Крис Фрит Мозг и душа: как нервная деятельность формирует наш внутренний мир

Наш мозг создает у нас ощущение легкости восприятия

Примечательная особенность нашего восприятия материального мира во всей его красоте и во всех подробностях состоит в том, что оно кажется нам таким легким. Если верить нашим чувствам, восприятие окружающего мира для нас не проблема. Но это чувство легкости и мгновенности нашего восприятия есть иллюзия, создаваемая нашим мозгом. И мы не знали об этой иллюзии, пока не попытались сделать машины, способные к восприятию.

Единственный способ узнать, легко или сложно нашему мозгу воспринимать окружающий мир, это сделать искусственный мозг, способный к восприятию окружающего. Чтобы сделать такой мозг, нужно установить, из каких компонентов он должен состоять, и узнать, какие функции должны выполнять эти компоненты.

Информационная революция

Основные компоненты головного мозга были открыты нейрофизиологами в конце XIX века. Тонкая структура мозга была установлена путем изучения под микроскопом тонких срезов мозговой ткани. Эти срезы окрашивали различным образом, чтобы увидеть разные аспекты структуры мозга (см.рис. п.4 в прологе). Исследования показали, что мозг содержит множество нервных клеток¹¹⁰ и очень сложную сеть взаимосвязанных волокон. Но главное открытие в области изучения основных компонентов мозга сделал нейроанатом Сантьяго Рамон-и-Кахаль. Путем детальных исследований он показал, что волокна этой сети растут из нервных клеток и, что особенно важно, в этой сети есть промежутки. Волокно, растущее из одной клетки, подходит очень близко к следующей клетке, но не сливается с ней. Эти промежутки и есть синапсы, описанные в предыдущей главе (см. рис. 4.3). Из результатов своих исследований Рамон-и-Кахаль сделал вывод, что основным элементом мозга является нейрон, то есть нервная клетка, со всеми ее волокнами и другими отростками. Эта концепция получила широкое признание и стала известна как "нейронная доктрина".¹¹¹

Рис. 5.1. Великий клубок, который был распутан.
Нервные клетки – элементарные единицы, из которых состоит мозг. На этом рисунке Сантьяго Рамона-и-Кахаля показаны нервные клетки коры головного мозга, окрашенные по методике, разработанной Камилло Гольджи. Видны многочисленные нейроны разного типа и их отростки.

Но что же, собственно, делают нейроны, эти основные элементы мозга? В середине XIX века Эмиль Дюбуа-Реймон продемонстрировал электрическую природу нервных импульсов. А к концу XIX века Давид Феррье и другие исследователи показали, что электрическая стимуляция определенных участков мозга вызывает специфические движения и ощущения. Электрические импульсы, распространяющиеся по волокнам нейронов, переносят сигналы из одного участка мозга в другой, активируя там другие нейроны или подавляя их активность. Но как могут подобные процессы лежать в основе работы устройства, способного воспринимать объекты окружающего мира? Серьезный шаг в направлении решения этой проблемы был сделан даже не нейрофизиологами, а инженерами-проектировщиками телефонных линий. Телефонные линии похожи на нейроны: и по тем, и по другим распространяются электрические импульсы. В телефонной линии электрические импульсы активируют динамик на другом конце провода точно также, как импульсы моторных нейронов могут активировать мышцы, к которым ведут отростки этих нейронов. Но мы знаем, что телефонные линии нужны не для передачи энергии, а для передачи сообщений, будь то в форме речи или в форме точек и тире азбуки Морзе.

