Зрение и сознание

Отрывок из книги нейробиолога Ричарда Маслэнда "Как мы видим. Нейробиология зрительного восприятия".

Ричард Маслэнд (1942–2019) был заслуженным профессором офтальмологии кафедры имени Дэвида Гленденинга Когана и профессором нейробиологии в Гарвардской медицинской школе. Занимал пост вице-председателя по офтальмологическим исследованиям в Массачусетской клинике болезней глаз, уха, горла и носа при Гарвардском университете, являющейся крупнейшим в мире центром изучения зрения. Более 20 лет преподавал в Гарвардской медицинской школе курс нейробиологии. Работы Маслэнда открыли новые горизонты в изучении нейронных сетей сетчатки глаза.

Зрение и сознание

За всем этим [изучением зрения и головного мозга] стоит еще более фундаментальная проблема, издавна интересующая людей: что такое наше сознание? Где именно оно находится? Где обитает наше «я»? Большинству из нас кажется, что наша сознательная сущность сосредоточена в голове, в области, расположенной непосредственно за глазами. Не может ли это быть тем самым центром, который решает вышеупомянутую проблему связывания – который собирает все фрагментированные сигналы, поступающие от сетчатки и других отделов мозга, и с поразительной точностью соединяет их, получая целостную репрезентацию внешнего мира? Но как обычный комок мягкой мозговой ткани может создавать мое уникальное «я», центр моей личной вселенной?

Это касается не только меня: у каждого из нас есть субъективное ощущение «я существую». Но что такое это «я» и где именно оно существует? Меня не удовлетворяет ни один из предложенных до сих пор ответов.

Возьмем, например, знаменитый тест Тьюринга, якобы направленный на тестирование машинного разума. Вы создаете компьютер, обучаете его имитировать человеческое мышление, после чего предлагаете постороннему наблюдателю поговорить с вашим компьютером (не видя «собеседника») и определить, с кем он говорит – с живым человеком или машиной. Если посторонний наблюдатель не может отличить машину от живого человека из плоти и крови, утверждал Тьюринг, значит, этот компьютер можно считать мыслящим. Честно говоря, тест Тьюринга всегда напоминал мне голого короля, которому явно чего-то не хватает.

Тьюринг, безусловно, был блестящим математиком, но этот тест не имеет ничего общего с математикой. Что конкретно дает основания полагать, будто способность компьютера к совершенной имитации делает его мыслящим? Он по-прежнему остается не чем иным, как куском металла.

Хебб считал, что наша личность – наше «я» – представляет собой всю совокупность связанных воедино клеточных ансамблей, от самых простых, перцептивных, до гораздо более сложных, представляющих мышление, память, эмоции и мириады других вещей, которые делают нас людьми.

[ Дональд Олдинг Хебб (1904 -1985) — канадский физиолог и нейропсихолог. Известен работами, приведшими к пониманию значения нейронов для процесса обучения. Его также называют одним из создателей теории искусственных нейронных сетей, так как он предложил первый работающий алгоритм обучения искусственных нейронных сетей. ]

Эта концепция по крайней мере хороша своей конкретностью, и мне нравится идея о том, что наше сознание содержит в себе весь наш прошлый опыт. Да, с учетом всего того, что сегодня нам известно о специализации мозга, модель Хебба требует некоторой модернизации – его глобальный клеточный ансамбль должен включать небольшие специализированные регионы, соответствующие конкретным функциональным областям в коре мозга.

Однако сама концепция Хебба, что весь мозг может работать как набор нейронных сетей, остается верной.

.... Зрительная информация поступает в то место в височной коре, где находятся нейроны, реагирующие на конкретные лица (или другие классы объектов). Логично предположить, что эти распознающие лица нейроны встроены в клеточные ансамбли, потому что одиночный нейрон сам по себе вряд ли способен справиться с такой сложной перцептивной задачей. Но что происходит со зрительной информацией дальше?

Дальше она попадает в следующие клеточные ансамбли. Хебб считал, что между восприятием, мыслью и действием – под последним понимаются нейронные команды, которые заставляют наши мышцы двигаться определенным образом, – нет четко выраженных границ. Все это представлено взаимосвязанными и взаимопроникающими нейронными сетями. На рисунке ниже проиллюстрирована эта концепция.

Иллюстрация 1 [слева]

Точки на схеме означают нейроны, линии между ними – аксональные связи. Обратите внимание, что отдельные функциональные области частично переплетаются между собой: перцептивные клеточные ансамбли взаимопроникают с когнитивными; когнитивные ансамбли – с моторными. Слева показаны начальные отделы зрительной системы коры V1–V4, где осуществляется предварительный анализ визуального изображения.

