Как устроен наш мозг и что происходит в нем? На основе чего человек принимает решения и чем они обусловлены? Об этом рассказал кандидат физико-математических наук, ученый секретарь Курчатовского комплекса НБИКС-технологий НИЦ «Курчатовский институт» Вячеслав Демин в лекции, состоявшейся в образовательном центре «Сириус». «Лента.ру» публикует выдержки из его выступления.
Прорыв через разрыв
Вячеслав Демин
Мозг состоит примерно из ста миллиардов нейронов, то есть нервных клеток, которые с помощью электрических и химических сигналов через отростки (дендриты и аксоны) получают и передают друг другу информацию. Соприкасаясь, нейроны создают нейронные сети. Место контакта называется синапсом. В мозге есть порядка квадриллиона синапсов (квадриллион — цифра с 15 нулями, то есть миллион миллиардов). Это значит, что у каждого нейрона около 10 тысяч соединений — весьма показательная иллюстрация того, сколь разнообразны и многогранны могут быть связи лишь одной нервной клетки. Вещество, помогающее передавать информацию, называется нейромедиатором. Таких веществ науке известно несколько сотен.
Научное сообщество подходит к вопросу изучения мозга с разных позиций. Есть нейрофизиологи, рассматривающие конкретные процессы на нейронном уровне, их условно можно назвать «материалистами». С другой стороны, находятся нейропсихологи, их условно можно назвать «идеалистами», в центре их внимания — мир идей, пространство высших когнитивных функций человека, отвечающих за память и мышление, сознание и подсознание, эмоции и принятие решений, отношение к себе и другим людям. Между первым подходом и вторым — фундаментальный «объяснительный разрыв» (explanatory gap). Его и изучает когнитология, научное направление, относительно недавно сложившееся на стыке нейрофизиологии и нейропсихологии. Видимо, именно когнитология в первую очередь сможет привести к прорыву в области создания искусственного интеллекта.
Поиск оптимального решения
Что такое мышление? Это постоянный поиск оптимального решения стоящих перед нами задач. Как правило, при принятии даже самого незначительного решения у человека возникает несколько вариантов, перед каждым шагом он оказывается на развилке, и исход не предопределен. Человек должен сделать наилучший ход. То есть ежесекундно каждый из нас строит у себя в голове «дерево возможностей», и порой это дерево невероятно ветвисто.
Как выбрать правильный вариант, особенно если алгоритм поиска неизвестен? Интеллект прибегает к помощи так называемых эвристик. Для иллюстрации можно привести пример из шахмат. На доске возможна такая расстановка фигур, когда у белых, например, остался только король и пешки, но расставлены пешки так, что не дают пройти черным. Человек сразу понимает, что при таких условиях самый благоприятный и вполне вероятный для белых исход партии — это ничья.
А вот компьютерная программа Deep Thought, которая впоследствии обыграла чемпиона мира Гарри Каспарова, рассматривала ситуации исключительно с математической точки зрения. Она видела, что белая пешка может взять ладью черных, а это приведет к заметному ослаблению противника и улучшению позиции по очкам. Компьютер не понимал, что этим ходом он открывает брешь в своей защите. В результате он уже не мог рассчитывать на ничью, получал мат и проигрывал партию.
Фото: Carina Johansen / NTB Scanpix / Reuters
Впоследствии программисты ввели в компьютер алгоритм действий в подобных ситуациях, и таких промахов машина больше не совершала. Естественный интеллект, в отличие от искусственного, способен самостоятельно делать выводы, анализировать ошибки и не повторять их.
Представление знаний
Второй аспект мышления — это представление знаний. Мы все смотрим на мир через призму восприятия и формируем у себя в голове модель какого-либо процесса или объекта. Эти представления индивидуальны. И когда мы мыслим, то оперируем моделями, а не реальными объективными данными.