Инженеры корпорации Bell Telephone Laboratories занимались поисками наиболее эффективного способа передачи телефонных сообщений. В ходе их исследований возникла идея, что телефонные провода в действительности служат для передачи информации .¹¹² Весь смысл передачи сообщения состоит в том, чтобы после его получения мы знали больше, чем до него. Теория информации¹¹³ дает нам метод, позволяющий измерять, насколько увеличились наши знания после получения определенного сообщения.
До начала игры в крикет мы еще не знаем, кому достанется первая подача, пока арбитр не бросит монетку. Перед бросанием монетки есть две возможности: или первая подача будет у англичан, или у австралийцев. После бросания монетки от этих двух возможностей останется одна определенность : теперь мы знаем, что первая подача у англичан. Подобное увеличение знаний, когда из двух возможностей выбирается что-то одно, называют одним битом информации. Когда мы бросаем игральную кость, а не монетку, у нас есть шесть возможностей, и мы получаем больше информации, потому что одно определенное сообщение выбирается из шести возможных. Количество информации, которую мы получаем в данном случае, составляет 2,58 бит.¹¹⁴ Пользуясь этим определением, мы можем измерить, сколько информации передается по телефонной линии и с какой скоростью (измеряемой в битах в секунду, или бодах) она передается. При скорости в 300 бод по линии передается около 60 знаков в секунду, так как каждый знак (например, буква или цифра) несет в среднем около 5 бит информации.
При этом, разумеется, одни знаки несут меньше информации, чем другие. Например, буквы, которые встречаются часто, такие как E в английском, несут меньше информации, чем редкие буквы, такие как Z . Хуже всего обстоит дело с буквой U , идущей после Q .¹¹⁵ В этом положении буква U вообще не несет никакой информации. Про такие знаки говорят, что они избыточны. Может быть, наши коммуникации с помощью языка стали бы намного эффективнее, если бы мы избавились от избыточных знаков и стали реже использовать такие знаки, как буква E ?
На деле подобные усовершенствования ничего не дают, потому что реальный мир несовершенен: рукописные тексты всегда содержат описки и двусмысленности, наборщики делают опечатки, телефонные линии полны помех.¹¹⁶ К тому времени, как сообщение достигнет другого конца линии, некоторые его фрагменты потеряются, а некоторые посторонние звуки окажутся добавлены. Для идеальных сообщений, в которых нет избыточных знаков, подобный шум губителен. Другого конца провода достигнет сообщение, отличное от исходного, и не будет никакой возможности узнать, что произошла ошибка.
Если же сообщение содержит избыточные биты информации, то ошибки можно отследить и восстановить исходное сообщение. Например, можно послать одно и то же сообщение дважды. Второе сообщение совершенно избыточно, но если между двумя полученными сообщениями есть разница, мы поймем, что произошли какие-то ошибки. Мы, конечно, по-прежнему не будем знать, какой вариант правильный. Но если мы пошлем то же сообщение в третий раз, мы можем отследить случаи, где два из полученных трех сообщений совпадают, и, исходя из этого, выбрать правильный вариант.
Я помню времена, когда у нас не было не только компьютеров, но и электронных калькуляторов. Сложные математические расчеты приходилось выполнять вручную, и при этом почти неизбежно возникали ошибки. Стандартная процедура отслеживания таких ошибок состояла в том, чтобы повторять выполняемые расчеты трижды. Если в двух случаях из трех получался один и тот же ответ, он, скорее всего, и был правильным, потому что маловероятно, чтобы в обоих расчетах была допущена одна и та же ошибка.
Наш мозг сталкивается с той же самой проблемой. Сообщения об окружающем мире, поступающие от наших глаз и ушей, содержат шум и полны ошибок, поэтому наш мозг не может уверенно сказать, где "правда", а где "ошибка". Чтобы избежать этого, наш мозг вовсю пользуется избыточностью поступающей информации. Когда мы разговариваем с другим человеком, мы обычно не только слушаем, что он говорит, но и внимательно смотрим за движением его губ. Сопоставляя эти две разновидности информации, наш мозг получает лучшее представление об исходном сообщении. Обычно мы не осознаём, что нам помогают в этом движения губ, но когда мы смотрим озвученный иностранный фильм (или фильм на нашем родном языке, в котором плохо смонтирована фонограмма), мы сразу чувствуем, что что-то не так, потому что движения губ не соответствуют звукам. 
Применение теории информации позволило сделать телефонные линии более эффективным средством передачи сообщений.¹¹⁷ Но роль, которую сыграла теория информации, отнюдь не ограничивается увеличением прибыли телефонных компаний. Определение информации через простые физические состояния (такие, как положения "вкл" и "выкл" электронного переключателя) означало, что теперь информацию можно хранить на физических носителях, то есть на цифровых запоминающих устройствах. Долгое время для хранения информации использовались книги, написанные и читаемые людьми. Новые запоминающие устройства позволяли записывать и считывать информацию машинам, от которых не требовалось понимания смысла записываемых и считываемых знаков. И конечно, эти новые запоминающие устройства можно было наполнять уже новым содержанием.
Уже в 1943 году Уоррен Маккаллок и Уолтер Питтс выдвинули новую нейронную доктрину, согласно которой нейрон – это элементарная функциональная единица мозга, служащая для обработки информации. Маккаллок и Питтс также предположили, что из обширных сетей простых электронных "нейронов" можно сконструировать искусственный мозг. Первые компьютеры были сделаны не по образцу нейронных сетей, однако, подобно искусственным нейронным сетям, они представляли собой устройства, способные хранить, передавать и видоизменять информацию в соответствии с определенными правилами. Когда в сороковых годах были сконструированы первые такие компьютеры, их сразу стали называть "электронные мозги". Такие машины можно было научить делать то, что делает наш мозг.