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

Во время беременности развиваются не только корковые связи, но и соответствующие корковые складки. Во втором триместре кора головного мозга сначала абсолютно гладкая; затем появляется первый ряд гребней, напоминающих мозг обезьяны; наконец, возникают вторичные и третичные складки, типичные для человеческого мозга, – целое множество складок. Их последовательное развитие постепенно становится все более зависимым от деятельности нервной системы. В зависимости от обратной связи, которую мозг получает от органов чувств, одни нейронные сети стабилизируются, а другие, бесполезные, дегенерируют. Именно поэтому складчатость моторной коры немного отличается у левшей и правшей. Примечательно, что для левшей, которых в детстве заставляли писать правой рукой, характерен своего рода компромисс: форма их моторной коры типична для левши, но ее размер демонстрирует левостороннюю асимметрию правши⁷⁹. Как заключают авторы этого исследования, «морфология коры головного мозга у взрослых хранит свидетельства как врожденных сдвигов, так и раннего опыта».

Складки в коре плода обязаны своим спонтанным формированием процессу биохимической самоорганизации, который зависит как от генов, так и от химического окружения клеток. Этот процесс нуждается в крайне скудной генетической информации и не требует никакого научения⁸⁰. Такая самоорганизация далеко не так парадоксальна, как кажется: на самом деле, она встречается повсюду. Представьте, что кора головного мозга – это песчаный пляж, на котором под действием приливов и отливов образуются многочисленные наносы и углубления. Или представьте ее как пустыню, в которой безжалостный ветер день за днем создает впадины и дюны. На самом деле, полосы, пятна и шестиугольные клетки встречаются во всех типах биологических и физических систем: от отпечатков пальцев до полос зебры и пятен леопарда, базальтовых колонн в вулканах, песчаных дюн и облаков в летнем небе, расположенных на равном расстоянии друг от друга. Алан Тьюринг первым объяснил это явление: оказывается, нужно лишь локальное усиление и торможение на некотором расстоянии. Когда ветер дует над пляжем и песчинки начинают собираться в кучки, «запускается» процесс самоамплификации: зарождающийся бугорок ловит другие песчинки, в то время как за ним ветер завихряется и заставляет песок осыпаться; через несколько часов получается дюна. Иными словами, при наличии некоего источника локального возбуждения и торможения возникает плотная область (дюна), окруженная менее плотной областью (вогнутая сторона), за которой следует другая дюна, и так до бесконечности. В зависимости от конкретных обстоятельств спонтанно возникающие узоры образуют пятна, полосы или шестиугольники.

В развивающемся мозге самоорганизация широко распространена: наша кора изобилует колонками, полосами и четкими границами. По всей вероятности, пространственная сегрегация – один из механизмов, с помощью которых гены закладывают нейронные модули, специализирующиеся на обработке разных типов информации. Зрительная кора, например, покрыта чередующимися полосами, которые обрабатывают информацию, поступающую от левого и правого глаз, – их называют глазными доминантными колонками. В развивающемся мозге они появляются самопроизвольно, используя сигналы, порождаемые внутренней активностью сетчатки. Впрочем, аналогичные механизмы самоорганизации могут действовать и на более высоком уровне, захватывая не только поверхность коры, но и более абстрактное пространство. Одним из ярчайших примеров являются нейроны решетки – клетки, которые кодируют местоположение крысы, накладывая на пространство воображаемую координатную сетку из треугольников и шестиугольников (см. цветную иллюстрацию 10).

