Книга: Сознание и мозг. Как мозг кодирует мысли

Имитация активации сознания

Имитация активации сознания

Складывая в глобальном рабочем пространстве рисунок из активных и бездействующих нейронов, доступ в сознательный опыт формирует нашу мысль. Возможно, этого метафорического образа уже достаточно для того, чтобы мы могли интуитивно понять, что есть сознание, однако на смену ему все равно должна прийти более сложная математическая теория, объясняющая, как работают нейронные сети и почему они генерируют нейрофизиологические автографы, которые мы наблюдаем на макроскопической записи. В попытке дать точный ответ на эти вопросы мы с Жан-Пьером Шанжо принялись разрабатывать компьютерные имитации нейронных сетей, обладающие некоторыми основными свойствами доступа в сознательный опыт⁴⁵.

Наша цель-минимум заключалась в том, чтобы проверить, как поведут себя нейроны, если будут соединены между собой так, как предполагает теория глобального рабочего пространства (рис. 27). Чтобы воссоздать на компьютере динамику небольшой коалиции нейронов, мы начали с нейронов «интеграции и импульса» — упрощенных уравнений, имитирующих электрические пики нервных клеток. Все эти нейроны были снабжены реалистичными синапсами, характеристики которых повторяли характеристики основных типов рецепторов нейротрансмиттеров в мозгу.

Рисунок 27. Компьютерная модель имитирует автографы бессознательного и сознательного восприятия. Мы с Жан-Пьером Шанжо с помощью компьютера имитировали ряд параметров многих зрительных, теменных и префронтальных областей, участвующих в сублиминальной и сознательной обработке данных (сверху). Четыре иерархические области соединялись между собой связями, обеспечивавшими передачу информации вперед по цепи и обратную связь на большие расстояния (середина). Каждая простимулированная область содержала клетки коры головного мозга, расположенные послойно и соединенные с нейронами зрительного бугра. Когда мы подали в сеть краткий импульс, активность стала распространяться снизу вверх, после чего сошла на нет; картина повторяла собой ту, что наблюдается при краткой активации кортикальных связей во время сублиминальной обработки данных. Немного продлив стимул, мы получили глобальную активацию: идущие сверху вниз связи усилили импульс и породили вторую волну длительной активации; это соответствовало активности, которая наблюдается во время сознательного восприятия

Затем мы соединили эти воображаемые нейроны в локальные кортикальные пучки, имитируя таким образом кору головного мозга, состоящую из слоев связанных между собой клеток. Концепция нейронного «пучка» опирается на тот факт, что нейроны, находящиеся друг над другом перпендикулярно поверхности коры, как правило, поддерживают тесную связь, одинаково реагируют и появляются в результате деления одной исходной клетки. Наша модель вполне соответствовала этим условиям: нейроны в столбцах, как правило, поддерживали друг друга и реагировали на одинаковые импульсы.

Смоделировали мы и небольшой зрительный бугор — структуру, состоящую из множества ядер, каждое из которых поддерживало тесную связь с каким-либо сектором или с различными точками коры. Мы добавили соответствующую действительности силу связей и временные задержки, они должны были возникнуть с учетом расстояния, которое предстояло преодолеть путешествующему по аксонам разряду. В результате мы получили грубую модель простейшего вычислительного блока, какой есть в мозгу у приматов: таламокортикальный пучок. Мы проследили за тем, чтобы эта модель вела себя так же, как настоящий мозг, то есть даже в отсутствие входящей информации виртуальные нейроны выдавали спонтанный импульс, а на электроэнцефалограмме их деятельность выглядела приблизительно так же, как выглядит деятельность коры головного мозга человека.

Получив удачную модель таламокортикального пучка, мы соединили несколько таких пучков в функциональную мозговую сеть широкого охвата. Мы имитировали иерархию четырех областей мозга и предположили, что каждая из них может содержать два пучка, кодирующих два целевых объекта — звук и свет. Наша сеть различала только два типа стимулов, но без этого сверхупрощения мы не смогли бы отслеживать работу модели. Мы предположили попросту, что, если в систему ввести дополнительный обширный набор состояний, качественных изменений в ней не произойдет⁴⁶.

