4. Память

4. Память

Когда вы читаете эту книгу, идете по переполненной улице, слушаете симфонию, успокаиваете плачущего ребенка, ваш мозг набит пространственными и временными паттернами от всех ваших органов чувств. Мир это океан постоянно меняющихся паттернов, которые приходят, захватывая и врезаясь в ваш мозг. Почему вы ощущаете этот натиск? Паттерны приходят, проходят через различные структуры старого мозга, и, в конечном счете, попадают в неокортекс. Но что происходит с ними, когда они попадают в кортекс?

С времен начала индустриальной революции люди рассматривали мозг как некоторый тип машины. Они знали, что в голове нет шестерней и зубьев, но это было лучшей метафорой, которая у них была. Каким-то образом информация приходит в мозг и мозг-машина определяет, как должно реагировать тело. В компьютерную эру мозг стал рассматриваться как особый тип машины, программируемый компьютер. И как мы увидели в главе 1, исследователи ИИ уткнулись в эту точку зрения, аргументируя отсутствие прогресса тем, что компьютеры слишком слабы и медленны по сравнению с человеческим мозгом. Они говорят, что современный компьютер может быть эквивалентен только мозгу таракана, но когда мы сделаем компьютеры мощнее и быстрее, они станут такими же интеллектуальными, как люди.

С этой аналогией мозг — компьютер существует повсеместно игнорируемая проблема. Нейроны гораздо медленнее транзисторов в компьютере. Нейрон собирает информацию со своих синапсов и комбинирует эту информацию, чтоб решить, когда сгенерировать спайк для других нейронов. Обычный нейрон может сделать это и сбросить себя миллисекунд на пять, то есть примерно 200 раз в секунду. Это может показаться быстрым, но современные кремниевые компьютеры могут выполнять миллиард операций в секунду. Это означает, что базовая компьютерная операция в пять миллионов раз быстрее базовой операции вашего мозга. Это очень, очень большая разница. Так как же может быть, что мозг быстрее и мощнее, чем самые быстродействующие современные компьютеры? «Без проблем», говорят люди, поддерживающие аналогию «мозг это компьютер». «Мозг это параллельный компьютер. В нем миллиарды клеток, работающих одновременно. Этот параллелизм значительно увеличивает вычислительную мощь биологического мозга».

Я всегда чувствовал, что такой аргумент был хитростью, и простой мысленный эксперимент показывает почему. Это называется «правило в сто шагов». Человек может выполнять значительные задачи меньше чем за секунду. Например, я мог бы показать вам фотографию и попросить определить, изображена ли на ней кошка. Вашей задачей было бы нажать на кнопку, если там кошка, но не медведь или бородавочник или репа. Эта задача для компьютера сложная или невозможная на сегодняшний день, тогда как человек может решить ее достоверно за полсекунды или меньше. Но нейроны медленны, так что за полсекунды информация, поступающая в мозг, может пройтись только по цепочке длиной в сто нейронов. То есть, «компьютерное» решение подобной проблемы мозгом может быть в сто шагов или меньше, несмотря на то, сколько всего нейронов задействовано. С момента, когда свет попал в ваш глаз, до момента нажатия кнопки может быть задействована цепочка не длиннее ста нейронов. Цифровой компьютер, пытающийся решить ту же самую задачу, сделал бы миллиарды операций или шагов. Одной сотни компьютерных команд хватит только на то, чтоб переместить единичный символ на дисплей, не говоря о том, чтоб сделать что-то интересное.

Но если у меня есть миллионы нейронов, работающих совместно, не похоже ли это на параллельный компьютер? Конечно нет. И мозг и параллельный компьютер оперируют параллельно, но это все, что между ними общего. Параллельные компьютеры комбинируют множество скоростных компьютеров для работы над большой задачей, типа прогноза погоды на завтра. Чтоб предсказать погоду, вы должны вычислить физические условия во множестве точек планеты. Каждый компьютер может работать над отдельным местом в одно и то же время. Но даже если сотни или тысячи компьютеров будут работать параллельно, единичный компьютер все равно выполнит миллиарды или триллионы операций, прежде чем завершит задачу. Самый большой мыслимый параллельный компьютер не может сделать ничего полезного за сто шагов, не важно, насколько он большой или быстрый.

Вот аналогия. Предположим, я попрошу вас перенести одну сотню блоков через пустыню. Вы можете переносить только один камень одновременно, и пересечение пустыни потребует миллион шагов. Вы понимаете, что это займет у вас много времени, если действовать в одиночку, поэтому вы нанимаете сотню работников, которые будут работать параллельно. Теперь задача решается в сто раз быстрее, но она все также требует как минимум миллион шагов на пересечение пустыни. Наем еще большего количества рабочих — даже тысячи — не даст никакого выигрыша. Не важно, сколько рабочих вы наняли, задача не может быть решена за меньшее время, чем потребуется на миллион шагов. То же самое верно и для параллельных компьютеров. С некоторого момента, добавление новых компьютеров ничего не изменит. Компьютер, не важно, сколько в нем процессоров и как быстро они работают, не может «вычислить» ответ на сложную задачу за сотню операций.

