Живой мозг. Удивительные факты о нейропластичности и возможностях мозга - Дэвид Иглмен

Но почему же мы до сих пор не проектируем механизмы, основываясь на принципах пластичности мозга? Не будем к себе чрезмерно суровыми: в распоряжении Матери-природы имелись миллиарды лет, чтобы параллельно проводить триллионы экспериментов. Для нас почти непредставим временной горизонт подобного размаха, как непостижимо устройство мозга бесчисленных тварей, которые рождались на свет и топтали землю, резвились в водах или кружили в небесах.

Нам потребуется время, чтобы угнаться за природой. И очень хорошо, что мы уже начали взламывать коды вокруг нас.

Так как же нам исхитриться, чтобы встраивать принципы пластичности мозга в создаваемые нами устройства? Первое, что приходит на ум, — имитировать уже созданное природой. Вот хороший пример: тело мексиканской тетры, слепой рыбки, обитающей в подводных пещерах, сплошь покрывают сенсоры. Ориентируясь по перепадам давления воды и направлению течения, тетра умеет в непроглядной темени определять формы подводных объектов. Вдохновленные ее примером, сингапурские инженеры разработали искусственную версию сенсоров слепой тетры для подводных лодок1. Ни для кого не секрет, что освещение в подводных аппаратах требует массы энергии и губительно для подводных экосистем. Зато набор мелких маломощных сенсоров по образу и подобию тех, какими природа наделила слепую тетру, дают надежду «видеть» во тьме за счет движения вод.

Сенсорная биомимикрия — великолепный старт, но это только начало пути. Гораздо больший вызов — спроектировать нервную систему с plug-and-play периферией. Какая от этого польза? Рассмотрим для примера проблемы, с которыми постоянно сталкивается НАСА на Международной космической станции (МКС). Международное космическое сотрудничество — основа основ проекта. И в то же время — главная причина технической проблемы. Русские конструируют один модуль, американцы пристраивают другой, а китайцы — свой, китайский. В итоге постоянная головная боль МКС — координировать работу датчиков в модулях разных стран. Американские тепловые датчики не всегда синхронизируются с российскими датчиками вибраций, а китайские газоанализаторы с трудом сообщаются с остальными приборами и оборудованием станции. Проблемам нет конца, и МКС постоянно мобилизует инженеров на поиск все новых и новых решений.

Правильный выход из положения таков: чтобы раз и навсегда решить эту проблему проблем, надо взять пример с Матушки-природы. Разве не доказала она свою способность подгружать живым тварям тысячи новых органов восприятия — от ушей, глаз и носов до рецепторов давления, температуры, электрического и магнитного полей, не говоря обо всем прочем? За долгие времена эволюции природа затратила немало усилий на создание нервной системы, которая извлекает информацию из этих сенсоров без необходимости знать о них что бы то ни было (см. главу 4). Сенсоры могут быть разного вида и иметь разную конструкцию, что, однако, не мешает им работать в полном согласии и гармонии, потому что мозг, общаясь с миром, выискивает сопряжения между различными входными потоками данных и придумывает, как пустить в дело поступающую информацию.

Как воспользоваться преимуществами такого подхода? Вспомним, что один из самых действенных приемов мозга — произвести моторное действие и оценить, чем оно обернется. Я считаю, что надо позволить МКС экспериментировать не только с ее сенсориумом (совокупностью «органов чувств»), но и с ее моториумом, то есть с тем, как она использует свое «тело». В конце концов, МКС строится по модульному принципу, а это подразумевает, что план ее «тела» будет все время меняться. В каком бы теле ни осознал себя мозг, он найдет способ двигать им (см. главу 5), и предпрограммирования не потребуется, все моторные процессы будут происходить за счет проб различных «телодвижений» и оценки результатов. Именно таким образом наш мозг составляет представление о нашем теле. И подобным же способом МКС могла бы время от времени совершать серии малых движений, чтобы определить, какие дополнительные модули к ней пристыковали и как они дополняют ее двигательные возможности. Будущее идеи самоподстройки видится в том, что мы научимся проектировать машины не с постоянной, раз и навсегда закрепленной конструкцией, а способные самостоятельно завершать схемы своих подключений в ходе взаимодействия с реальностью.

Как только входные и выходные сигналы скоординируются, всевозможные чудеса не замедлят последовать. Рассмотрим для примера стандартный микрочип FPGA (программируемая пользователем вентильная матрица) в электронных мозгах множества знакомых нам устройств. Это потрясающий чип, но одна из основных проблем подобных микросхем — синхронизация всех сигналов внутри нее. Нули и единицы мелькают в чипах со скоростями, близкими к скорости света, и если бит из одной части чипа случайно опередит бит из другой, наступит катастрофа: вся логическая функция чипа окажется под угрозой. Тайминг в микрочипах выделился в отдельную подобласть, и на эту тему уже написаны объемные тома2.

Между тем с точки зрения биолога вопрос решается просто. Мозг и микрочип сталкиваются с одной и той же проблемой: постоянный приток входных сигналов (от органов восприятия, а также от внутренних органов) одновременно с потоком исходящих сигналов (движение конечностей). Правильное согласование во времени играет здесь огромную роль. Услышав, что хрустнула ветка до того, как вы поставили ногу на землю, насторожитесь: а вдруг это подкрадывается хищник? Если же вы слышите хруст после того, как ступили ногой на землю, это нормально, таково обычное следствие вашего действия, и оснований для паники нет. Трудность для мозга состоит в том, что невозможно заранее запрограммировать ожидаемое время работы для отдельных органов чувств, поскольку оно имеет свойство меняться. Если вы с яркого света вступаете в темноту, скорость общения ваших глаз с мозгом замедляется почти на десятую долю секунды. В жару сигналы могут передаваться вдоль ваших конечностей быстрее, чем в холод. Когда вы растете, длина вашей конечности увеличивается, как и период прохождения сигналов туда и обратно.

Каким образом мозг решает проблемы синхронизации? Наверняка не штудирует толстенный том о верификации таймингов. Он действует методом проб и ошибок: что-то потрогает, что-то пнет, по чему-то стукнет. Он исходит из той посылки, что раз вы сгенерировали действие (вступив во взаимодействие с реальностью), значит, рассредоточенная во времени информация, которая возвращается к нему через сенсорные каналы, должна восприниматься как синхронизированная с данным действием. Иначе говоря, ваше сознание должно приспособиться одновременно видеть, слышать и чувствовать последствия вашего действия3. Лучший способ предвидеть будущее — самому создавать его. Всякий раз, взаимодействуя с миром, ваш мозг посылает разным органам восприятия четкий приказ: сверяйте часы.

Проблема тайминга в микрочипах решается посредством регулярной отправки пробных сигналов самому себе (точно так же, как человек мог бы попробовать мячик на прыгучесть, столовое серебро — на мелодичность звона или, надев очки, покрутить головой). Когда чип выступает в роли генератора пробного действия, у него могут возникнуть четкие ожидания относительно того, что должно последовать далее. И тогда он сам подстроится к ситуации, а нам не придется штудировать книги неимоверной толщины.