Текст книги "Мозг – повелитель времени"

2:00
ЛУЧШАЯ НА СВЕТЕ МАШИНА ВРЕМЕНИ

Каждое реальное тело должно обладать четырьмя измерениями: оно должно иметь длину, ширину, высоту и продолжительность существования. Но вследствие прирожденной ограниченности нашего ума мы не замечаем этого факта. И все же существуют четыре измерения, из которых три мы называем пространственными, а четвертое – временны́м2121
  Перевод К. Морозовой.


[Закрыть].

ГЕРБЕРТ УЭЛЛС, 1895

С идеей о путешествиях во времени нас познакомил Голливуд. «Терминатор», «День сурка», «Назад в будущее», «Жена путешественника во времени», «Петля времени», «Полночь в Париже», «Интерстеллар» и многие серии «Звездного пути» – лишь некоторые примеры из длинного списка фильмов, в которых мы сталкиваемся с парадоксами, возникающими в результате игр со временем, таких как убийство собственных предков при перемещении в прошлое.

Однако, несмотря на популярность этой темы в мире современного кино, телевидения, литературы и даже в серьезных физических исследованиях, концепция путешествий во времени не существовала на протяжении большей части истории человечества. В Библии и других религиозных книгах и устных преданиях есть множество историй о говорящих животных, божествах и других сверхъестественных вещах. Там есть рассказы о превращении животных в человека и человека в животных, о путешествиях в космическом пространстве, о людях вроде Мафусаила, проживших несколько столетий, о волшебстве и воскрешении. Но, что странно, ничего или почти ничего о путешествиях во времени. Даже Шекспир, который, кажется, предвосхитил практически все трюки современного кинематографа, никогда не касался темы путешествий во времени.

На этом фоне есть лишь несколько исключений. Например, в древнеиндийской поэме «Махабхарата», созданной в 800-х гг. до н.э., рассказывается о царе и его дочери, которые отправились к богу Брахме, чтобы найти достойного жениха. Позднее они узнают, что за время их отсутствия на Земле сменилось несколько поколений, и исчезли все царские сокровища. В новелле «Рип ван Винкль»2222
  Фантастический рассказ американского писателя Вашингтона Ирвин-га, написанный в 1819 году. – Прим. перев.


[Закрыть] говорится о том, что время может идти с разной скоростью, но там не происходит перемещений вперед и назад во времени. Предшественником историй о перемещении во времени можно считать повесть Чарльза Диккенса «Рождественская песнь», написанную в середине XIX в. Духи переносят героя рассказа Эбинейзера Скруджа в рождественские дни прошлого и будущего, однако эти путешествия совершаются пассивно, как бы во сне, и персонажи из разных эпох не общаются между собой. И лишь в конце XIX в. появилась идея «истинного» путешествия во времени, в частности, в повести Г. Уэллса «Машина времени», герой которой отправляется в будущее, встречается с выродившимися потомками человеческой расы и возвращается в свое время2323
  Кажется, до «Машины времени» было написано три книги о путешествиях во времени, включая новеллу «El Anacronópete» испанского писателя Энрике Гаспара. Я должен подчеркнуть, что мои познания в литературе весьма ограничены, и я, безусловно, знаю далеко не все литературные произведения о путешествиях во времени. Поэтому, вполне вероятно, что эта тема находила отражение в литературе и до конца XIX в.


[Закрыть].

Почему идея перемещений во времени не появлялась в фантастической литературе до конца XIX в.? Возможно, по той причине, что человеческие существа по своей природе являются презентистами: для нас совершенно очевидно, что прошлое ушло и поэтому не может измениться, а будущее еще не существует. Возможно, идея о том, что прошлое и будущее так же реальны, как настоящее, и поэтому являются возможным направлением для путешествия, слишком сильно противоречит интуиции и слишком фантастична даже для фантастической литературы. Так что же изменилось в конце XIX в., что позволило нам совершать воображаемые путешествия во времени? Однозначно ответить на этот вопрос сложно, но, совершенно очевидно, какую-то роль сыграла научная революция.

Кульминацией этой революции была публикация в 1905 г. специальной теории относительности Эйнштейна, которая навсегда изменила наше представление о природе времени. Эйнштейн показал, что при разной скорости перемещения часов они тикают с разной скоростью. Через два года после этого учитель Эйнштейна Герман Минковский показал, что теория Эйнштейна вполне совместима с концепцией четырехмерного пространства, т. е. пространства, в котором есть еще одно измерение – время.