Так как же мозг решает сложную задачу за сто шагов, которую параллельный компьютер даже теоретически не может решить за миллион или миллиард операций? Ответ в том, что мозг не «вычисляет» ответ на задачу; он достает ответ из памяти. По существу ответ был сохранен в памяти заранее. Всего несколько шагов требуется, чтоб достать что-то из памяти. Медленные нейроны не только достаточно быстры, чтоб сделать это, но они сами составляют эту память. Весь кортекс — это система памяти. Это совсем не компьютер.

* * *

Позвольте показать на примере различие между вычислением ответа на задачу и использование памяти для решения той же самой задачи. Рассмотрим задачу ловли мяча. Кто-то бросает мяч вам, вы видите, как он движется к вам, и менее чем за секунду вы хватаете его. Это кажется несложным — до тех пор, пока вы не попытаетесь запрограммировать манипулятор робота, чтоб сделать то же самое. Как убедились на своем опыте множество аспирантов, это кажется практически невозможным. Когда инженер или компьютерщик энергично берется за эту задачу, он в первую очередь пытается вычислить полет мяча, чтоб определить, где он будет, когда достигнет манипулятора. Это вычисление требует решения набора уравнений того типа, что изучались вами на физике в институте. Затем, все шарниры манипулятора должны дружно передвинуть манипулятор в необходимое положение. Это требует решение другого набора математических уравнений, более сложного, чем первые. Наконец, эта операция в целом должна быть повторена множество раз, чтобы по мере приближения мяча робот получил наилучшую информацию о положении и траектории мяча. Если робот будет ждать вычисления точного положения прибытия мяча, прежде чем начнет движение, он не успеет поймать его. Он должен начать движение, как только получит малейшую информацию о положении мяча, и постоянно корректировать свое положение по мере приближения мяча. Компьютеру требуются миллионы операций, чтоб решить множество математических уравнений для поимки мяча. И хотя компьютер мог бы быть запрограммирован для решения этой задачи, «правило ста шагов» говорит нам, что мозг решает ее другим способом. Он использует память.

Каким образом вы ловите мяч, используя память? Ваш мозг хранит информацию о мышечных командах, необходимых для поимки мяча (вместе с другими заученными движениями). Когда мяч брошен, происходят три веши. Во-первых, соответствующие воспоминания автоматически вызываются образом мяча. Во-вторых, фактически вспоминается временная последовательность мышечных команд. И в-третьих, полученная информация корректируется по мере ее вспоминания для того, чтоб приспособить к определенному моменту, такому как фактическая траектория мяча и положение вашего тела. Память о том, как поймать мяч, не запрограммирована в вашем мозгу; она запоминается за годы постоянной практики, и сохраняется без вычислений в ваших нейронах.

Вы могли бы подумать, «подождите, каждая попытка поймать мяч слегка отличается. Вы только что сказали, что каждое воспоминание постоянно корректируется, чтоб приспособить к различным вариациям мяча в каждом конкретном броске… Разве это не требует решения тех же самых уравнений, которых мы попытались избежать?». Так может показаться, но природа решила задачу вариации другим, очень простым путем. Как мы увидим позже в этой главе, кортекс создает то, что называется инвариантный образ, который автоматически оперирует с вариациями в мире. В качестве полезной аналогии можно вообразить, что происходит, когда вы садитесь на водяную кровать: подушки и другие люди на кровати внезапно смещаются в новое положение. Кровать не рассчитывает, как высоко должен быть поднят каждый объект; физические свойства воды и пластиковой оболочки матраца автоматически заботятся о корректировке. Как мы увидим в следующей главе, архитектура шестислойного кортекса, мягко говоря, делает нечто подобное с информацией, проходящей через него.

* * *

Таким образом, неокортекс не похож на компьютер, параллельный или какой либо другой. Вместо вычисления ответов на задачи для их решения и формирования поведения неокортекс использует сохраненную информацию. У компьютеров также есть память в виде жесткого диска или чипов памяти; однако у неокортикальной памяти есть четыре атрибута, фундаментально отличающиеся от компьютерной памяти:

• Неокортекс хранит последовательности паттернов.

• Неокортекс вспоминает паттерны автоассоциативно.

• Неокортекс хранит паттерны в инвариантной форме.

• Неокортекс хранит паттерны иерархически.

Мы обсудим первые три различия в этой главе. Я введу концепцию иерархии неокортекса в главе 3. В главе 6 я опишу ее значимость и как она работает.