На периферии восприятие происходит параллельно: нейроны, кодирующие звук и свет, могут активироваться одновременно, не мешая друг другу. Однако на более высоких уровнях кортикальной иерархии они активно подавляют друг друга вплоть до того, что эти области могут заниматься лишь одним интегрированным видом нейронных импульсов — то есть одной «мыслью» — одновременно.

В нашей модели, как и в настоящем мозгу, кортикальные области периодически посылают друг другу сигналы по цепочке: первая область получает сенсорный импульс, пересылает его во вторую область, а та — в третью и четвертую. Следует отметить, что при отдаленной обратной связи данные замыкают цепь саму на себя, поскольку высшие области посылают импульсы поддержки в те самые сенсорные области, из которых получили их ранее. В результате мы имеем упрощенное глобальное рабочее пространство: сплетение прямых и обратных связей на разных уровнях: нейронов, пучков, областей и длинных связующих элементов между ними.

И вот, наконец, программирование осталось позади, мы радостно включили имитацию и принялись следить за тем, как будут раздражаться виртуальные нейроны. Чтобы имитировать восприятие, мы подали на зрительные нейроны таламуса небольшой электрический ток, грубо воссоздав процесс, который происходит, когда, к примеру, активируются рецепторы света на сетчатке — сначала активируются, а потом, после первичной обработки импульсов, возбуждают нейроны-ретрансляторы, расположенные в той части зрительного бугра, которая называется латеральным коленчатым телом. Далее процесс имитируется в соответствии с уравнениями. Как мы и надеялись, наша подделка, пусть и безмерно упрощенная, продемонстрировала множество физиологических свойств, которые наблюдались при экспериментах на настоящем мозге и истоки которых мы вдруг получили возможность изучить.

Первым из этих свойств была глобальная массовая активация. Поданный нами стимул медленно поднимался вверх в строгом соответствии с кортикальной иерархией, от первичной области ко вторичной, а затем к третьей и четвертой. Движущаяся вперед волна имитировала хорошо знакомое нам перемещение нейронной активности по иерархии зрительных областей. Спустя некоторое время возбуждение начало охватывать все пучки, кодирующие свойства объекта восприятия. Благодаря множеству обратных связей нейроны, кодирующие одну и ту же сенсорную информацию, обменивались сигналами, поддерживая друг друга и таким образом вызывая массовую активацию. Одновременно с этим происходило активное подавление параллельных процессов восприятия. Активация продолжалась несколько сот миллисекунд. Ее длительность никак не была связана с длительностью воздействия исходного стимула: даже краткого сигнала извне уже было достаточно для того, чтобы поддерживать передающуюся в обоих направлениях активность. В этих экспериментах нам удалось уловить самую суть того, каким образом мозг создает долгоиграющие репрезентации увиденной мельком картины и поддерживает их в реальном времени.

Динамика модели воспроизводила свойства, которые мы наблюдали на электроэнцефалограммах и при записи данных с введенных в мозг электродов. У смоделированных нейронов по большей части наблюдалось запоздалое и резкое повышение количества получаемых синаптических импульсов. Возбуждение перекидывалось на новые и новые нейроны, но одновременно с этим возвращалось в исходные сенсорные области, с которых начиналось, — имитация позднего распространения сигнала, которое мы наблюдали в сенсорных областях в период доступа в сознательное восприятие. В нашей модели состояние массовой активации выливалось, кроме того, в обоюдонаправленную нейронную активность в многочисленных, как бы вложенных друг в друга петлях модели: в кортикальном пучке, от коры до зрительного бугра и обратно и на большие расстояния в коре. В итоге выросло количество осцилляционных колебаний на самых разных частотах с выраженным пиком на гамма-уровне (30 и более герц). В момент глобальной массовой активации пики нейронов, кодирующих сознательное восприятие, синхронизировались и происходили одновременно. Короче говоря, компьютер сымитировал четыре автографа сознательного восприятия, которые мы выделили эмпирическим путем.