Об открытиях в физике, способствовавших принятию модели четырехмерной вселенной, мы поговорим в главе 9, а сейчас только отметим, что в XX в. в среде физиков постепенно стало возможным поднимать вопрос о путешествиях во времени. Не потому, что большинство физиков поверили в реальную возможность перемещений в прошлое или будущее, но потому что никто не мог доказать, что такой возможности не существует. Многие физики соглашаются, что, в принципе, на шкале времени есть «места», куда можно попасть, но при этом считают, что по практическим или теоретическим причинам законы физики не позволяют осуществлять эти перемещения2424
  Даже если прошлое и будущее столь же реальны, как настоящее, и законы физики априори не запрещают перемещений во времени, они все же могут делать невозможным практическое воплощение таких перемещений: Стивен Хокинг называл это ограничение «защищенностью хронологии». О возможности перемещений во времени и физике этих перемещений написано множество превосходных научно-популярных книг, в том числе: Davies, 1995; Thorne, 1995; Carroll, 2010; Davies, 2012.


[Закрыть]. Дело в том, что для перемещений во времени должны выполняться весьма специфические требования. Наименее неправдоподобным способом таких перемещений, наверное, является перемещение по пространственно-временно́му туннелю («кротовой норе»). Представьте себе поверхность Земли как слой пространства и времени, а затем вообразите туннель, ведущий напрямую от Вашингтона до Пекина. Идея пространственно-временны́х туннелей не противоречит современным законам физики, но пока остается гипотетической. Для путешествий во времени не только потребуется создать или найти такой туннель, но и двигать один выход относительно другого с очень большой скоростью. А дальше остается надеяться, что такой туннель стабилен и проходим, т. е. входящий в него не подвергнется – использую научный термин – спагеттификации2525
  Спагеттификация (или эффект лапши) – растяжение объектов в сильном неоднородном гравитационном поле. – Прим. перев.


[Закрыть].

Но я отвлекся, поскольку в этой главе я не планировал обсуждать возможность или невозможность реальных путешествий во времени, а хотел убедить вас в том, что лучшей машиной времени для каждого из нас является собственный мозг. Или, иными словами, каждый из нас – лучшая на свете машина времени.

МОЗГ – ЭТО МАШИНА ВРЕМЕНИ

Конечно, мозг не позволяет нам перемещаться во времени физически, но это все же своего рода машина времени по четырем взаимосвязанным причинам.

1. Головной мозг – это машина, которая запоминает прошлое, чтобы предсказать будущее. На протяжении сотен миллионов лет животные соревновались в развитии способности предсказывать будущее. Животные предвидят поведение жертвы, хищников и потенциальных половых партнеров; они готовятся к будущему путем запасания еды и строительства гнезд; они предчувствуют закат и восход, зиму и весну. Успешность предсказаний будущего определяет важнейшие факторы эволюции – выживаемость и воспроизводство. Таким образом, мозг, по сути, представляет собой аппарат для предсказаний и предвидения2626
  Dennett, 1991, 177; Clark, 2013.


[Закрыть]. Осознаете вы это или нет, но в каждый момент времени ваш мозг автоматически пытается предсказать, что должно произойти. Эти краткосрочные предсказания, примерно на следующие несколько секунд, делаются совершенно автоматически и бессознательно. Если со стола скатывается резиновый мячик, мы автоматически выполняем движение, чтобы поймать его, когда он отскочит от пола, но реагируем совсем по-другому, если со стола падает кусок пирога.

Кроме того, человек и другие животные постоянно пытаются делать предсказания на более отдаленный период. Даже просто осмотр территории представляет собой попытку представить себе, что произойдет через несколько минут или часов. Когда волк останавливается, чтобы уловить какие-то знаки, звуки и запахи, он ищет подсказки, которые помогут обнаружить потенциальных врагов, жертв или партнера. Чтобы предсказывать будущее, мозг хранит колоссальный объем информации о прошлом; и, как программа резервного копирования Time Machine для Apple, он иногда присваивает этим воспоминаниям временны́е этикетки (даты), что позволяет воспринимать эпизоды из нашей жизни в хронологическом порядке.