В первичной зрительной коре V1 появляются чувствительные к ориентированным краям нейроны. Также есть свидетельства того, что здесь присутствуют нейроны и с более сложной избирательной чувствительностью, которые, в частности, помогают «сегментировать» изображение, разбивать визуальную композицию на дискретные объекты. Клетки в V2 также реагируют на ориентированные края, но с некоторой пространственной инвариантностью. Клеткам в V3 и V4 свойственна весьма разнообразная селективность, так что даже самые опытные экспериментаторы не сумели определить доминирующую специализацию этих двух областей. Если говорить обобщенно, клетки в зрительных зонах коры V1–V4 чувствительны к конкретным составляющим визуального ввода, таким как края, углы, кривизна, цвет, а также почти наверняка к множеству других элементов и признаков изображения.

Проводящие пути в нейронной сети представляют собой клеточные ансамбли, образованные в результате перцептивного обучения по правилу Хебба. Они могут быть короткими, состоящими всего из нескольких нейронов, или большими, пересекающими границы разных функциональных зон. Эти проводящие пути идут в самых разных направлениях, через всю сеть. Так, существуют многочисленные прямые и обратные связи между клетками V1–V4 и зрительными областями височной коры. Обратите внимание, что между клеточными ансамблями начальных зрительных зон V1–V4 и височной коры нет четкой границы.

Ансамбль клеток, расположенный в основном в височной коре, может соединяться с одним или несколькими ансамблями в зонах V1–V4. На самом деле именно так выделенные на ранних этапах признаки связываются с репрезентациями более высокого порядка. При активации определенного набора нейронов, отвечающих за выделение определенных первичных признаков, активируются образованные посредством перцептивного обучения связи. Они возбуждают нейроны более высокого уровня, которые отвечают за более общую репрезентацию – в данном случае за репрезентацию морды волка.

Эти клеточные ансамбли, в свою очередь, соединены с ансамблями, которые отвечают за абстрактное мышление, слабо связанное с восприятием. Благодаря такому взаимопроникновению нейронные сети могут возбуждать друг друга. Разумеется, большинство нейронов в «перцептивной» сети связаны преимущественно с такими же перцептивными нейронами, но некоторые из них поддерживают связь с нейронами «мыслительной» сети.

Вот почему некоторые перцептивные события могут инициировать мысли – и в действительности даже вызываться мыслями. Иначе говоря, мысль способна вызвать активацию перцептивной нейронной сети, так что мы можем вспомнить или вообразить себе сенсорное событие. Некоторые «мыслительные» клеточные ансамбли соединены с моторными сетями, благодаря чему они могут вызывать их активацию и, как следствие, соответствующие двигательные акты.

Таким образом, клеточные ансамбли, представляющие простые визуальные признаки, соединяются с ансамблями, представляющими репрезентации более высокого порядка, которые, в свою очередь, соединяются с клеточными ансамблями, отвечающими за физические двигательные акты, причем такое соединение всегда происходит в результате перцептивного обучения – усиления синаптических связей в результате одновременной активации сигналами из реального мира в соответствии с правилом Хебба. Вот что я имел в виду, когда говорил, что в концепции Хебба нет четко выраженной границы между восприятием и действием.

Это, конечно же, упрощенная картина, цель которой – продемонстрировать суть концепции Хебба. Как уже отмечалось выше, она требует некоторого уточнения с учетом последних данных, предположительно указывающих на существование очень конкретной функциональной специализации некоторых локальных областей мозга. Однако также необходимо отметить, что исследования с использованием инструментов мультиклеточной визуализации.... которые позволяют изучить поведение нейронов в их родных сетях, скорее подтверждают нарисованную здесь картину. Эта картина также больше соответствует реальной анатомии мозга с его непостижимо огромным количеством прямых и обратных связей как между корковыми областями, так и с подкорковыми центрами.

Теперь давайте посмотрим на ту же последовательность сквозь призму современной концепции нейронной сети – более-менее случайной сети связей, состоящей из входного слоя, нескольких скрытых слоев и выходного слоя. Как и в предыдущем примере, это – упрощенная абстракция, призванная проиллюстрировать несколько базовых концептуальных принципов алгоритма.

Иллюстрация 2 [справа]

...Это очень напоминает последовательную схему распознавания лица ...с тем лишь отличием, что здесь мы вышли за пределы распознавания лиц и включили восприятие, мысли и действия.

Перед нами универсальная схема нейронной сети, которая может распознавать не только волка, но и многое другое в зависимости от того, какие синаптические связи были усилены на этапе ее обучения. Как и в концепции Хебба, здесь нет жестких границ между слоями, благодаря чему цепочка синаптических связей может быть изменена на основе опыта от одного конца до другого – посредством обратного распространения или какого-либо другого механизма. Нейронная сеть мозга обучается без учителя, то есть она сама себе учитель. Но как именно это происходит, нам пока неизвестно. Возможно, сеть использует обучение с подкреплением или какой-либо другой метод неконтролируемого обучения из тех, что в настоящее время разрабатываются для искусственных нейронных сетей.

