. Еще 500 миллионов лет понадобилось, чтобы животные вышли на сушу, а затем 200 миллионов – для появления первых млекопитающих
. Что касается эволюции мозга, промежуток времени от появления первых примитивных нервных путей до возникновения подобия централизованного трехчастного мозга составил около 100 миллионов лет
. Простые варианты новой коры стали формироваться спустя еще 350–400 миллионов лет, а результатом последующих 200 миллионов лет развития стало появление современного мозга человека
.
В процессе эволюции всякий раз более совершенный мозг давал своему обладателю решающее преимущество. В схватке за ресурсы побеждали самые сообразительные представители животного мира
. Развитие разума произошло гораздо быстрее, чем эволюция центральной нервной системы на предыдущих этапах – всего лишь за миллионы лет. Очевидно, прогресс ускорился. Со времен первых млекопитающих самым значительным изменениям подвергся мозжечок. У современного человека мозжечок содержит больше нейронов, чем новая кора, которая отвечает за высшую умственную деятельность
. Мозжечок хранит и задействует множество шаблонов движений, например, то, как ваша рука ставит автограф. В обиходе эти шаблоны иногда называют «мышечной памятью». Но это свойство именно мозжечка, а не мышц как таковых. По мере того как мы снова и снова повторяем какое-то действие, мозг адаптируется таким образом, чтобы оно требовало все меньших усилий и доходило до автоматизма – примерно так колеса раз за разом накатывают колею
.
Чтобы поймать брошенный мяч, можно решить систему дифференциальных уравнений, которые описывают траекторию его полета, а также движения вашей руки, и занять положение в пространстве, соответствующее полученным решениям. К сожалению, наш мозг не предназначен для решения задач по дифференциальному и интегральному исчислению, так что приходится выбирать способ попроще: надо сообразить, как наиболее оптимально расположить перчатку между своим телом и мячом. Мозжечок предполагает, что в каждом броске ваша рука и мяч должны занять примерно одно и то же положение относительно друг друга. Так что, если мяч летит чересчур быстро, а рука движется слишком медленно, мозжечок заставит вашу руку ускориться, чтобы она успела занять знакомое положение поблизости от мяча.
Мозжечок пользуется простым приемом отображения сенсорной информации на мускульные движения, что соответствует математическому принципу «базовых функций» и позволяет нам ловить мяч, не решая сложных уравнений
. С помощью этого отдела мозга мы также можем представить, какие последствия будут иметь наши действия, не совершая их в действительности. Например, мозжечок подскажет вам, что у вас есть шансы поймать мяч, но, скорее всего, вы столкнетесь с другим игроком, поэтому, возможно, пытаться не стоит. Все это происходит неосознанно.
Аналогичным образом во время танца мозжечок управляет вашими движениями, над которыми вы даже не задумываетесь. Если же из-за травмы или болезни мозжечок оказался поврежден, человек все еще может совершать целенаправленные действия с помощью неокортекса, но для этого ему нужно сосредоточиться. При этом у него может наблюдаться нарушение координации, которое называют атаксией
.
В освоении любого навыка ключевую роль играет регулярное повторение составляющих его действий. Если выполнять их достаточно часто, будет формироваться соответствующая «мышечная память». Движения, которые поначалу требуют сосредоточенности и внимания, со временем доводятся до автоматизма. Это явление объясняется передачей управления от моторной коры к мозжечку. Неважно, что вы делаете – бросаете мяч, собираете кубик Рубика, играете на пианино, – чем меньше вам нужно обдумывать свои действия, тем лучше вы их выполняете. Ваши движения станут быстрыми и плавными, а внимание будет направлено на другие факторы, которые способствуют успеху. Когда музыканты достигают такого уровня владея инструментом, они могут воспроизвести любую ноту с такой же легкостью и точностью, как люди, поющие «С днем рождения тебя». Если бы вас спросили, как вы настраиваете свои голосовые связки, чтобы получилась именно нужная нота, а не какая-либо другая, вряд ли вы смогли бы описать этот процесс словами. Психологи и тренеры называют этот феномен «бессознательной компетентностью». Это означает, что вы «овладели навыком на более глубоком уровне, чем тот, на котором работает сознание»
.
