Читать книгу - "Рождение разума: Как интеллект зарождается в людях и нейросетях - Джей Макклелланд"

Одна из главных задач нашей книги – познакомить вас с нейронными сетями, обладающими многими эмерджентными свойствами человеческого разума. Эти нейронные сети состоят из элементов, свойства которых основаны на свойствах нейронов реального мозга. Поэтому нам необходимо в них разобраться. Более того, нужно уметь соотносить процессы в реальном мозге с процессами в нейронных сетях – хотя бы в общих чертах. Такова цель этой главы. Мы не станем пытаться охватить всю нейронауку целиком. Вместо этого сосредоточимся на ключевых принципах, которые оказались полезными при разработке нейронных сетей. Но даже понимание этих базовых принципов откроет захватывающую перспективу того, как может возникать интеллект у людей и машин.

О микроструктуре мозга до конца XIX в. было известно крайне мало. Тогда оставалось неясным, состоит ли мозг из отдельных клеток, как другие органы, или представляет собой исключение из правила. Неопределенность объяснялась тем, что не существовало надежных методов окрашивания нервной ткани. Ситуация изменилась в 1873 г., когда итальянский врач Камилло Гольджи изобрел метод серебряного окрашивания, который он назвал la reazione nera (черная реакция), позднее известный как окрашивание по Гольджи. Благодаря ему нервная ткань под микроскопом стала видна как никогда раньше: на желтом фоне четко выделялись тела клеток, густо ветвящиеся дендриты и аксоны. Такие изображения привели Гольджи и других ученых к выводу, что нервная система представляет собой единую непрерывную сеть. Заключение вполне объяснимое: при тогдашнем разрешении микроскопов нервная ткань действительно выглядела как переплетение единой нити.

Эту идею оспорил Сантьяго Рамон-и-Кахаль. Он родился в 1852 г. и мечтал стать художником – и его великолепные зарисовки нервных клеток свидетельствуют о несомненном таланте. Однако отец убедил его заняться медициной, и, если оглянуться назад, это оказалось удачным решением. Рамон-и-Кахаль стал врачом и позднее начал применять метод Гольджи для изучения нервной ткани. Он экспериментировал с методикой, совершенствуя ее: менял концентрацию красителя, варьировал время выдержки образцов. Методом проб и ошибок он выяснил, что лучше использовать нервную ткань эмбрионов – молодые нервные клетки не покрыты жировой оболочкой и эффективнее впитывают краситель. Эти открытия стали результатом многолетних кропотливых экспериментов, но Рамон-и-Кахаль был готов к упорному труду. Он писал:

Всякий великий труд – плод терпения и настойчивости в сочетании с упрямой сосредоточенностью на предмете в течение месяцев или лет.

Упорный труд принес плоды. В 1888 г. Рамон-и-Кахаль сформулировал нейронную доктрину: нервная система, включая мозг, состоит из отдельных клеток, а не представляет собой единую непрерывную сеть, как считали Гольджи и большинство нейробиологов того времени. Рамон-и-Кахаль также установил, что каждая из этих нервных клеток, теперь называемых нейронами, передает импульсы соседним нейронам через крошечный зазор – синапс.

Нейроны, которые наблюдал Рамон-и-Кахаль, различаются по размеру, форме и строению в зависимости от их функции и местоположения. Рассмотрим подробнее один из основных типов нейронов человеческого неокортекса (эволюционно самой молодой части коры головного мозга) – так называемые пирамидальные клетки (рисунок 3.1). Тело такой клетки напоминает пирамиду (отсюда название), из него выходит длинный тонкий отросток – аксон. Также имеется разветвленная система отростков – дендриты, в совокупности называемые дендритным деревом. Дендритное дерево нейрона может простираться на несколько миллиметров вокруг тела клетки. Аксон нейрона тоже может иметь местные ответвления, распространяющиеся на сходное расстояние. У крупных животных длина некоторых аксонов превышает 1 м. Синапс – это зазор между аксоном одного нейрона и дендритами другого.

Рисунок 3.1. Типичный нейрон человеческого неокортекса – пирамидальная клетка. Другие нейроны могут быть крупнее или мельче

Обычно нейрон принимает сигналы от других нейронов через дендритное дерево и передает сигналы через аксон и его ответвления. Прием и передача сигналов происходят в синапсах. Один нейрон может образовывать десятки тысяч синапсов с соседними нейронами. Те, в свою очередь, передают сигналы дальше через собственные синапсы. Так формируется сеть, позволяющая нейронам одной области мозга сообщаться – напрямую или опосредованно – с нейронами других областей мозга и спинного мозга. Нейроны спинного мозга затем связываются с нейронами по всему телу, часть которых управляет нашими мышцами. Поэтому, когда мы двигаем руками, чтобы поймать мяч, или губами, чтобы спеть песню, мы реагируем на сигналы от нейронов мозга, передающиеся через триллионы синапсов.

Рамон-и-Кахаль осознавал революционность своего открытия синапса. Он чувствовал, что делает первые шаги на пути человечества к пониманию разума. Он писал:

Подобно энтомологу, ищущему пестрых бабочек, мое внимание гонялось в садах серого вещества за клетками изящных и утонченных форм – таинственными бабочками души, чьи взмахи крыльев однажды, быть может, откроют нам тайны разума.

Инженерное изящество

Муравьи часто общаются при помощи феромонов. Нейроны – при помощи химических веществ, называемых нейромедиаторами. Муравьи вырабатывают различные феромоны. Нейроны – различные нейромедиаторы (вы наверняка слышали о некоторых – дофамине, серотонине, глутамате). Муравьи при контакте с феромонами меняют свое поведение. Нейроны в ответ на нейромедиаторы изменяют свой внутренний электрический заряд, или потенциал. Именно это изменение потенциала определяет, передаст ли нейрон сигнал соседним нейронам. Таким образом, нейроны общаются между собой посредством химических сигналов через синапсы, что становится возможным благодаря электрическим изменениям внутри самих нейронов.

Что же это за изменения и как они происходят? Детальные механизмы весьма сложны, но общий обзор позволит уловить суть, а суть раскроет удивительную природную инженерию, которая, на наш взгляд, просто поражает воображение.

Первые нейроны появились у существ, обитавших в океане. Морская вода богата солями – хлоридом натрия, хлоридом калия. Молекулы таких солей состоят из двух атомов: например, молекула хлорида натрия – из атома натрия и атома хлора. Растворяясь в воде, эти соли легко распадаются на положительно и отрицательно заряженные ионы. Атом натрия теряет электрон и, имея больше протонов, чем электронов, становится положительным ионом. Атом хлора приобретает электрон и превращается в отрицательный ион хлорида.

Нейроны древних морских существ, находясь в среде, насыщенной водой с ионами, в ходе эволюции научились использовать их для создания локальных электрических полей. Эти механизмы сохранились у животных, давно покинувших океан, поскольку их нейроны по-прежнему окружены и пропитаны, по сути, морской водой (точнее, внеклеточной жидкостью). В состоянии покоя нейроны поддерживают более высокую концентрацию отрицательно заряженных ионов внутри клеточной мембраны по сравнению с положительными ионами во внеклеточной жидкости. Отрицательный заряд внутри нейрона притягивает положительные ионы снаружи, но клеточная мембрана не пропускает их внутрь. В результате в покое нейрон имеет отрицательный потенциал –70 милливольт. Этот потенциал покоя может временно нарушаться, когда нейрон получает сигналы от других нейронов (или непосредственно от органов чувств, но этот особый случай пока оставим в стороне).

Представим передающий и принимающий нейроны и рассмотрим синапс между ними