Текст книги "Как мы учимся. Почему мозг учится лучше, чем любая машина… пока"

Часть II
Как учится наш мозг

Споры об относительной роли наследственности и окружающей среды не утихали на протяжении тысячелетий. Подобны ли младенцы tabula rasa – чистому листу или пустому сосуду, которые должен заполнить опыт? Уже в 400 году до нашей эры в своем труде «Государство» Платон отверг представление о том, что наш мозг приходит в мир, будучи лишенным всякого знания. С самого рождения, утверждал он, каждая душа наделена двумя сложными механизмами: силой знания и органом, с помощью которого мы можем учиться.

Как мы уже убедились, две тысячи лет спустя прогресс в сфере машинного обучения заставил ученых прийти к аналогичному выводу. Обучение протекает значительно эффективнее, если машина обладает двумя свойствами: широким пространством гипотез (набором ментальных моделей с множеством возможных настроек) и сложными алгоритмами, которые корректируют эти настройки в соответствии с данными, полученными из внешнего мира. Как однажды сказал один из моих друзей, в дискуссии о роли наследственности и окружающей среды мы недооцениваем и первое, и второе! Чтобы учиться, необходимы две структуры: обширный набор потенциальных моделей и эффективный алгоритм для их адаптации к реальности.

Искусственные нейронные сети делают это по-своему, доверяя представление ментальных моделей миллионам регулируемых связей. Хотя такие системы способны на быстрое и бессознательное распознавание образов или речи, репрезентация более абстрактных гипотез, таких как правила грамматики или логика математических операций, им недоступна.

Человеческий мозг, по всей видимости, функционирует иначе: наши знания множатся за счет комбинирования символов. Согласно данной точке зрения, мы появляемся на свет с огромным количеством возможных комбинаций потенциальных мыслей. Этот язык мышления, включающий абстрактные допущения и грамматические правила, присутствует в нас изначально и порождает необъятное царство гипотез. Теория байесовского мозга гласит: чтобы эти гипотезы проверить, наш мозг должен действовать, как ученый: собирать статистические данные, а затем использовать их для выбора наиболее подходящей генеративной модели.

Такой взгляд на научение может показаться нелогичным. Он предполагает, что мозг каждого маленького ребенка потенциально содержит все языки мира, все объекты, все лица и все инструменты, с которыми он когда-либо сможет столкнуться, а также все слова, факты и события, которые он когда-либо сможет запомнить. Комбинаторика мозга такова, что все эти объекты мысли потенциально уже есть в нем – наряду с соответствующими априорными вероятностями, а также способностью обновлять их на основе текущего опыта. Неужели ребенок в самом деле учится именно так?

Глава 3
Невидимые знания младенцев

На первый взгляд не может быть никаких сомнений в том, что мозг новорожденного младенца начисто лишен всяких знаний. И правда: разве не разумно полагать, как это делал Джон Локк, что ум ребенка – «чистый лист», который приобретает свое содержание исключительно под влиянием окружающей среды? Похожую точку зрения высказывал и Жан-Жак Руссо (1712–1778) в своем трактате «Эмиль, или О воспитании» (1762): «Мы рождаемся способными к учению, но ничего не понимающими, ничего не сознающими»[15]15
  Руссо, Ж.-Ж. Эмиль, или О воспитании. / Ж.-Ж. Руссо. Педагогические сочинения. В 2 т. – М.: Педагогика, 1981. – Т. 1. (Прим. перев.)


[Закрыть]. Почти два столетия спустя Алан Тьюринг, отец современной информатики, выдвинул следующую гипотезу: «Предположительно мозг ребенка – это нечто вроде блокнота, какие покупают в магазине канцелярских товаров: простой механизм, зато множество пустых листов».

Теперь мы знаем, что эта точка зрения в корне ошибочна. Внешность бывает обманчива: несмотря на свою незрелость, новорожденный мозг уже обладает значительными познаниями, унаследованными вследствие долгой эволюционной истории. По большей части, однако, эти знания остаются невидимыми, ибо никак не проявляются в примитивном поведении малышей. Ученым-когнитивистам потребовалась немалая изобретательность, чтобы продемонстрировать огромный репертуар способностей, с которыми рождаются все дети. Объекты, числа, вероятности, лица, речь… диапазон первоначальных знаний младенцев поистине широк.