Есть известная шутка про стакан, наполовину заполненный водой. Оптимист считает, что он наполовину полон, пессимист — наполовину пуст. Но могут быть и другие представления. Например, программист скажет, что емкость в два раза больше, чем нужно. Исходные объективные данные одинаковые, а модели, которыми оперируют на их основании люди, разные. В результате, если со стаканом связана некая задача, то и решения могут отличаться друг от друга. Важно подобрать подходящее представление, в котором найдется алгоритм, решающий задачу. В другом, неудачном, представлении задача может оказаться крайне сложной или вовсе неразрешимой.
Поэтому мышление должно сочетаться с обучением, то есть накоплением информации с последующим обобщением. Можно бесконечно долго наблюдать за гроссмейстером, записывать и зазубривать его ходы, потом их воспроизводить. Но это не научит игре в шахматы. Наоборот, попытки понять саму систему или тактику игры, дающую идеи об общем представлении гроссмейстером шахматных проблем, в итоге со временем и практикой дадут положительный результат. Это и есть обучение.
Типы мышления
Как развивается мышление человека? В детстве — через наглядно-действенное представление: «увидел — совершил действие». Постепенно формируется наглядно-образное мышление: «увидел — вспомнил или представил связанные объекты или варианты действий — совершил действие». Отдельные объекты заменяются категориями, представлениями, моделируются отдельные связи между ними. Следующий этап — полностью абстрактное словесно-логическое мышление, когда для самого процесса мышления уже нет необходимости совершать какие-либо действия, все происходит в воображении.
В середине XX века немецкий психолог Вольфганг Келлер провел эксперимент. Рядом с клеткой обезьян положил банан и дал животным палку. Те почти сразу сообразили, как дотянуться палкой до банана и пододвинуть к клетке. Происходило это за счет наглядно-действенного мышления: обезьяны брали палку и экспериментировали, быстро находя решение.
Затем задачу усложнили: банан положили дальше, а обезьянам дали две палки, из которых можно было собрать одну длинную. Эта головоломка для подавляющего большинства оказалась непосильной. Обезьяны бесились, но не могли сообразить, что делать, прыгали по клетке, стучали палкой по решетке.
Самые умные садились, задумывались и через некоторое время понимали, что надо делать. Этот момент перехода к наглядно-образному мышлению называется «гештальт-переключение»: обезьяна прекращала активные, но беспорядочные и неэффективные действия и задумывалась. Иными словами, мысль — это «свернутое действие», то есть действие, перенесенное в воображение.
Фото: Depositphotos
Так возникает универсальное мышление: если выбранный алгоритм не подходит, мозг ищет новое представление и новые возможные связи, путешествует по «дереву возможностей», пока не найдет подходящий вариант. Найденное решение затем воздействует на внешнюю среду (банан ваш) и идет (возможно, вместе с новым найденным представлением) в базу знаний, пополняя персональный опыт.
Важную роль в универсальном мышлении играют эмоции. Они модулируют цель, модифицируют ее. Представьте робота, который идет выполнять поставленную задачу. Вдруг впереди все начинает взрываться. Машина не чувствует страха, поэтому ни цель, ни линия поведения не меняются. Взрыв — робот уничтожен. А человек на его месте попытался бы сохранить свою жизнь, чтобы затем выполнить первоначальную задачу.
Где обрабатывается информация
Первая задача мозга — это распознавание образов. Что происходит, если вы видите, скажем, лицо человека? Информация поступает в зрачок, проецируется на сетчатке. Сигнал передается в первичную зрительную кору. Она располагается ближе к затылку и отвечает за распознавание только простейших геометрических объектов, таких как, например, линии с разными углами наклона. Информация отфильтровывается и передается во вторичную зрительную кору — там распознаются уже более сложные паттерны, например, полуокружности.
Далее обработанная информация передается в височную область коры мозга (это так называемый вентральный путь обработки зрительной информации), где распознаются такие простейшие элементы, как нос, глаз, ухо. Как это происходит? Есть нейроны, реагирующие только на нос, есть нейроны, реагирующие только на глаз, и так далее. В то же время, есть нейроны без особой специализации, и они могут реагировать как на нос, так и на глаз.