2. Мозг – это машина, которая определяет время. Человеческий мозг осуществляет множество вычислений, в том числе такие, которые необходимы для узнавания лиц или выполнения следующего хода в игре в шахматы. Определение времени – еще одна вычислительная задача мозга: он не просто отсчитывает секунды, часы и дни нашей жизни, но распознает и создает временны́е образы, такие как музыкальные ритмы или точные последовательности движений, позволяющие гимнастам выполнять акробатические трюки.

Умение определять время – важнейшая способность, необходимая для предсказаний будущего. Как знают все метеорологи, мало сообщить, что дождь будет: нужно сообщить, когда он будет. Когда кот подпрыгивает вверх, чтобы схватить пролетающую птицу, он должен знать, где птица окажется через секунду. Птицы-опылители, в свою очередь, умеют отмерять отрезок времени, прошедший с момента их последнего визита на конкретный цветок, чтобы к следующему разу цветок вновь успел наполниться нектаром2727
  Henderson et al., 2006.


[Закрыть]. Буквально все проявления жизни – от способности метнуть копье в движущуюся мишень, понять, когда смеяться в конце анекдота, или сыграть «Лунную сонату» Бетховена, до умения регулировать суточный цикл сна и бодрствования или месячный менструальный цикл – требуют умения определять время.

3. Мозг – это машина, создающая ощущение времени. В отличие от зрения и слуха, ощущение времени не обеспечивается каким-то определенным органом чувств. Время не является формой энергии или неотъемлемым свойством материи, которое можно проанализировать с помощью физических измерений. Однако примерно тем же путем, как мы осознанно определяем цвет предметов (длину волны отраженного электромагнитного излучения), мы воспринимаем и течение времени. Это ощущение течения времени создает мозг. Подобно большинству субъективных ощущений, наше чувство времени подвержено влиянию иллюзий и искажений. Период одной и той же длительности (измеренный с помощью внешних часов) может казаться мгновением или вечностью в зависимости от целого ряда факторов. Но с искажениями или без искажений осознанное чувство течения времени и изменения окружающего мира относится к числу наиболее обычных и очевидных наших ощущений. И вот это-то ощущение течения времени никак не согласуется с представлением о времени, широко распространенным в среде физиков и философов.

4. Мозг позволяет совершать мысленные путешествия во времени. Соревнования по предсказанию будущего были легко выиграны нашими предками гомининами, когда они постигли концепцию времени и научились мысленно переносить себя в прошлое и в будущее, т. е. научились мысленно путешествовать во времени (глава 11). Аврааму Линкольну приписывают следующую фразу: «Лучший способ предсказать будущее заключается в том, чтобы его создать». Именно это мы и научились делать благодаря способности мысленно перемещаться во времени. Мы изменили свой способ существования, перейдя от предугадывания капризов природы к созданию будущего путем ее порабощения.

Вот что писал известный канадский психолог Эндель Тульвинг: «Ранние проявления ориентированного в будущее мышления и планирования заключались в обучении использованию, поддержанию, а позднее и извлечению огня, в изготовлении орудий и их хранении. Снабжать покойников необходимыми [для загробной жизни] предметами, выращивать злаки, фрукты и овощи, приручать животных для получения пищи и изготовления одежды … – все это сравнительно новые этапы в эволюции человека. Все они подсказывались заботой о будущем»2828
  Tulving, 2005.


[Закрыть].

Каждый из нас переживал радость или горе при воспоминаниях о событиях прошлого и пытался представить себе, что было бы, если бы события разворачивались иначе. Но мы также постоянно перескакиваем в будущее, страшась того, что может произойти, или мечтая об этом, и моделируем различные варианты развития нашей жизни в будущем, рассчитывая найти наилучший вариант действий в настоящем. Может быть, человек – не единственное существо на планете, совершающее мысленные путешествия во времени, но он, безусловно, единственное животное, которое использует эту способность для поиска способов реальных перемещений в прошлое или будущее.

ВРЕМЯ – УЧИТЕЛЬ

Шотландский философ XVIII в. Дэвид Юм размышлял над тем, как человек воспринимает мир – как он представляет себе связь между событиями, происходящими в разных точках пространства и в разные моменты времени. Юм сформулировал три принципа, на которых строится понимание связи между событиями: сходство (предметов или событий), смежность (близость) во времени и пространстве и причинность. Кроме того, он предложил несколько правил, на основании которых можно установить наличие причинно-следственных связей между двумя событиями:

1. Причина и следствие должны быть смежными во времени и в пространстве.

