Скорость мысли. Грандиозное путешествие сквозь мозг за 2,1 секунды - Марк Хамфрис
Проще всего проверить эту идею на зоне V1 визуальной коры. Мы неплохо разобрались в том, как нейроны реагируют на видимый мир – об этом была бóльшая часть третьей главы, – поэтому знаем, как должна выглядеть спонтанная активность в V1. И у нас есть множество доказательств того, что спонтанные импульсы в V1 взрослого человека или животного выглядят точно так же, как импульсы, вызванные сигналами от сетчатки [303]. Гринвальд и его коллеги представили большую часть этих доказательств в трех важных работах [304]. В 1996 году они показали, что мы можем предсказать активность в V1, вызванную показанным изображением, используя спонтанную активность непосредственно перед предъявлением картинки. Более того, что вызванная картинкой и спонтанная активность сходны до той же степени, как и спонтанная активность непосредственно перед предъявлением картинки похожа на спонтанную активность за некоторое время до предъявления картинки: в активности, вызванной непосредственно визуальной информацией, нет ничего особенного или уникального. В 1999 году они выяснили, что одиночный нейрон в V1 заставляет отправлять импульс тот же рисунок активности, который проявляется в окружающих нейронах, независимо от того, была ли активность спонтанной или вызвана сенсорным входящим сигналом. Мы в полной мере наблюдаем действие легиона в обоих случаях. А в 2003 году ученые обнаружили, что группы нейронов, которые заняты распознаванием контуров в пространстве, расположенных под одинаковым углом, проявляют совместную спонтанную активность, очень похожую на ту, которую демонстрируют, когда им предъявлен участок внешнего видимого мира, на который нужно смотреть. Но и это еще не все. Физер с коллегами продемонстрировали в своей работе, что корреляция между импульсами в V1 одинакова независимо от того, являются ли они спонтанной активностью глаз в темноте или вызваны просмотром фильма [305].
Мы видели эту схожесть между спонтанной и целевой активностью и в других областях коры головного мозга. В первичных сенсорных участках коры головного мозга крысы, реагирующих на звук или прикосновение, последовательность, в которой срабатывают группы нейронов, одинакова независимо от того, слушает ли крыса звуки, спит или находится под наркозом [306]. В моей лаборатории мы выяснили, что в префронтальной коре крыс, бегавших по лабиринту, во сне вновь часто появлялись импульсы того же легиона нейронов, который был активен, когда они исследовали лабиринт [307]. На самом деле так часто, что почти каждая миллисекунда бега по лабиринту сопровождалась тем же рисунком импульсной активности, как и тот, который повторялся при спонтанной активности во сне. Поистине, нет ничего уникального в импульсах, вызванных событиями во внешнем мире.
Мы даже видели, как спонтанная активность зрительной коры меняется в процессе развития мозга, когда он воспринимает и усваивает статистику видимого мира. В красивом эксперименте Йожеф Физер и его сотрудники под руководством Пьетро Беркеса проследили развитие зоны V1 у хорьков, записывая характерные рисунки активности нейронов первичной зрительной коры, когда животным показывали видео с некими естественными событиями, происходящими в мире, и когда они находились в полной темноте [308]. Детеныши хорьков демонстрировали абсолютно разные рисунки активности при просмотре кино и в темноте. Но в процессе взросления происходила конвергенция, то есть их сходство нарастало, так что у взрослых животных одни и те же нейроны проявляли активность в одно и то же время, смотрел ли хорек фильм или сидел в кромешной темноте. (Фильмом «о событиях в мире» был трейлер к «Матрице». Под «естественными событиями» исследователи явно не подразумевают деревья, цветы и пчел. На самом деле трудно представить более неестественную сцену в реальном мире. Конечно же, они имели в виду, что эта серия изображений содержит характерную статистику элементов визуального мира: множество границ, кривых и углов, находящихся в некоторых отношениях друг к другу и движущихся в различных направлениях. Некоторые из этих границ и кривых были Киану Ривзом в плаще.)
Но откуда мы знаем, что эта конвергенция происходит в результате изучения развивающимся мозгом закономерностей видимого мира, как я утверждал выше? Потому что это совпадение было характерно для просмотра видео с «естественными» событиями. При просмотре неестественных изображений, состоящих только из множества прямых параллельных линий, вызванные ими узоры активности в коре головного мозга заметно отличались от спонтанных узоров мозговой активности, возникающих в темноте. В совокупности этот эксперимент предполагает, что с возрастом в зрительной коре происходит развитие навыка прогнозирования. Что предсказания, сделанные спонтанной активностью, содержат серьезные ошибки у младенцев, которые только что открыли глаза, потому что статистика видимого мира им еще не известна. Навык прогнозирования улучшается по мере того, как животное познает мир с течением времени, ошибок становится меньше, и поэтому разница между спонтанной активностью и той, которая вызвана реальными зрительными сигналами, также уменьшается. Вследствие чего к тому времени, когда зрительная кора достигает зрелости, разница между спонтанной и естественной активностью очень мала, поскольку большую часть естественного мира мозг может предсказать. Однако ошибки в предсказании неестественных образов не исчезают, поскольку они не являются для хорька частью его жизненного опыта.
Бесконечный круговорот
Я предлагаю здесь простую, но довольно радикальную модель того, как работает мозг. Импульсы, приходящие из внешнего мира, лишь корректируют спонтанную активность, и эти корректировки являются сообщениями, которые они несут. Это примерно как лепить из пластилина снеговика, затем печенье, затем дерево – материал один и тот же, но разные значения, которые формируют из него ваши пальцы. Корректировки – это ошибки в предсказаниях: того, что воспринималось органами чувств; того, что было сделано телом; того, каковы оказались последствия сделанного.
Вот почему в зрелом мозге количество импульсов, посылаемых каждым нейроном, практически не меняется при активности спонтанной и при активности, вызванной внешними сигналами [309], так же как и рисунок активности в зрительной зоне V1 и префронтальной коре, как я только что описывал. Большинство импульсов рождаются в результате постоянной внутренней спонтанной активности и просто приобретают новые формы в результате получения входящих данных из внешнего мира. Это означает, что информация не закодирована в количестве импульсов, или их временных характеристиках, или в рисунках групповой активности, вызванных сигналами из внешнего мира; она кодируется изменениями в постоянно посылаемых спонтанных импульсах, продолжающейся спонтанной активности.
Если они настолько важны, как и откуда они взялись? Я бы предположил, что спонтанные импульсы – неизбежное следствие эволюции большого комка из связанных друг с другом нейронов в сложный, хорошо структурированный мозг. Нейроны по сути одинаковы у всех живых существ, имеющих нервную