В итоге активность всей совокупности этих клеток передается в орбитофронтальную кору головного мозга в лобных долях. Там картинка собирается воедино, и вы распознаете лицо уже целиком. По мере продвижения информация сжимается, с каждым разом кодируется все меньшим числом нейронов — она как будто архивируется. В передних же долях мозга кодируется склад различных высокоуровневых образов, которыми человек в итоге и оперирует.
Мозг не самостоятелен в своих действиях. Им дирижирует таламус — парный орган, которым заканчивается средний мозг, идущий от спинного. У таламуса к каждому участку коры прикреплены ниточки. Дергая за них, он активизирует те или иные участки, отвечающие в настоящий момент за оптимальное решение текущей задачи.
Но даже дирижер не независим. Таламусом управляют так называемые базальные ядра (ганглии). У ключевых нейронов этих ядер сильная зависимость от дофамина, нейромедиатора, вызывающего у человека острое удовольствие.
Мы все с вами дофаминовые наркоманы, как ни грустно это признавать, — базальные ядра все время хотят много дофамина. Но он выделяется в ответ на субъективную ценность того или иного решения, за которое отвечает определенный участок коры.
Мозг человека
Изображение: Diomedia
Если ценность активации участка коры высока, то есть это решение для нас в текущей ситуации предположительно оптимальное, то дофамина выделится больше, и мы испытаем радость. Что определяет ценность? Во-первых, наш опыт. У маленького ребенка опыт минимален, и он радуется почти всему на свете, любому кубику. Проявляя любопытство, человек пробует различные варианты, закрепляет те, которые приносят субъективную пользу и, соответственно, выбросы дофамина, и избегает тех, которые, напротив, причиняют неприятные или болевые ощущения. По мере взросления и приобретения опыта планка ценности повышается.
Во-вторых, ценность определяется эмоциями (и не только положительными): чем они ярче, тем выше ценность. Отсюда следует еще один нейрофизиологический регулятор — области мозга, отвечающие за эмоции (миндалины, гиппокамп, передние и височные доли коры и другие).
Получается, что мозг в процессе поиска оптимального решения стоящей перед ним задачи работает как саморегулирующаяся система. С одной стороны, он задействует знания из опыта (то есть из соответствующих участков коры), с другой — взвешивает эти решения за счет системы переживания эмоций (включающих эти же и другие участки коры и органы лимбической системы мозга). Все это собирается базальными ядрами, и через таламус дается «добро» на активацию участка коры, приносящего наибольшее вознаграждение дофаминовым нейронам базальных и других структур мозга.
Мозжечок
Чрезвычайно важную роль играет мозжечок. Считается, что он отвечает за координацию движений, чувство баланса и равновесия. Но известно, что в мозжечке, на который приходится всего около 10 процентов объема мозга, почему-то нейронов примерно в два раза больше, чем во всем остальном мозге, — 70 миллиардов против 30. Неужели столько нервных клеток нужно только для координации движений?
Ученые лишь с недавнего времени начали понимать, что мозжечок отвечает не только за движения, а вообще за все автоматизмы, включая «свернутые действия» — шаблоны мысленных ответов из базы знаний. Например, для тренированного спортсмена не составит особого труда выполнить сальто назад с винтом на 360 градусов. Он сделает это, не задумываясь, потому что его мозжечок в нужный момент извлечет из хранилища информацию, мозг получит необходимые команды, и тело выполнит этот акробатический элемент автоматически. Спортсмен практически не задумывается, работает его подсознание.
Точно так же, похоже, дело обстоит с другими автоматизмами, например, с речью. Человек мыслит высшими образами, а мозжечок уже сам решает, как это лучше облечь в средство общения. При этом, безусловно, задействуются давно и надежно установленные центры обработки речи в коре мозга, но в тесной связи с мозжечком, непрерывно предлагающим готовые, до автоматизма отработанные решения и/или корректирующим в соответствии с ними неизбежно возникающие ошибки.