Такие возможности мозжечка обусловлены вовсе не сложностью его архитектуры. Хотя большая часть нейронов головного мозга взрослого человека, а также особей других видов, содержится именно в мозжечке, в геноме хранится не так уж много информации об устройстве этого отдела мозга – он состоит в основном из небольших простых модулей
. Хотя ученым еще предстоит раскрыть все секреты функционирования мозжечка, уже достоверно известно, что тысячи маленьких обрабатывающих модулей в нем собраны в однонаправленные структуры
. Это уже наводит на размышления о том, как должна быть организована нейронная сеть, выполняющая аналогичные функции. Будущие открытия наверняка подскажут разработчикам ИИ еще много полезного.
Большинство модулей в мозжечке имеют узкую специализацию. Те, что отвечают за движения одного из пальцев при игре на пианино, не участвуют в управлении ногами во время ходьбы. Хотя мозжечок оставался главным отделом мозга на протяжении сотен миллионов лет, современный человек полагается на него все меньше и меньше, поскольку более гибкая новая кора стала играть лидирующую роль для выживания в современном обществе
.
У животных, не относящихся к млекопитающим, отсутствует новая кора головного мозга, что лишает их ряда преимуществ. Однако в их мозжечке записаны точные шаблоны повадок, необходимых им для выживания. Эти управляемые мозжечком действия называются фиксированными моделями поведения. Они записаны в мозгу каждого представителя вида, в отличие от выученных вариантов действий, основанных на наблюдении и повторении. Даже у млекопитающих встречается довольно сложное рефлексоподобное поведение. Например, белоногие хомячки роют неглубокие норы, а береговые хомячки – длинные норы с выходным тоннелем
. Когда грызуны, выросшие в лабораторных условиях, оказались на природе, каждый из них вырыл нору, соответствовавшую его виду, хотя до этого не видел ни одной.
В основном рефлексы, хранящиеся в мозжечке, такие как способность лягушки поймать летящую муху языком, остаются у вида до тех пор, пока часть популяции с улучшенной версией не вытеснит всех остальных путем естественного отбора. Когда поведение определяется генетикой, а не обучением, адаптация к новым условиям происходит на несколько порядков медленнее. Способность к обучению позволяет живым существам целенаправленно менять свой образ действий в течение жизни одного поколения, в то время как врожденные рефлексы претерпевают постепенную модификацию в процессе смены многих поколений. В этой связи интересно, что разработчики компьютерных программ иногда используют имитацию эволюционного подхода – так называемые генетические алгоритмы
. При этом они создают ряд версий программы со случайными значениями параметров, а затем оценивают, насколько хорошо каждая из них справляется с поставленной задачей. У тех, которые показали наилучшие результаты, берут некоторые значения параметров и комбинируют с другими, в точности как при половом размножении. Также можно вносить случайные «мутации», чтобы проверить, не приведут ли они к улучшению производительности. За много поколений таким образом можно найти оптимальный набор значений параметров, до которого программисты сами никогда бы не додумались.
В реальном мире этот процесс длится миллионы лет. Может показаться, что это слишком медленно, но стоит вспомнить о том, что до возникновения жизни эволюция в некотором виде шла сотни миллионов лет – столько, например, могло уйти на формирование химических элементов, необходимых для зарождения жизни, – и мозжечок в сравнении с этим покажется довольно гибкой структурой.
Неокортекс: пластичная иерархическая структура
Чтобы ускорить прогресс, мозгу в ходе эволюции пришлось найти способ создавать новые модели поведения, не дожидаясь, пока генетика модифицирует мозжечок. Этим способом стала новая кора. Она появилась 200 миллионов лет назад у нового класса животных – млекопитающих, и представляет собой буквально «внешнюю кожуру» мозга
. Первые млекопитающие, которые были похожи на грызунов, обладали новой корой размером с почтовую марку и такой же тонкой; она была обернута вокруг их мозга размером с лесной орех
. Внутренняя организация новой коры существенно отличалась от устройства мозжечка. Вместо набора разрозненных модулей, управлявших различными движениями, неокортекс работал как единая скоординированная система и мог поддерживать новый тип мышления, благодаря которому новые модели поведения появлялись в течение нескольких дней или даже часов. Мозгу стал доступен мощный инструмент – обучение.