Имитация этого процесса позволила нам посмотреть на него с новой, математической точки зрения. Доступ в сознательный опыт соответствует тому, что физики-теоретики зовут фазовым переходом — внезапным переходом физической системы из одного состояния в другое. Как я уже объяснял в главе 4, фазовый переход происходит, к примеру, когда вода превращается в лед: молекулы H₂O внезапно складываются в жесткую структуру с совершенно новыми свойствами. Во время фазового перехода физические характеристики системы могут меняться быстро и скачкообразно. В нашей компьютерной модели произошло то же самое: вялотекущая, низкая спонтанная активность на миг резко возросла, и тут же начался синхронизированный обмен импульсами.

Нетрудно понять, почему этот переход произошел так внезапно. Нейроны высшего уровня посылают импульсы тем самым участкам, которые первыми их подали, и потому система имеет два стабильных состояния с нестабильной границей между ними. Модель либо демонстрировала низкий уровень активности, либо, если входящий стимул усиливался и превышал критическое значение, стремительно и лавинообразно начинала активировать сама себя, заставляя подгруппы нейронов лихорадочно рассылать сигналы. Судьбу стимула средней интенсивности предсказать было невозможно — может, активность сойдет на нет, а может, вдруг перескочит на высокий уровень.

Этот аспект нашей модели прекрасно согласуется с психологической концепцией, созданной 150 лет назад и гласящей, что у сознания есть порог, четко отделяющий бессознательные (сублиминальные) мысли от сознательных (супралиминальных). Бессознательная обработка порождает возбуждение нейронов, активность охватывает одну область за другой, но глобальной массовой активации не происходит. А вот доступ в сознательное восприятие, напротив, согласуется с внезапным переходом к более высокому состоянию синхронизированной мозговой активности.

Правда, устройство мозга куда как сложнее снежного кома. На создание адекватной теории фазовых переходов в работе реальных нейронных сетей уйдет еще много лет⁴⁷. Собственно говоря, наша модель уже продемонстрировала два вложенных друг в друга фазовых перехода. Об одном из них я только что говорил — это глобальная массовая активация. Правда, возможность этой активации сама зависела от другого фазового перехода, вызывающего «пробуждение» всей сети. Каждый пирамидальный нейрон смоделированной коры получал сигнал активного внимания — небольшой разряд тока, крайне примитивную имитацию хорошо изученного активирующего эффекта ацетилхолина, норадреналина и серотонина, поступающего из различных ядер стволовой части мозга, базальных отделов передней части мозга и гипоталамуса и переводящего кору в положение «вкл». Так наша модель имитировала изменения в состоянии сознания, то есть переход от бессознательного состояния мозга к сознательному.

Когда сигнал активного внимания был слаб, спонтанная активность падала в несколько раз, и массовая активация не прослеживалась: даже сильный входящий сенсорный сигнал, который активировал нейроны зрительного бугра и коры головного мозга в первичной и вторичной областях, и тот быстро сходил на нет, так и не преодолев порог глобальной массовой активации. В этом состоянии наша мозговая сеть была как бы сонной или словно под воздействием анестезии⁴⁸. Реакция на стимулы происходила, но только в периферийных сенсорных областях — как правило, активность не могла пройти по рабочему пространству весь путь снизу вверх, вызвать массовую активацию и создать обширную совокупность клеток. Но когда мы усиливали сигнал активного внимания, модель начинала выдавать структурную электроэнцефалограмму, и под воздействием внешних стимулов вдруг происходила массовая активация. Порог активации изменялся в зависимости от активности модели, позволяя нам пронаблюдать за тем, как усиление активного внимания увеличивает вероятность того, что мы заметим самое слабое сенсорное воздействие.