* * *
Таким образом, неокортекс не похож на компьютер, параллельный или какой либо другой. Вместо вычисления ответов на задачи для их решения и формирования поведения неокортекс использует сохраненную информацию. У компьютеров также есть память в виде жесткого диска или чипов памяти; однако у неокортикальной памяти есть четыре атрибута, фундаментально отличающиеся от компьютерной памяти:
• Неокортекс хранит последовательности паттернов.
• Неокортекс вспоминает паттерны автоассоциативно.
• Неокортекс хранит паттерны в инвариантной форме.
• Неокортекс хранит паттерны иерархически.
Мы обсудим первые три различия в этой главе. Я введу концепцию иерархии неокортекса в главе 3. В главе 6 я опишу ее значимость и как она работает.
Когда в следующий раз вы будете рассказывать историю, остановитесь и подумайте, почему в один момент времени вы можете рассказывать только об одном аспекте истории. Вы не можете рассказать одновременно все, что происходило, не важно, как быстро вы говорите или я слушаю. Вам необходимо закончить одну часть истории прежде, чем вы сможете приступить к следующей. Это не только потому что разговорный язык последовательный; и письменный, и устный, и визуальный рассказ истории происходят последовательным образом. Все это потому, что рассказ хранится в вашей голове в последовательной форме и может быть вспомнен только в той же самой последовательности. Вы не можете вспомнить всю историю одновременно. Фактически в большинстве случаев невозможно думать о какой-либо сложной вещи не как о последовательности событий или мыслей.
Вы можете отметить также, что рассказывая историю некоторые люде не могут сразу же дойти до сути. Кажется, что они распространяются о совершенно несвязанных деталях. Это может раздражать. Вы можете крикнуть "Ближе к делу!". Но они описывают историю так, как будто она происходила с ними, во времени, и не могут рассказать ее по-другому.
Другой пример: я хотел бы, чтоб вы представили свой дом прямо сейчас. Закройте глаза и представьте его. В вашем воображении пройдите к входной двери. Вспомните, как она выглядит. Откройте входную дверь. Зайдите внутрь. Теперь посмотрите налево. Что вы видите? Посмотрите направо. Что там? Пройдите в ванную. Что справа? Что слева? Что в верхнем правом ящике? Какие вещи у вас в душе? Вы знаете все эти вещи плюс тысячи других и можете вспомнить их достаточно детально. Эти воспоминания хранятся в вашем кортексе. Вы могли бы сказать, что все эти вещи часть воспоминания о вашем доме. Но вы не сможете думать о них о всех одновременно. Очевидно, что это связанные воспоминания, но нет способа вспомнить все эти детали одновременно. У вас исчерпываюшие воспоминания о вашем доме; но чтоб вспомнить их, вы должны пройти через последовательность сегментов, в основном тем же самым путем, каким они известны вам из личного опыта.
Все воспоминания похожи на это. Вы должны пройти через временную последовательность так, как вы сделали бы в действительности. Один паттерн (подход к двери) затрагивает другой паттерн (прохождение через дверь), он затрагивает следующий (спуститься в холл или подняться по ступенькам), и так далее. Каждый - это последовательность, которую вы проходили раньше. Конечно, сознательным усилием я могу изменить порядок того, как я описываю вам мой дом. Я могу перепрыгнуть от цокольного ко второму этажу, если захочу сфокусироваться на вещах непоследовательно. Однако же, как только я начну описывать какую-нибудь выбранную комнату или вещь, я снова вернусь к последовательности. Действительно произвольного мышления не существует. Воспоминания почти всегда следуют путем ассоциаций.
Вы знаете алфавит. Попробуйте произнести его задом наперед. Вы не сможете, потому что вы обычно не слышали его в обратной последовательности. Если вы хотите узнать, что чувствуют дети, изучающие алфавит, попробуйте произнести его в обратной последовательности. Это тоже самое, с чем сталкиваются они. Это действительно трудно. Ваше знание алфавита - это последовательность паттернов. Оно не может быть запомнено или вспомнено непосредственно или в произвольном порядке. То же самое с днями недели, месяцами года, вашим телефонным номером и бесчисленным множеством других вещей.