Клетки решетки – это нейроны, локализованные в особой области мозга крысы, так называемой энторинальной коре. В 2014 году Эдвард Мозер и Мэй-Бритт Мозер получили Нобелевскую премию за открытие их замечательных геометрических свойств. Именно эти ученые первыми записали активность нейронов энторинальной коры во время перемещения животного по очень большой комнате⁸¹. Тогда мы уже знали, что в соседней структуре – гиппокампе – имеются специальные «нейроны места», которые срабатывают только в том случае, если животное находится в некой определенной точке пространства. Революционное открытие Мозеров заключалось в том, что клетки решетки не реагируют на одно конкретное место, а имеют множественные области возбуждения, распределенные по всей окружающей среде. Области возбуждения строго упорядочены: они образуют сеть равносторонних треугольников, сгруппированных в шестиугольники, похожие на пятна жирафа или базальтовые колонны в вулканических породах! Когда животное движется даже в темноте, нейроны решетки подсказывают ему, где оно находится по отношению к сети треугольников, охватывающей все пространство. Нобелевский комитет справедливо назвал эту систему «навигатором мозга»: она обеспечивает надежную нейронную систему координат, отображающую внешнее пространство в виде карты.

Но почему нейроны используют треугольники и шестиугольники, а не прямоугольники и перпендикулярные линии обычных карт? Начиная с Декарта, математики и картографы всегда полагались на две перпендикулярные оси, получившие название «декартовых координат» (x и y, абсцисса и ордината, долгота и широта). Почему же мозг крысы предпочитает набор треугольников и шестиугольников? Скорее всего потому, что нейроны решетки самоорганизуются в процессе развития, а в природе такая самоорганизация часто приводит к образованию шестиугольников – от шкуры все того же жирафа до ульев и вулканических колонн. Сегодня физики наконец-то разобрались, почему гексагональные формы так распространены: они самопроизвольно возникают всякий раз, когда за счет постепенного остывания система переходит от неорганизованного «горячего» состояния к устойчивой структуре (см. цветную иллюстрацию 10). Похожую теорию исследователи предложили и для объяснения появления клеток решетки в энторинальной коре в ходе развития мозга: дезорганизованные группы нейронов постепенно формируют организованную группу клеток решетки, при этом шестиугольники появляются как самовозникающий аттрактор динамики коры⁸². Согласно этой теории, крысе не требуются какие-либо обучающие сигналы, чтобы создать сеткообразную карту. На самом деле, формирование этой нейронной сети не предполагает никакого обучения вообще: она естественным образом возникает из динамики развивающейся коры.

В настоящее время теорию самоорганизации карт мозга проверяют ученые. Эксперименты показывают, что у крыс «встроенный навигатор» в самом деле появляется на очень ранних стадиях развития. Двум независимым группам исследователей удалось вживить электроды в новорожденных крысят, которые только-только начали ходить⁸³. Главный вопрос был сформулирован следующим образом: действительно ли к этому времени в энторинальной коре уже имеются нейроны решетки, нейроны места и нейроны направления головы – третий тип клеток, действующих наподобие корабельного компаса и срабатывающих, когда животное движется в определенном направлении, например на северо-запад или юго-восток. В итоге исследователи обнаружили, что вся система является практически врожденной: активность нейронов направления головы регистрируется с самого начала, а нейроны места и нейроны решетки появляются через один или два дня после того, как крысята начинают самостоятельно перемещаться в пространстве.

Эти данные, безусловно, интересны, но неудивительны: для большинства животных, от муравьев до птиц, рептилий и млекопитающих, составление карт – важнейшая задача. Начиная исследовать мир, щенки, котята и человеческие младенцы должны точно знать, где находятся, и уметь найти дорогу домой, где их ждут мамы. Без этого выживание невозможно. В далеком прошлом эволюция, похоже, нашла способ снабдить новорожденный мозг компасом, картой и подробным «журналом» всех мест, в которых он побывал.

Неужели такая нейронная навигационная система существует и в человеческом мозге? Да. На основании косвенных данных мы знаем, что мозг взрослого человека тоже содержит нейронную карту с гексагональной симметрией, причем расположена она в том же самом месте, что и у крыс (энторинальная кора)⁸⁴. Кроме того, мы знаем, что даже очень маленькие дети обладают развитым чувством пространства. Малыши от года и старше без труда ориентируются в комнате: если их перенести из точки А в точку Б, а затем в точку В, они запросто смогут вернуться из точки В в точку А по прямой – и, что примечательно, сделают это, даже если слепы от рождения. Следовательно, в мозге детенышей человека, как и крысы, имеется специальный модуль для пространственной навигации⁸⁵. К сожалению, пока нам не удалось непосредственно увидеть эту карту: получить изображение работающего мозга в столь юном возрасте крайне трудно (попробуйте сделать МРТ ребенку, который все время куда-то ползет!). И тем не менее мы уверены, что найдем ее, как только появятся соответствующие мобильные методы исследования.

На самом деле, в мозге ребенка существуют и другие специализированные модули – примеров множество. В частности, мы знаем, что в возрасте нескольких месяцев (хотя, возможно, и не с самого рождения) зрительная кора уже содержит область, которая реагирует преимущественно на лица, а не на изображения домов⁸⁶. По всей видимости, ее формирование частично является результатом научения, однако строго регулируется связанностью мозга – конфигурацией межнейронных связей. Эти связи гарантируют, что у всех людей за распознавание лиц отвечает одно и то же место, плюс-минус несколько миллиметров. В результате образуется один из самых специфических модулей коры – участок, до 98 процентов нейронов которого специализируются на лицах и практически не реагируют на другие образы.

Возьмем другой пример. Установлено, что уже в самом раннем возрасте теменная кора способна реагировать на количество объектов⁸⁷. При этом активность регистрируется в той же самой области, которая задействована у взрослых, когда они складывают 2 и 2, и у обезьян, запоминающих, сколько предметов им показали. Что касается обезьян, немецкий нейробиолог Андреас Нидер доказал: этот участок коры действительно содержит нейроны, чувствительные к количеству объектов, – существуют нейроны для одного объекта, двух, трех и так далее. Как ни странно, эти нейроны присутствуют даже в том случае, если данную конкретную обезьяну никогда не учили решать числовые задачи. Таким образом, логично предположить, что модули формируются до рождения и в дальнейшем продолжают развиваться под влиянием окружающей среды. Я и мои коллеги разработали точную математическую модель самоорганизации числовых нейронов, основанную на волнообразном распространении активности по поверхности развивающейся коры. Предложенная нами теория может объяснить свойства числовых нейронов во всех подробностях. Согласно модели, клетки образуют своего рода числовую прямую – линейную цепочку, которая спонтанно возникает из сети случайно соединенных нейронов, в которой числа один, два, три, четыре и так далее расположены последовательно⁸⁸.

Концепция самоорганизации радикально отличается от классического (но ошибочного) представления о мозге как о tabula rasa – «чистом листе», преимущественно лишенном первоначальной структуры и обретающем форму исключительно под влиянием окружающей среды. На самом деле, чтобы мозг мог построить карту или числовую прямую, требуется очень мало данных (или они не требуются вообще). Именно самоорганизация отличает мозг от искусственных нейронных сетей, доминирующих в инженерном подходе к искусственному интеллекту. Сегодня ИИ практически синонимичен большим данным. Все потому, что эти сети невероятно «прожорливы»: они начинают действовать разумно только после того, как им скормят гигабайты данных. Человеческий мозг, напротив, не требует столь обширного опыта. Его основные узлы – модули, в которых хранятся ключевые знания, – развиваются главным образом спонтанно, возможно, только за счет внутреннего моделирования.

Лишь немногие современные ученые, такие как профессор Массачусетского технологического института Джош Тененбаум, всерьез пытаются внедрить данный тип самоорганизации в искусственный интеллект. В настоящее время Тененбаум и его коллеги работают над «виртуальным ребенком» – системой, которая была бы изначально способна самостоятельно генерировать миллионы мыслей и образов. Предполагается, что эти внутренние данные послужат основой для обучения остальной части системы, а потому в дальнейшем ей не потребуется никаких дополнительных сведений извне. Согласно этой радикальной теории, фундамент ключевых нейронных сетей закладывается посредством самоорганизации еще до рождения, путем самозагрузки из базы данных, генерируемой внутри системы⁸⁹. Большая часть подготовительных работ осуществляется внутри, в отсутствие какого-либо взаимодействия с внешним миром; остается произвести только окончательные корректировки на основании дополнительных данных, которые мы получаем из окружающей среды.

