Лекцию «Мифы и реалии мозга человека: нейроинтерфейсы, искусственный интеллект, киборги и симбиоты», в которой рассказал про работу мозга и поделился мыслями о будущем взаимодействия человека и машин.
Кадр из кинофильма «Джонни Мнемоник»
Вокруг мозга и интеллекта много мифов, которые в перспективе могут стать устойчивым знанием. Наша работа сосредоточена на том, чтобы развеять эти мифы , - Александр Каплан
Из чего состоит человеческий мозг?
Это 86 миллиардов нервных клеток. Для понимания их работы важнее изучить не сами клетки, а их контакты друг с другом - каждая нервная клетка мозга (нейрон) имеет 10-15 тысяч контактов с другими клетками. Это миллион миллиардов операциональных единиц. Наш мозг управляет 640 мышцами и 360 суставами.
Например, 1 шаг - это работа 300 мышц, а поцелуй - 34.
Наш мозг особо не изменился по сравнению с кроманьонцами. Наш мозг уникален тем, что он не меняет свою структуру под внешние условия, а изменяет окружающую среду под себя.
86 миллиардов - это много или мало?
86 миллиардов нейронов - это очень много. У таких сравнительно умных животных, как обезьяна и дельфин - по 6-8 миллиардов нервных клеток. Настоящий рекордсмен - это слон; в его мозгу 250 млрд нейронов.
Почему слон не пишет музыку и не летает в космос, если у него так много нервных клеток? Дело в том, что у слона почти все нейроны размещены в мозжечке . Слон - очень крупное животное, ему нужно координировать огромное количество мышц, чтобы двигаться. Мозжечок как раз отвечает за координацию движений.
Как учёные считают количество нервных клеток?
Откуда мы знаем про то, сколько нервных клеток в мозге живых организмов? Все эти подсчёты сделала Сюзанна Херкулано-Хузел , профессор нейроанатомии из Рио-де-Жанейро (Бразилия). Результаты своего исследования она опубликовала в 2009 году.
Сюзанна брала мёртвый мозг и взбивала его в блендере, пока не получала что-то вроде смузи. Ядра клеток довольно прочные, поэтому они не пострадали от механического воздействия лезвий. Измерив количество нервных клеток на единицу объёма мозгового смузи, Сюзанна смогла посчитать примерное количество нейронов в мозгу человека, слона или дельфина.
Джонс - наркозависимый бывший военный дельфин из фильма «Джонни Мнемоник». Развитый интеллект этого дельфина позволял животному взламывать системы безопасности противника.
Как мы видим то, что мы видим?
Наши глаза - настоящее природное чудо. Свет фокусируется и попадает на дно глазного яблока, на котором располагаются примерно 120 миллионов светочувствительных «колбочек ». Нервные клетки возбуждаются и отправляют по нервному каналу электрический разряд, попадающий в заднюю часть мозга. Но эти разряды не несут в себе никаких изображений, как в компьютере. После того, как отдел мозга получает электрический разряд от «колбочек», происходит реконструкция изображения.
На основании прошлого опыта. Здесь есть опасность, что мы можем обмануться в том, насколько соответствуют наши внутренние психические образы реальным.
Что такое красный цвет? Откуда мы вообще знаем, что красный - это красный, а зелёный - это зелёный? Цвет является результатом общественного договора. Большинство людей считают так.
Наша внутренняя психическая модель образа зависит от общественного мнения.
На протяжении всей жизни мы выстраиваем модель окружающего нас мира. Эта модель невероятно сложна. В ней мы учитываем даже физические законы, иначе мы бы не могли предсказать самим себе, как полетит мяч, например. Мы подгоняем реальность под нашу индивидуальную модель мира, и картина мира в мозгу достраивается постоянно.
Кадр из кинофильма «Матрица». Мир «Матрицы» является нейроинтерактивной моделью Земли конца XX века. Можно сказать, что принципы моделирования окружающего мира мозгом человека перешли и в Матрицу.
Наш мозг испытывает потребность в достраивании этой модели. Это желание побуждает нас изучать мир вокруг. Наша ментальная модель напрямую зависит от опыта.
Какой у нас объём памяти?
Трейлер к видеоигре Deus Ex: Mankind Divided показывает будущее, в котором люди массово пользуются различными улучшениями для тела. Такими, как многофункциональные протезы конечностей, имплантаты и многое другое.
Даже сегодня остается настоящей загадкой для исследователей. Однако многое им уже удалось выяснить. Так по каким «проводам» мозг получает сообщения, и на чем основывается его работа?
