Нейронная доктрина
Теперь представьте, что перед вами мозг и у вас есть мощная увеличительная линза, благодаря которой можно проникнуть сквозь его поверхность. Что бы вы увидели? Наверное, борозды, каналы, пути, перекрестки и светофоры, – в общем, всю дорожную систему коммуникаций, насчитывающую тысячи миллионов разветвлений, которые проходят из глубины мозга к его поверхности. В анатомии они получили название проводящих путей нервной системы. Но дорогами все не ограничивается. С момента рождения человека они начинают заполняться. По ним что-то путешествует. И в одну, и в другую сторону. Если бы Шеннон, отец теории информации, был жив, он без всяких сомнений утверждал бы, что это информация. Начиная с сенсорных рецепторов, расположенных на периферии нашего тела, и заканчивая корой мозга, эти пути, состоящие из нервной ткани, заполнены данными. Дорога – это не машины, но она полна машин, которые по ней двигаются. Мозг – это не информация, но он полон информацией. Когда данные воспринимаются сознанием, получившим выражение посредством нервной системы, они порождают то, что со временем и опытом будет расти – личность. Здесь возникает следующий вопрос: какая из моделей объяснит, каким образом и в какой форме перемещается и обрабатывается информация в нервной системе?
Итальянец Камилло Гольджи и испанский нейроанатом Сантьяго Рамон-и-Кахаль в конце XIX века заложили основы нейронной доктрины. Открытие метода окрашивания отдельных клеток позволило Гольджи в первый раз увидеть нейроны под микроскопом. Позже Рамон-и-Кахаль провел самое полное исследование анатомии и гистологии нервной системы, продемонстрировав характерную для нее сложную нейронную архитектуру.
Затем, в 1897 году, британский физиолог Чарльз Шеррингтон описал то, как разные нервные клетки вступают в контакт. Места их встречи он назвал синапсами, а процесс передачи информации в этих точках взаимодействия – синаптической связью.
Но это еще не конец. Эдгар Дуглас Эдриан, известный как первый представитель клеточной нейрофизиологии, впервые сумел доказать, что информация путешествует по нашей нервной системе, используя тип электрического тока под названием потенциал действия. Кеннет Коул и Говард Кертис, продолжившие исследования, продемонстрировали, что эти потенциалы действия являются результатом движения ионов по каналам, пересекающим мембрану, которая окружает нервную клетку.
В заключение, Отто Лоуи, Генри Дейл и английский физиолог Джон Ленси в разное время, независимо друг от друга, открыли механизмы, позволяющие передачу нервных импульсов на синаптические станции, где этот тип специальных клеток вступает между собой в контакт. С этого момента было обнаружено значительное количество нейромедиаторов, или молекул-посредников, наряду с соответствующими молекулами-рецепторами, расположенными на поверхности клеток. В настоящее время ведется упорная работа по исследованию коннектомов (структур связей) в нервной системе человеческого мозга. Другой интересный проект – расшифровка нейронного кода, используемого нейронами для связи между собой, и исследование способа, которым представлены разные типы информации в электрических потоках, или потенциалах действия.
Итак, можно утверждать, что нейронная доктрина объясняет, во-первых, поведение информации и манеру ее передачи с момента, когда ее уловили разные типы сенсорных рецепторов, расположенных на поверхности тела человека. Во-вторых, она пролила свет на вопрос, как данные превращаются в потенциалы действия. Наконец, она дает понимание, каким образом данные перемещаются по нервным путям, пока не достигнут обширных областей коры мозга – своего финального пункта назначения в этой конкретной сфере реальности.
Компьютационный подход
Компьютационная модель тоже действенна в рамках своей собственной области. Материализм утверждает, что мозг состоит из материи, а нейронная доктрина объясняет, как информация путешествует по нервной системе. Теперь сделаем еще одно сальто и попытаемся понять, как же эта информация представлена по отношению к разуму. Оставим в стороне кабели, провода и терминалы. Забудем на время и про базовые кирпичики мироздания. Следующим пунктом нашей программы является осмысление того, как информация, знание, вещи из внешнего мира присутствуют внутри нашего собственного разума.
Когнитивные психологи и разработчики искусственного интеллекта предложили два типа моделей для объяснения расположения информации в разуме: первая, имитирующая действие компьютера, и вторая, вдохновением для которой послужил биологический мозг. Компьютационный подход пользуется аналогией с компьютером. Всем известно, как он работает. И компьютер, и наш мозг совершают вычислительные операции. И тот, и другой оперируют символами. Мозг, так же как и компьютер, получает, интерпретирует, кодирует, передает и декодирует информацию. Она может поступать к сенсорным рецепторам нашего тела в виде электромагнитных или звуковых волн, молекул душистых веществ или тех, что передают вкус, а также в виде тактильных сигналов. Там информация интерпретируется и трансформируется в электрические импульсы, называемые потенциалами действия. Они проходят по всему нейронному пути до коры мозга. И вот здесь происходит нечто таинственное, и потенциалы действия в результате превращаются в ментальную репрезентацию, то есть в субъективность.