На интуитивном уровне все мы знаем, что мир состоит из твердых объектов. На самом деле, он состоит из атомов, но на макроуровне, где живем мы, эти атомы часто объединяются в более крупные сущности, которые движутся как единое целое и иногда сталкиваются, не утрачивая при этом своей внутренней связности. Эти большие скопления атомов и есть то, что мы называем «объектами». Существование объектов является фундаментальным свойством окружающей среды. Должны ли мы этому специально учиться? Нет. Миллионы лет эволюции, похоже, запечатлели это знание в самых глубинах нашего мозга. Ребенок, родившийся всего несколько месяцев назад, уже знает, что мир состоит из объектов, которые движутся, занимают пространство, не исчезают без причины и не могут находиться в двух разных местах одновременно³⁸. В некотором смысле мозг младенца уже знает законы физики: он ожидает, что траектория движения объекта будет непрерывной как в пространстве, так и во времени, без каких-либо внезапных скачков или исчезновений.

Откуда нам это известно? Дело в том, что младенцы выказывают явное удивление в определенных экспериментальных ситуациях, нарушающих законы физики. В современных лабораториях исследователи превращаются в настоящих волшебников (см. цветную иллюстрацию 5). В маленьких театрах, специально созданных для малышей, они показывают всевозможные фокусы: предметы на сцене появляются, исчезают, множатся, проходят сквозь стены… Скрытые камеры зорко следят за движением глаз ребенка. Результаты не вызывают сомнений: к магии чувствительны даже те младенцы, которым едва исполнилось несколько недель. Эти крохи уже обладают глубокими интуитивными представлениями о физическом мире и, как и все мы, удивляются, когда их ожидания не оправдываются. Увеличив изображение глаз, ученые определяют, куда смотрят дети и как долго. После этого они могут точно измерить степень удивления и установить, что именно рассчитывали увидеть малыши.

Спрячьте какой-нибудь предмет за книгой, а затем внезапно «уроните» ее на стол, как будто скрытой вещи больше не существует (она упала в специальный люк): дети будут просто ошеломлены! Они не понимают, как твердый предмет мог буквально раствориться в воздухе. Их потрясению нет границ, когда предмет исчезает за одним экраном и вдруг появляется за другим или когда игрушечный поезд, катящийся вниз по склону, беспрепятственно проезжает сквозь стену. Кроме того, дети знают, что предмет – это нечто целое: увидев два конца палочки, которые синхронно движутся по обе стороны экрана, они, естественно, полагают, что за экраном скрывается одна палочка. Вообразите себе их удивление, когда экран опускается и они видят не одну, а две палочки (см. рисунок ниже).

Таким образом, можно утверждать, что младенцы с самого начала обладают обширными познаниями о мире, хотя и не знают всего. Конечно, нет. Обычно им требуется несколько месяцев, чтобы понять, как два объекта могут поддерживать друг друга³⁹. Поначалу они не знают, что если предмет уронить, то он упадет. Лишь очень постепенно дети осознают все факторы, которые заставляют объект падать или оставаться на месте. Прежде всего малыши обнаруживают, что предметы падают, когда теряют опору. Сперва они полагают, что любого контакта достаточно, чтобы игрушка оставалась неподвижной – например, можно положить ее на край стола, и никуда она оттуда не денется. Со временем они выясняют, что игрушка должна находиться не только в контакте со столом, но и на нем, а не под ним или сбоку от него. Наконец, спустя еще несколько месяцев дети понимают, что и этого правила недостаточно: главное, чтобы над столом оставался центр тяжести предмета – вот тогда игрушка точно не упадет!

Младенцы обладают чрезвычайно ранними интуитивными представлениями об арифметике, физике и даже психологии. В ходе экспериментов исследователи исходят из того, что на неожиданные события дети смотрят дольше, чем на ожидаемые. Например, малыши очень удивляются, когда из коробки с черными шарами вдруг выкатывается белый шар (интуитивные представления о числах и вероятностях) или когда за ширмой оказывается не одна палочка, а две (интуитивные представления о физических объектах). Увидев шар, который катится сам по себе, перепрыгивает через некое препятствие, а затем сворачивает вправо, дети делают вывод, что шар – живое существо с собственными целями и намерениями, а потому несказанно изумляются, если он продолжает прыгать даже тогда, когда никаких препятствий нет (интуитивные представления о психологии).

