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

элементов. У мозга такого проектировщика нет. Он должен самостоятельно научиться представлять окружающие вещи.

Когда мы изучаем, как именно мозг их представляет, обнаруживается нечто удивительное. Вода или сковорода представлены не одним нейроном, а паттернами активации множества нейронов. Поразительно, но эти представления, называемые распределенными, каким-то образом содержат информацию о свойствах представляемых предметов.

В этой главе мы зададим два взаимосвязанных вопроса. Первый: почему мозг использует распределенные представления вместо принципа «один нейрон – один предмет»? Второй: как мозг учится создавать распределенные представления? Наш анализ покажет, что распределенные представления критически важны для нашей удивительной способности понимать окружающий мир. Мы также увидим, что они помогают объяснить, почему при некоторых нейродегенеративных заболеваниях мы эту способность утрачиваем.

Как мы обретаем и теряем знания о мире

Представьте мир глазами младенца. Вокруг вас хаос образов, звуков и ощущений, и у вас еще нет никаких инструментов для их упорядочивания. Минуту назад вы лежали в кроватке, глядя на плоскую поверхность над вами. Вдруг вас подхватывают чьи-то руки и выносят наружу, где плоская поверхность превращается в бескрайнюю синеву – хотя вы не знаете слова «синий» (да и вообще никаких слов). Вместо привычных платформ и плоскостей (которые потом станут стульями и столами) вокруг колышутся и шелестят в потоках воздуха какие-то пышные структуры, которых не было в кроватке. Какое-то существо, связанное со звуками «мяч» и «апорт», передвигается совсем не так, как существо, которое держит вас на руках. Наверху порхают создания, перемещающиеся под синим пространством, а не по той поверхности внизу, к которой как будто приросли другие существа. «Воробей», – произносит кто-то, хотя раньше эту штуку называли «птица». Вернувшись в дом, кто-то говорит «купаться», и вас погружают в нечто скользкое, обтекающее ваше тело. Вы машете руками, и часть этого вещества взлетает вверх и падает вам на лицо.

Через несколько месяцев мир становится понятнее. Вы уже не раз бывали и дома, и на улице. Вы часто видели людей, собак, птиц, и их черты стали привычными. Есть еще какие-то штуки, которые называют «деревья» и «цветы», – которые не похожи на домашнюю мебель, но и от движущихся существ отличаются. Оказывается, вещи бывают разные: одни не меняют форму, а другие – то, что вы пьете и в чем купаетесь, – могут ее менять. Вы начинаете замечать эти свойства веществ, которые позже назовете «жидкостями». Теперь вы пьете из поильника и, возможно, уже поняли, что иногда в нем прозрачное вещество, а иногда белое, и на вкус они разные.

С самого начала вы слышите слова и связываете их с тем, что воспринимаете органами чувств. Эти слова помогают объединять разные предметы в группы, которые другие люди обозначают одинаково. Теперь вы можете о них говорить. Вы произносите что-то похожее на «молоко», обращаясь к доброму существу по имени «мама», и довольно скоро молоко появляется. У вас формируется набор инструментов для понимания сложного мира вокруг и взаимодействия с ним. Мир больше не кажется таким раздробленным и пугающим. Образы, звуки и ощущения принадлежат объектам, а у объектов есть знакомые, предсказуемые свойства. Например, услышав лай своей собаки, вы не удивитесь ее виду, когда повернете голову. Знание, связывающее разные свойства одного и того же предмета, – это часть того, что мы называем смыслом или семантическим знанием. А слова, которые мы произносим, дают нам доступ к семантическому знанию друг друга о разных вещах, встречающихся в нашем мире.

Существует почти симметричный, но несравнимо более печальный процесс – утрата знаний и смысла. Семантическая деменция, которую иногда называют «раком души», – редкое заболевание, отличное от болезни Альцгеймера, поражающее некоторых людей на раннем этапе старения. Больные семантической деменцией могут утратить, например, связи между звуком лая и обликом собаки, между звучанием слова «собака» и его значением. Они теряют доступ к категориям и понятиям, на которые опирались всю жизнь.

Болезнь разворачивается как жестокое погружение во все более размытый мир, где знания лишаются подробностей, оставляя лишь призрак понимания. Представьте опытного орнитолога, способного определить тысячи видов птиц, который теперь в растерянности стоит у пруда с утками. Он может понять, что перед ним «птицы», но уникальные детали – насыщенная зелень оперения селезня или характерный черно-белый рисунок головы длинноносого крохаля – остаются мучительно недоступными. Категории сливаются, понятия угасают. Вещи, прежде богатые ассоциациями, теряют способность радовать. Умение находить смысл в окружающем мире меркнет.

В отличие от других заболеваний, которые приводят к потере памяти, семантическая деменция демонстрирует неожиданную закономерность: пациенты сохраняют общие свойства предметов, но утрачивают их уникальные черты. Они могут помнить, что у верблюда, как у других животных, есть голова, хвост, туловище и ноги, но забывают про горб – это видно на рисунке верблюда, выполненном пациентом (рисунок 7.1, слева). Утратив специфические свойства предметов, пациенты начинают приписывать конкретным объектам общие свойства их класса, даже когда это неверно.

Например, они могут ошибочно утверждать, что морковь зеленая, поскольку это более типичный цвет для овощей. На рисунке 7.1 (справа) пациент с семантической деменцией изобразил лебедя с четырьмя ногами – стандартным количеством для большинства животных. Пациент также наделил лебедя человеческим лицом, заменив характерные черты птичьей головы более привычными человеческими чертами.

Рисунок 7.1. Рисунки пациентов с семантической деменцией, утративших уникальные признаки предметов, – например, горбы верблюда (слева). Забытые детали часто замещаются типичными характеристиками класса – так, лебедь изображен с четырьмя ногами (справа). Здесь пациент также заменил характерные черты лебединой головы человеческим лицом – наиболее привычным для нас типом лица

Чем объяснить такие странные рисунки, где типичные свойства сохраняются, а необычные замещаются более стандартными? Казалось бы, горб верблюда или полосы зебры – самые яркие и запоминающиеся признаки этих животных. Однако именно они исчезают первыми.

Как мы создаем смысл окружающих вещей и как его теряем? Эти вопросы мы исследуем в данной главе. Чтобы на них ответить, уточним наши представления о том, как объекты и идеи кодируются в нейронной сети.

От локальных к распределенным представлениям

До сих пор в наших моделях нейронных сетей мы использовали один элемент для представления одного предмета или понятия. Например, отдельный элемент представлял напиток Coca-Cola. При таком подходе этот элемент активировался всякий раз, когда человек думал о Coca-Cola. Такие представления называются локальными. Некоторые исследователи предполагали, что мозг тоже использует локальные представления – каждое понятие кодируется одним или несколькими специализированными нейронами. Однако, наблюдая за тем, как мозг в действительности представляет объекты, нейробиологи все больше склоняются к альтернативной точке зрения: предметы представлены паттерном активности множества нейронов, которые совместно кодируют этот предмет. Такие паттерны называются распределенными представлениями.

Итак, мы