Более 200 миллионов лет назад низкая скорость адаптации животных, не являвшихся млекопитающими, не составляла большой проблемы, поскольку окружающая среда менялась крайне медленно. Изменения в условиях жизни, требующие соответствующих модификаций в мозжечке, происходили в течение тысяч лет.
Для того чтобы неокортекс вышел на передний план в живом мире, требовалось потрясение. Катастрофа, которую мы сейчас называем мел-палеогеновым вымиранием, произошла 65 миллионов лет назад, через 135 миллионов лет после появления новой коры. Причиной послужило столкновение с астероидом и, вероятно, вулканическая активность. В результате условия обитания на всей планете изменились настолько резко, что 75 % видов растений и животных, в том числе динозавры, вымерли. (Хотя животные, которых мы называем динозаврами, исчезли в результате событий того времени, некоторые ученые считают птиц потомками одной из ветвей динозавров
.)
Именно тогда важнейшую роль стала играть новая кора, способная быстро находить новые решения. Млекопитающие увеличились в размерах, а их мозг рос опережающими темпами. Новая кора стремительно развивалась, в ней появились складки, позволившие увеличить площадь поверхности.
Если развернуть новую кору мозга человека, она будет иметь размеры и толщину, как большая столовая салфетка
. Благодаря ее невероятно сложной структуре в ней заключено 80 % массы всего человеческого мозга
.
В своей книге «Эволюция разума», вышедшей в 2012 году (на русском языке вышла в 2018-м), я подробно описал работу новой коры головного мозга. Здесь же мы вкратце остановимся на основных моментах. Неокортекс представляет собой систему, состоящую из простых повторяющихся модулей, каждый из которых включает около ста нейронов. Эти модули способны запоминать, распознавать и воспроизводить образы. В процессе обучения они организуются в иерархическую структуру, при этом модули на более высоких уровнях отвечают за более сложные концепции. Подобные повторяющиеся отделы получили название «миниколонок кортекса»
.
По современным оценкам в коре головного мозга содержатся от 21 до 26 миллиардов нейронов, и 90 % из них – в среднем 21 миллиард – в новой коре
. Это значит, что мы располагаем примерно 200 миллионами миниколонок по 100 нейронов каждая
. Исследования показывают, что, в отличие от компьютеров, которые обрабатывают данные в основном последовательно, распознающие модули неокортекса по максимуму используют параллелизм
. Огромное количество операций происходит одновременно. Это делает мозг очень динамичной системой, которую сложно моделировать на компьютере.
Ученым еще предстоит выяснить множество деталей, но известные нам принципы организации и взаимодействия миниколонок уже помогают понять, как они работают. Подобно искусственным нейронным сетям, работающим на кремниевых процессорах, сети нейронов в мозге имеют иерархическую структуру, в которой одни слои принимают входные данные (например, сигналы от наших органов чувств), а другие отвечают за выдачу результатов (например, демонстрируемое человеком поведение). Промежуточные слои обрабатывают данные на различных уровнях абстракции, обеспечивая своим функционированием те тонкие формы мышления, которые мы воспринимаем как свойственные именно человеку.
Модуль самого нижнего уровня, который получает сигналы непосредственно от органов чувств, может быть обучен распознавать определенную форму линии. Более высокие уровни обрабатывают информацию, поступающую от низших, учитывая контекст и повышая уровень абстрагирования. Таким образом, модули, расположенные все дальше от органов чувств, узнают в изогнутой линии часть буквы, воспринимают ее как часть слова и связывают это слово с определенным понятием. На самом высоком уровне обрабатываются максимально абстрактные концепции, например, было ли высказывание забавной шуткой или же в нем содержался сарказм.
Хотя «этаж», на котором находится модуль, определяет его степень абстрагирования относительно сигналов, поступающих от органов чувств, процесс их обработки не является однонаправленным. Шесть основных уровней неокортекса постоянно общаются друг с другом в обоих направлениях, поэтому нельзя утверждать, что абстрактное мышление происходит исключительно на высших уровнях
. Скорее многоуровневая структура коры в целом дает нам как биологическому виду больше способностей к абстрактному мышлению, чем позволяет иметь другим животным их более простая кора. Следовательно, когда мы подключим наш неокортекс напрямую к облачным вычислительным ресурсам, это откроет нам возможность мыслить на более высоких уровнях абстракции, чем может обеспечить биологический мозг сам по себе.
Неврологические основы абстрактного мышления были открыты совсем недавно. В конце 1990-х годов нейрохирург Ицхак Фрид проводил операцию на мозге шестнадцатилетней пациентки, страдавшей эпилепсией. Девушка оставалась в сознании, так как врачам было важно отслеживать ее реакции на их действия
. Такие операции возможны благодаря отсутствию болевых рецепторов в мозге
. Каждый раз, когда хирург затрагивал определенную область коры ее мозга, девушка начинала смеяться. Фрид и его команда быстро разобрались, что такое вмешательство вызывало в ней ощущение комичности ситуации. Она не просто рефлекторно смеялась – происходящее на самом деле казалось ей смешным, хотя ничего забавного в операционной не происходило. Когда доктора спрашивали ее, почему она смеется, то не получали ответа в духе «просто так» или «потому что вы тыкаете мне в мозг». Вместо этого она мгновенно находила объяснение, например, такое: «Вы, ребята, очень смешно стоите вокруг»
.
Возможность найти и простимулировать область новой коры, которая вызывает чувство, что обнаружено нечто забавное, позволяет сделать вывод, что эта зона отвечает за восприятие концепций юмора или иронии. Это открытие подтверждено и неинвазивными методами. Например, при чтении ироничных сообщений увеличивается активность в области мозга, ответственной за так называемую «модель психического состояния»
. Именно способность новой коры оперировать абстрактными понятиями стоит за изобретением языка, музыки, юмора, науки, искусства и инженерии
.
Ни один другой вид живых существ не создал ничего подобного, вопреки множеству публикаций в желтой прессе. Ни одно животное не способно отбивать заданный ритм, шутить, произносить речи, написать (или хотя бы прочитать) книгу, подобную этой. Хотя шимпанзе, например, могут использовать примитивные орудия труда, их инструменты недостаточно сложны, чтобы заставить их пользователей развиваться
. Некоторые виды животных имеют возможность общаться, но не в состоянии передавать друг другу абстрактную информацию, которую можно выразить на нашем языке
. Мы неплохо справлялись в животном мире и без фронтальной коры, но, получив новые модули и вместе с ними способность мыслить сложными категориями о мире и своем существовании, мы превратились из просто продвинутых животных в философствующих существ.
При этом нужно помнить, что развитый мозг стал лишь одним из двух факторов, определивших наш триумф как биологического вида. При всей мощи новой коры наука и искусство были бы невозможны без еще одного чрезвычайно важного новшества: наших больших пальцев
. Животные с такой же или большей по размеру (в абсолютных величинах) новой корой, в частности киты, дельфины и слоны, не имеют ничего похожего на противостоящий палец, который позволил бы им хватать предметы и превращать их в орудия труда. Поэтому мы можем считать, что выиграли в эволюционной лотерее.
Нам также на руку, что неокортекс не просто состоит из слоев, но что эти слои соединены друг с другом необычным и очень продуктивным способом. Иерархическая организация модулей встречается не только в неокортексе, мозжечок тоже имеет похожую структуру
. Однако новая кора отличается тремя особенностями, которым млекопитающие, в особенности люди, обязаны своей креативностью: (1) распознанные образы могут распространятся по всей структуре коры, а не только в пределах участка, в котором возникли; (2) конкретный образ может быть связан с похожими явлениями в других понятийных областях, а связанные друг с другом концепции представлены схожими образами; (3) одновременно в коре могут возникать миллионы образов
, и их взаимодействие друг с другом может быть весьма нетривиальным
.
В частности, сеть сложных связей внутри новой коры способствует богатой ассоциативной памяти
. Каждое воспоминание в мозгу сродни странице «Википедии» – к нему ведут ссылки из самых разных мест, а само оно подвержено изменениям. Как и статья в «Википедии», воспоминание может содержать мультимедийную информацию и, с другой стороны, само может быть вызвано любым ощущением – запахом, вкусом, услышанным звуком или другим сигналом от органов чувств.
Схожесть представления образов в коре позволяет нам проводить аналогии. Активность нейронов, соответствующая опусканию руки, будет напоминать процессы, протекающие в коре при понижении тона голоса, а также будет похожа на образы, связанные с метафорами: падение температуры, приход империи в упадок. Таким образом, мы можем сформировать образ, изучая явление в одной области, и перенести его в совершенно другой контекст.
Способность новой коры проводить аналогии между несвязанными явлениями помогла свершиться многим научным открытиям в нашей истории. Например, Чарлза Дарвина (1809–1882) на теорию эволюции натолкнули исследования геологических процессов. Прежде естествоиспытатели в основном были убеждены, что Бог создал каждый вид живых существ независимо друг от друга. Существовало несколько квазиэволюционных гипотез, самой известной из которых была теория Жана-Баптиста Ламарка (1744–1829), который считал, что животные постепенно развиваются и превращаются в более сложные организмы, а потомство может унаследовать черты родителей, приобретенные ими в процессе жизнедеятельности
. Но ни одна из подобных теорий не содержала подробного и достоверного описания механизма работы эволюции.
Однако Дарвину в работах Чарлза Лайеля (1797–1875) попалась на глаза идея, которая на первый взгляд не имела отношения к эволюции. Шотландский геолог высказал смелую догадку о происхождении глубоких каньонов на земной поверхности
. Большинство натуралистов в те времена сходились во мнении, что каньоны были созданы Богом, а реки под действием гравитации устремлялись к их дну и там спокойно текли. Лайелю пришла в голову мысль, что сначала возникли реки, и только спустя время – каньоны. Эта теория встретила большое сопротивление и не сразу стала общепринятой, но ученые достаточно быстро разобрались, что даже небольшой ручеек, промывая себе путь в течение миллионов лет, и в самом деле может сформировать Большой каньон. Теория Лайеля оказала большое влияние на работу его соотечественника, шотландского геолога Джеймса Хаттона (1726–1797), который впервые изложил принципы униформизма в геологии
. Суть их идеи состоит в том, что облик земной поверхности сформировался не в результате библейского катаклизма, а постепенно под воздействием обычных природных сил, действовавших на протяжении долгого времени.
В мире естествознания предположение Дарвина прозвучало гораздо более дерзко. Биология невероятно сложна, но Дарвину удалось заметить связь между исследованиями Лайеля и своими собственными изысканиями, о чем он написал в предисловии к своей книге «Происхождение видов», вышедшей в 1859 году. Дарвин провел аналогию между идеей Лайеля о том, как река постепенно разрушает горную породу, и небольшими генетическими изменениями, происходящими из поколения в поколение. Отстаивая свою теорию, он ссылается на диспут в смежной области науки: «Современная геология почти полностью отвергла возможность прорытия глубокой долины одной делювиальной волной; точно так же, если теория естественного отбора получит подтверждение, она развеет веру в постоянное творение новых органических существ или в реальность какой-либо большой и внезапной перемены в их строении»
. Этим трудом он вошел в историю как автор, возможно, главного революционного открытия в нашей науке. Кстати, идеи других претендентов на этот титул, Ньютона, который открыл закон всемирного тяготения, и Эйнштейна, выдвинувшего теорию относительности, также были основаны на соображениях аналогии.
