Расплетая радугу: наука, заблуждения и тяга к чудесам
Шрифт:
Все, что мы знаем о мире за пределами нашего черепа, поступает к нам через нервные клетки, чьи импульсы трещат как из пулемета. То, что передается через нервную клетку, представляет собой залп «пиков», импульсов, напряжение которых неизменно (или, по крайней мере, изменяется незначительно), но скорость поступления которых меняется со смыслом. Теперь давайте представим себе принципы кодирования. Как бы вы перевели информацию из внешнего мира, скажем, звук гобоя или температуру ванны, в импульсный код? Первая мысль — простой частотный код: чем горячее ванна, тем быстрее должен стрелять пулемет. В мозгу, другими словами, был бы термометр, калиброванный в частоте импульсов. На самом деле, это не хороший код, потому что он неэкономичен в отношении импульсов. Используя избыточность, можно изобрести коды, которые передают ту же самую информацию меньшим количеством импульсов. Температуры в мире чаще всего остаются постоянными в течение долгих периодов времени. Сигнализировать «горячо, горячо, все еще горячо…», с постоянно высокой
И к нашему удовлетворению, это то, чем главным образом этим занимаются нервные клетки, сигнализируя не только о температуре, но и почти обо всем в мире. Большинство нервных клеток настроено сигнализировать об изменениях в мире. Если труба играет длинную, непрерывную ноту, обычная нервная клетка сообщает мозгу об этом, демонстрируя следующую картину импульсов. Перед началом звучания трубы частота срабатываний низка; сразу после начала звучания трубы частота возбуждений высокая; по мере того, как труба продолжает играть ноту, частота срабатываний угасает до редкого бормотания; в момент, когда труба перестает звучать, частота срабатываний повышается, затем спадая снова до сонного бормотания. Или может быть один класс нервных клеток, которые срабатывают только тогда, когда звуки начинаются, и другого класса клеток, которые срабатывают только тогда, когда звуки замолкают. Подобное использование избыточности — отсеивающее монотонность в мире — происходит в клетках, сообщающих мозгу об изменениях в освещенности, температуре, давлении. Обо всем в мире сигнализируется как об изменениях, и в этом — главная экономия.
Но нам с вами, не кажется, чтобы мы слышали, как труба замолкает. Нам кажется, что труба, продолжает играть с той же громкостью, а затем резко останавливается. Да, конечно. Это то, на что вы настроены, потому что кодирующая система изобретательна. Она не отбрасывает информацию, она только отбрасывает избыточность. Мозгу сообщается только об изменениях, и он тогда имеет возможность восстанавливать остальное. Барлоу это так не формулировал, но мы могли бы сказать, что мозг реконструирует виртуальный звук, используя сообщения, доставляемые нервами, исходящими из ушей. Реконструированный виртуальный звук полон и не урезан, даже при том, что сами сообщения экономно уменьшены до информации об изменениях. Система работает, потому что состояние мира в данное время не очень отличается от предшествующей секунды. Только если бы мир изменялся непредсказуемо, произвольно и часто, для органов восприятия было бы экономично сигнализировать о непрерывном состоянии мира. Пока же, органы восприятия настроены так, чтобы сигнализировать, экономно, об отсутствии непрерывности в мире; и мозг, правильно предполагая, что мир не изменяется непредсказуемо и произвольно, использует эту информацию, чтобы строить внутренний виртуальный мир, в котором непрерывность восстановлена.
Мир представляет аналогичного рода избыточность в пространстве, и нервная система пользуется соответствующим трюком. Органы чувств сообщают мозгу о границах, а мозг заполняет их скучными частицами между ними. Предположим, вы смотрите на черный прямоугольник на белом фоне. Вся картина спроецирована на вашей сетчатке — вы можете представить себе сетчатку как экран, покрытый плотным слоем крошечных фотоэлементов, палочек и колбочек. Теоретически каждый фотоэлемент мог бы сообщить к мозгу о точном состоянии падающего на него света. Но картина, на которую мы смотрим, потрясающе избыточна. Клетки, регистрирующие черный, вполне вероятно, будут окружены другими клетками, регистрирующими черный. Клетки, регистрирующие белый, почти все окружены другими клетками, сигнализирующими о белом. Важные исключения представляют собой клетки на границах. Клетки на белой стороне границы сигнализируют о белом, и так же делают их соседи, расположенные далее в белой области. Но их соседи с другой стороны находятся в черной области. Мозг может теоретически восстановить всю картину, если возбуждены лишь клетки сетчатки на границе. Если бы этого можно было достичь, была бы огромная экономия нервных импульсов. Еще раз, избыточность удаляется, и проходит только информация.
На практике экономия достигается изящным механизмом, известным как «латеральное торможение». Вот упрощенная версия этого принципа, использующая нашу аналогию с экраном из фотоэлементов. Каждый фотоэлемент соединен длинным проводом с центральным компьютером (мозгом), а также короткими проводами со своими непосредственными соседями по экрану. Короткие соединения с соседями тормозят их, то есть, понижают их частоту срабатываний. Нетрудно понять, что максимальная частота срабатывания поступит только от клеток, которые лежат по краям, поскольку их тормозят только с одной стороны. Латеральное торможение подобного рода распространено среди низкоуровневых элементов глаз позвоночных и беспозвоночных.
Еще раз, можно сказать, что мозг конструирует виртуальный мир, который более полон, чем картина, переданная ему чувствами. Информация, которой чувства снабжают мозг, является главным образом информацией о границах. Но модель в мозге может реконструировать части между границами. Как и в случае с разрывами во времени, экономия достигается устранением — а позже реконструкцией
Другой вид избыточности вызван фактом, что многие линии в реальном мире являются прямыми или плавно, и поэтому предсказуемо (или математически реконструируемо), изогнутыми. Если концы линии определены, середина может быть дорисована, используя простое правило, которое мозг уже «знает». Среди нервных клеток, которые были обнаружены в мозгу млекопитающих, есть так называемые «детекторы линий», нейроны, возбуждающиеся всякий раз, когда прямая линия, проведенная в определенном направлении, попадает на определенное место в сетчатке, так называемое «поле сетчатки» мозговых клеток. У каждой из этих клеток-детекторов линий есть свое собственное предпочтительное направление. В мозге кота есть только два предпочтительных направления, горизонтальное и вертикальное, с приблизительно равным количеством клеток, предпочитающих каждое направление; однако у обезьян представлены и другие углы. С точки зрения избыточности здесь происходит следующие. В сетчатке все клетки вдоль прямой линии активизируются, и большинство их импульсов избыточны. Нервная система экономит, используя единственную клетку, чтобы зафиксировать линию, отмеченную ее углом. Прямые линии экономно определены их положением и направлением, или их концами, а не значением освещенности каждой точки на их протяжении. Мозг повторно сплетает виртуальную линию, вдоль которой реконструирует точки.
Однако, если часть картины внезапно отделяется от остального и начинает ползать по фону, это является новостью, и о ней должно быть сигнализировано. Биологи действительно обнаружили нервные клетки, молчащие, пока что-то не начинает двигаться на неподвижном фоне. Эти клетки не реагируют, когда перемещается вся картина — что соответствовало бы чему-то вроде кажущегося движения, которое животное будет наблюдать, когда движется само. Но движение маленького объекта на неподвижном фоне богато информацией, и есть нервные клетки, настроенные, чтобы его замечать. Самые известные из них — так называемые «детекторы жучков», обнаруженные у лягушек Летвином (тот, чья была бабушка) и его коллегами. Детектор жучков — клетка, видимо слепая ко всему, кроме движения маленьких объектов по фону. Как только насекомое перемещается в поле зрения, охватываемое детектором жучков, клетка тут же начинает массированную передачу сигналов, и язык лягушки, вероятно, будет выброшен, чтобы поймать насекомое. Для достаточно сложной нервной системы, однако, даже движение жучка избыточно, если это — движение в прямой линии. Как только вам сообщили, что жучок движется неуклонно в северном направлении, вы можете полагать, что он продолжит перемещаться в этом направлении до следующего уведомления. Продолжив эту логику на шаг далее, мы должны ожидать, что обнаружим в мозге клетки-детекторы движения более высокого порядка, особо чувствительные к изменениям в движении, скажем, к изменениям направления или скорости. Летвин и его коллеги нашли клетку, которая, похоже, делает это, опять же у лягушки. В своей работе «Сенсорная коммуникация» (1961) они так описывают один эксперимент:
Давайте начнем с пустого серого полушария зрительного поля. Обычно эта клетка не реагирует на включение и выключение света. Она молчит. Мы вводим маленький темный объект, скажем, 1 — 2 угловых градуса в диаметре, и в определенной точке его движения, почти где угодно в области наблюдения, клетка внезапно «замечает» его. После этого куда бы ни двигался объект, клетка его отслеживает. Каждый раз, когда он сдвигается, даже при малейшем рывке, возникает вспышка импульсов, утихающая до бормотания, которое продолжается, пока объект остается видим. Если объект продолжает двигаться, вспышки активности сигнализируют о резких изменениях в движении, таких как виражи, обратный ход, и т. д, и эти вспышки происходят на фоне непрерывного сопутствующего бормотания, которое говорит нам, что объект видим для клетки…
Подводя итоги, все это так как если нервная система на последовательных иерархических уровнях настроена сильно реагировать на неожиданное, слабо или совсем не реагировать на ожидаемое. На на последовательно более высоких уровнях происходит то, что толкование того, что является ожидаемым становится прогрессивно все более утонченным. На самом низком уровне каждое пятно света является новостью. На следующем уровне «новостями» являются только границы. На еще более высоком уровне, поскольку очень многие границы прямые, только концы границ — новость. Еще выше, новостями является только движение. Затем лишь изменение скорости или направления движения. Говоря языком Барлоу, взятым из теории кодов, мы могли бы сказать, что нервная система использует короткие, экономные слова для сообщений, происходящих часто и ожидаемых; длинные, дорогие слова для сообщений, происходящих редко и неожиданных. Это немного похоже на язык, в котором (по общему правилу, называемому законом Ципфа) самые короткие слова в словаре — те, что используются в речи чаще всего. Доводя идею до крайности, большую часть времени мозгу не нужно что-нибудь сообщать, потому что происходящее является нормой. Сообщение было бы избыточным. Мозг защищен от избыточности иерархией фильтров, каждый фильтр настроен удалять ожидаемые черты определенного рода.