Итак, в соответствии с моделью, базирующейся на сходстве с компьютером, есть два способа представления знаний в разуме: в аналитическом формате (в виде суждений) или в аналоговом (с помощью ментальных картин). В первом случае предполагается, что объекты, их свойства и отношения можно описать, используя предложения. Для этого необходимо прибегать к формальной логике и исчислению предикатов. У этого формата есть много разновидностей, которые мы не будем подробно разбирать: семантические сети, фреймы и скрипты, продукционная модель. Все они не передают сенсорно-перцептивные характеристики объектов окружающей среды, представленных в разуме. Другой тип форматов – аналоговые. Также их называют ментальными образами. Тут уже идет речь о передаче сенсорно-перцептивных характеристик представленного объекта.
Нейросетевой подход
Ученые всегда понимали, что человеческий разум осуществляет очень сложные операции, которые невозможно объяснить простым сравнением с компьютером. Таковыми являются умение видеть и говорить, а также социальное поведение и мыслительные процессы. Компьютер не способен на заранее обдуманное намерение, не обладает семантикой, «Я-концепцией» и, конечно же, сознанием. Другими словами, он не способен радоваться своим успехам. В середине 1980-х появились модели, опирающиеся на действие биологического мозга. Их назвали коннекционистскими архитектурами, или искусственными нейронными сетями. Как они устроены? Эти нейронные сети состоят из миллионов простых единиц, схожих с нейронами, которые способны одновременно обрабатывать информацию, то есть не серийно, как это делают современные компьютеры, а параллельно. Поэтому другое их название – сети параллельной обработки. Теперь мы знаем, что, помимо передачи информации и механизмов, которые способствуют этой коммуникации через синаптические щели, также важна архитектура сети. Каждая единица, со своими сотнями возбуждающих или тормозных синапсов, превращается в настоящую вычислительную машину. Фундаментом этих моделей служат те самые широкие сети и разнообразные типы соединений, на которые способны многочисленные обрабатывающие единицы. Было спроектировано множество моделей, вдохновением для которых послужили искусственные нейронные сети: однослойные, многослойные, рекуррентные, интерактивные и конкурентные.
Квантовая парадигма
Относительно недавно некоторые ученые, среди которых находятся Роджер Пенроуз и Стюарт Хамерофф, сделали попытку применить в своих моделях принципы квантовой механики. Эти авторы предположили, что объяснение, которое дают нейронная доктрина и компьютационный подход, – это лишь одна сторона медали. Мозг – не просто банальный компьютер, обрабатывающий информацию в классическом стиле наших сегодняшних ЭВМ. Он прибегает еще и к механизмам квантовой природы. Но где же осуществляются эти процессы квантового исчисления?
Внутри каждого нейрона находятся сотни цилиндрических полимеров – микротубулы, – которые состоят из миллионов белковых (тубулиновых) образований. Тубулиновые микротрубочки образуют очень сложную организационную систему. Пенроуз и Хамерофф утверждают, что каждую наносекунду эти белковые структуры колеблются между двумя разными состояниями, напоминая состояние включения-выключения транзисторов, используемых в классических компьютерах. Тысячи триллионов вычислительных операций в секунду совершаются в недрах микротубул. Там же рождается сознание. Что происходит с сознанием после гибели мозга? Хамерофф считает, что в момент смерти оно рассеивается в геометрии пространства-времени в размере, сопоставимом с так называемой шкалой Планка, «оставаясь там благодаря квантовой запутанности. Находясь в состоянии суперпозиции, оно не уменьшается и не исчезает на квантовом уровне. Похоже на наше подсознательное или наши сны. И поскольку Вселенная на шкале Планка не локальна, оно существует голографически и бесконечно»[83].
Тем не менее
Тем не менее остается много вопросов. Мы сумели частично постичь природу материала, из которого сделан мозг. С помощью физики элементарных частиц и стандартной модели философия материализма обеспечила нас четким пониманием физического носителя, который наш разум использует для своего проявления в данном секторе материальной реальности. Информация, полученная, интерпретированная и переданная нервной системой, перестала быть для нас загадкой благодаря нейронной доктрине. Нейромедиаторы, используемые нервной системой для передачи знаний, и соответствующие им рецепторы клеточных мембран уже открыты нейронауками и продолжают исследоваться на протяжении последних 50 лет. Когнитивные психологи разработали классические архитектуры нейросетей, которые позволяют нам понять, как представлена информация в уме человека. Нашлись и те, кто рискнул предположить, что разум может функционировать в сферах реальности, шкала размеров которой меньше атомных ядер. Квантовая парадигма шагнула в такие сферы, связанные с крохотными величинами. Все эти модели, конечно, пытаются объяснить, что происходит с мозгом в определенной области природы – естественном физическом порядке, известном как материальная реальность.
Человеческий разум осуществляет очень сложные операции, которые невозможно объяснить простым сравнением с компьютером.
Однако разум – мотив создания этой работы, – по-видимому, использует не один физический процессор для обработки информации в привычном нам мире. Как только знание достигает коры мозга, запускается загадочный процесс, и электрические импульсы, известные как потенциалы действия, преобразуются в субъективность – ментальные репрезентации, которые мы осознаем. Богатый мир мыслей, чувств, фантазий, снов, верований, намерений и проявлений воли присутствует и отсутствует там одновременно. Здесь заканчиваются границы привычной нам науки. Как же выбраться за пределы известных на сегодняшний день сведений?
ebooksa