Вывод, вытекающий из этого направления исследований, акцентирует совокупную роль генов и самоорганизации в развитии человеческого мозга. При рождении кора ребенка сложена почти так же, как у взрослого. Она уже разделена на специализированные сенсорные и когнитивные области, взаимосвязанные точными и воспроизводимыми пучками волокон, и содержит целый набор частично специализированных модулей, каждый из которых проецирует определенный тип представлений на внешний мир. Нейроны решетки энторинальной коры рисуют двумерные плоскости, идеально подходящие для навигации в пространстве. Как мы увидим далее, другие области, например теменная кора, рисуют линии, позволяющие кодировать линейные величины, включая количество, размер и время; зона Брока проецирует древовидные структуры, идеально подходящие для кодирования синтаксиса языков. Иными словами, от нашей эволюции мы наследуем набор фундаментальных правил; впоследствии мы выберем из них те, которые наилучшим образом описывают ситуации и понятия, с которыми нам придется столкнуться в течение жизни.

Постулируя существование универсальной человеческой природы, врожденной системы нейронных связей, формирующейся благодаря генам и самоорганизации, я вовсе не отрицаю существование индивидуальных различий. Приглядевшись, мы увидим, что каждому мозгу с самого начала присущи его собственные, уникальные черты. Например, складки коры, как и отпечатки пальцев, закладываются до рождения и отличаются даже у однояйцевых близнецов. Аналогичным образом сила и плотность дальних связей и даже их точные траектории существенно варьируются, обеспечивая неповторимость каждого «коннектома».

Тем не менее важно понимать, что эти вариации не затрагивают общую основу, которая остается неизменной. Мозг Homo sapiens формируется согласно четкому плану, подобно последовательности аккордов, которые запоминают джазовые музыканты, разучивая новую мелодию. Превратности генома и беременности, разумеется, могут внести свои коррективы, однако никакие импровизации не заглушат основную «нейронную тему», характерную для всех людей. Наша индивидуальность реальна, но переоценивать ее не следует: каждый из нас есть всего-навсего вариация на мелодическую линию Homo sapiens. У каждого из нас – черного и белого, азиата и коренного американца – архитектура мозга очевидна. С этой точки зрения кора любого человека отличается от коры нашего ближайшего родственника, шимпанзе, точно так же, как любая импровизация на тему My Funny Valentine отличается, скажем, от импровизации на тему My Romance[21]21
  My Funny Valentine и My Romance – известные джазовые композиции Ричарда Роджерса (музыка) и Лоренца Харта (слова) 1937 и 1935 годов соответственно. (Прим. перев.)


[Закрыть].

Всем нам изначально присущи одинаковая структура мозга, одинаковые базовые знания и одинаковые алгоритмы научения, которые позволяют приобретать дополнительные навыки. Все мы обладаем одинаковым человеческим потенциалом – будь то в чтении, естественных науках или математике, причем независимо от того, слепы мы, глухи или немы. Как заметил в XIII веке британский философ Роджер Бэкон (1220–1292), «математические знания как бы врожденны… Эта наука самая легкая, что очевидно из того, что она доступна уму каждого. Ибо миряне и люди, вовсе не умеющие читать и писать, умеют считать…» То же самое, безусловно, можно сказать и о речи: практически нет детей, которые не испытывали бы мощного врожденного стремления овладеть языком своего окружения, хотя, как я уже отмечал выше, ни один шимпанзе – даже тот, который с рождения живет в человеческой семье, – не способен произнести больше нескольких слов или соединить больше нескольких знаков.

