Кодирование информации в нервной системе

О кодировании

Я нечасто пишу об идеях в обзорных статьях, поскольку обычно в них нет ничего принципиально нового. Однако, иногда сопоставление фактов позволяет составить более-менее полную картину, на которой оказывается огромное количество пустых мест, которые хочется заполнить. Кому хочется увидеть оригинальный обзор, советую посмотреть эту статью на архиве: https://www.biorxiv.org/content/early/2017/07/26/168237

Пожалуй, одна из самых скользких тем в современной нейронауки после сознания – это кодирование информации в нервной системе. Даже на курсах по нейробиологии все старательно обходят эту тему стороной до тех пор, пока у студентов не накопиться достаточное количество знаний. Но я все же попробую рассказать в чем дело.

Направление, работающее над декодированием информации в нервной системе с помощью внешних устройств тема популярная и вполне успешная. Чего стоит хотя бы видео, где человек или обезьяна управляет рукой робота (https://www.youtube.com/watch?v=ogBX18maUiM&t=29s, https://www.youtube.com/watch?v=wxIgdOlT2cY), чтобы достать определенный предмет. Посмотрев на это казалось бы можно сделать вывод, что мы уже разгадали нейронный код, раз непосредственно с помощью активности мозга можем управлять внешними устройствами. Но так может показаться только на первый взгляд, собака зарыта глубже.

Для начала можно вспомнить откуда произошел сам термин кодирование. В теории информации, которую разработал Клод Шеннон это одно из базовых понятий. В ней информацию обычно связывают с энтропией. Чем более непредсказуемо сообщение, тем больше в нем информации. Например, в последовательности 385038 информации будет больше, чем 33333 потому что ничего нового после первой 3-ки во втором сообщении нет. Теорию информации часто применяют и в нейронауке, когда говорят о кодировании.

Обычно канал связи состоит из трех частей: источника сигнала, самого канала и получателя сигнала. Когда сигнал идет от источника в канал, как например, из вашего голоса в телефон, происходит кодирование, а когда сигнал из канала к получателю на другом конце, происходит декодирование. В обоих случаях источник и получатель имеют на руках нужную им информацию в форме звуков или символов, которая в лучшем случае проходит без потерь (https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%B0%D0%BD%D0%B0%D0%BB_%D1%81%D0%B2%D1%8F%D0%B7%D0%B8). В случае нервной системы, пример довольно просто подобрать. Например, свет (сигнал) преобразуется, т. е. кодируется в виде нервных импульсов или спайков в сетчатке, затем спайки оправляются в таламус, а от туда в первичную зрительную кору (https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%97%D1%80%D0%B8%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%BA%D0%BE%D1%80%D0%B0).

Собственно, со всеми чувствами происходит принципиально тоже самое, отличаются лишь механизмы кодирования сигнала: палочки и колбочки в сетчатке, волосковые клетки в улитке, механорецепторы, на коже и другие сенсоры. Дырка в концепции кодирования возникает, когда мы начинаем буквально применять идею информационного канала для нейронов. В случае кодирования звука в телефоне на обоих концах находятся люди, которые говорят на одном языке. Смысл по-прежнему рождается в их головах, а не где-то между ними. Если же мы говорим о сигналах, которыми обмениваются нейроны между собой, то на каком языке они говорят? Более того, адекватно ли использовать метафору человеческого языка для описания информационных процессов в нейронах, которые просто клетки, а не организмы? Метафоры, конечно, помогают нам лучше понять мир вокруг, но могут и завести нас не туда, если мы принимаем их буквально (http://press.uchicago.edu/ucp/books/book/chicago/M/bo3637992.html).

Для того, чтобы интерпретировать активность нейронов необходимо связать их с характеристиками внешнего мира. В лабораториях обычно такими характеристиками являются свойства стимула, которые предъявляет экспериментатор. Например, в зрительной коре кошки (и всех млекопитающих) есть нейроны, которые отвечают на темную полоску света на экране, показанную под определенным углом. За открытие таких клеток Дэвид Хьюбелл и Торстен Визель получили Нобелевскую премию в 1981 году. Именно эту связь между нервной активностью и объективными свойствами мира как раз труднее всего уловить в экспериментах и анализе данных из мозга. Поэтому, когда это действительно кому-то удается, люди получают Нобелевские премии. Сама идея кодирования не заканчивается нейронами, которые отвечают за определенные характеристики стимула. На уровне мозга проблема остается, откуда мозг может «знать» об объективных характеристиках стимула, как, например, угол наклона полоски, если он никогда не видел эти характеристики непосредственно, а только через свет который попадает на сетчатку?