Ваша знание песни - великолепный пример временной последовательности в памяти. Вспомните какую-нибудь мелодию. Я люблю приводить пример с "Somewhere over the Rainbow", но подойдет любая мелодия. Вы не сможете представить сразу всю песню целиком, только в последовательности. Вы можете начать с начала или, возможно, с припева, но затем вы будете воспроизводить нота за нотой. Вы не сможете вспомнить песню задом наперед, точно также, как и вспомнить всю мгновенно. Сначала вы услышали песню так, как она звучит во времени, и вы можете ее вспомнить только точно так же, как ее заучили.
Это применимо также и к сенсорной памяти низкого уровня. Вспомним ваши тактильные ощущения текстуры. Ваш кортекс хранит память о том, на что похоже ощущение, когда вы держите пригоршню гравия, проводите пальцами по бархату, нажимаете на клавиши фортепиано. Эта память точно так же основана на последовательностях, как алфавит или песни; только последовательности более короткие, охватывающие всего лишь доли секунд, а не несколько секунд или минут. Если я зарою вашу руку в ведре гравия, пока вы спите, когда вы проснетесь, вы не поймете, с чем соприкасается ваша рука, пока не пошевелите пальцами. Ваша память тактильной текстуры гравия основана на последовательностях паттернов ощущения нейронами вашей кожи давления и вибрации. Эти последовательности отличаются от тех, которые вы получили бы, если б ваша рука была погружена в песке или в пенопластовые шарики или в сухие листья. Когда вы сгибаете вашу руку, царапанье и перекатывание камешков должно создавать сигнальные последовательности паттернов гравия и вызывать соответствующие воспоминания в вашем соматосенсорном кортексе.
Когда вы в следующий раз будете выходить из душа, уделите внимание тому, как вы вытираетесь полотенцем. Я обнаружил, что каждый раз вытираюсь практически в одной и той же последовательности растираний, похлопываний и положений тела. С помощью забавных экспериментов я обнаружил, что моя жена также следует неизменным паттернам, когда выходит из душа. Возможно, с вами происходит то же самое. Если вы следуете последовательности, попробуйте изменить ее. Вы можете заставить себя сделать это, но вам необходимо оставаться сосредоточенным. Если вы отвлечетесь, вы снова вернетесь к заученным паттернам.
Вся память хранится в синаптических соединениях между нейронами. Фактически мы храним в кортексе очень большое количество вещей, но то, что в один момент времени мы можем вспомнить только крошечную долю этих сохраненных воспоминаний, вызвано тем, что только ограниченное количество синапсов и нейронов в вашей голове играют активную роль в вспоминании в один момент времени. Когда вы начинаете вспоминать, что есть у вас дома, одно множество нейронов становится активным, что ведет затем к активизации другого множества нейронов, и т. д. У неокортекса взрослого человека невероятно большая емкость памяти. Но несмотря на то, что мы помним так много вещей, мы можем вспомнить в один момент времени только небольшую часть, и можем сделать это только в последовательности ассоциаций.
Вот интересное упражнение. Попробуйте вспомнить детали вашего прошлого, где вы жили, какие места посещали, людей, которых вы знали. Я обнаружил, что я всегда могу вспомнить о вещах, о которых не думал в течение множества лет. Есть тысячи деталей воспоминаний, сохраненных в синапсах вашего мозга, которые редко используются. В любой момент времени мы вспоминаем только крошечную долю того, что мы знаем. Большая часть информации ожидает соответствующих стимулов, чтоб быть востребованной.
Компьютерная память не хранит последовательности паттернов. Это может быть сделано с помощью различных программных средств, но компьютерная память не делает этого автоматически. В отличие от этого, кортекс автоматически хранит последовательности. Это является неотъемлемым аспектом системы неокортикальной памяти.
* * *
Теперь давайте рассмотрим второе ключевое свойство нашей памяти, ее автоассоциативную природу. Как мы увидели в главе 2, этот термин просто обозначает, что паттерны ассоциируются с самими собой. Автоассоциативные системы памяти - это то, что может вспомнить паттерн полностью, когда заданы только частичные или искаженные данные. Это работает и для пространственных и для временных паттернов. Если вы видите, что из-за занавеса торчат ботинки вашего ребенка, вы автоматически воображаете его целиком. Вы восполняете пространственный паттерн по его частичной версии. Или вообразите, что вы видите человека, ждущего автобус, но можете наблюдать только его часть, потому что он частично загорожен кустом. Ваш мозг не сбивается с толку. Ваши глаза видят только часть тела, но ваш мозг дополняет оставшееся, создавая восприятие человека целиком настолько явно, что вы можете не заметить, что вы это только подразумеваете.