Вкратце: индивидуальные различия реальны, но почти всегда носят скорее количественный, нежели качественный характер. Лишь в крайних точках колоколообразной кривой мозговой организации нейробиологические вариации могут привести к фактическим когнитивным различиям. В последнее время все больше ученых приходят к выводу, что дети с нарушениями развития находятся на концах этой кривой. В какой-то момент их развивающийся во время беременности мозг будто свернул с правильного пути, который ведет от генетического наследования к миграции нейронов и самоорганизации нейронных сетей.

Особенно это очевидно в случае дислексии, специфического нарушения развития, которое влияет на способность к овладению чтением, но не затрагивает интеллект и другие функции. Если вы страдаете дислексией, вероятность ее наличия у ваших братьев и сестер составляет 50 процентов, что указывает на генетическую природу этого расстройства. Сегодня с дислексией ассоциируют по меньшей мере четыре гена – большинство из них приводят к нарушениям миграции нейронов в коре головного мозга в период внутриутробного развития⁹⁰. Кроме того, МРТ показывает выраженные аномалии в нейронных связях левого полушария, отвечающих за чтение⁹¹. Что важно, эти аномалии могут быть обнаружены в самом раннем возрасте. Например, в группе детей с генетической предрасположенностью к дислексии способность различать фонемы устной речи уже в шесть месяцев позволяет определить, у кого проявится это нарушение, а кто будет читать нормально⁹². И действительно, фонологический дефицит считается главным фактором возникновения дислексии. Впрочем, он отнюдь не является ее единственной причиной: механизм чтения достаточно сложен, а значит, есть много мест, где он может дать сбой. В настоящее время описаны разные типы дислексии, включая дефицит внимания, из-за которого ребенок путает буквы в соседних словах⁹³, и зрительные нарушения, которые приводят к «зеркальным» ошибкам⁹⁴. Судя по всему, дислексия находится в нижней точке колоколообразного континуума зрительных, слуховых и фонологических способностей, которые варьируются от нормы до выраженного дефицита⁹⁵. Все мы Homo sapiens, но немного отличаемся друг от друга по степени проявления нашего наследия, что, по всей вероятности, обусловлено полуслучайными вариациями в формировании нейронных сетей на ранних стадиях.

Практически то же самое можно сказать и о других аномалиях развития. Дискалькулия, например, связана с меньшим объемом серого и белого вещества в дорсальных теменных и лобных отделах, отвечающих за вычисления и математические способности⁹⁶. У преждевременно рожденных детей с перивентрикулярными инфарктами в теменной области, отвечающей за «чувство числа», риск дискалькулии особенно высок⁹⁷. Неврологическая дезорганизация на ранней стадии развития может вызвать дискалькулию – либо непосредственно воздействуя на базовые знания о множествах и величинах, либо отсоединяя их от других областей, задействованных в усвоении цифровых слов и арифметических символов. В любом случае результатом является предрасположенность к трудностям в овладении математикой. Таким детям, вероятно, потребуется дополнительная помощь, чтобы укрепить их слабые интуитивные представления о числах.

Поскольку наш разум мыслит крайностями (черное – белое, хорошее – плохое), мы склонны преувеличивать последствия научных открытий касательно генетической природы нарушений развития. Ни один из генов, ассоциированных с дислексией, дискалькулией или, если уж на то пошло, любой другой патологией в развитии, включая аутизм и шизофрению, не является стопроцентным приговором. Самое большее, на что способны гены, – это склонить чашу весов в ту или иную сторону. Не менее важную роль в пути развития, по которому в конечном счете пойдет ребенок, играет окружающая среда. Мои коллеги, работающие в сфере специального образования, убеждены: при достаточных усилиях любая форма дислексии и дискалькулии поддается коррекции. А значит, настало время обратиться ко второму главному игроку в развитии мозга – нейропластичности.