2. Причина должна иметь место раньше следствия2929
  Hume, 1739/2000, 116.


[Закрыть].

К счастью, не нужно читать Юма, чтобы понять эти правила, поскольку они вписаны в наш мозг на уровне нейронов и синапсов. Временны́е связи между событиями относятся к числу наиболее важных ключей, которые мозг использует для нахождения смысла в том, что Уильям Джеймс назвал «наплывом, шумом и беспорядком» сенсорной информации, осаждающей наши органы чувств. Как ребенок усваивает, что слово «кошка» относится к пушистому четвероногому существу с острыми когтями? Дело в том, что первые десятки раз, когда ребенок видит кошку, родители сюсюкают: «Посмотри на маленькую кошечку!» Другими словами, временна́я близость между двумя событиями – появлением кошки и произнесением слова «кошка» – позволяет нейронной сети ребенка связать эти два специфических стимула.

Одна из наиболее универсальных форм обучения в царстве животных – классический условный рефлекс – учитывает важнейшую роль временно́й обусловленности и порядка событий для функционирования мозга. Собака Павлова – стандартный пример формирования классического условного рефлекса: перед появлением мяса (безусловный стимул) звенит колокольчик (условный стимул), и собака в конечном итоге начинает выделять слюну просто при звуке колокольчика. Возможно, вам ближе другой пример: если вы открываете банку с кормом для кошки с помощью открывалки, вы наверняка наблюдаете материализацию кошки на кухне каждый раз, когда пользуетесь открывалкой. Хотя колокольчик, на самом деле, не является причиной появления еды, с точки зрения собаки это возможно.

ПО-ВИДИМОМУ, ЖИВОТНЫЕ НЕ СПОСОБНЫ НАХОДИТЬ СВЯЗЬ МЕЖДУ СОБЫТИЯМИ, РАЗДЕЛЕННЫМИ ИНТЕРВАЛАМИ В НЕСКОЛЬКО МИНУТ ИЛИ ЧАСОВ, НЕ ГОВОРЯ УЖЕ О ДНЯХ ИЛИ МЕСЯЦАХ. ЧЕМ БОЛЬШЕ ИНТЕРВАЛ МЕЖДУ СОБЫТИЯМИ, ТЕМ ТРУДНЕЕ ОБНАРУЖИТЬ СВЯЗЬ.

Юм, наверное, даже не мог предположить, насколько временна́я обусловленность важна для работы мозга. Давайте представим себе, какую задачу должен решить мозг ребенка, чтобы узнать лицо матери. Иногда ее лицо появляется совсем близко, и тогда оно большое, но иногда ребенок видит мать на некотором расстоянии, и тогда лицо маленькое. Каждый раз на сетчатке проецируется совершенно новое изображение (подобно тому, как при фотографировании одного и того же человека с разных расстояний в аппарате активируются разные наборы пикселей, так и в сетчатке активируется разный набор фоторецепторов). Но как же ребенок понимает, что все эти разные образы соответствуют его маме?

Эта проблема так называемой инвариантности восприятия достаточно сложна, но в соответствии с одной теорией она решается с помощью принципа временно́й обусловленности. У ребенка есть опыт восприятия увеличивающегося и уменьшающегося образа матери, возникающего при ее приближении и удалении. Если мозг понимает, что запечатленные на сетчатке различающиеся образы, связанные временно́й близостью, поступают от одного и того же предмета, и он в конце концов усвоит общий принцип инвариантности восприятия размера: эти возникающие одно за другим изображения соответствуют одному и тому же объекту из внешнего мира3030
  Földiák, 1991; Wiskott and Sejnowski, 2002; DiCarlo and Cox, 2007.