Принцип работы человеческого мозга
Мозг зрелого человека весит порядка полутора килограмм, куда «вмещается» около сотни миллиардов активных клеток. Большинство клеток - это нейроны, которые служат проводниками
Как работает мозг? Принцип его деятельности можно условно сравнивать с работой электрического выключателя. Нейроны могут находиться как в «выключенном», так и «включенном» состоянии, когда электрические импульсы передаются по соответствующим проводящим путям.
Сформированы нейроны в виде тела клетки и передающих нервные импульсы аксонов. В свою очередь, нейронные аксоны связаны между собой синапсами, благодаря которым происходит передача информации между отдельными нейронами.
Роль химических веществ в деятельности мозга
Особенности мозга человека предполагают активность особых химических составляющих, известных как нейромедиаторы. Присутствие таких веществ, как дофамин или адреналин, способствует активизации тех или иных его функций. Причем различные отделы, так же как их нейроны, «применяют» в своей работе разные химические составляющие.
Благодаря химической активности мозга, его нейроны способны воспроизводить электрический заряд, мощность которого в целом может достигать около 60 Вт. Деятельность мозга, основанная на электрической активности, может быть измерена при помощи специализированного оборудования.
По каким «проводам» мозг получает сообщения?
Основным проводником для передачи информации к нейронам посредством нервных синапсов выступает спинной мозг. Сравнить можно с многожильным телефонным кабелем. Повреждение такого «кабеля» может приводить к потере человеком контроля как над отдельными конечностями, так и телом в целом. Именно посредством электрических импульсов осуществляется передача команд головного мозга телу.
Минуя синапсы спинного мозга, непосредственно в передается информация лишь от слуховых и зрительных рецепторов. Именно поэтому при парализации всего тела человек сохраняет способность слышать и видеть.
В целом же активность мозга обусловлена функционированием серого вещества, которое располагается на его поверхности и формирует кору головного мозга. Особую роль в работе головного мозга играет которое практически полностью состоит из проводящих импульсы аксонов.
Мозг: строение и функции
Человеческий мозг сформирован из двух полушарий - левого и правого, которые отвечают за выполнение отдельных функций. Так, правое полушарие мозга человека позволяет группировать поступающую информацию. В свою очередь, на возложен в основном анализ «входящих» данных. Например, правое полушарие идентифицирует предмет, а левое определяет его особенности, качества, характеристики, прочее.
По каким «проводам» мозг получает сообщения? По мнению исследователей, получая электрические импульсы, правое полушарие мозга воспринимает преимущественно абстрактные вещи и понятия, анализирует форму и цвет. В то же время левое полушарие оставляет за собой математические способности, речь и логику. Из года в год ученые находят такому специфическому разделению функций человеческого мозга и его дифференциации все новые подтверждения.
Мифы о человеческом мозге
На сегодняшний день распространенным остается мнение о том, что современный человек способен задействовать не более 10% собственного мозга. Несмотря на многочисленные споры вокруг данного вопроса, существует целая масса доказательств использования человеком всего потенциала головного мозга. Согласно данным исследователей, даже выполнение довольно простых задач нуждается в активизации практически всех областей мозга.
Ошибочно также полагать, что у слепых людей слух развит лучше, по сравнению со зрячими. Впрочем, незрячие могут похвастаться более развитой слуховой памятью. Такие люди быстрее идентифицируют источники звуков, а также активнее улавливают смысл иностранной речи.
Величина мозга абсолютно не влияет на интеллектуальные способности. Определяющим фактором в развитии интеллекта становится лишь количество нервных связей между отдельными нейронами.
Человеку сложно пощекотать самого себя. Все дело в настрое мозга на восприятие раздражителей из внешнего мира, что позволяет выделять действительно важные для организма сигналы из обширного потока ощущений. Ведь причиной возникновения большинства из них являются бессознательные действия самого человека.
Зевота является не просто условным рефлексом при отходе от сна, но и позволяет мозгу быстрее прийти в активное состояние, благодаря его активному насыщению кислородом.
Компьютерные игры дают мозгу отдых и расслабление за счет отвлечения от повседневных задач, а также учат одновременному выполнению нескольких дел одновременно. Причем лучшей в данном случае выступают активные игры, например экшны и шутеры, когда игроку приходится отражать атаки целой группы врагов, которые наступают с различных сторон в ограниченном пространстве. Участие в подобных виртуальных развлечениях позволяет человеку молниеносно реагировать на быстрое изменение ситуации и рассредоточивать внимание.
Физические упражнения способствуют поддержанию головного мозга в хорошей форме. Регулярные физические нагрузки влияют на рост количества капилляров в мозгу, что дает возможность лучше насыщать его и кислородом.
