилл. Увидев несколько горилл, ваш мозг может распознать гориллу даже с таких сторон, с которых вы ее никогда не видели.
