Скорость мысли. Грандиозное путешествие сквозь мозг за 2,1 секунды - Марк Хамфрис
Мы видели эти параллельные дороги повсюду. Каждый раз, когда седлали клонированный импульс, проносящийся вдоль аксона к синаптической щели, и перепрыгивали через нее, чтобы спуститься по дендриту к нейрону, который собирался послать следующий импульс. Ведь мы могли совершить прыжок через любой из многочисленных синапсов, созданных аксоном. Сколько дорог мы могли бы пройти?
Теперь мы знаем, как нам повезло, что мы достигли финиша на выбранном пути. Хотя один аксон, разветвляясь, формирует много синапсов, но и частота синаптических отказов довольно высока, что делает импульс, достигший их, в большинстве случаев неэффективным. И даже если импульс сможет преодолеть синапс и достичь тела нейрона на другой стороне, скорее всего, окажется, что это темный нейрон, который не получил достаточного количества входящих данных, чтобы в ближайшее время произвести импульс. Путь импульса полон опасностей, и он должен быть готов к гибели.
Давайте подсчитаем, насколько опасен этот путь [289]. Мы обнаружили, что пирамидальный нейрон имеет около 7500 возбуждающих контактов с другими пирамидальными нейронами. И что у этих контактов доля отказов составляет около 75 %. Учитывая, сколько переходов мы сделали между нейронами в эти 2,1 секунды, мы должны были каждый раз отправляться в путь с новым импульсом через 10 миллисекунд или меньше, чтобы новый импульс повлиял на процесс охоты за печеньем. Вероятность того, что каждый из этих 7500 нейронов отправит импульс в следующие 10 миллисекунд, составляет (очень приблизительно) 1 %. Итак, когда мы начали свой путь, следуя за импульсом пирамидального нейрона где-то в коре головного мозга, у нас было всего 19 нейронов, достигнув которых, мы могли бы продолжить наше путешествие и уложиться в график. Девятнадцать нейронов, для которых приходящий импульс не наткнулся бы на синаптический отказ и каждый из которых затем достаточно быстро отправил бы собственный импульс. Или, другими словами, нам необходимо было метко попадать в любой из 19, при возможном выборе из 7500, чтобы продолжать наше путешествие при каждом скачке между нейронами. Нам действительно повезло, что мы смогли пройти через весь мозг всего за 2,1 секунды.
Но даже с этим крошечным числом вариантов первоначального выбора количество возможных путей, по которым мы могли бы пройти, растет взрывными темпами с каждым следующим прыжком. От каждого из этих 19 нейронов в свою очередь также можно отправиться по 19 возможным направлениям. Итак, через два прыжка мы могли оказаться на одной из 3516 дорог. После трех прыжков у нас уже 659 180 вариантов маршрутов. Даже если начать с одного-единственного нейрона, и даже если путешественнику чертовски повезет найти хоть какие-то варианты движения вперед, всего за несколько скачков количество непройденных потенциальных путей, параллельных маршрутов, выходящих из нашей исходной стартовой точки, резко возрастает. И каждый из этих путей потенциально может заниматься параллельными вычислениями чего-нибудь еще.
Дорог на самом деле намного больше, чем в примере параллельных путей, выходящих из одного нейрона. Каждая область мозга посылает множество импульсов по параллельным маршрутам. Начиная с сетчатки, ганглиозные клетки разбивают видимый мир на множество параллельных потоков информации: соседние нейроны реагируют на соседние предметы; нейроны в нижней части сетчатки реагируют на то, что находится наверху, и наоборот. Пиксели визуальной сцены с печеньем обрабатывались параллельно в каждом канале: некоторые ганглиозные клетки обрабатывали археологические залежи бумаг, разбросанные по краю вашего стола и перетекающие на прилегающий, с печеньем; некоторые наблюдали противоположную стену, Грэма на фоне стены, галстук Грэма и (сломанный) копировальный аппарат; еще одни – мотивационный плакат на офисной перегородке перед вами, гласящий: «Служба поддержки клиентов – это не отдел, это состояние души». Мы следовали за импульсами только из одного места в этом микрокосме, которые несли информацию всего об одном пикселе, одной точке этой картины, точке на раскрошившемся крае печенья, в то время как повсюду вокруг нас импульсы других ганглиозных клеток параллельно переносили в мозг картину остального мира.
И затем каждый из этих пикселей обрабатывается по крайней мере тридцатью различными типами ганглиозных клеток, собранных в первичные сети. Каждый из них передает различную информацию о появлении или смещении света, о том, как быстро меняется свет, или его направление, или о комбинациях всего этого. Информация о состоянии каждого пикселя в видимом пространстве обрабатывается параллельно, и в этой информации о каждом пикселе параллельно обрабатывается более тридцати отдельных потоков информации, и все они переносятся импульсами. А мы последовали только за одним.
Мы видели эти параллельные вычисления и в конце нашего пути. Нейроны моторной коры должны передавать информацию параллельно. Некоторые посылали импульсы, чтобы изменить позу; другие в это время отправляли команды, чтобы двигать плечом; третьи – чтобы протянуть руку.
И за пределами этого локального распараллеливания весь мозг – это огромный монстр параллельных вычислений. Вне нашего маршрута осталось еще так много областей мозга, которое мы не смогли посетить. Импульсы от сетчатки направляются прямо в ствол мозга, чтобы ваши глаза совершали саккады – быстрые согласованные движения, позволяющие сканировать пространство на предмет внезапного появления в поле зрения нового, важного и потенциально голодного объекта. Импульсы, отправляемые в гиппокамп и окружающие его структуры, несут воспоминания об аналогичных инцидентах, связанных с необходимостью экстренного повышения уровня сахара в крови перед скучным и длинным общим собранием, формируют воспоминания об инциденте с печеньем и отслеживают, где вы находитесь в офисе. Импульсы, которые отправляются в миндалевидное тело, готовят его к тому, чтобы извлечь урок из любого неудачного исхода эскапады с печеньем. Импульсы отправляются в таламус, мозжечок, латеральное серое вещество, гипоталамус – повсюду. Импульсы рассылаются по всему мозгу, чтобы вычислять разные вещи, предлагать разные решения, и все это делается параллельно.
Мозг параллелен на всех уровнях, от простейших связей, исходящих от одного нейрона, до маршрутов обработки информации через множество участков. Такая параллельная обработка решает одну часть проблемы ограничения скорости: нужно делать все сразу, разделяя мир на потоки и вычисляя каждый его элемент параллельно и одновременно. Но это не решает основную проблему ограничения скорости: вычисление каждого отдельного элемента – превращение пикселей света и тьмы в печенье для принятия решения о начале движения – все еще происходит последовательно.
В течение одной секунды большинство нейронов все еще не успевают создать импульс. А те немногие, что успевают это сделать, могут отправить сравнительно небольшое количество. И даже тогда последние из этой отправленной последовательности достигнут своих целевых нейронов уже после того, как эти нейроны отправили собственные импульсы.