Простую песню без сложной музыкальной структуры и особой смысловой нагрузки гораздо сложнее забыть по сравнению с действительно «интеллектуальными» произведениями. Причина кроется в способности мозга к построению автоматических, привычных алгоритмов действий, куда могут встраиваться подобные мелодии.
В заключение
Человеческий мозг является крайне сложной структурой, включающей в себя целую массу функциональных отделов, работа которых основана на активизации и затухании миллиардов нейронов.
По каким «проводам» мозг получает сообщения? Роль таких проводящих путей выполняют нейронные связи. Каждый нейрон действует подобно микроскопическому электрическому выключателю, включение которого активизирует передачу нервных импульсов в нужные Поступающая из внешнего мира информация в конечном итоге передается в большие полушария головного мозга, где и происходит ее окончательный анализ и обработка.
С одной стороны, работа головного мозга изучена достаточно хорошо благодаря трудам сотен исследователей и современной аппаратуре. С иной – никто из учёных не может в подробностях рассказать, как работает мозг человека. Фактически вся наука и медицина основаны на предположениях, догадках, недоразумениях, косвенных результатах экспериментов и даже вере.
Изучение функционирования этого сложнейшего и самого непонятого в мире объекта – очень перспективное занятие, как для молодых специалистов, так и для опытных учёных, медиков, психологов. Мы попытаемся привести принципы работы головного мозга человека, основываясь на результатах экспериментов и достижениях современной науки.
Что такое мозг?
Это главный орган ЦНС, расположенный и хорошо защищённый от влияния на него факторов внешней среды черепной коробкой и мозговой жидкостью. Череп защищает от сильных механических воздействий, а жидкость, в которой мозговое вещество словно плавает, играет роль амортизатора.
Он состоит из двух тесно взаимодействующих полушарий, в состав коих входят миллиарды нейронов – нервных клеток. Каждая клетка является структурной единицей и связана с соседней массой нервных отростков – аксонов. Те, в свою очередь, являются каналами передачи нервных импульсов и связаны синоптическими связями. Сигналы (нейромедиаторы) вырабатываются самими нейронами и передаются по каналам (аксонам), причём разные типы нейронов и вещества вырабатывают различные. Кроме того, они способны генерировать слабые электрические токи.
Интересный факт! Известно, что все нейроны общаются между собой, даже находясь на значительном для их размеров расстоянии. Если бы это общение осуществлялось благодаря электрическим сигналам, внутри черепа «блуждали» бы огромные токи, но таковых нет.
Работа головного мозга человека достаточно подробно объяснена на молекулярном уровне, насколько это позволяет современное оборудование, но понимания того, как в результате взаимодействия миллиардов клеток головной мозг работает как единый организм, нет. Также никто не знает, какими принципами и механизмами координируется взаимодействие столь большого числа клеток.
Тут можно провести аналогии с пчелиной или муравьиной семьёй: один муравей или пчела, и даже несколько десятков или сотен особей, пускай в столь небольшой семье будут присутствовать все классы (рабочие, матка, кормящие расплод), не способны функционировать как один организм, полноценная семья. Только их число достигнет критического количества, всё встаёт на свои места, все делают своё дело, вроде кто-то всеми ими руководит со стороны.
Строение
Каждое полушарие выполняет определённые функции в организме и психической деятельности людей. Если с обеспечением существования тела картина хотя бы в общих чертах понятна, то ментальный план (мышление) для людей пока неосязаем. Как человек думает, неизвестно.
Головной мозг соединяется со спинным – массивным пучком нервных волокон, состоящим из более, чем 30 сегментов. По нему все сигналы передаются в головной мозг и обратно. Сам орган боли не чувствует, потому как не обладает нервными окончаниями.
Человеческий мозг окружен 3-мя оболочками:
- твёрдая – соединительная ткань;
- мягкая – обволакивает орган, заполняя собой все извилины, в ней не расположен ни один кровеносный сосуд;
- паутинная – расположена между предыдущими, под ней находится подпаутинное пространство, заполненное спинномозговой жидкостью, амортизирующей резкие физические перегрузки (удары).
Кора – это пара полушарий, соединенных мозолистым телом – пучком нервов. Полушария условно разделены на отделы и центры, выполняющие преимущественно управление какой-либо одной функцией организма: кровообращение, дыхание. Строение мозга очень сложное, рассматривать все аспекты физиологии органа не будем.
Функционирование
Установлено, что полушария отвечают за работу противоположных частей тела: левое, по большему счёту, заставляет работать правую часть организма, а правое – левую. Общаются они между собой посредством моста – мозолистого тела.