[Закрыть]. Иными словами, если бы не существовало такой временно́й близости – допустим, мы бы росли в стробоскопическом мире, где моментальные изображения мгновенно сменялись бы в необычном порядке от больших до маленьких – возможно, мы бы не обладали способностью распознавать один и тот же предмет, увиденный с разных расстояний, как единую сущность. Классический условный рефлекс и многие другие формы обучения учитывают асимметрию временны́х связей, определяемую вторым правилом Юма: причина предшествует следствию. Если Павлов давал собаке мясо до того, как звенел колокольчик, условный рефлекс не формировался. Аналогичным образом, классический условный рефлекс чрезвычайно чувствителен к степени временно́й близости, точнее, к интервалу между событиями. Если Павлов выдавал мясо через час после звонка, собака не чувствовала связи между звуком и появлением еды, хотя колокольчик по-прежнему предсказывал появление еды. По-видимому, животные не способны находить связь между событиями, разделенными интервалами в несколько минут или часов, не говоря уже о днях или месяцах3131
  При обсуждении классического условного рефлекса следует упомянуть одно исключение. У людей и других животных может возникнуть отвращение к пище, если после еды – даже спустя много часов – они заболевают (Buonomano, 2011).


[Закрыть]. Чем больше интервал между событиями, тем труднее обнаружить связь. Формирование условного рефлекса – самая «примитивная» форма обучения.

Для осознания связи между событиями, разделенными во времени сутками, месяцами и годами, требуются более совершенные умственные способности. Понимание концепции времени и умение осуществлять мысленные перемещения во времени позволяют человеку видеть связь между занятиями любовью и рождением ребенка или посевом семян и появлением растений. Но и мы достаточно близоруки в этом отношении: если бы рак появлялся через неделю после выкуривания первой сигареты, а не через несколько десятилетий, табачная промышленность никогда не заработала бы триллионов долларов (глава 11).

«ПРАВИЛЬНЫЙ» И «НЕПРАВИЛЬНЫЙ» ПОРЯДОК СОБЫТИЙ

Процесс познания в очень большой степени зависит от понимания временны́х связей между переживаемыми нами событиями. Как заметил психолог Стивен Пинкер, мы обычно считаем само собой разумеющимся, что порядок перечисления событий соответствует порядку их совершения. Например: Они поженились и родили ребенка. Но кто сказал, что события разворачивались именно в этом порядке? В большинстве языков уловить связь между событиями гораздо легче, если они перечислены именно в том порядке, в котором совершились3232
  Pinker, 2014.


[Закрыть]. Так, намного проще переварить предложение «Она улыбнулась, прежде чем развернуть подарок», чем «Прежде чем развернуть подарок, она улыбнулась».

Предположения мозга относительно хронологии событий и временны́х интервалов между ними позволяют нам предвидеть происходящие вокруг нас события, однако эти предположения могут быть ошибочными. Представьте себе фокусника, который берет со стола монету правой рукой, затем с воодушевлением хлопает в ладоши, произносит заветное слово «абракадабра» и, наконец, демонстрирует зрителям, что монеты нет ни в одной, ни в другой руке. Этот фокус основан на неправильном восприятии нами хронологии событий3333
  Fraps, 2014.


[Закрыть]. Исчезновение монеты мы автоматически связываем с наиболее близкими по времени событиями – хлопком и абракадаброй. На самом деле, конечно же, в это время монеты в руках уже нет, и весь ловкий трюк состоит в том, чтобы незаметно сбросить монету со стола в тот момент, когда фокусник делает вид, что сжимает ее в руке. Чем больше интервал между двумя событиями, тем труднее обнаружить связь между ними. Разделяя во времени истинную причину исчезновения монеты и выявление ее исчезновения, фокусник использует особенность нашего мозга в отношении восприятия временны́х связей между событиями.

В книге «Тараканы в голове» я привел пример такого ошибочного восприятия событий из личного опыта, когда я впервые играл в «очко» в Лас-Вегасе. Как известно, суть игры заключается в том, чтобы сумма карт в руках игрока составила 21; если двух карт для этого мало, нужно решить, брать ли третью и при этом идти на риск «перебора» (когда сумма очков превышает 21). Вы играете против банкующего, который играет, как автомат, добирая дополнительные карты, пока сумма очков не составит 17 или более. Я предполагал, что если я буду действовать так же, как он, мой шанс на выигрыш будет составлять 50:50. Конечно, я знал, что казино всегда в выигрыше, но не понимал почему. Выясняется, что все очень просто: если «перебор» у нас обоих, выигрывает банкующий. Как я мог этого не понимать? Преимущество казино скрыто от нас из-за неправильного восприятия временны́х связей.