Вы также восполняете и временные паттерны. Если вы вспоминаете небольшую деталь того, что произошло очень давно, полная последовательность событий может заполнить ваш разум. Известная серия новелл Марселя Пруста, RemembranceofThingsPast, начинается с воспоминания о том, как пахнет печенье - и отталкиваясь от этого, он выдает больше тысячи страниц. При общении мы часто не слышим некоторых слов, если мы находимся в шумном помещении. Никах проблем. Наш мозг заменяет пропущенное тем, что он ожидает услышать. Точно установлено, что мы действительно слышим не все слова из тех, которые воспринимаем. Некоторые люди вслух завершают предложения других, но мысленно каждый из нас делает это постоянно. И не только конец предложения, но и середину и даже начало. В большинстве случаев мы не осознаем, что постоянно завершаем паттерны, но это повсеместное и фундаментальное свойство того, как память хранится в кортексе. В любой момент часть может активизировать целое. В этом суть автоассоциативной памяти.
Ваш неокортекс это сложная биологическая автоассоциативная память. В любой момент прогулки каждый функциональный регион по существу неустанно ожидает, что поступят знакомые паттерны или фрагменты паттернов. Вы можете сильно задуматься о чем-либо, но как только появится ваша подруга, ваши мысли переключатся на нее. Это переключение не является чем-то, что вы выбираете сознательно. Появление вашей подруги всего лишь заставляет ваш мозг начать вспоминать паттерны, ассоциирующиеся с ней. Это неизбежно. После того, как вас прервут, вы часто спрашиваете, "О чем я только что думал?". Общение с друзьями за ужином следует путями ассоциаций. Разговор может начаться с еды перед вами, но салат вызовет ассоциированное воспоминание о салате на вашей свадьбе, что приведет к воспоминанию о еще чьей-нибудь свадьбе, что приведет к воспоминанию о том, где они провели медовый месяц, к политическим проблемам в прошлом и т. д. Мысли и воспоминания ассоциативно связаны, произвольно мысли никогда не возникают. Информация, поступающая в мозг, автоассоциативно связана сама с собой, заполняя настоящее и автоассоциативно связывая с тем, что должно последовать. Мы называем эти цепочки воспоминаний мыслями, и хотя их путь не предопределен, мы не можем полностью их контролировать.
* * *
Сейчас мы можем рассмотреть третье важное свойство неокортикальной памяти: как она формирует то, что мы называем инвариантным представлением. В этой главе я поясню основные идеи инвариантного представления, а в главе 6 - детали того, как кортекс создает его.
Компьютерная память разработана для того, чтоб хранить информацию в точно таком же виде, как она представляется. Если вы копируете программу с компакт-диска на жесткий диск, каждый байт копируется со стопроцентной точностью. Единичная ошибка или отличие между двумя копиями может вызвать сбой программы. Память неокортекса отличается от этого. Наш мозг не помнит в точности, что он видит, слышит или чувствует. Мы не помним или не вспоминаем вещи со точно - не потому что кортекс и его нейроны небрежные или подвержены ошибкам, а потому что мозг помнит важные взаимосвязи мира независимо от деталей. Давайте рассмотрим несколько примеров, иллюстрирующих это.