Когда в следующий раз вы будете рассказывать историю, остановитесь и подумайте, почему в один момент времени вы можете рассказывать только об одном аспекте истории. Вы не можете рассказать одновременно все, что происходило, не важно, как быстро вы говорите или я слушаю. Вам необходимо закончить одну часть истории прежде, чем вы сможете приступить к следующей. Это не только потому что разговорный язык последовательный; и письменный, и устный, и визуальный рассказ истории происходят последовательным образом. Все это потому, что рассказ хранится в вашей голове в последовательной форме и может быть вспомнен только в той же самой последовательности. Вы не можете вспомнить всю историю одновременно. Фактически в большинстве случаев невозможно думать о какой-либо сложной вещи не как о последовательности событий или мыслей.

Вы можете отметить также, что рассказывая историю некоторые люде не могут сразу же дойти до сути. Кажется, что они распространяются о совершенно несвязанных деталях. Это может раздражать. Вы можете крикнуть «Ближе к делу!». Но они описывают историю так, как будто она происходила с ними, во времени, и не могут рассказать ее по-другому.

Другой пример: я хотел бы, чтоб вы представили свой дом прямо сейчас. Закройте глаза и представьте его. В вашем воображении пройдите к входной двери. Вспомните, как она выглядит. Откройте входную дверь. Зайдите внутрь. Теперь посмотрите налево. Что вы видите? Посмотрите направо. Что там? Пройдите в ванную. Что справа? Что слева? Что в верхнем правом ящике? Какие вещи у вас в душе? Вы знаете все эти вещи плюс тысячи других и можете вспомнить их достаточно детально. Эти воспоминания хранятся в вашем кортексе. Вы могли бы сказать, что все эти вещи часть воспоминания о вашем доме. Но вы не сможете думать о них о всех одновременно. Очевидно, что это связанные воспоминания, но нет способа вспомнить все эти детали одновременно. У вас исчерпываюшие воспоминания о вашем доме; но чтоб вспомнить их, вы должны пройти через последовательность сегментов, в основном тем же самым путем, каким они известны вам из личного опыта.

Все воспоминания похожи на это. Вы должны пройти через временную последовательность так, как вы сделали бы в действительности. Один паттерн (подход к двери) затрагивает другой паттерн (прохождение через дверь), он затрагивает следующий (спуститься в холл или подняться по ступенькам), и так далее. Каждый — это последовательность, которую вы проходили раньше. Конечно, сознательным усилием я могу изменить порядок того, как я описываю вам мой дом. Я могу перепрыгнуть от цокольного ко второму этажу, если захочу сфокусироваться на вещах непоследовательно. Однако же, как только я начну описывать какую-нибудь выбранную комнату или вещь, я снова вернусь к последовательности. Действительно произвольного мышления не существует. Воспоминания почти всегда следуют путем ассоциаций.

Вы знаете алфавит. Попробуйте произнести его задом наперед. Вы не сможете, потому что вы обычно не слышали его в обратной последовательности. Если вы хотите узнать, что чувствуют дети, изучающие алфавит, попробуйте произнести его в обратной последовательности. Это тоже самое, с чем сталкиваются они. Это действительно трудно. Ваше знание алфавита — это последовательность паттернов. Оно не может быть запомнено или вспомнено непосредственно или в произвольном порядке. То же самое с днями недели, месяцами года, вашим телефонным номером и бесчисленным множеством других вещей.

Ваша знание песни — великолепный пример временной последовательности в памяти. Вспомните какую-нибудь мелодию. Я люблю приводить пример с «Somewhere over the Rainbow», но подойдет любая мелодия. Вы не сможете представить сразу всю песню целиком, только в последовательности. Вы можете начать с начала или, возможно, с припева, но затем вы будете воспроизводить нота за нотой. Вы не сможете вспомнить песню задом наперед, точно также, как и вспомнить всю мгновенно. Сначала вы услышали песню так, как она звучит во времени, и вы можете ее вспомнить только точно так же, как ее заучили.

Это применимо также и к сенсорной памяти низкого уровня. Вспомним ваши тактильные ощущения текстуры. Ваш кортекс хранит память о том, на что похоже ощущение, когда вы держите пригоршню гравия, проводите пальцами по бархату, нажимаете на клавиши фортепиано. Эта память точно так же основана на последовательностях, как алфавит или песни; только последовательности более короткие, охватывающие всего лишь доли секунд, а не несколько секунд или минут. Если я зарою вашу руку в ведре гравия, пока вы спите, когда вы проснетесь, вы не поймете, с чем соприкасается ваша рука, пока не пошевелите пальцами. Ваша память тактильной текстуры гравия основана на последовательностях паттернов ощущения нейронами вашей кожи давления и вибрации. Эти последовательности отличаются от тех, которые вы получили бы, если б ваша рука была погружена в песке или в пенопластовые шарики или в сухие листья. Когда вы сгибаете вашу руку, царапанье и перекатывание камешков должно создавать сигнальные последовательности паттернов гравия и вызывать соответствующие воспоминания в вашем соматосенсорном кортексе.