Вот как это происходит: поскольку я играю первым, как только у меня «перебор», банкующий немедленно забирает мои карты и деньги, давая понять, что для меня игра закончена. Дальше он продолжает круг с другими игроками и лишь потом открывает свои карты. В этот момент, если я все еще нахожусь за столом, я могу узнать, что у него тоже «перебор», и, значит, никто не выиграл. Я не мог обнаружить преимущество казино, поскольку оно скрыто в будущем: нормальная связь между причиной и следствием перевернута во времени. В том случае, когда у нас обоих «перебор», результат моего проигрыша наступает раньше причины: мои карты и деньги отбираются (результат) до того, как я узнаю, проиграл ли я или сыграл вничью с банкующим. Преимущество казино трудно обнаружить по той причине, что выбывший из игры игрок прекращает следить за дальнейшим развитием событий. Используя нашу недальновидность, казино скрывает от нас, как обращает результаты в свою пользу3434
  Существует некая асимметрия в пользу клиента. Если я получаю 21 очко, я сразу выигрываю, даже если у банкующего тоже 21 очко. Конечно, вероятность получить именно 21 очко меньше, чем получить любую большую сумму. Я уже писал об этом в предыдущей книге (Buonomano, 2011).


[Закрыть].

ПРИЧИННО-СЛЕДСТВЕННЫЕ СВЯЗИ В СИНАПСАХ

Даже если мы живем в замороженном «блоке вселенной», где правят законы этернализма, и ход времени оказывается лишь иллюзией, хронология событий и длительность промежутков между ними влияют на формирование нашего мозга. Вообще говоря, сформулированные Юмом правила представляют собой алгоритмы, определяющие работу электрической схемы мозга. Например, временна́я асимметрия причины и следствия закодирована в мозге на самом базовом уровне.

Наш мозг – это сеть, состоящая примерно из 100 млрд нервных клеток, взаимодействующих между собой через сотни триллионов синапсов3535
  Beaulieu et al., 1992; Shepherd, 1998; Herculano-Houzel, 2009.


[Закрыть]. Как и большинство элементов вычислительных машин, включая транзисторы в компьютере, нейроны получают входные сигналы и испускают выходные сигналы. Однако, в отличие от транзисторов, нейроны являются экстравертами. Рядовой транзистор в обычном компьютере связан с несколькими десятками других транзисторов, а рядовой нейрон связан с тысячами других нейронов. Эти связи осуществляются посредством синапсов – зон контакта между соседними нейронами: пресинаптическим нейроном, посылающим сигнал, и постсинаптическим нейроном, который его принимает. Входные сигналы для каждого нейрона складываются из сигналов его пресинаптических партнеров, отсылающих биоэлектрические импульсы. Возбуждающие синапсы заставляют постсинаптический нейрон «возбуждаться», т. е. отсылать электрический сигнал всем нижестоящим нейронам (своим постсинаптическим партнерам). Напротив, тормозные синапсы пытаются убедить постсинаптические нейроны хранить спокойствие. При таком гигантском количестве элементов электрическая схема мозга представляет собой невероятно сложную систему (рис. 2.1). Но от чего зависит, какие именно нейроны установят между собой связи?

ПРИ ТАКОМ ГИГАНТСКОМ КОЛИЧЕСТВЕ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА МОЗГА ПРЕДСТАВЛЯЕТ СОБОЙ НЕВЕРОЯТНО СЛОЖНУЮ СИСТЕМУ. НО ОТ ЧЕГО ЗАВИСИТ, КАКИЕ ИМЕННО НЕЙРОНЫ УСТАНОВЯТ МЕЖДУ СОБОЙ СВЯЗИ?

Рис. 2.1. Нейроны и синапсы. Изображение двух корковых нейронов. Аксон нижнего пресинаптического нейрона соединяется с дендритом верхнего постсинаптического нейрона через синапс (не виден). Потенциал действия – быстрый «всплеск» напряжения – в пресинаптическом нейроне вызывает небольшое увеличение напряжения постсинаптического нейрона (так называемый возбуждающий постсинаптический потенциал, EPSP). (Изменено с разрешения Feldmeyer et al., 2002)