Вспомните об этом в следующий раз, когда ваш ребенок в десятый раз уронит ложку со стола: он просто экспериментирует! Как и всякому ученому, детям необходимо провести целую серию испытаний, чтобы последовательно отвергнуть все неправильные теории. Обычно это происходит в следующем порядке: (1) предметы висят в воздухе; (2) они не упадут, если коснутся другого предмета; (3) они не упадут, если будут лежать на другом предмете; (4) они не упадут, если большая их часть будет находиться выше другого предмета, и так далее и тому подобное.

Данный экспериментальный подход сохраняется и в зрелом возрасте. Мы все с интересом наблюдаем за предметами, которые, как нам кажется, нарушают обычные законы физики (гелиевые шары, мобили, неваляшки со смещенным центром тяжести), и смотрим волшебные представления, в которых кролики исчезают в шляпах, а женщин распиливают пополам. Такие вещи развлекают нас, ибо не согласуются с интуитивными представлениями, которых наш мозг придерживался с рождения и которые активно совершенствовал в первый год жизни. Джош Тененбаум, профессор искусственного интеллекта и когнитивистики в Массачусетском технологическом институте, выдвинул любопытную гипотезу: по его мнению, мозг ребенка содержит своеобразный игровой движок, ментальную симуляцию типичного поведения объектов, подобную тем, которые используются в видеоиграх для моделирования виртуальной реальности. Задействуя эти симуляции в своей голове и сравнивая их с реальностью, младенцы быстро обнаруживают, что физически возможно или вероятно.

Рассмотрим другой пример – арифметику. Разумеется, дети не понимают математику, это же очевидно! И все же, начиная с 1980-х годов, эксперименты свидетельствуют о прямо противоположном⁴⁰. В ходе одного из исследований младенцам показывают слайды с изображением двух предметов, среди которых изредка попадаются изображения с тремя предметами. Дети явно замечают это изменение, ибо смотрят на картинки с тремя предметами гораздо дольше, чем на картинки с двумя. Манипулируя характером, размером и плотностью предметов, ученые убедились, что младенцы действительно реагируют на само их количество, а не на какой-то иной физический параметр. Лучшим доказательством того, что младенцы обладают абстрактным «чувством числа», является способность к обобщению, а именно переходу от звуков к образам: если ребенок слышит «ту-ту-ту-ту» – то есть четыре звука, – он проявляет больший интерес к картинке с четырьмя предметами, чем к картинке с двенадцатью, и наоборот⁴¹. Контролируемые эксперименты такого рода весьма многочисленны; все они убедительно показывают, что дети с рождения обладают интуитивной способностью распознавать приблизительное число объектов, причем независимо от характера представления информации (зрительная или слуховая).

А считать малыши тоже умеют? Предположим, что дети видят, как за ширмой прячут сначала один предмет, а затем второй. Потом ширму опускают, и – о, чудо! – за ней оказывается только один предмет! Младенцы долго и внимательно смотрят за ширму, что свидетельствует о явном удивлении⁴². Если же за ширмой оказываются два предмета, продолжительность взгляда не превышает нескольких мгновений. Это «когнитивное удивление», возникающее при несовпадении реальности и умственных расчетов, показывает, что уже в возрасте нескольких месяцев дети понимают, что 1 + 1 должно составлять 2. Они строят внутреннюю модель невидимой области и умеют ею манипулировать путем добавления или удаления объектов. Что примечательно, такие эксперименты работают не только для 1 + 1 и 2 − 1, но и для 5 + 5 и 10 − 5. При условии, что ошибка достаточно велика, девятимесячные дети удивляются всякий раз, когда фактическое количество предметов не совпадает с умственными расчетами: например, они точно знают, что 5 + 5 не может быть 5, а 10 − 5 не может быть 10⁴³.

Это действительно врожденный навык? Неужели первых месяцев жизни достаточно, чтобы ребенок усвоил основные законы, которые управляют поведением множества объектов? Хотя в течение первых месяцев точность, с которой дети оценивают количество⁴⁴, существенно улучшается, эксперименты показывают, что отправная точка – вовсе не «чистый лист». Новорожденные способны распознавать количество объектов уже через несколько часов после появления на свет – так же как обезьяны, голуби, вороны, цыплята, рыбы и даже саламандры. В случае с цыплятами исследователи контролировали все сенсорные входы: хотя птенцы не видели ни одного объекта в своей жизни, их «чувство числа» никуда не делось⁴⁵.