Когда вы в следующий раз будете выходить из душа, уделите внимание тому, как вы вытираетесь полотенцем. Я обнаружил, что каждый раз вытираюсь практически в одной и той же последовательности растираний, похлопываний и положений тела. С помощью забавных экспериментов я обнаружил, что моя жена также следует неизменным паттернам, когда выходит из душа. Возможно, с вами происходит то же самое. Если вы следуете последовательности, попробуйте изменить ее. Вы можете заставить себя сделать это, но вам необходимо оставаться сосредоточенным. Если вы отвлечетесь, вы снова вернетесь к заученным паттернам.

Вся память хранится в синаптических соединениях между нейронами. Фактически мы храним в кортексе очень большое количество вещей, но то, что в один момент времени мы можем вспомнить только крошечную долю этих сохраненных воспоминаний, вызвано тем, что только ограниченное количество синапсов и нейронов в вашей голове играют активную роль в вспоминании в один момент времени. Когда вы начинаете вспоминать, что есть у вас дома, одно множество нейронов становится активным, что ведет затем к активизации другого множества нейронов, и т. д. У неокортекса взрослого человека невероятно большая емкость памяти. Но несмотря на то, что мы помним так много вещей, мы можем вспомнить в один момент времени только небольшую часть, и можем сделать это только в последовательности ассоциаций.

Вот интересное упражнение. Попробуйте вспомнить детали вашего прошлого, где вы жили, какие места посещали, людей, которых вы знали. Я обнаружил, что я всегда могу вспомнить о вещах, о которых не думал в течение множества лет. Есть тысячи деталей воспоминаний, сохраненных в синапсах вашего мозга, которые редко используются. В любой момент времени мы вспоминаем только крошечную долю того, что мы знаем. Большая часть информации ожидает соответствующих стимулов, чтоб быть востребованной.

Компьютерная память не хранит последовательности паттернов. Это может быть сделано с помощью различных программных средств, но компьютерная память не делает этого автоматически. В отличие от этого, кортекс автоматически хранит последовательности. Это является неотъемлемым аспектом системы неокортикальной памяти.

* * *

Теперь давайте рассмотрим второе ключевое свойство нашей памяти, ее автоассоциативную природу. Как мы увидели в главе 2, этот термин просто обозначает, что паттерны ассоциируются с самими собой. Автоассоциативные системы памяти — это то, что может вспомнить паттерн полностью, когда заданы только частичные или искаженные данные. Это работает и для пространственных и для временных паттернов. Если вы видите, что из-за занавеса торчат ботинки вашего ребенка, вы автоматически воображаете его целиком. Вы восполняете пространственный паттерн по его частичной версии. Или вообразите, что вы видите человека, ждущего автобус, но можете наблюдать только его часть, потому что он частично загорожен кустом. Ваш мозг не сбивается с толку. Ваши глаза видят только часть тела, но ваш мозг дополняет оставшееся, создавая восприятие человека целиком настолько явно, что вы можете не заметить, что вы это только подразумеваете.

Вы также восполняете и временные паттерны. Если вы вспоминаете небольшую деталь того, что произошло очень давно, полная последовательность событий может заполнить ваш разум. Известная серия новелл Марселя Пруста, RemembranceofThingsPast, начинается с воспоминания о том, как пахнет печенье — и отталкиваясь от этого, он выдает больше тысячи страниц. При общении мы часто не слышим некоторых слов, если мы находимся в шумном помещении. Никах проблем. Наш мозг заменяет пропущенное тем, что он ожидает услышать. Точно установлено, что мы действительно слышим не все слова из тех, которые воспринимаем. Некоторые люди вслух завершают предложения других, но мысленно каждый из нас делает это постоянно. И не только конец предложения, но и середину и даже начало. В большинстве случаев мы не осознаем, что постоянно завершаем паттерны, но это повсеместное и фундаментальное свойство того, как память хранится в кортексе. В любой момент часть может активизировать целое. В этом суть автоассоциативной памяти.

Ваш неокортекс это сложная биологическая автоассоциативная память. В любой момент прогулки каждый функциональный регион по существу неустанно ожидает, что поступят знакомые паттерны или фрагменты паттернов. Вы можете сильно задуматься о чем-либо, но как только появится ваша подруга, ваши мысли переключатся на нее. Это переключение не является чем-то, что вы выбираете сознательно. Появление вашей подруги всего лишь заставляет ваш мозг начать вспоминать паттерны, ассоциирующиеся с ней. Это неизбежно. После того, как вас прервут, вы часто спрашиваете, «О чем я только что думал?». Общение с друзьями за ужином следует путями ассоциаций. Разговор может начаться с еды перед вами, но салат вызовет ассоциированное воспоминание о салате на вашей свадьбе, что приведет к воспоминанию о еще чьей-нибудь свадьбе, что приведет к воспоминанию о том, где они провели медовый месяц, к политическим проблемам в прошлом и т. д. Мысли и воспоминания ассоциативно связаны, произвольно мысли никогда не возникают. Информация, поступающая в мозг, автоассоциативно связана сама с собой, заполняя настоящее и автоассоциативно связывая с тем, что должно последовать. Мы называем эти цепочки воспоминаний мыслями, и хотя их путь не предопределен, мы не можем полностью их контролировать.

