Мозговой трест. 39 ведущих нейробиологов – о том, что мы знаем и чего не знаем о мозге
- Автор: Линден Дэвид
- Год: 2022
- Язык: русский
- Год: Синдбад
- ISBN: 978-5-00131-420-2
- Переводчик: Юрий Яковлевич Гольдберг
- Жанр: Биология
Электронная книга - «Мозговой трест. 39 ведущих нейробиологов – о том, что мы знаем и чего не знаем о мозге». Краткое содержание книги:
Авторы описывают самые удивительные особенности мозга, честно объясняя, что известно, а что пока неизвестно ученым о работе нервной системы. Книга увлечет всех, кто интересуется наукой о мозге.
Допустим, например, что кому-то и правда удалось обнаружить мифическую «нервную клетку для бабушки». Даст ли нам такое открытие что-нибудь действительно важное? Мы будем знать, что такая клетка существует (гроссовские детекторы руки значат для нас практически именно это), но не будем знать, зачем или хотя бы каким образом подобный феномен может быть синтезирован из выходных сигналов уже известных нервных клеток… Если бы нам действительно стали известны ответы на эти вопросы, можно было бы, например, использовать их в программе вычислительной машины. Обнаружение детектора руки, однако, явно не дает возможности написать программу, реализующую такой детектор[203].
Отбросив чисто эмпирический подход, Марр предложил нечто совершенно новое: изучить, как должна быть устроена зрительная система с инженерной точки зрения. Для этого необходимо использовать знания из области искусственного интеллекта (ИИ). Эти знания позволят разработать эффективные компьютерные программы, и тогда — и только тогда — появится возможность интерпретировать особенности нейронных реакций.
Парадоксально, что Марр призывал использовать И в нейробиологии как раз в тот момент, когда энтузиазм в отношении ИИ пошел на спад. Грандиозная задача разработать программы для распознавания речи и образов оказалась слишком трудной. Выяснилось, что эти действия, с которыми мы справляемся без труда, очень сложно описать в виде последовательных шагов программы. Марр хотел, чтобы нейробиология остановилась и подождала, пока ИИ не предложит решение, но в развитии ИИ произошел неожиданный поворот. Был разработан новый тип вычислений на основе сетей искусственных нейронов, которые не программировались на решение тех или иных задач, а постепенно учились на примерах. Эта сфера также пережила волны оптимизма и пессимизма, но к настоящему времени глубокое обучение позволило ИИ почти догнать человека в решении задач, которые раньше казались невыполнимыми: распознавании лиц и управлении автомобилем[204].
Тем временем нейрофизиологи продолжали делать важные открытия, связанные с реакцией нейронов, особенно в тех областях мозга, которые не ассоциировались с первичной обработкой сенсорной информации. Выяснилось, что нейроны в глубине медиальной височной доли и в гиппокампе участвуют в формировании памяти[205], получая информацию об окружающем мире, предварительно обработанную другими отделами мозга, куда она поступает от глаз и других органов чувств; аналогичным образом исходящие сигналы гиппокампа проходят через разные области, прежде чем вызвать какие-либо действия. Гиппокамп по-прежнему представлял собой загадочную область мозга, и мало кто ожидал, что наблюдения выявят значимую и интуитивно понятную корреляцию в поведении этих нейронов. Однако сочетание новых экспериментальных методов и философского подхода позволило Джону О’Кифу и его коллегам в начале 1970-х найти эту корреляцию. Позволив крысам свободно исследовать окружающую среду, О’Киф обнаружил, что нейроны их гиппокампа генерируют импульсы только в определенных областях пространства, разных для каждого нейрона. Основываясь на идее Канта об априорном знании, О’Киф и психолог Линн Нейдел предположили, что эти нейроны предоставляют остальному мозгу когнитивную карту пространства, и эта идея вдохновила целое поколение исследователей (как сторонников, так и противников гипотезы)[206].
Внутри узкого круга нейрофизиологов, изучавших гиппокамп, разгорелись споры о том, в какой степени реакция нейронов места в гиппокампе отображает окружающее пространство. Эта реакция не выглядела достаточно регулярной, чтобы доказывать геометрическое отображение, которое хотели бы приписать им некоторые исследователи. В итоге в нескольких областях, связанных с гиппокампом, были найдены нейроны, обладающие именно такими «геометрическими» свойствами. Сначала были обнаружены нейроны, которые действовали как внутренний компас и реагировали на направление, в котором поворачивалось животное. Затем в 2005 году Эдвард и Мэй-Бритт Мозер с коллегами сообщили, что нейроны энторинальной коры, в которую поступают исходящие сигналы гиппокампа, реагируют на шестиугольную сетку в пространстве — то есть на определенный узор, для которого характерна периодичность в двух измерениях. Удивительно, но эти нейроны решетки не связаны с поведенческими траекториями животных; скорее они отражают внутреннюю структуру, которая соответствует окружающему пространству, нечто вроде схемы на бумаге. В 2014 году О’Киф и супруги Мозер за свои открытия были удостоены Нобелевской премии. С тех пор в тех же отделах мозга, а также в других, связанных с ними, были найдены другие нейроны, реагирующие на положение в пространстве[207].
203
D. Marr, Vision (San Francisco: Freeman, 1982), ch. 1, «The Philosophy and the Approach». P. 15. (Цит. по: Марр Д. Зрение. М.: Радио и связь, 1987. С. 31.) Любопытно, что с тех пор были обнаружены отдельные нейроны, реагирующие на образ той или иной знаменитости — например, «нейрон Дженнифер Энистон» — причем как на изображение, так и на звук имени. R. Q. Quiroga, L. Reddy, G. Kreiman, C. Koch, and I. Fried, «Invariant Visual Representation by Single Neurons in the Human Brain», Nature 435 (2005): 1102–1107.
204
Обзор достижений глубокого обучения от одного из ведущих специалистов в данной области: Yoshua Bengio, «Machines Who Learn», Scientific American 314 (2016): 46–51. Любопытно, что логические нейроны Маккалока — Питтса не оказали существенного влияния на развитие нейробиологии, но предложенная этими учеными упрощенная модель нервного возбуждения стала наиболее распространенной моделью нейронных сетей и используется в том числе и в глубоком обучении — хотя и не для логических вычислений, как предполагали авторы.
205
Превосходное описание самого известного пациента с повреждением гиппокампа: S. Corkin, Permanent Present Tense: The Unforgettable Life of the Amnesic Patient, H. M. (New York: Basic Books, 2013).
206
Классический оригинальный текст, в котором излагается гипотеза когнитивной карты, имеется в свободном доступе онлайн: http://www.cognitivemap.net. Оригинальная работа: J. O’Keefe and L. Nadel, The Hippocampus as a Cognitive Map (Oxford: Clarendon Press, 1978). Новейшие данные в этой области, в том числе открытие клеток решетки и других нейронов места: E. I. Moser, E. Kropff, and M. B. Moser, «Place Cells, Grid Cells and the Brain’s Spatial Representation System», Annual Reviews in Neuroscience 31 (2008): 69–89.
207
J. O’Keefe and L. Nadel, The Hippocampus as a Cognitive Map (Oxford: Clarendon Press, 1978); E. I. Moser, E. Kropff, and M. B. Moser, «Place Cells, Grid Cells and the Brain’s Spatial Representation System», Annual Reviews in Neuroscience 31 (2008): 69–89.