Правое полушарие в целом отвечает за предметно-образное мышление, которое на порядки быстрее символьного (лучше раз увидеть, чем 7 раз услышать). Людям с развитым левым полушарием (левши) проще оперировать образами, а не числами, им трудно понимать чертежи, диаграммы и графики. Активизация и развитие левого полушария делает левшей творческими людьми (изобретатели, писатели, асы в разного рода искусствах и видах деятельности), одним словом – творцами.
Левая часть – это абстрактно-логическая деятельность. Работа человеческого мозга с более развитым этим полушарием делает своего владельца интеллектуалом, способным врать, не видеть целостности вещей, процессов и связей между ними.
То, что не увидишь
Эмоции – от них во многом зависит деятельность как мозга, так и организма в целом. За выделение большинства гормонов, которые управляют почти всеми процессами в теле и его эмоциональным состоянием, отвечает лимбическая система. Недостаток или чрезмерное количество гормонов приводит к тем или иным сбоям и изменениям в функционировании организма, изменению его эмоционального состояния. Во многом работа мозга человека зависит от уровня гормонов.
Мысли и память
Споры о том, что такое мысли, где находится память и каков принцип интеллектуальной деятельности, ведутся второй век, как минимум, но ответов на вопрос нет. Одни ссылаются на отсутствие необходимой аппаратуры, которая ещё и не создана, скорее всего, вторые утверждают, что людям на нынешней ступени развития не дано многого понять, третьи доказывают, что ответ нужно искать не только под черепом. Мозг – это приемопередатчик, который принимает информацию из вешней среды, обрабатывает её, вырабатывает реакции организма на её основе, а также посылает часть данных куда-то, во внешнюю среду.
До сих по не найдены центры или участки, в которых хранится весь наш опыт, отвечающие за память. Предположения того, что ячейки памяти находятся где-то далеко, а не в голове, становится всё более интересными научным кругам.
Ответ, как работает эта система, скрывается в молекуле ДНК, она является ключом к пониманию многих процессов во Вселенной, в том числе и в мозгу. Как объяснить общение клеток между собой, если пропускной способности нервных волокон для передачи сигналов явно недостаточно. Вывод: головной мозг человека работает на совершенно иных принципах, чем предполагают учёные. И тут необходимо присмотреться к основам квантовой механики.
Ритмы
Любой вид мозговой деятельности происходит на определённых частотах работы органа – ритмы. Их два вида:
- альфа – частота 7-17 Гц, характеризуется состоянием сознательного покоя (медитация, сон);
- бета – частота около 20 Гц – излучаются мозгом почти всегда.
Что интересно, бета-ритмы соответствуют частоте стоящих электромагнитных волн, расположенных между ионосферой и поверхностью Земли (волны Шумана).
Альфа-волны частотой 7,8 Гц генерируются процессами, происходящими на Солнце и в облаках. Они задают ритм жизни на планете, им и подчиняется мозговая деятельность. 2-я гармоника резонанса Шумана равняется 14 герцам, что соответствует состоянию мозга, когда он готов обучаться – получать, усваивать и обрабатывать информацию, а также вырабатывать на её основе новую.
Если кто так и не понял, как работает мозг человека, значит всё в порядке. С одной стороны – это очень сложный орган, электрохимическая машина, работа коего издали напоминает функционирование транзистора (но очень сложного), а с иной – это не самодостаточный орган, он тесно взаимосвязан с окружающим миром, происходящими вокруг и вдали от нас процессами, а также активностью Солнца.
История компьютерных наук в целом сводится к тому, что учёные пытаются понять, как работает человеческий мозг, и воссоздать нечто аналогичное по своим возможностям. Как именно учёные его исследуют? Представим, что в XXI веке на Землю прилетают инопланетяне, никогда не видевшие привычных нам компьютеров, и пытаются исследовать устройство такого компьютера. Скорее всего, они начнут с измерения напряжений на проводниках, и обнаружат, что данные передаются в двоичном виде: точное значение напряжения не важно, важно только его наличие либо отсутствие. Затем, возможно, они поймут, что все электронные схемы составлены из одинаковых «логических вентилей», у которых есть вход и выход, и сигнал внутри схемы всегда передаётся в одном направлении. Если инопланетяне достаточно сообразительные, то они смогут разобраться, как работают комбинационные схемы - одних их достаточно, чтобы построить сравнительно сложные вычислительные устройства. Может быть, инопланетяне разгадают роль тактового сигнала и обратной связи; но вряд ли они смогут, изучая современный процессор, распознать в нём фон-неймановскую архитектуру с общей памятью, счётчиком команд, набором регистров и т.п. Дело в том, что по итогам сорока лет погони за производительностью в процессорах появилась целая иерархия «памятей» с хитроумными протоколами синхронизации между ними; несколько параллельных конвейеров, снабжённых предсказателями переходов, так что понятие «счётчика команд» фактически теряет смысл; с каждой командой связано собственное содержимое регистров, и т.д. Для реализации микропроцессора достаточно нескольких тысяч транзисторов; чтобы его производительность достигла привычного нам уровня, требуются сотни миллионов. Смысл этого примера в том, что для ответа на вопрос «как работает компьютер?» не нужно разбираться в работе сотен миллионов транзисторов: они лишь заслоняют собой простую идею, лежащую в основе архитектуры наших ЭВМ.