* * *

Сейчас мы можем рассмотреть третье важное свойство неокортикальной памяти: как она формирует то, что мы называем инвариантным представлением. В этой главе я поясню основные идеи инвариантного представления, а в главе 6 — детали того, как кортекс создает его.

Компьютерная память разработана для того, чтоб хранить информацию в точно таком же виде, как она представляется. Если вы копируете программу с компакт-диска на жесткий диск, каждый байт копируется со стопроцентной точностью. Единичная ошибка или отличие между двумя копиями может вызвать сбой программы. Память неокортекса отличается от этого. Наш мозг не помнит в точности, что он видит, слышит или чувствует. Мы не помним или не вспоминаем вещи со точно — не потому что кортекс и его нейроны небрежные или подвержены ошибкам, а потому что мозг помнит важные взаимосвязи мира независимо от деталей. Давайте рассмотрим несколько примеров, иллюстрирующих это.

Как мы видели в главе 2, простая модель автоассоциативной памяти существует десятилетия, и, как сказано выше, мозг вспоминает автоассоциативно. Но между автоассоциативной памятью, построенной исследователями нейронных сетей, и памятью кортекса есть большая разница. Искусственная автоассоциативная память не использует инвариантное представление и, следовательно, она ошибочна в некоторых базовых принципах. Вообразите, что у меня есть изображение лица, сформированное большим набором черных и белых точек. Эта картинка — паттерн, и если у меня есть искусственная автоассоциативная память, я могу хранить множество картинок в этой памяти. Наша искусственная автоассоциативная память надежна в том, что если я дам половину лица, или даже пару глаз, она распознает эту часть и корректно заполнит оставшуюся часть. Этот эксперимент в точности был проделан несколько раз. Но если я сдвину каждую точку на пять пикселей влево, память совершенно не сможет распознать лицо. Для искусственной автоассоциативной памяти это совершенно новый паттерн, потому что ни один из пикселей сохраненного паттерна и нового паттерна не выровнены. Вы и я, конечно же, без труда видим сдвинутый паттерн как то же самое лицо. Возможно, мы даже не заметим изменений. Искусственная автоассоциативная память не может распознать паттерны, если они сдвинуты, повернуты, масштабированы или трансформированы одним из тысяч других способов, тогда как наш мозг легко справляется с этими вариациями. Что позволяет нам воспринимать что-то как то же самое или неизменное, тогда как поступающие паттерны, представляющие его, новые или измененные? Давайте рассмотрим другой пример.

Возможно, сейчас вы держите в руках книгу. Когда вы двигаете книгу, или меняете освещение, или по-другому усаживаетесь на стуле, или фиксируете глаза на другой части страницы, паттерны освещенности, попадающие на вашу сетчатку, полностью меняются. Визуальная информация изменяется от момента к моменту и никогда не повторяется. Фактически, вы могли бы держать эту книгу сотни лет и ни разу паттерны на вашей сетчатке, и, следовательно, попадающие в ваш мозг, не повторились бы. Но у вас ни на секунду не возникало бы сомнений, что книга, которую вы держите, действительно та самая книга. Внутренний паттерн вашего мозга, представляющий «эту книгу», не меняется, хотя стимулы, информирующие вас находятся в постоянном изменении. Поэтому мы будем использовать термин инвариантное представление, ссылаясь на внутреннее представление в мозгу.

Другой пример, вспомните лицо подруги. Вы узнаете ее каждый раз, когда видите. Это происходит автоматически менее чем за секунду. Не имеет значения, что она в двух шагах от вас, трех или на другой стороне комнаты. Когда она близко, изображение ее лица занимает всю вашу сетчатку. Когда она далеко, ее изображение занимает маленькую часть вашей сетчатки. Она может быть лицом к вам, немного боком или в профиль. Она может улыбаться, прищуриваться или зевать. Вы можете видеть ее в ярком свете, в тени или под специфическим освещением дискотеки. Ее лицо может появляться в бесчисленных позициях и вариациях. В каждом случае паттерны света, попадающие на сетчатку, уникальны, но в каждом случае вы точно знаете, что смотрите именно на нее.

Давайте приоткроем завесу и взглянем на то, что происходит в вашем мозгу во время выполнения этого изумительного трюка. Из экспериментов нам известно, что если мы будем отслеживать активность нейронов визуальной области кортекса, называемой V1, паттерны активности будут отличаться при каждом различном взгляде на лицо. Каждый раз, когда лицо двигается или ваши глаза фиксируются в новой точке, паттерны активности в V1 изменяются, практически подобно изменению паттернов на сетчатке. Однако, если мы будем отслеживать активность клеток в области, ответственной за распознавание лиц — функциональной области на несколько уровней выше по кортикальной иерархии, чем V1 — мы обнаружим стабильность. То есть, некоторое множество клеток в области, ответственной за распознавание лиц, остается активным, пока лицо вашей подруги находится в поле вашего зрения (или даже если воображается в мысленном поле зрения), несмотря на его размер, положение, ориентацию, масштаб и выражение лица. Эта стабильность возбуждения нейронов — инвариантное представление.

Интроспективно эта задача кажется настолько простой, что едва ли стоит называть ее проблемой. Она работает автоматически, как дыхание. Она кажется тривиальной, потому что мы не осознаем, как это происходит. И в некотором смысле, она тривиальна, потому что наш мозг может решить ее очень быстро (вспомните правило ста шагов). Однако, проблема понимания того, как кортекс формирует инвариантное представление, остается одной из величайших тайн науки. Насколько сложна эта проблема, спросите вы? Настолько, что никто, даже используя самый мощный компьютер в мире, не способен решить ее. И это не от не от недостатка количества попыток.

Размышления по данной проблеме имеют древние корни. Они доходят до Платона, 23 столетия назад. Платон удивлялся, каким образом люди способны мыслить и узнавать о мире. Он обратил внимание, что реальные воплощения вещей и идеи всегда несовершенны, и всегда различны. Например, у вас есть понятие совершенной окружности, хотя вы никогда не видели такую в действительности. Все нарисованные окружности несовершенны. Даже если она нарисована с помощью циркуля, окружность представляется темной линией, тогда как линия настоящей окружности не имеет толщины. Как же вы тогда вообще смогли воспринять понятие идеальной окружности? Или возьмем более житейский случай, подумаем о понятии «собака». Любая из собак, каких вы видели, отличается от других, и каждый раз вы видите именно конкретную собаку. Все собаки различны и вы никогда бы не смогли увидеть конкретную собаку одним и тем же образом. Но весь ваш опыт относительно собак сходится к ментальному понятию «собака», которое неизменно. Платон был сбит с толку. Как возможно такое, что мы запоминаем и применяем понятия в этом мире бесконечно разнообразных форм и постоянно меняющихся ощущений?

Решением Платона была его известная Теория Форм. Он пришел к выводу, что наш высший разум должен быть связан с некоторым трансцендентным миром сверхреальности, где в безвременном совершенстве существуют постоянные, неизменные идеи (Формы с заглавной Ф). Наши души приходят из этого мистического места в момент рождения, заключил он, где они узнают о Формах в их первоначальном виде. После рождения у нас сохраняются скрытые знания о них. Обучение и понимание происходит потому что формы реального мира напоминают нам о Формах, которым они соответствуют. Вы можете узнать про окружности и собак, потому что они соответственно вызывают воспоминания Окружности и Собаки.

Все это достаточно далеко от современных взглядов. Но если вы уберете высокопарную метафизику, вы увидите, что он в действительности говорил об инвариантности. Его система объяснения была далека от цели, но его интуиция, что это один из важнейших вопросов о природе человека, которыми мы можем задаться, попала в яблочко.

* * *

Чтоб у вас не сложилось впечатление, что инвариантность относится только к зрению, давайте взглянем на некоторые примеры с другими чувствами. Рассмотрим тактильные ощущения. Когда вы тянетесь к бардачку в машине, чтоб найти солнечные очки, ваши пальцы должны только слегка задеть их, чтоб вы их нашли. Не важно, какая часть вашей руки соприкоснется; это может быть большой палец, любая часть любого пальца или ладонь. Соприкоснуться можно с любой частью очков, с линзой, дужкой, петлей или частью оправы. Всего лишь движения любой части вашей руки над любой частью очков достаточно, чтоб ваш мозг идентифицировал их. В каждом случае поток пространственных и временных паттернов, поступающих с ваших тактильных рецепторов, совершенно различный — различные участки кожи, различные части объекта — но вы хватаете ваши очки без раздумий.

Или рассмотрим сенсомоторную задачу — вставить ключ в замок зажигания. Положение, в котором вы сидите, положение тела, рук, каждый раз слегка отличаются. Для вас это выглядит как повторяющееся изо дня в день действие, но это потому что у вас инвариантное представление в мозгу. Если вы попытаетесь сделать робота, который смог бы попасть в машину и вставить ключ, вы быстро бы увидели, что это практически невозможно, пока вы не будете уверены, что робот находится в одном и том же положении и держит ключ одинаково каждый раз. И даже если вы смогли бы управлять им, чтоб сделать это, робота пришлось бы перепрограммировать под различные машины. Роботы и компьютерные программы, подобно искусственной автоассоциативной памяти, ужасны при обращении с вариациями.

Другой интересный пример — это ваша подпись. Где-то в вашем моторном кортексе, в передних долях, у вас есть инвариантное представление вашего автографа. Каждый раз, когда вы подписываетесь, вы используете одну и ту же последовательность ударов, изгибов и ритмов. Это верно и когда вы подписываетесь ежеминутно хорошей ручкой на весу, и когда неловко подписываетесь карандашом, зажатым между кончиками пальцев. Каждый раз получается что-то разное, конечно, особенно в неудобных условиях, которые я только что указал. Тем не менее, несмотря на масштаб, пишущую принадлежность или комбинацию частей тела, вы всегда запускаете одну и ту же абстрактную «моторную» программу.

Из примера с подписью видно, что инвариантное представление в моторном кортексе в некотором смысле это зеркальное отражение инвариантного представления в сенсорном кортексе. С сенсорной стороны, большое множество входных паттернов может активировать один и тот же ансамбль, который представляет один и тот же абстрактный паттерн (лицо вашей подруги, ваши очки). С моторной стороны, один и тот же ансамбль, представляющий некоторую абстрактную моторную команду (ловля мяча, подпись) способен проявит себя в широком множестве мышечных команд и удовлетворить широкому множеству других ограничений. Эта симметрия между восприятием и действием и есть то, что мы должны ожидать, если, как предположил Монткастл, во всех областях кортекса работает единый базовый алгоритм.

В качестве последнего примера давайте вернемся к сенсорному кортексу и снова взглянем на музыку (мне нравится использовать музыкальную память в качестве примера, потому что легко увидеть все проблемы, которые должен решить неокортекс). Инвариантное представление музыки иллюстрируется вашей способностью распознавать мелодию в любой тональности. Тональность, в которой сыграна мелодия, ссылается на музыкальную шкалу, на которой построена мелодия. Одна и та же мелодия, сыгранная в различных тональностях, построена из различных нот. Выбрав тональность для исполнения, вы задаете все оставшиеся ноты в мелодии. Мелодия может быть воспроизведена в различных тональностях. Это значит, что каждое исполнение «одной и той же» мелодии в новой тональности — фактически полностью отличающаяся последовательность нот! Каждое исполнение стимулирует различные участки вашей улитки, вызывая совершенно различные пространственно-временные паттерны, поступающие в слуховой кортекс… и тем не менее вы воспринимаете одну и ту же мелодию в каждом случае. Если у вас нет абсолютного слуха, вы не сможете даже различить, что одна и та же сыграна в другой тональности, если только не будете сравнивать.

Представьте песню «Somewhere over the Rainbow». Возможно вы впервые услышали ее в исполнении Джуди Гарленд в фильме «Волшебник страны Оз», но если у вас нет абсолютного слуха, то возможно вы не сможете даже вспомнить тональность, в которой она ее исполняла (Ля минор). Если я сяду за фортепиано и начну играть песню в такой тональности, в которой вы ее никогда не слышали — скажем, в Ре миноре — она будет звучать как точно та же самая песня. Вы не заметите, что все ноты отличаются от нот в той версии, с которой вы знакомы. Это означает, что ваша музыкальная память должна быть в форме, игнорирующей высоту ноты. Память должна хранить существенные отношения между нотами, но не сами ноты. В данном случае существенными отношениями являются относительная высота ноты, или «интервал». «Somewhere over the Rainbow» начинается с октавы вверх, затем полутон вниз, затем большая терция вниз и т. д. Интервальная структура мелодии одна и та же при исполнения в любой тональности. Ваша способность легко узнавать песню в любой тональности показывает, что ваш мозг хранит ее в форме, инвариантной к высоте нот.

Аналогично, память о лице вашей подруги также должно храниться в форме, не зависящей от особенностей точки зрения. Что делает ее лицо узнаваемым, так это его относительные размеры, относительные оттенки цвета, относительные пропорции, а не то, как оно выглядело в последний вторник в обед. Есть некоторые «пространственные интервалы» между чертами ее лица, также как и «высотные интервалы» между нотами в песне. Ее лицо шире относительно ее глаз. Ее нос короче относительно ширины ее глаз. Цвет ее волос и цвет ее глаз связаны подобным отношением, которое остается постоянным даже если при различном освещении их абсолютные цвета значительно изменяются. Когда вы запоминаете ее лицо, вы запоминаете эти относительные атрибуты.

Я верю, что подобное абстрагирование формы возникает во всем кортексе, в любой его области. Это общее свойство неокортекса. Память хранится в форме, которая фиксирует суть отношений, а не конкретные детали. Когда вы видите, чувствуете или слышите что-либо, кортекс получает детальную, высоко специфическую информацию и конвертирует ее в инвариантную форму. Именно инвариантная форма хранится в памяти, и любая новая информация сравнивается именно в инвариантной форме. Хранение, вспоминание и узнавание происходят в инвариантной форме. В вычислительной технике нет эквивалентной концепции.