Такие эксперименты показывают, что арифметика – один из врожденных навыков, которым эволюция наделила не только человека, но и многие другие виды. Соответствующие нейронные сети были обнаружены у обезьян и воронов. Оказывается, их мозг содержит особые «числовые нейроны», которые «настроены» на определенное количество объектов. Одни клетки реагируют на один объект, другие – на два, три, пять или даже тридцать. Как ни странно, числовые нейроны присутствуют даже у тех животных, которые не получили никакого предварительного обучения⁴⁶. С помощью методов нейровизуализации сотрудники моей лаборатории установили: в гомологичных местах человеческого мозга тоже содержатся клетки, реагирующие на мощность множества (т.е. количество элементов конечного множества). Недавно, благодаря новейшей аппаратуре, удалось непосредственно зафиксировать активность таких нейронов в гиппокампе⁴⁷.

Результаты этих исследований опровергают некоторые положения ведущей теории детского развития, сформулированной великим швейцарским психологом Жаном Пиаже (1896–1980). По мнению ученого, понятие «постоянства объектов» – понимание, что объекты продолжают существовать, даже если ребенок их больше не видит, – возникает ближе к концу первого года жизни. Что касается абстрактного понятия числа, Пиаже утверждал, что оно вообще недоступно маленьким детям и медленно формируется спустя несколько лет после рождения, главным образом за счет абстрагирования от более конкретных мер размера, длины и плотности. На самом деле, все как раз наоборот. Понятия объекта и числа являются фундаментальными характеристиками нашего мышления; они представляют собой часть «базовых знаний», с которыми мы приходим в мир, и в сочетании друг с другом позволяют формулировать более сложные мысли⁴⁸.

Чувство числа – лишь один из примеров того, что я называю невидимым знанием младенцев: интуитивных представлений, которыми они обладают с рождения и на которых строится последующее научение. Вот еще несколько навыков, которые исследователи обнаружили у малышей спустя несколько недель после рождения.

От чисел до вероятностей всего один шаг. Ученые уже сделали его, решив выяснить, могут ли дети в возрасте нескольких месяцев предсказать исход лотереи. В ходе эксперимента младенцам сначала показывают прозрачный ящик, внутри которого хаотично перемещаются четыре шара – три красных и один зеленый. В самом низу ящика есть отверстие. В какой-то момент из него выкатывается либо зеленый шар, либо красный. Примечательно, что удивление ребенка напрямую связано с вероятностью происходящего. Если из ящика выпадает красный шар – наиболее вероятное событие, ибо большинство шаров красного цвета, – ребенок смотрит на него одно мгновение. Если же из ящика появляется зеленый шар – весьма неожиданный исход, с вероятностью один к четырем, – взгляд фиксируется на нем гораздо дольше.

Дальнейшие исследования подтверждают: в своих маленьких головках младенцы прогоняют детальную мысленную симуляцию ситуации и связанных с ней вероятностей. Если шары разделены некой перегородкой, перемещаются ближе или дальше от отверстия или выкатываются из ящика с разными интервалами, младенцы интегрируют все эти параметры в свои ментальные вычисления. Длительность их взгляда всегда отражает маловероятность наблюдаемого сценария, которую они, судя по всему, вычисляют исходя из количества задействованных предметов.

Все эти навыки превосходят возможности большинства современных искусственных нейросетей. И действительно, реакция удивления далеко не тривиальна. Удивление свидетельствует о том, что мозг сумел оценить шансы на тот или иной исход и пришел к выводу, что наблюдаемое событие крайне маловероятно. Поскольку во взгляде младенцев видны все признаки удивления, их мозг явно способен к вероятностным вычислениям. Кстати, одна из самых популярных современных теорий функционирования мозга рассматривает этот орган как вероятностный компьютер, который манипулирует распределениями вероятностей и использует их для предсказания будущих событий. Эксперименты показывают, что таким «продвинутым» калькулятором вооружены даже младенцы.

