Книга: Сознание и мозг. Как мозг кодирует мысли

Дарвин в мозгу

Дарвин в мозгу

Спонтанная активность — одно из наиболее часто упускаемых свойств модели глобальной рабочей сети, однако я лично считаю спонтанную активность одной из важнейших и незауряднейших ее особенностей. Очень многие нейробиологи до сих пор придерживаются старомодного представления о рефлекторной дуге как о фундаментальной модели человеческого мозга⁵⁷. Идея эта известна со времен Рене Декарта, Чарльза Шеррингтона и Ивана Павлова и изображает мозг как механизм приема-передачи, транслирующий данные от органов чувств к мускулам (см. знаменитую схему Декарта, изображающую, как глаз управляет рукой, рис. 1). Сегодня нам известно, что это представление глубоко ошибочно. Главным свойством нервной системы является ее автономность. Естественная активность нейронов берет верх над стимулами извне. В результате наш мозг не отдается пассивно на милость окружающего мира, а создает собственные стохастические варианты активности. В процессе развития подходящие варианты сохраняются, а неподходящие — отбрасываются⁵⁸. Этот веселый творческий алгоритм, особенно хорошо заметный у детей помладше, наводит на мысли о дарвиновском естественном отборе.

На идее естественного отбора выстроил свое видение организма Уильям Джеймс. «Почему не предположить, — риторически вопрошал он, — что если спинной мозг есть машина с немногочисленным набором рефлексов, то головной мозг есть машина со множеством рефлексов, и в этом единственное между ними различие?» Потому что, отвечал он сам себе, развившиеся цепочки в мозгу действуют как «орган, естественным состоянием которого является неустойчивое равновесие», что позволяет его «обладателю приспосабливать свое поведение к мельчайшим изменениям в окружающих обстоятельствах».

Основы этого счастливого свойства лежат в способности нервных клеток к возбуждению: на ранних этапах эволюции нейрон обрел способность активировать себя сам и спонтанно выдавать импульсы. Будучи отфильтровано и усилено цепочками мозга, возбуждение это превращается в целенаправленное исследовательское поведение. Любое животное, исследующее свою среду обитания отчасти наугад, делает это благодаря наличию у него иерархии «центральных генераторов шаблона» — нейронных сетей, спонтанная активность которых обеспечивает ритмичные движения при ходьбе или плавании.

Я утверждаю, что в мозгу у приматов и, возможно, у представителей многих других видов аналогичный процесс исследования происходит и в самом мозгу, на чисто когнитивном уровне. Спонтанно генерируя сменяющие друг друга варианты активности даже в отсутствие внешних стимулов, глобальное пространство дает нам возможность свободно создавать новые планы, испытывать их и менять по собственному желанию, если они не удовлетворяют нашим ожиданиям.

В нашей системе глобального рабочего пространства идет дарвиновский процесс изменений и дальнейшего отбора⁵⁹. Спонтанная активность выступает в роли «генератора различий», и рисунок ее постоянно меняется под воздействием мозга, оценивающего будущие выгоды. Построенные на этой основе нейронные сети могут отличаться большим потенциалом. Мы с Жан-Пьером Шанжо показали на компьютерной модели, что эти сети способны решать сложные проблемы и головоломки, например классическую задачу про ханойские башни⁶⁰. Логика научения путем перебора в сочетании с классическими правилами синаптического обучения дает нам грубую конструкцию, способную учиться на собственных ошибках и вычленять абстрактные правила из задачи⁶¹.

В английском языке первые буквы словосочетания «генератор различий» — Generator of Diversity — складываются в слово «бог» (GOD), но на самом деле ничего волшебного в явлении спонтанной активности нет. Возбудимость — это естественное физическое свойство нервных клеток. Мембранный потенциал каждого нейрона постоянно меняет силу напряжения. Во многом это объясняется случайным выбросом пузырьков нейтротрансмиттеров на подающих сигнал синапсах. Если пойти еще глубже, становится очевидно, что эти случайные выбросы связаны с тепловым шумом, который постоянно гоняет туда-сюда молекулы нашего организма. Можно было бы предположить, что эволюция сведет влияние этого шума к минимуму (как делают, например, разработчики цифровых чипов — задают очень точное напряжение для нулей и единиц, так чтобы тепловой шум не создавал помех в работе). Но в мозгу все иначе: нейроны не только терпят шум, но даже усиливают его — возможно, потому, что фактор случайности в определенной степени бывает полезен в самых разных ситуациях, требующих поисков оптимального решения для сложной задачи. (Эффективный источник шума требуется для множества алгоритмов, таких, например, как цепочки Монте-Карло или имитация отжига.)

Всякий раз, когда флюктуации нейронной мембраны превышают пороговый уровень, возникает импульс. На нашей модели было видно, что эти случайные импульсы могут формироваться под влиянием огромного количества связей, объединяющих нейроны в пучки, совокупности и цепи, и так вплоть до возникновения глобального варианта активности. Начинается все с локального шума, а заканчивается упорядоченной лавиной спонтанной активности, связанной с нашими скрытыми мыслями и целями. Как же унизительно сознавать, что «поток сознания», слова и образы, постоянно всплывающие у нас в мозгу и составляющие ткань нашей психической жизни, происходят от случайных импульсов, испущенных миллиардами синапсов, которые закладывались на протяжении всей нашей жизни и ни на миг не прекращающегося процесса созревания и обучения.