Моделирование нейронов
Кора человеческого мозга состоит из порядка ста миллиардов нейронов. Исторически сложилось так, что учёные, исследующие работу мозга, пытались охватить своей теорией всю эту колоссальную конструкцию. Строение мозга описано иерархически: кора состоит из долей, доли - из «гиперколонок» , те - из «миниколонок» … Миниколонка состоит из примерно сотни отдельных нейронов.По аналогии с устройством компьютера, абсолютное большинство этих нейронов нужны для скорости и эффективности работы, для устойчивости ко сбоям, и т.п.; но основные принципы устройства мозга так же невозможно обнаружить при помощи микроскопа, как невозможно обнаружить счётчик команд, рассматривая под микроскопом микропроцессор. Поэтому более плодотворный подход - попытаться понять устройство мозга на самом низком уровне, на уровне отдельных нейронов и их колонок; и затем, опираясь на их свойства - попытаться предположить, как мог бы работать мозг целиком. Примерно так пришельцы, поняв работу логических вентилей, могли бы со временем составить из них простейший процессор, - и убедиться, что он эквивалентен по своим способностям настоящим процессорам, даже хотя те намного сложнее и мощнее.
На рисунке, приведённом чуть выше, тело
нейрона (слева) - небольшое красное пятнышко в нижней части; всё остальное - дендриты
, «входы» нейрона, и один аксон
, «выход». Разноцветные точки вдоль дендритов - это синапсы
, которыми нейрон соединён с аксонами других нейронов. Работа нейронов описывается очень просто: когда на аксоне возникает «всплеск» напряжения выше порогового уровня (типичная длительность всплеска 1мс, уровень 100мВ), то синапс «пробивается», и всплеск напряжения переходит на дендрит. При этом всплеск «сглаживается»: вначале напряжение за 5..20мс растёт до порядка 1мВ, затем экспоненциально затухает; таким образом, длительность всплеска растягивается до ~50мс.
Если несколько синапсов одного нейрона активизируются с небольшим интервалом по времени, то «разглаженные всплески», возбуждаемые в нейроне каждым из них, складываются. Наконец, если одновременно активны достаточно много синапсов, то напряжение на нейроне поднимается выше порогового уровня, и его собственный аксон «пробивает» синапсы связанных с ним нейронов.
Чем мощнее были исходные всплески, тем быстрее растут разглаженные всплески, и тем меньше будет задержка до активизации следующих нейронов.
Кроме того, бывают «тормозящие нейроны», активация которых понижает общее напряжение на связанных с ним нейронах. Таких тормозящих нейронов 15..25% от общего числа.
У каждого нейрона тысячи синапсов; но в любой момент времени активны не больше десятой части всех синапсов. Время реакции нейрона - единицы мс; такого же порядка задержки на распространение сигнала вдоль дендрита, т.е. эти задержки оказывают существенное влияние на работу нейрона. Наконец, пару соседних нейронов, как правило, связывает не один синапс, а порядка десятка - каждый с собственным расстоянием до тел обоих нейронов, а значит, с собственной длительностью задержки. На иллюстрации справа два нейрона, изображённые красным и синим, связаны шестью синапсами.
У каждого синапса своё «сопротивление», понижающее входящий сигнал (в примере выше - со 100мВ до 1мВ). Это сопротивление динамически подстраивается: если синапс активизировался сразу перед активацией аксона - то, видимо, сигнал с этого синапса хорошо коррелирует с общим выводом, так что сопротивление понижается, и сигнал будет вносить больший вклад в напряжение на нейроне. Если же синапс активизировался сразу после активации аксона - то, видимо, сигнал с этого синапса не имел отношения к активации аксона, так что сопротивление синапса повышается. Если два нейрона связаны несколькими синапсами с разной длительностью задержки, то такая подстройка сопротивлений позволяет выбрать оптимальную задержку, или оптимальную комбинацию задержек: сигнал начинает доходить именно тогда, когда от него больше всего пользы.