Как мы видели в главе 2, простая модель автоассоциативной памяти существует десятилетия, и, как сказано выше, мозг вспоминает автоассоциативно. Но между автоассоциативной памятью, построенной исследователями нейронных сетей, и памятью кортекса есть большая разница. Искусственная автоассоциативная память не использует инвариантное представление и, следовательно, она ошибочна в некоторых базовых принципах. Вообразите, что у меня есть изображение лица, сформированное большим набором черных и белых точек. Эта картинка - паттерн, и если у меня есть искусственная автоассоциативная память, я могу хранить множество картинок в этой памяти. Наша искусственная автоассоциативная память надежна в том, что если я дам половину лица, или даже пару глаз, она распознает эту часть и корректно заполнит оставшуюся часть. Этот эксперимент в точности был проделан несколько раз. Но если я сдвину каждую точку на пять пикселей влево, память совершенно не сможет распознать лицо. Для искусственной автоассоциативной памяти это совершенно новый паттерн, потому что ни один из пикселей сохраненного паттерна и нового паттерна не выровнены. Вы и я, конечно же, без труда видим сдвинутый паттерн как то же самое лицо. Возможно, мы даже не заметим изменений. Искусственная автоассоциативная память не может распознать паттерны, если они сдвинуты, повернуты, масштабированы или трансформированы одним из тысяч других способов, тогда как наш мозг легко справляется с этими вариациями. Что позволяет нам воспринимать что-то как то же самое или неизменное, тогда как поступающие паттерны, представляющие его, новые или измененные? Давайте рассмотрим другой пример.
Возможно, сейчас вы держите в руках книгу. Когда вы двигаете книгу, или меняете освещение, или по-другому усаживаетесь на стуле, или фиксируете глаза на другой части страницы, паттерны освещенности, попадающие на вашу сетчатку, полностью меняются. Визуальная информация изменяется от момента к моменту и никогда не повторяется. Фактически, вы могли бы держать эту книгу сотни лет и ни разу паттерны на вашей сетчатке, и, следовательно, попадающие в ваш мозг, не повторились бы. Но у вас ни на секунду не возникало бы сомнений, что книга, которую вы держите, действительно та самая книга. Внутренний паттерн вашего мозга, представляющий "эту книгу", не меняется, хотя стимулы, информирующие вас находятся в постоянном изменении. Поэтому мы будем использовать термин инвариантное представление, ссылаясь на внутреннее представление в мозгу.
Другой пример, вспомните лицо подруги. Вы узнаете ее каждый раз, когда видите. Это происходит автоматически менее чем за секунду. Не имеет значения, что она в двух шагах от вас, трех или на другой стороне комнаты. Когда она близко, изображение ее лица занимает всю вашу сетчатку. Когда она далеко, ее изображение занимает маленькую часть вашей сетчатки. Она может быть лицом к вам, немного боком или в профиль. Она может улыбаться, прищуриваться или зевать. Вы можете видеть ее в ярком свете, в тени или под специфическим освещением дискотеки. Ее лицо может появляться в бесчисленных позициях и вариациях. В каждом случае паттерны света, попадающие на сетчатку, уникальны, но в каждом случае вы точно знаете, что смотрите именно на нее.
Давайте приоткроем завесу и взглянем на то, что происходит в вашем мозгу во время выполнения этого изумительного трюка. Из экспериментов нам известно, что если мы будем отслеживать активность нейронов визуальной области кортекса, называемой V1, паттерны активности будут отличаться при каждом различном взгляде на лицо. Каждый раз, когда лицо двигается или ваши глаза фиксируются в новой точке, паттерны активности в V1 изменяются, практически подобно изменению паттернов на сетчатке. Однако, если мы будем отслеживать активность клеток в области, ответственной за распознавание лиц - функциональной области на несколько уровней выше по кортикальной иерархии, чем V1 - мы обнаружим стабильность. То есть, некоторое множество клеток в области, ответственной за распознавание лиц, остается активным, пока лицо вашей подруги находится в поле вашего зрения (или даже если воображается в мысленном поле зрения), несмотря на его размер, положение, ориентацию, масштаб и выражение лица. Эта стабильность возбуждения нейронов - инвариантное представление.
Интроспективно эта задача кажется настолько простой, что едва ли стоит называть ее проблемой. Она работает автоматически, как дыхание. Она кажется тривиальной, потому что мы не осознаем, как это происходит. И в некотором смысле, она тривиальна, потому что наш мозг может решить ее очень быстро (вспомните правило ста шагов). Однако, проблема понимания того, как кортекс формирует инвариантное представление, остается одной из величайших тайн науки. Насколько сложна эта проблема, спросите вы? Настолько, что никто, даже используя самый мощный компьютер в мире, не способен решить ее. И это не от не от недостатка количества попыток.