Итак, вот что я хотел до вас донести: концепция, расплывчатая в отношении большинства конкретных деталей, гласит, что все шаги (от визуального ввода до действия) реализуются через последовательность модифицируемых нервных связей – клеточных ансамблей или слоев нейронной сети. Помимо чисто практических преимуществ – компьютеры уже доказали, что такая сеть способна действовать довольно умно, – чем еще может быть полезна эта концепция? Важнейший момент в том, что в этих моделях нет центра принятия решений, маленького человечка, который принимает сигналы и отправляет команды. Это сеть связей в подлинном смысле.

Но к чему это приводит нас в том, с чего мы начали это обсуждение, – в поиске нейронной идентичности нашего сознания, того «я», которое живет у нас в голове? Предположим на миг, что наш мозг устроен именно так, как показано на двух вышеприведенных схемах. Есть ли в них место сознанию? К сожалению, нет.

По сути, это абсолютно бихевиористские модели: ощущение ведет к восприятию, которое ведет к мысли, которая ведет к действию. Все эти этапы не требуют физического разделения; они могут существовать как части, пусть даже как распределенные части, одной нейронной сети. Их вполне можно представить как цепочку ответов наподобие условных рефлексов, описанных Иваном Павловым: вид пищи вызывает у собаки мысли о еде, что, в свою очередь, вызывает слюноотделение. Но такая рефлекторная цепочка не требует никакого сознания. Она работает как линия розлива на заводе Coca-Cola: в бутылку наливается напиток, надевается крышка, приклеивается этикетка. Вряд ли кто-то будет утверждать, что у этой машины есть сознание.

Проблема еще больше усложняется тем, что значительная часть вычислений производится мозгом на бессознательном уровне. Во время езды на мотоцикле никто не говорит себе что-нибудь вроде: «На этом повороте мне нужно наклониться к внутреннему радиусу на столько-то градусов». Возможно, вы можете сформулировать это правило словами (а возможно, и нет), но вам не нужно каждый раз сознательно концентрировать на нем внимание, когда вы едете по извилистой дороге.

Очень наглядно разницу между сознательным и бессознательным обучением демонстрирует случай знаменитого пациента Г.М. После удаления части мозга в целях ослабления эпилептических приступов этот человек утратил способность формировать новые сознательные воспоминания; например, он не запоминал прочитанное и мог читать один и тот же журнал снова и снова. Можно сказать, что его сознательная жизнь закончилась в день операции. Однако он по-прежнему был способен овладевать простыми моторными навыками, хотя и не мог ничего о них сказать и не помнил, как им научился.

Хебб не углублялся в проблему сознания. Он предполагал, что оно каким-то образом заключено в широко распределенной активности головного мозга, в одновременном возбуждении множества фазовых последовательностей.

Кристоф Кох [нейробиолог], много размышляющий о природе сознания, считает, что «сознание является фундаментальным, элементарным свойством живой материи», и признает неизбежно вытекающее из этого следствие, что «любая система взаимодействующих частей обладает некоторой мерой разумности».

Это, помимо прочего, приводит нас к вопросу о сознании животных. Есть ли сознание у собаки? Многие считают, что да. А у червя C. Elegans с его 305 нейронами? Возможно, только совсем чуть-чуть. А как насчет дрозофилы со 135 000 нейронов или медузы с ее распределенной нейронной сетью?

Согласно Хеббу, Коху и многим другим, сознание у млекопитающих возникает только тогда, когда их распределенные церебральные системы работают согласованным образом; соответственно сознание исчезает, когда более примитивные центры, контролирующие кору головного мозга, повреждаются или отключают функционирование коры (как во время сна). Другими словами, исследователи сходятся на том, что сознание зависит от неких крупных мозговых структур.

Но какие именно нейронные цепи содержат сознание и какая именно нейрональная активность этих цепей порождает сознание?

Можно сказать, что некая фазовая последовательность наивысшего порядка, распространившаяся по всей нейронной сети мозга через все ее внутренние границы, – это и есть сознание, своего рода эмерджентное свойство системы. Но такое «объяснение» ничего не объясняет; оно лишь переименовывает проблему.

Возможно, сознание – это языковой конструкт, подобный парадоксам Зенона. Или же это новое свойство материи, аналогичное массе, как это постулирует Кох. К сожалению, наше внутреннее ощущение сознания не предлагает никаких зацепок, никакого наблюдательного места, с которого можно было бы изучить этот феномен. Сознание имманентно субъективно, оно существует только в конкретном человеке и нигде больше.

Я боюсь, что сознание невозможно изучить из-за его [сложной] природы. «Когда я вижу яблоко, – сказал однажды Дж. Э. Мур философу Бертрану Расселу, – как узнать, вижу ли я его таким же красным, как вы?» Насколько мне известно, никто еще не дал убедительного ответа на этот вопрос.

_________________________________

Это был отрывок из книги Ричарда Маслэнда.

Источник: vk.com

Комментарии: