Распознавание форм. Инстинкт учиться

Распознавание форм

Но откуда именно берется корковый алфавит примитивных протобукв: он вписан в наши гены или возникает заново у каждого ребенка в результате процесса научения? Пока мы не знаем точного ответа на этот вопрос. Некоторые формы настолько облегчают процесс восприятия, что, вероятно, были заранее встроены в нашу зрительную систему в ходе эволюции. Уже в первые месяцы жизни младенцы чувствительны к лицам и окклюзии предметов. Следовательно, лица, глаза и Т‑ образные соединения действительно могут быть частью «врожденного» лексикона форм. С эволюционной точки зрения это дало бы приматам большое преимущество, особенно в раннем взаимодействии с другими представителями своего вида и окружающей средой.

Однако трудно представить, каким образом человеческий геном, включающий максимум 30 000 генов, может содержать подробные инструкции, необходимые для программирования нейронных детекторов множества базовых форм, вплоть до профилей лица и огнетушителей! Кроме того, пластичность нижневисочной коры делает это маловероятным. Даже если мы допустим первоначальную генетическую предрасположенность, вероятно, большинство нейронов, участвующих в распознавании объектов, становятся избирательными в процессе взаимодействия со структурированной визуальной средой. Нас постоянно бомбардируют миллионы изображений, которые поставляют первичные данные для статистического алгоритма обучения мозга. В процессе развития, а возможно, и в течение всей жизни, синаптические контакты в нашей зрительной системе постоянно меняются. Эти трансформации обеспечивают оптимальное кодирование наиболее подходящих фрагментов изображений. Мы начинаем учить ребенка читать в очень раннем возрасте, когда пластичность коры находится на максимуме. Конечно, это не случайно. Погружая детей в искусственную среду букв и слов, мы, вероятно, переориентируем многие из нижневисочных нейронов на кодирование письменной речи.

Многие эксперименты показали, что нейроны постепенно настраиваются на объекты, которые учится различать обезьяна. Это происходит даже в том случае, если предметы, используемые для обучения, представляют собой бессмысленные проволочные фигуры или фракталы, формы которых очень далеки от тех, с какими животное может столкнуться в естественной среде обитания[237]. Очевидно, нейроны формируют свои предпочтения, учась обнаруживать характерные пересечения базовых элементов. Недавний эксперимент Криса Бейкера, Марлин Берманн и Карла Олсона подтверждает это предположение[238]. Исследователи научили обезьян распознавать палочки с разными фигурами на концах – например, с квадратом на одной стороне и трезубцем на другой. После тренировки несколько нейронов стали чувствительны к их точным комбинациям. Когда обезьяне показывали только один конец предмета, они реагировали слабо. Вкратце, нейронная активность при предъявлении всей картинки была больше, чем сумма реакций отдельных нейронов на каждую ее часть. Это прямое доказательство того, что клетки учатся реагировать на новые зрительные комбинации. В рамках огромного каталога возможных форм некоторые нейроны начинают срабатывать исключительно на комбинации, которые часто встречаются. В нашем нейронном инвентаре существуют и другие конфигурации, но только потенциально. Пока обезьяна им не научится, они не будут кодироваться клетками более высокого уровня.

Инстинкт учиться

На сегодняшний день найдено столько доказательств пластичности мозга, что иногда ее считают очевидным свойством коры. В действительности способность учиться – это результат сложного эволюционного процесса. Во многих случаях обучение нежелательно – малыш, которому придется учиться дышать или кушать, долго не проживет. С другой стороны, мы рождаемся в сложном мире, который невозможно предсказать заранее, а потому все устройство нашего мозга нельзя запрограммировать предварительно. Для таких случаев эволюция придумала маленькую хитрость: способность к научению. В определенные периоды развития часть нервной системы приспосабливается к внешним ограничениям. Естественно, сам механизм научения является врожденным и в итоге управляется сложными генетическими алгоритмами. Таким образом, нет никакого противоречия в том, чтобы говорить о жестких механизмах обучения или даже об «инстинкте учиться», как однажды выразился Питер Марлер[239]. Старое противоречие между природой (наследственностью) и средой – это миф: все научение основывается на врожденных принципах, не поддающихся модификации.

Наиболее яркий пример пределов пластичности мозга – бинокулярное зрение, при котором информация, полученная от двух глаз, сливается воедино. Краткий период пластичности, длящийся несколько недель у кошек, несколько месяцев у приматов и несколько лет у людей, позволяет отрегулировать связи в первичной зрительной области. В этом случае пластичность используется для согласования зрительных карт: нейроны учатся объединять сигналы, поступающие от обоих глаз. В конце этого критического периода цепь фиксируется и впоследствии уже не меняется. У детей, страдающих косоглазием в раннем возрасте, нарушения зрения сохраняются на всю жизнь – они теряют способность воспринимать глубину из‑ за небольшого расхождения между двумя изображениями (стереозрение). В этом случае природа оставила лишь очень короткий промежуток времени для развития.

Пластичность нижневисочной коры, благодаря которой мы учимся распознавать новые объекты, принципиально ничем не отличается. На всех уровнях зрительной системы наша кора заранее запрограммирована на поиск взаимосвязей в поступающих сенсорных данных и хранение полученных конфигураций. Идентичность объекта сохраняется в виде многочисленных комбинаций связей, возникающих в строго определенной совокупности нервных клеток. Вид огнетушителя, например, активирует несколько групп нейронов, которые кодируют тело, рукоятку, шланг, стандартный красный цвет и, вероятно, ряд других примитивных форм. Эта воспроизводимая комбинация активных нейронов затем сохраняется и фиксируется за счет увеличения силы синапсов, связывающих их в стабильную систему. В свою очередь, каждый из таких примитивов должен быть предварительно усвоен как совокупность элементарных признаков на более низком уровне. Таким образом, наша способность распознавать объекты в конечном счете основывается на пирамиде нейронов и иерархической схеме научения.

На вершине пирамиды возникает новая проблема. На этом уровне некоторые нейроны реагируют на несколько видов одного и того же объекта – например, на профиль лица, вид спереди или даже на имя человека (Дженнифер Энистон). Непонятно, как именно приобретается такая утонченная разновидность инвариантности. Научение на базе случайных совпадений больше не работает. Мы не можем просто взять и связать вместе нейроны, которые активны в данный конкретный момент, потому что никогда не видим все лицо и профиль одновременно (за исключением картин Пикассо).

В естественной среде различные виды одного объекта часто наблюдаются последовательно. Как один нейрон узнает, что все они соответствуют определенному объекту? Ясуси Миясита из Токийского университета описал вероятный нейронный механизм, который вполне может объяснить этот тип научения. Он показал, что некоторые клетки в нижневисочной коре чувствительны к корреляциям во времени[240]. Когда обезьяна многократно видит несвязанные фрактальные фигуры, каждая из них кодируется отдельной группой нейронов. Однако, если эти формы связаны во времени – либо потому, что они всегда появляются вместе в рамках одной и той же временной последовательности, либо потому, что представлены парами, – кора «поручает» их одним и тем же нейронам. Это означает, что один нейрон в результате начнет реагировать на два совершенно разных изображения, единственным общим свойством которых является их появление в тесной временной связи друг с другом (рис. 3. 8).

Этот механизм научения может генерировать весьма абстрактные и инвариантные зрительные репрезентации. Всякий раз, когда мы видим Дженнифер Энистон – спереди или сбоку, близко или далеко, – наши височные нейроны поддерживают стабильную репрезентацию этой актрисы, даже если угол обзора постоянно меняется. Механизм временно́ й корреляции может играть важную роль в процессе чтения. В частности, у него не должно возникать никаких проблем с обнаружением ассоциаций между строчными и прописными буквами, такими как «а» и «А». На гораздо более высоком уровне он может легко выявить взаимосвязь между буквами и звуками речи и таким образом внести свой вклад в становление эффективного маршрута, преобразующего графемы в фонемы.