Таким образом, модель нейрона, принятая исследователями нейронных сетей - с единственной связью между парой нейронов и с мгновенным распространением сигнала от одного нейрона к другому - весьма далека от биологической картины. Кроме того, традиционные нейронные сети оперируют не временем отдельных всплесков, а их частотой : чем чаще всплески на входах нейрона, тем чаще будут всплески на выходе. Те детали устройства нейрона, которые отброшены в традиционной модели - существенны или несущественны они для описания работы мозга? Нейробиологи накопили огромную массу наблюдений об устройстве и поведении нейронов - но какие из этих наблюдений проливают свет на общую картину, а какие - лишь «детали реализации», и - как и предсказатель переходов в процессоре - не влияют ни на что, кроме эффективности работы? Джеймс считает, что именно временны́е характеристики взаимодействия между нейронами и позволяют приблизиться к пониманию вопроса; что асинхронность так же важна для работы мозга, как синхронность - для работы ЭВМ.
Ещё одна «деталь реализации» - ненадёжность нейрона: с некоторой вероятностью он может активизироваться спонтанно, даже если сумма напряжений на его дендритах не достигает порогового уровня. Благодаря этому, «обучение» колонки нейронов можно начинать с любого достаточно большого сопротивления на всех синапсах: вначале никакая комбинация активаций синапсов не будет приводить к активации аксона; затем спонтанные всплески приведут к тому, что понизится сопротивление синапсов, которые активизировались незадолго до этих спонтанных всплесков. Таким образом нейрон начнёт распознавать конкретные «паттерны» входных всплесков. Что самое важное, паттерны, похожие на те, на которых нейрон обучался, - тоже будут распознаваться, но всплеск на аксоне будет тем слабее и/или позднее, чем меньше нейрон «уверен» в результате. Обучение колонки нейронов получается намного эффективнее, чем обучение обычной нейронной сети: колонке нейронов не нужен контрольный ответ для тех образцов, на которых она обучается - фактически, она не распознаёт , а классифицирует входные паттерны. Кроме того, обучение колонки нейронов локализовано - изменение сопротивления синапса зависит от поведения лишь двух соединённых им нейронов, и никаких других. В результате этого, обучение приводит к изменению сопротивлений вдоль пути следования сигнала, тогда как при обучении нейронной сети веса изменяются в обратном направлении: от нейронов, ближайших к выходу - к нейронам, ближайшим ко входу.
Например, вот колонка нейронов, обученная распознавать паттерн всплесков (8,6,1,6,3,2,5) - значения обозначают время всплеска на каждом из входов. В результате обучения, задержки настроились на точное соответствие распознаваемому паттерну, так что напряжение на аксоне, вызываемое правильным паттерном, получается максимально возможным (7):
Та же самая колонка отреагирует на похожий входной паттерн (8,5,2,6,3,3,4) меньшим всплеском (6), причём напряжение достигает порогового уровня заметно позднее:
Наконец, тормозящие нейроны могут использоваться для реализации «обратной связи»: например, как на иллюстрации справа, - подавлять повторные всплески на выходе, когда вход длительное время остаётся активным; или подавлять всплеск на выходе, если он слишком задерживается по сравнению со входными сигналами, - чтобы сделать классификатор более «категоричным»; или, в нейросхеме для распознавания паттернов, разные колонки-классификаторы могут быть связаны тормозящими нейронами, чтобы активация одного классификатора автоматически подавляла все остальные классификаторы.
Распознавание изображений
Для распознавания рукописных цифер из базы MNIST (28x28 пикселей в оттенках серого) Джеймс из колонок-классификаторов, описанных выше, собрал аналог пятислойной «свёрточной нейросети» . Каждая из 64 колонок в первом слое обрабатывает фрагмент 5х5 пикселей из исходного изображения; такие фрагменты перекрываются. Колонки второго слоя обрабатывают по четыре выхода из первого слоя каждая, что соответствует фрагменту 8х8 пикселей из исходного изображения. В третьем слое всего четыре колонки - каждой соответствует фрагмент из 16х16 пикселей. Четвёртый слой - итоговый классификатор - разбивает все изображения на 16 классов: класс назначается в соответствии с тем, который из нейронов активизируется первым. Наконец, пятый слой - классический перцептрон, соотносящий 16 классов с 10 контрольными ответами.
Классические нейросети достигают на базе MNIST точности 99.5% и даже выше; но по утверждению Джеймса, его «гиперколонка» обучается за гораздо меньшее число итераций, благодаря тому, что изменения распространяются вдоль пути следования сигнала, а значит, затрагивают меньшее число нейронов. Как и для классической нейросети, разработчик «гиперколонки» определяет только конфигурацию соединений между нейронами, а все количественные характеристики гиперколонки - т.е. сопротивление синапсов с разными задержками - приобретаются автоматически в процессе обучения. Кроме того, для работы гиперколонки требуется на порядок меньшее число нейронов, чем для аналогичной по возможностям нейросети. С другой стороны, симуляция таких «аналоговых нейросхем» на электронном компьютере несколько затрудняется тем, что в отличие от цифровых схем, работающих с дискретными сигналами и с дискретными интервалами времени - для работы нейросхем важны непрерывность изменения напряжений и асинхронность нейронов. Джеймс утверждает, что шага симуляции в 0.1мс достаточно для корректной работы его распознавателя; но он не уточнял, сколько «реального времени» занимает обучение и работа классической нейросети, и сколько - обучение и работа его симулятора. Сам он давно на пенсии, и свободное время он посвящает совершенствованию своих аналоговых нейросхем.
Самая большая загадка для ученых - не безграничность космоса или образование Земли, а человеческий мозг. Его возможности превышают способности любого современного компьютера. Мышление, прогнозирование и планирование, эмоции и чувства, наконец, сознание — все эти присущие человеку процессы, так или иначе, протекают в пределах небольшого пространства черепной коробки. Работа человеческого мозга и ее изучение связаны гораздо сильнее, чем любые другие объекты и способы исследования. В данном случае они практически совпадают. Мозг человека изучается при помощи мозга человека. Возможность понять протекающие в голове процессы фактически зависит от способностей «мыслительной машины» познавать саму себя.
Структура
Сегодня довольно много известно о строении головного мозга. Он состоит из двух полушарий, напоминающих половинки грецкого ореха, покрытых тонкой серой оболочкой. Это кора больших полушарий. Каждая из половинок условно поделена на несколько долей. Самые древние в эволюционном плане отделы мозга, лимбическая система и ствол, находятся под мозолистым телом, соединяющим два полушария.
Человеческий мозг состоит из клеток нескольких разновидностей. Большая часть из них — это глиальные клетки. Они выполняют функцию соединения остальных элементов в единое целое, а также принимают участие в усилении и синхронизации электрической активности. Примерно десятая часть клеток мозга — это нейроны различных форм. Они передают и принимают электрические импульсы при помощи отростков: длинных аксонов, транслирующих информацию от тела нейрона дальше, и коротких дендритов, принимающих сигнал от других клеток. Соприкасающиеся аксоны и дендриты образуют синапсы, места передачи информации. Длинный отросток выделяет в полость синапса нейромедиатор, химическое вещество, влияющее на работу клетки, оно попадает на дендрит и приводит к торможению или возбуждению нейрона. Сигнал передается по всем связанным клеткам. В результате очень быстро возбуждается или тормозится работа большого числа нейронов.
Некоторые особенности развития
Человеческий мозг, как и любой другой орган тела, проходит определенные стадии своего формирования. Ребенок появляется на свет, так сказать, не в полной боевой готовности: процесс развития мозга на этом не завершается. Наиболее активные его отделы в этот период находятся в древних структурах, отвечающих за рефлексы и инстинкты. Кора функционирует хуже, поскольку состоит из большого числа незрелых нейронов. С возрастом человеческий головной мозг утрачивает часть из этих клеток, зато приобретает множество прочных и упорядоченных связей между оставшимися. Погибают «лишние» нейроны, не нашедшие себе места в образовавшихся структурах. На сколько работает человеческий мозг, по-видимому, зависит от качества связей, а не от количества клеток.
Распространенный миф
Понимание особенностей развития головного мозга помогает определить несоответствие реальности некоторых привычных представлений о работе этого органа. Бытует мнение, что человеческий мозг работает на процентов 90-95 меньше, чем может, то есть используется примерно его десятая часть, а остальная таинственно дремлет. Если перечитать вышеизложенное, становится понятно, что не использующиеся нейроны не могут долго существовать — они погибают. Скорее всего, подобная ошибка — результат бытовавших некоторое время назад представлений, что работают только те нейроны, которые передают импульс. Однако в единицу времени в подобном состоянии находится лишь некоторые клетки, связанные с необходимыми сейчас человеку действиями: движением, речью, мышлением. Спустя несколько минут или часов им на смену приходят другие, ранее «молчавшие».
Таким образом, в течение определенного времени в работе тела участвует весь мозг, сначала одними своими частями, затем другими. Одновременная активация всех нейронов, которая подразумевает столь желанную многими 100% работу мозга, может привести к своеобразному короткому замыканию: человек будет галлюцинировать, испытывать боль и все возможные ощущения, содрогаться всем телом.
Связи
Получается, нельзя говорить, что какая-то часть мозга не работает. Однако способности человеческого мозга используются, действительно, не полностью. Дело, правда, не в «спящих» нейронах, а в количестве и качестве связей между клетками. Любое повторяющееся действие, ощущение или мысль закрепляются на уровне нейронов. Чем больше повторений, тем прочнее связь. Соответственно, более полноценное использование мозга предполагает построение новых связей. На этом построено обучение. Детский мозг еще не имеет стойких связей, они формируются и закрепляются в процессе знакомства ребенка с миром. С возрастом внести изменения в сложившуюся структуру становится все сложнее, поэтому дети легче обучаются. Тем не менее, при желании развить способности человеческого мозга можно в любом возрасте.
Невероятно, но факт
Способность образовывать новые связи и переобучаться дает поразительные результаты. Известны случаи, когда она преодолевала все грани возможного. Человеческий мозг — структура нелинейная. Со всей определенностью в нем нельзя выделить зоны, которые выполняют одну конкретную функцию и никакую больше. Более того, при необходимости части головного мозга могут брать на себя «обязанности» травмированных зон.
Так произошло с Говардом Рокетом, в результате инсульта обреченным на инвалидное кресло. Он не пожелал сдаваться и с помощью ряда упражнений пытался разрабатывать парализованные руку и ногу. В результате каждодневного упорного труда через 12 лет он смог не только нормально ходить, но и танцевать. Его головной мозг очень медленно и постепенно перенастроился таким образом, чтобы непострадавшие его части смогли выполнять функции, необходимые для нормального движения.
Паранормальные способности
Пластичность головного мозга - не единственная его особенность, поражающая ученых. Нейробиологи не обходят своим вниманием и такие явления, как телепатия или ясновидение. В лабораториях ставятся эксперименты, призванные доказать или опровергнуть возможность таких способностей. Исследования американских и английских ученых дают интересные результаты, позволяющие предположить, что их существование - не миф. Однако окончательного решения нейробиологи пока не вынесли: для официальной науки по-прежнему есть определенные грани возможного, человеческий мозг через них переступить, как считается, не может.
Работа над собой
В детстве по мере отмирания не нашедших себе «места» нейронов исчезает способность помнить все и сразу. Так называемая эйдетическая память встречается у малышей достаточно часто, у взрослых — это крайне редкий феномен. Однако человеческий мозг представляет собой орган и, как любая другая часть тела, он поддается тренировке. А значит, можно и память улучшить, и интеллект подтянуть, и творческое мышление развить. Важно только помнить, что развитие человеческого мозга — дело не одного дня. Тренировки должны быть регулярными независимо от поставленных целей.
Непривычно
Новые связи образуются в тот момент, когда человек делает что-то не как обычно. Простейший пример: на работу можно добраться несколькими путями, но по привычке мы всегда выбираем один и тот же. Задача — выбирать каждый день новую дорогу. Это элементарное действие принесет плоды: мозг будет вынужден не только определять путь, но и регистрировать новые визуальные сигналы, идущие от неизвестных ранее улиц и домов.
В число подобных тренировок можно отнести и использование левой руки там, где привычна правая (и наоборот, для левшей). Писать, печатать, держать мышку так неудобно, зато, как показывают эксперименты, уже спустя месяц таких тренировок значительно усилится творческое мышление и фантазия.
Чтение
О пользе книг нам говорят с самого детства. И это не пустые слова: чтение способствует повышению активности мозга в противоположность просмотру телевизора. Книги помогают развиваться фантазии. Под стать им действуют кроссворды, ребусы, игры на логику, шахматы. Они стимулируют мышление, заставляют нас пользоваться теми возможностями головного мозга, которые обычно не востребованы.
Физические упражнения
На сколько работает человеческий мозг, на всю мощность или нет, зависит и от нагрузки на все тело. Доказано, что физические тренировки за счет обогащения крови кислородом положительно сказываются на активности мозга. Кроме того, удовольствие, которое получает тело в процессе регулярных упражнений, улучшает общее состояние и настроение.
Существует большое число способов повысить активность головного мозга. Среди них есть и специально разработанные, и крайне простые, к которым мы, сами того не зная, прибегаем каждый день. Главное — это последовательность и регулярность. Если сделать каждое упражнение по разу, существенного эффекта не последует. Ощущение дискомфорта, возникающее вначале - не повод бросать, а сигнал, что это упражнение заставляет мозг работать.