У этого понятия есть даже название - проблема обоснования символов, на английском symbol grounding problem (https://en.wikipedia.org/wiki/Symbol_grounding_problem). Ее можно перефразировать так: каким образом нервные стимулы, которые получает организм начинают что-либо для него значить? Один из казалось бы простых способов решить эту проблему - сказать, что это происходит на определенном этапе обработки информации внутри мозга. Но концептуально это тоже самое, что предложить идею еще одного наблюдателя в наблюдателе, так называемый Картезианский Театр. (https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%B0%D1%80%D1%82%D0%B5%D0%B7%D0%B8%D0%B0%D0%BD%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D1%82%D0%B5%D0%B0%D1%82%D1%80).

Согласно этому взгляду, где-то глубоко в мозге есть окончательное представление о том, что из себя представляют внешние характеристики стимула у еще одного наблюдателя. Именно он смотрит на сигналы от органов чувств и собирает из них смысл. Казалось бы проблема смысла решена, но резонный вопрос что же находится в голове у гомункулуса и как он рождает смысл из символов? Очевидно, что проблема таким образом не решается. Перекладывая это на активность нейронов, можно сформулировать вопрос так. В какой момент нервная активность начинает значить что-либо для организма. Почему буквы, которые вы читаете собираются в текст, а текст в смысл, который значит нечто большее чем просто возбуждение активности на сетчатке?

Полного ответа на этот вопрос пока нет. Но с точки зрения нейробиологии на него можно дать частичный ответ. Коротко - информация значит что-то только в связке с другой информацией, поступающей из органов чувств и хранящейся в долговременной памяти. Например, в какой-то момент мы все не могли читать и пока мама не научила, буквы были просто паттернами возбуждения в зрительной коре и были таким же картинами, как и все остальное. Если хочется почувствовать себя как в раньше, можно посмотреть книгу Codex Seraphinianus (https://ru.wikipedia.org/wiki/Codex_Seraphinianus). Текст в ней не значит ничего кроме красивых закорючек на бумаге, такого языка не существует.

В тот момент, когда мы научились ассоциировать буквы со звуками, а звуки с понятиями, которые тоже представляли из себя звуки, запахи и картинки, стало ясно что из себя представляют буквы. Из них потом мы научились собирать слова, из слов предложения и так далее. Для животных, которые не читают, сенсорная информация тоже значит что-то в связке с другой информацией, которую они получают от органов чувств. Более того, концепция того, что биологические системы создают внутреннюю модель, переменными которой является информация от органов чувств, была высказана еще Робертом Розеном https://en.wikipedia.org/wiki/Robert_Rosen_(theoretical_biologist).

Более практическое понятие о внутренней модели используют при разработке интерфейсов мозг-компьютер. Там это называется сенсоро-моторной или внутренней моделью, которую можно оценить с помощью анализа сигналов в мозге (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/11099043). Также это можно сделать, натренировав рекуррентную нейросеть (https://arxiv.org/abs/1608.06315).

Возвращаясь к теме кодирования. Использовать понятие нейронного кода буквально приводит к противоречиям. Это ведет нас к метафоре того, что нейроны «кодируют» информацию с помощью импульсов на каком-то понятным только им языке. Разные нейроны отвечают по-разному на одни и те же стимулы, т. е. говорят на разных языках? В рамках парадигмы кодирования это приводит к мысли о том, что мозг скорее похож на большую Вавилонскую башню, где каждый нейрон говорит на своем языке. Каким же образом им удается столь эффективно работать, если они говорят на разных языках. Понятно, что противоречия при буквальной интерпретации понятия «кодирования информации» в мозге только усиливаются.

Все же, не смотря на всю кажущуюся серьезность этой проблемы, она остается проблемой концептуальной. Можно назвать спайки потенциалами действия вместо сообщений, как предлагает автор. Интерфейсы мозг-компьютер от этого не изменяться, равно как и алгоритмы обработки сигнала. Тем не менее, анализ метафоры кодирования позволяет нам лучше понять что мы имеем в виду когда говорим о нейронном коде. И если он не разгадан до сих пор, возможно проблема кодирования поставлена некорректно и просто не может быть разгадана в такой постановке.

Источник: www.biorxiv.org

Комментарии: