Скорость мысли. Грандиозное путешествие сквозь мозг за 2,1 секунды - Марк Хамфрис
Ключевое свойство модели в том, что она обучаемая. Она меняет присвоенные входящим сигналам веса до тех пор, пока прогнозы не будут почти в точности совпадать с реальными импульсами реального нейрона. Затем, закончив обучение, мы ищем наивысший вес, и вуаля: мы выяснили, какие аспекты внешнего мира и в какое именно время в прошлом стимулируют нейрон к отправке импульсов! [176]
Такой подход на основе прогнозирующей модели лучше всего работает для первичных зон сенсорных систем мозга, которые находятся в непосредственной близости от самих сенсорных механизмов. Для сетчатки эти прогностические модели позволяют очень точно предсказать на основе точного местоположения и времени изменений элементов видимой картины мира, когда ганглиозные клетки сетчатки будут посылать импульсы [177]. Более того, прогностические модели делятся на два типа: один предсказывает отправку импульса после внезапного увеличения в уровне освещенности, другой – после его внезапного уменьшения. Это как раз те ганглиозные клетки сетчатки типа on– и off-, которые мы встречали во второй главе. Теперь их существование подтверждено непосредственно путем изучения данных.
Подобные модели также очень эффективны при прогнозировании импульсов от первых нейронов, которые получают данные от вибрисс, этих сверхточных таймеров. Там обучение модели позволяет установить, что отправку импульса точно предсказывают внезапные изменения изгиба усика [178]. А что вызывает внезапный изгиб? Препятствие. То есть эти нейроны посылают очень точные сигналы о том, когда и как вибриссы встречаются с поверхностью объекта в окружающем мире. Заодно модели показали, что по углу отклонения вибриссы невозможно спрогнозировать активность нейрона. Предсказывая импульсы, эти модели демонстрируют нам, что вибриссы могут сообщить остальной части мозга грызуна об окружающем мире, а что – нет.
Но чем глубже мы погружаемся в кору головного мозга, тем меньше у нас шансов предсказать, что происходит во внешнем мире, на основании единичного импульса [179]. Прогностические модели плохо подходят для поиска значений импульсов в более глубоких областях мозга, тех импульсов, с которыми мы совершили последние несколько прыжков через синаптические промежутки. Они могут предсказать лишь несколько процентов импульсов. Даже в самой первой части сенсорной коры, отвечающей за сигналы с вибрисс, всего в трех синаптических промежутках от тех первичных нейронов, активность которых они так хорошо предсказывают на основании изгиба усика [180].
Нам уже известна одна ключевая причина, по которой методы прогнозирования могут не сработать: дендриты. Как мы уже выяснили в третьей главе, поток входящих данных, поступающих в дендритное дерево нейрона, не просто суммируется с весовыми коэффициентами, но может быть радикально преобразован. И это преобразование способно драматически изменить причинно-следственную связь между событиями внешнего мира и импульсами, посылаемыми нейроном. Чтобы получить осмысленные прогнозы для импульсов в сенсорной зоне коры, отвечающей за вибриссы, Перон и его коллеги должны были построить модель, которая училась преобразовывать события во внешнем мире, изгиб и угол усика, в сложную, хаотическую форму исходящего сигнала, чтобы получить что-то похожее на импульсы отдельного нейрона. Но по мере того как мы углубляемся в кору, миновав множество синаптических промежутков, самым большим барьером оказываются не дендриты. Главным препятствием на пути к извлечению смысла из прогностических моделей оказываются другие нейроны.
Вы можете недоумевать: где же именно мы сейчас находимся? И это хороший вопрос. Моя уклончивость преднамеренна. Мы проехали вместе с импульсом по шоссе «Что» и, клонировав себя, одновременно совершили путешествие по шоссе «Как». Шоссе «Что» привело нас в начало загадочной префронтальной области коры, находящейся в передней трети головного мозга, которая занимает примерно всю лобную поверхность полушарий, приблизительно между висками. Шоссе «Как» закончилось в теменных областях коры, занимающих широкую полосу над вашими ушами и позади них (рис. 7.5). Здесь становится все труднее точно понять, чем занят каждый конкретный небольшой участок. И их роли переплетаются. Нейроны как в префронтальной, так и в теменной областях связаны аксонами друг с другом, поэтому мы могли бы при желании путешествовать между ними напрямую.
Рисунок 7.5. Ключевые области коры головного мозга на нашем пути.
На самом деле префронтальная и теменная кора – это настоящий Лувр мозга. Там настолько много всего, что невозможно даже осмотреть всё за одно посещение, и неважно, насколько у вас специфический и изысканный вкус – каждый найдет здесь что-то по душе. Например, предлимбическая область похожа на галерею фарфоровых сервизов, и, если это вам по вкусу, отлично – здесь можно провести здесь весь день, бродя между витринами и восхищаясь тем, как ее нейроны отправляют импульсы после совершения ошибки, по-видимому, для того, чтобы гарантировать, что вы два раза подумаете, прежде чем снова принять такое же решение [181]. Если это не для вас, проведите взглядом по стройным рядам расписных тарелок, пока спешите к выходу. Присмотритесь: я почти уверен, что в префронтальной коре есть нейрон, который срабатывает только тогда, когда крыса поворачивает налево после дождичка в четверг, при условии, что она слышала свист рака на горе. Поскольку здесь их просто чертовски много, мы всегда можем найти нейрон, активность которого наверняка с чем-то коррелирует.
По моим подсчетам, у нас есть в лучшем случае всего несколько десятков миллисекунд между прибытием и выходом на посадку в транзитную зону, чтобы отбыть в моторную кору. И то это если мы вальяжно и не спеша отправимся по длинному пути. Мы будем перепрыгивать из аксонов в дендриты через синаптические промежутки, вверх и вниз по каскадам нейронов, расположенных слоями, и погружаться в белое вещество, чтобы путешествовать между регионами. А пока я, словно гид, буду описывать вам основные достопримечательности, которые мы сможем увидеть на маршруте: Венеру Милосскую, Джоконду, стелу с кодексом Хаммурапи. Мы присоединяемся к клонированному импульсу, накапливающему свой потенциал глубоко в префронтальной коре, и первым из экспонатов оказывается самый одинокий нейрон.
Он находится дальше всех от входящих сигналов ваших органов чувств и от исходящих сигналов к вашим мышцам. Он никогда не узнает о вкусе пиццы, запахе свежего хлеба, багровом закате, прикосновении детской руки. Но он получит далекие отголоски всего этого. Наш импульс и миллионы подобных ему прибывают из самых разных отделов коры, доставляя сообщения самому одинокому нейрону.
И в этом вся