В качестве очень упрощенной аналогии может служить интернет – еще один пример сети связанных между собой элементов. Представьте себе, что веб-страницы – это нейроны, а однонаправленные гиперссылки – синапсы. Связи между страницами в подавляющем числе случаев устанавливаются внешними законами, точнее, программистами. Но мозг возбуждается самостоятельно, у него нет никакого программиста. Кроме того, в отличие от интернета, для мозга важно не только наличие связи между элементами, но и сила («вес») каждого соединения. Вес синапса определяет степень влияния пресинаптического нейрона на поведение постсинаптического нейрона. Наличие сильного возбуждающего синапса между нейронами A и B означает, что возбуждение A с большой вероятностью вызовет возбуждение B, а если синапс между A и B очень слабый, B почти не обращает внимания на то, что ему велит сделать A. Порядок связывания нейронов и сила синапсов между ними отчасти определяется синаптическими алгоритмами (так называемыми правилами обучения нейронных сетей), записанными в наших генах. Таким образом, гены не кодируют силу синапсов, но определяют алгоритмы ее регуляции3636
  Здесь я немного упрощаю ситуацию. В мозге есть несколько связей и синапсов, которые напрямую контролируются генами, однако, скорее всего, сила большинства синапсов коры определяется правилами синаптического обучения и опытом.


[Закрыть].

В частности, одно из правил обучения, описываемое так называемой моделью пластичности, зависимой от времени импульса (spike-timing-dependent plasticity, STDP), прекрасно иллюстрирует, как в наших синапсах зафиксирована временна́я асимметрия причины и следствия. Рассмотрим два нейрона, изображенные на рис. 2.2: нейрон A связан с нейроном B, а B, в свою очередь, с A. Таким образом, существуют два синапса: A→B и B→A. Можно сказать, что между этими нейронами существует рекуррентная связь: нейрон A подает входной сигнал на нейрон B и наоборот. Теперь давайте предположим, что действие каждого нейрона запускается различными событиями во внешнем мире. Допустим, обладателем нейронов является девочка по имени Зоя, и нейрон А возбуждается в ответ на звук «з», а нейрон B – в ответ на звук «о». Поэтому каждый раз, когда мама или папа произносят имя девочки, первым возбуждается нейрон A, а потом нейрон B, причем нейрон A возбуждается на 25 мс раньше, чем нейрон B. Задача правила обучения заключается в том, чтобы усилить или ослабить синапсы в зависимости от характера активности пре-синаптического и постсинаптического нейрона. В данном случае STDP будет усиливать синапс A→B и ослаблять синапс B→A. Нейробиологам понадобилось удивительно много времени, чтобы осознать это простое правило. Оно было доказательно продемонстрировано только в 1990-х гг.3737
  Вот несколько статей, в которых впервые описывалась модель пластичности, зависимой от времени импульса: Debanne et al., 1994; Markram et al., 1997; Bi and Poo, 1998. Однако в работах 1980-х гг. уже высказывались аналогичные идеи (Levy and Steward, 1983). На практике существует несколько версий правила STDP. Но в целом степень потенциации или депрессии в каждом конкретном случае может сильно изменяться, и обычно несимметричным образом: степень потенциации и депрессии различна при одинаковом абсолютном значении интервала (Abbott and Nelson, 2000; Karmarkar et al., 2002).


[Закрыть] Но его красота очевидна: это правило позволяет синапсам устанавливать причинно-следственную связь между нейронами. Если нейрон A возбуждается раньше нейрона B, он может вносить вклад в возбуждение B, и поэтому этот синапс усиливается. А вот синапс B→A не играет важной роли – как будто кто-то постоянно напоминает вам закрыть дверь после того, как вы ее уже закрыли – и поэтому ослабевает (и в конечном итоге может полностью исчезнуть).

Рис. 2.2. Модель пластичности, зависимой от времени импульса (STDP). Два нейрона взаимосвязаны посредством двух синапсов (черные треугольники). Если нижний нейрон постоянно возбуждается раньше верхнего, синапс от нижнего нейрона к верхнему будет усиливаться (потенциация синаптической передачи), а синапс от верхнего нейрона к нижнему будет ослабевать (депрессия синаптической передачи).

Считается, что способность синапсов обучаться причинно-следственным связям между нейронами отчасти определяет способность мозга обучаться связям между событиями внешнего мира. В нашем примере правило STDP помогает нейронам реагировать на последовательность звуков з-о-я, а не на редко произносимое я-о-з, и тем самым позволяет Зое узнавать свое имя. Но STDP – лишь одно из многих правил обучения в арсенале мозга. Заметим, что STDP использует тончайшее временное разрешение, доступное нервной системе: разница во времени поступления постсинаптических импульсов всего в несколько миллисекунд может определять, будет ли синапс усиливаться или ослабевать. Но этот механизм не учитывает связи между событиями, разделенными по времени на несколько секунд или более. Для решения такого рода задач требуются более сложные механизмы, основанные на действии не двух нейронов, а целых популяций нейронов. Однако тем или иным образом нейроны и синапсы мозга обучаются связывать между собой события, разделенные короткими и длинными промежутками, и позволяют нам осмысливать происходящее вокруг нас.