* * *

Это поднимает интересную проблему. В следующей главе я докажу, что важной функцией кортекса является использование памяти для предсказания. Но исходя из того, что кортекс хранит воспоминания в инвариантной форме, каким образом он делает конкретные предсказания? Вот некоторые примеры, иллюстрирующие проблему и ее решение.

Вообразите, что сейчас 1980 год и вы в пограничном городке в Западной Америке. Ваша возлюбленная едет поездом из Восточной Америки, чтоб встретиться с вами в новом пограничном городке. Конечно же, вы хотите встретить ее на станции, когда она приедет. За несколько недель до приезда вы узнаете, когда поезд выходит и приходит. Расписания нет, и пока вы можете сказать, что поезд никогда не прибывает и не убывает в одно и тоже время дня. С такой позиции вы никогда не сможете предсказать, когда приедет ее поезд. Но затем вы замечаете, что есть некая структура в том, как поезд прибывает и убывает. Поезд с востока прибывает через четыре часа после того, как уедет на восток. Этот четырехчасовой перерыв остается постоянным изо дня в день, хотя конкретное время изменяется. В день ее прибытия вы отслеживаете поезд, уходящий на восток, и засекаете время. Через четыре часа вы возвращаетесь на станцию и встречаете ее поезд прямо в момент прибытия. Эта притча иллюстрирует и проблему распознавания лиц неокортексом, и то, как он ее решает.

Мир, ощущаемый вашими органами чувств никогда не повторяется; также как время отправки и прибытия поезда, он все время разный. Способ, которым вы понимаете мир, заключается в том, чтоб найти инвариантную структуру в постоянно изменяющемся потоке информации. Однако, этой инвариантной структуры самой по себе не достаточно для использования в качестве основы для предсказаний. Знание только того, что поезд приходит через четыре часа после отправки, не позволяет вам появиться на платформе вовремя для встречи возлюбленной. Чтоб сделать конкретное предсказание, мозг должен совместить знание инвариантной структуры с самыми последними деталями. Предсказание времени прибытия требует выявления четырехчасовой структуры в расписании поезда и комбинации ее с детальным знанием того, во сколько ушел последний поезд на восток.

Когда вы слушаете знакомую мелодию, исполняемую на фортепиано, ваш мозг предсказывает следующую ноту до того, как она будет сыграна. Но песня, как мы видели, хранится в памяти в форме, инвариантной к высоте нот. Ваша память говорит вам, какой интервал будет следующим, но не говорит ничего о конкретной ноте. Для предсказания точной ноты требуется комбинация следующего интервала с последней конкретной нотой. Если последний интервал это большая терция и последней нотой, которую вы слышали, было До, то вы можете предсказать, что следующей нотой будет Ми. Вы слышите в вашей голове Ми, а не «большую терцию». И если вы не ошибаетесь с идентификацией песни и пианист не спотыкается, ваши предсказания будут верными.

Когда вы видите лицо вашей подруги, ваш кортекс заполняется и предсказывает мириады деталей ее уникального изображения в данный момент. Он сверяется, что ее глаза правильные, что ее нос, губы и волосы точно такие, какие должны быть. Ваш кортекс делает эти предсказания с большой специфичностью. Он может предсказать низкоуровневые детали ее лица даже если вы никогда не видели ее в такой конкретной ориентации или в таком окружении. Если вы точно знаете, как располагаются глаза и нос вашей подруги, и вы знаете структуру ее лица, то вы можете точно предсказать, как должны располагаться ее губы. Если вы знаете, что ее кожа имеет оранжевый оттенок в свете заката, то вы знаете, какой оттенок должны приобрести ее волосы. И снова ваш мозг делает это путем комбинации памяти о инвариантной структуре ее лица с особенностями текущего опыта.

Пример с расписанием поезда всего лишь аналогия того, что происходит в вашем кортексе, но мелодия и лицо — нет. Комбинирование инвариантного представления и текущей информации для детального предсказания — это именно то, что происходит. Это повсеместный процесс, происходящий в каждой области вашего кортекса. Именно так вы делаете конкретные предсказания относительно комнаты, в которой вы сейчас сидите. Именно так вы способны предсказать не только слова, которые вам говорят другие, но также и интонацию, с которой они это скажут, каким тоном они это скажут и из какой части комнаты вы должны услышать голос. Именно так вы точно знаете, когда ваша нога коснется пола, и что она почувствует, когда вы будете подниматься по ступенькам. Именно так вы способны написать свое имя ногой или поймать брошенный мяч.

Три свойства кортикальной памяти, рассмотренные в этой главе (хранение последовательностей, авто-ассоциативность и инвариантное представление), являются необходимыми ингредиентами для предсказания будущего на основе памяти о прошлом. В следующей главе я покажу, что предсказание — это суть интеллекта.