Скорость мысли. Грандиозное путешествие сквозь мозг за 2,1 секунды - Марк Хамфрис
Спонтанность ради выживания
Представьте, что тело должно было бы ждать, пока импульсы от сетчатки образуют легион импульсов в первичной области зрительной коры, чтобы он в свою очередь образовал легион импульсов во вторичной визуальной зоне, и так последовательно на всех остальных участках долгого пути к моторным нейронам в спинном мозге. Это займет десятки секунд, возможно, даже минуты.
У вашего тела нет времени сидеть и ждать, пока на каждом шагу с нуля будут созданы легионы импульсов. Сидеть и ждать – прямой путь к тому, чтобы быть съеденным. Как же тогда импульсы превращают ощущения в действия – поднимать, хватать, бежать, принимать решения – достаточно быстро, чтобы тело могло выжить?
Я считаю, что все дело в спонтанных импульсах. Они – способ мозга обойти скоростные лимиты и разобраться с главной проблемой – проблемой выживания. Тело не должно ждать их создания, потому что они и так уже есть. И поскольку они уже есть, их можно поставить на службу выживанию.
Спонтанные импульсы способны помогать нейронам быстрее реагировать на внешний мир. Оставленный на собственное усмотрение, не подверженный бомбардировке входящими сигналами, пирамидальный нейрон по умолчанию будет иметь значение электрического потенциала в своем теле намного ниже критической точки, необходимой для генерации импульса. Требуется несколько сотен входящих импульсов, чтобы из состояния покоя достичь потенциала, достаточного для генерации одного выходного импульса от этого единственного нейрона (глава 3). И это даже не считая вампирических ГАМК-синапсов, подавляющих попытки довести нейрон до критической точки. Как и вы, лениво дремлющий нейрон медлителен при пробуждении из состояния полного покоя и склонен снова засыпать без постоянного сигнала тревоги.
Но что, если напряжение в теле нейрона уже близко к критической точке? Тогда ему нужно получить всего несколько дополнительных входящих импульсов, чтобы создать новый. Он сможет посылать импульс почти мгновенно. Если эти несколько дополнительных всплесков потенциала в его теле вызваны чем-то, произошедшим во внешнем мире, нейрон может почти мгновенно отреагировать на этот вызов. И как нейрон может удерживаться вблизи своей критической точки, ожидая, когда появятся импульсы, вызванные событиями в мире? Правильно: спонтанные импульсы, вызывающие скачки потенциала во многих нейронах, повышающие их напряжение все ближе к критическому. Вихрь спонтанных импульсов в большой нейронной сети может гарантировать, что всегда есть нейроны, близкие к своей критической точке. Таким образом всякий раз, когда в этот контур поступают новые импульсы, несущие сообщения о внешнем мире, эти нейроны могут отреагировать на них почти мгновенно, посылая в ответ свои собственные импульсы, отправляя информацию дальше.
В то время как отдельный нейрон может быть сонным и вялым, группа нейронов всегда готова ответить на вызов – легион снова в бою [290]. И с этими подкритическими нейронами в каждой области коры, в V1, V2, V4, MT, префронтальной коре и т. д., каждый последующий шаг в нашем путешествии занимал всего несколько миллисекунд.
С этой точки зрения спонтанные импульсы служат для помощи импульсам, вызванным событиями во внешнем мире. Эта теория явно работает, но вызывает множество неприятных вопросов. Во-первых, все это происходит случайно: в тот самый момент, когда из мира поступает новая информация, какие-то нейроны преодолевают свой критический уровень при помощи спонтанных импульсов, вероятно, случайным образом. Возможно, не имеет значения, какие именно нейроны случайным образом оказываются близки к критической точке, если все, что волнует мозг, – это информация, переносимая легионами импульсов (глава 7). Но даже в этом случае как мозг может отличить импульсы, которые требуются для поддержания быстрой реакции в других нейронах, от импульсов, которые означают события внешнего мира?
Но более серьезная проблема заключается в том, что использование спонтанных импульсов в качестве простых помощников для информационных импульсов – это на удивление расточительное использование огромного количества энергии, необходимого для поддержания спонтанной активности. В самом деле, это такое огромное количество энергии, что импульсы, вызванные событиями или действиями во внешнем мире, едва ли оказывают влияние на уровень потребления энергии мозгом, в котором кипит спонтанная активность [291]. То, что на это уходит столько энергии, заставляет предполагать, что у мозга должен быть лучший способ заставить спонтанные импульсы работать на себя.
И нам кажется, что мы знаем, как именно: спонтанные импульсы уже несут большую часть информации, необходимой мозгу для совершения действий. Они содержат предсказания.
Спонтанность ради прогнозирования
Прогнозирование имеет решающее значение для многих наших действий. Наши знания, накопленные на основе предыдущего опыта, определяют наше будущее поведение. Это прогнозирование, предсказание: исходя из того, что произошло раньше, мы определяем, что, вероятнее всего, произойдет дальше. Наш мозг превращает опыт в предсказание. И это проявляется на всех временных масштабах нашего поведения, от простого до сложного.
Предсказание видимого мира
Есть один навык, которому вы на самом деле научились на собственном опыте, хотя даже не подозреваете, что именно научились ему: это зрение. Развитие вашей зрительной системы заняло очень много времени. Ваши глаза открылись еще в утробе, но смотреть там было не на что. Когда вы родились, ваш мозг не знал, как выглядит мир. Он не знал о визуальной статистике окружающего мира. Сколько там краев, углов и кривых. Не знал о том, где они обычно бывают – ровные края горизонтов, стволов деревьев и домов, ровные углы листов бумаги, кубиков и окон, правильные дуги луны, мячей и пирогов. О том, как эти края, углы и кривые соотносятся друг с другом, образуя деревья, дома и мячи. И о том, как они движутся по изящным дугам и плавным траекториям без внезапного исчезновения, разворота или падения.
Вся эта визуальная статистика видимого мира усвоена мозгом на собственном опыте. Вырастите кого-нибудь в мире без вертикальных линий, и он не сможет увидеть вертикальный объект, расположенный перед ним [292]. Вырастите кого-нибудь, закрыв ему один глаз, и, когда вы позволите его открыть, этот глаз ничего не увидит [293]. В обоих случаях нейроны зрительной коры не смогли изучить соответствующую статистику видимого мира: без опыта видения вертикальных линий не будет нейронов, настроенных на вертикальные линии; лишенные восприятия картины из одного глаза, не появятся нейроны, обрабатывающие вид на внешний мир из этого глаза. Нейроны узнают о краях, углах и изгибах на собственном опыте. Набор нейронов в вашей зрительной коре в точности отражает статистику видимого мира, в котором вы выросли.
Это означает, что ваш мозг может превратить этот жизненный опыт в предсказание. Если видимый мир имеет тенденцию последовательно воспроизводить набор повторяющихся статистических данных, тогда нам