ОПРЕДЕЛЯЕМ ВРЕМЯ ПО РАЗНОЙ ВРЕМЕННО́Й ШКАЛЕ

Закройте глаза и сосредоточьте внимание на каком-нибудь внешнем звуке, например, на жужжании какого-то прибора. Вы легко можете определить, откуда идет звук – слева или справа. Как мозг находит в пространстве источник звука? Дело в том, что звук, идущий слева, сначала достигает левого уха, а чуть позднее – правого. Разница во времени поступления звука является функцией скорости звука и размера вашей головы. Для человека этот интервал составляет около 10 миллисекунд – в тысячу раз меньше, чем разрешающая способность хронометров, фиксирующих результат бега на стометровку на Олимпийских играх. Определенная зона мозга, отвечающая за обработку звуковых сигналов, измеряет этот интервал и на его основании вычисляет расположение источника звука. Поскольку скорость звука практически постоянна, эволюция развивалась так, что пространство и время для нас как бы комплементарны, поэтому вычисление времени позволяет нам «вычислять» пространство.

С совершенно удивительной точностью мы умеем определять время в чуть более широком диапазоне – от десятков миллисекунд до секунды. В этом диапазоне мы умеем не только оценивать интервал между двумя событиями, но также находить и интерпретировать сложные звуковые построения музыки или речи. Например, длительность слогов или пауз в речи позволяет вычислять границы слов (например, «Бра Тани» или «Брат Ани»). Длительность произношения слов и скорость речи определяют просодию (интонационную манеру) говорящего и характеризуют его эмоциональное состояние: сравните пассивную манеру речи человека с клиническими признаками депрессии и поток сознания возбужденного подростка. То же самое относится к музыке. Например, как указывают такие термины, как grave или allegro, медленный и быстрый темп музыки может использоваться для передачи скорби или веселья. Аналогично тому, как мы улавливаем человеческое лицо среди красочных пятен на полотнах Сера3838
  Жорж-Пьер Сёра (1859–1891) – французский художник постимпрессионист. – Прим. ред.


[Закрыть], так мы улавливаем суть музыки или речи на основании временны́х связей между их элементами. Если вы говорите очень-очень медленно, становится невозможным уловить суть речи, а если исполняете музыкальную пьесу слишком быстро, она перестает быть музыкой (глава 5).

МОЗГ – ЭТО ПРОДУКТ ЕСТЕСТВЕННОГО ОТБОРА И ПОЭТОМУ «СДЕЛАН» ТАК, ЧТОБЫ ЕГО ОБЛАДАТЕЛЬ МОГ ВЫЖИТЬ В ЖЕСТКОМ И БЕСКОНЕЧНО МЕНЯЮЩЕМСЯ МИРЕ. ВЫЯСНЯЕТСЯ, ЧТО ЛУЧШИЙ СПОСОБ ПРЕУСПЕТЬ В ЭТОМ МИРЕ – НАУЧИТЬСЯ ПРЕДУГАДЫВАТЬ, ЧТО ПРОИЗОЙДЕТ В БУДУЩЕМ И КОГДА. ПОЭТОМУ МОЗГ – ЭТО МАШИНА, КОТОРАЯ И ПРЕДУГАДЫВАЕТ БУДУЩЕЕ, И ОПРЕДЕЛЯЕТ ВРЕМЯ.

Измерение времени – не то же самое, что осознание течения времени. Сознание работает слишком медленно, чтобы обнаруживать паузы между словами в реальном времени или выбрать момент, когда пора ловить падающий мяч. Но во временном диапазоне от нескольких секунд мы уже отдаем себе отчет не только в том, что время идет, но и в том, сколько именно времени прошло между теми или иными событиями. Мы осознанно можем предугадать, когда красный сигнал светофора сменится на зеленый. Мы понимаем, что телереклама вот-вот закончится, и возобновится спортивная передача. И мы буквально считаем секунды, пока человек в очереди перед нами не может решить, брать ли ему жареную картошку.