Модели разума. Как физика, инженерия и математика сформировали наше понимание мозга - Lindsay Grace

* * *

Примерно в то же время, что и работа Леттвина, два доктора из Медицинской школы Университета Джона Хопкинса в Балтиморе исследовали зрение у кошек. Зрительная система кошки больше похожа на нашу, чем на лягушачью. Перед ней стоят сложные задачи, связанные с отслеживанием добычи и навигацией в окружающей среде, и, как следствие, она более сложна. Таким образом, работа кошачьей зрительной системы охватывает множество областей мозга, и в центре внимания врачей Дэвида Хьюбела и Торстена Визеля оказалась первичная зрительная кора. Эта область в задней части мозга представляет собой один из ранних этапов обработки зрительной информации у млекопитающих; она получает информацию от другой области мозга - таламуса, который получает информацию от самой сетчатки.

В предыдущих работах изучалось поведение нейронов в таламусе и сетчатке кошек. Эти клетки, как правило, лучше всего реагируют на простые точки: либо небольшая светлая область, окруженная темной, либо небольшая темная область, окруженная светом. При этом, как и в случае с лягушкой, каждый нейрон имеет определенное местоположение точки, в котором она должна находиться, чтобы реагировать.

Хьюбел и Визель имели доступ к оборудованию для создания точек в разных местах, чтобы исследовать такие реакции сетчатки. Именно это оборудование они использовали, даже когда исследовали области мозга, расположенные далеко за пределами сетчатки. Метод отображения точек включал в себя скольжение небольшой стеклянной или металлической пластины с различными вырезанными узорами по экрану перед глазом. Хьюбел и Визель использовали его, чтобы показывать слайд за слайдом точек своим подопытным кошкам, измеряя активность нейронов в их первичной зрительной коре. Но точки просто не действовали на этот нейрон - клетка не издавала ни звука в ответ на слайды. Затем экспериментаторы заметили нечто странное: иногда нейрон реагировал - не на слайды, а на их смену. Когда одна пластина выдвигалась, а другая задвигалась, тень от края стекла проходила по сетчатке глаза кошки. Это создавало движущуюся линию, которая надежно возбуждала нейрон в первичной зрительной коре. Одно из самых знаковых открытий в нейронауке произошло почти случайно.

Спустя десятилетия, размышляя о случайности этого открытия, Хьюбел заметил: "На определенной ранней стадии развития науки степень неряшливости может быть огромным преимуществом". Но этот этап быстро прошел. К 1960 году они с Визелем переехали в Бостон, чтобы помочь основать отделение нейробиологии в Гарвардском университете, и приступили к многолетнему тщательному изучению реакций нейронов в зрительной системе.

Развивая свою счастливую случайность, Хьюбел и Визель углубились в изучение того, как работает эта реакция на движущиеся линии. Одним из их первых открытий стало то, что нейроны в первичной зрительной коре имеют не только предпочтительную ориентацию, но и предпочтительное местоположение. Нейрон не будет реагировать на любую линию, которая появляется в его любимом месте. Нейроны, предпочитающие горизонтальную ориентацию, требуют горизонтальной линии, нейроны, предпочитающие вертикальную ориентацию, требуют вертикальных линий, нейроны, предпочитающие 30-градусный наклон, требуют 30-градусных наклонных линий, и так далее, и так далее. Чтобы понять, что это значит, вы можете держать ручку горизонтально перед лицом и двигать ею вверх-вниз. Вы только что возбудили группу нейронов в первичной зрительной коре. Наклоните ручку в другую сторону - и вы возбудите другую группу нейронов (теперь вы можете бесплатно проводить целенаправленную стимуляцию мозга в домашних условиях).

Поняв, что такое ориентация, Хьюбел и Визель открыли алфавит, используемый кошачьим мозгом для представления изображений. У мух есть детекторы жучков, а у кошек (и других млекопитающих) - детекторы линий. Однако они не ограничились наблюдением за этими реакциями, а пошли дальше и задались вопросом, как нейроны в первичной зрительной коре могли получить такие реакции. Ведь клетки, от которых они получают входные сигналы - клетки в таламусе - реагируют на точки, а не на линии. Так откуда же взялось предпочтение линий?

Решение заключалось в предположении, что нейроны в коре получают идеально подобранный набор входных сигналов от таламуса. Линия, конечно, не что иное, как набор правильно расположенных точек. Поэтому входные сигналы для нейрона в первичной зрительной коре должны поступать от множества нейронов таламуса, каждый из которых представляет точку в ряду точек. Таким образом, первичный зрительный нейрон будет срабатывать чаще всего, когда линия охватывает все эти точки (см. рис. 15). Подобно когнитивные демоны прислушиваются к крикам демонов, которые ищут части своего письма, нейроны в первичной зрительной коре прислушиваются к активности нейронов в таламусе, составляющих предпочитаемую ими линию

Хьюбел и Визель заметили и другой тип нейронов: те, которые также имели предпочтительную ориентацию, но не были столь строги к расположению. Эти нейроны реагировали, если линия появлялась в области, которая была примерно в четыре раза больше, чем у других нейронов, которые они регистрировали. Как эти нейроны могли так реагировать? Ответ, опять же, заключается в том, что они получают правильные входные сигналы. В частности, "сложный" нейрон - так Хьюбел и Визель обозначили эти клетки - просто нуждался во входе от группы обычных (или "простых") нейронов. Все эти простые клетки должны иметь одинаковые предпочтительные ориентации, но немного отличаться по предпочтительному расположению. Таким образом, сложная клетка наследует ориентационные предпочтения своих входов, но имеет пространственное предпочтение, которое больше, чем у любого из них. Такая пространственная гибкость очень важна. Если мы хотим знать, находится ли перед нами буква "А", небольшое колебание в точном расположении ее линий не должно иметь значения. Сложные ячейки построены таким образом, чтобы отбрасывать дрожание.

Рисунок 15

Открытие сложных клеток позволило получить дополнительный кусочек головоломки, объясняющей, как точки света становятся объектами восприятия. В дополнение к распознаванию признаков, осуществляемому простыми клетками, к списку вычислений, выполняемых зрительной системой, добавилось объединение входных сигналов в пространстве. За всю работу по изучению этой системы Хьюбел и Визель были удостоены Нобелевской премии в 1981 году. В своей нобелевской лекции Хьюбел четко сформулировал их цели: "Наша идея изначально заключалась в том, чтобы подчеркнуть тенденцию к увеличению сложности по мере продвижения по центру зрительного тракта и возможность учета поведения клетки в терминах ее входов "7.Этот подход, хотя и был простым, достаточно хорошо отражал многие основные свойства зрительного тракта.

* * *

На другом конце света - в японской национальной организации общественного вещания NHK, расположенной в Токио, - Кунихико Фукусима услышал о простых свойствах зрительной системы. Фукусима был инженером и сотрудником исследовательского отдела NHK.Поскольку NHK была вещательной компанией (и транслировала визуальные и аудиосигналы в глаза и уши людей), в ее штате также были группы нейрофизиологов и психологов,