В ходе целой серии исследований было установлено: помимо калькулятора, мозг младенца снабжен всеми механизмами, позволяющими делать сложные вероятностные выводы. Помните математическую теорию вероятностей преподобного Байеса, благодаря которой можно проследить наблюдаемое явление до его вероятных причин? Похоже, дети способны применять правило Байеса уже через несколько месяцев после рождения⁴⁹. Они не только знают, как перейти от ящика с цветными шарами к соответствующим вероятностям (прямая цепочка умозаключений), как мы только что убедились, но и умеют переходить от наблюдений обратно к содержимому ящика (обратная цепочка умозаключений). В одном эксперименте малышам показывают непрозрачный ящик, после чего человек с завязанными глазами вынимает из него несколько шаров. Шары появляются один за другим; большинство из них красного цвета. Могут ли младенцы сообразить, что в ящике лежит множество красных шаров? Да! В конце исследователи открывают ящик. Если оказывается, что большинство шаров зеленые, дети удивляются и смотрят в ящик дольше, чем в ящик, полный красных шаров. Их логика безупречна: если в ящике лежат в основном зеленые шары, как объяснить тот факт, что экспериментатор достал так много красных?

Хотя вам может показаться, что в этом поведении нет ничего особенного, оно подразумевает необычайную способность к имплицитным, бессознательным рассуждениям, работающим в обоих направлениях: на основании случайной выборки младенцы могут угадать характеристики множества, а на основании множества – характеристики случайной выборки.

Таким образом, с самого рождения наш мозг уже наделен интуитивной логикой. В настоящее время существует множество вариантов базовых экспериментов, описанных выше. Все они свидетельствуют об одном: дети ведут себя, как настоящие ученые, и рассуждают, как хорошие специалисты по статистике, исключая наименее вероятные гипотезы и выискивая скрытые причины различных явлений⁵⁰. В частности, американский психолог Фэй Сюй показала, что, если одиннадцатимесячные дети видят, как исследователь достает из контейнера преимущественно красные шары, а затем обнаруживают, что большинство шаров в ящике желтые, они не только удивляются, но и делают дополнительный вывод: этот человек предпочитает красные шары!⁵¹ Если же дети видят, что выборка не случайна, то есть следует определенному шаблону (скажем, желтый шар, красный шар, желтый шар, красный шар), они приходят к заключению, что ее произвел человек, а не машина⁵².

Логика и вероятность тесно связаны. Как говорил Шерлок Холмс, «мой старый принцип расследования состоит в том, чтобы исключить все явно невозможные предположения. Тогда то, что остается, является истиной, какой бы неправдоподобной она ни казалась»[16]16
  Конан Дойль, А. Берилловая диадема. / А. Конан Дойль. Собрание сочинений. В 8 т. – М.: Издательство «Правда», 1966. – Т. 1. (Прим. перев.)


[Закрыть]. Другими словами, мы можем превратить вероятность в уверенность, используя рассуждение для исключения некоторых возможностей. Если ребенок способен «жонглировать» вероятностями, значит, он владеет и логикой, ибо логическое мышление – всего лишь ограничение вероятностного рассуждения вероятностями 0 и 1⁵³. Недавно философ и психолог Люка Бонатти доказал это экспериментально. В его исследованиях десятимесячный ребенок видит, как за ширмой прячут два объекта: цветок и динозавра. Затем один из этих объектов достают, но какой именно – неизвестно: он лежит в горшке, так что видна только верхняя часть. После этого с другой стороны ширмы появляется динозавр. В этот момент ребенок может сделать логический вывод: «В горшке либо цветок, либо динозавр. Но это не может быть динозавр, потому что я только что видел, как он появился с другой стороны. Значит, в горшке цветок». И это работает: ребенок не удивляется, если исследователь достает из горшка цветок, но бурно реагирует, если там оказывается динозавр.

Кроме того, взгляд ребенка отражает интенсивность его логического мышления: как и у взрослого, его зрачки расширяются в тот момент, когда дедукция становится возможной. Малыш – настоящий Шерлок Холмс в пеленках – начинает с нескольких гипотез (это либо цветок, либо динозавр), а затем исключает некоторые из них (это точно не динозавр), тем самым переходя от вероятности к уверенности (это точно цветок).

«Теория вероятностей – язык науки», – говорит нам Джейнс, и младенцы уже знают этот язык: задолго до того, как они произносят первые слова, они манипулируют вероятностями и объединяют их в сложные силлогизмы. Их чувство вероятности позволяет им делать логические выводы из наблюдений. Они постоянно экспериментируют, а их мозг – как и мозг всякого ученого – беспрерывно аккумулирует результаты этих экспериментов.