Transcript

Hermann HakenMaria Haken-Krell

Erfolgsgeheimnisse derWahrnehmungSynergetik als Schltissel zum Gehirn

Ullstein

Г. ХАКЕН, М. ХАКЕН-КРЕЛЛЬ

Тайны восприятия

Перевод с немецкого А. Р. Логунова

Москва

2002

УДК 536

Интернет-магазин ,^ « ф и з и к а

• м а т е м а т и к а

• б и о л о г и я

http://shop.rcd.ru « т е х н и к а

Хакен Г., Хакен-Крелль М.

Тайны восприятия. — Москва: Институт компьютерных исследований, 2002,

272 стр.

Главная идея этой книги такова: человеческий мозг является самоорганизую-щейся системой. И хотя эта система — самая сложная из всех известных нам, она всеже соответствует принципам синергетики. Синергетика — это созданная ГерманомХакеном наука о взаимодействии. На законах синергетики основан и новый тип ком-пьютера, обладающий основными сюйствами человеческого восприятия. Эта книгапредлагает нам новый ключ к пониманию важнейших функций головного мозга.

Для широкого круга читателей.

ISBN 5-93972-141-9

© der Originalausgabe 1992 by

Deutsche Verlags-Anstalt GmbH, Stuttgart

© Перевод на русский язык,

Институт компьютерных исследований, 2002

http://rcd.ru

Оглавление

Об этой книге 7

Предисловие 8

ЧАСТЬ I. Синергетика 10

1. Дух и материя 102. Основные принципы синергетики 143. Синергетика в живой природе 344. Электрическая активность мозга 415. Гештальтпсихология 45

ЧАСТЬ II. Мозг. Материальный субстрат: от макроскопическогок микроскопическому 526. Мозг и его элементы — нейроны 53

а) Исследования мозга: вчера и сегодня 53б) Нейрон — основной элемент нервной системы 56в) Строение и функции мозга 64

7. Обучение и память: что нам известно обо всем этом на самомделе? 74

8. Глаз и фотоаппарат 839. Зрительное восприятие пространства 8910. Сетчатка: мозг в миниатюре 91

а) Похожа ли сетчатка на фотопленку? 91б) Зрительные клетки — клетки, воспринимающие свет . . . 92в) Архитектура сетчатки 98г) Обработка сигналов в сетчатке 102д) Принципы функционирования рецептивных полей ПОе) Рецептивные поля и зрение 115

11. Зрительный тракт 12012. Зрительная область коры головного мозга 124

а) История исследования 124б) Анатомия зрительной коры головного мозга 126в) Рецептивные поля в коре и в глазах 130г) Восприятие целого 140

13. Цветовое зрение 14214. Когерентность в мозге 149

6 Оглавление

ЧАСТЬ III. Самоорганизация восприятия 153

15. Что происходит после гиперкомплексных клеток? 153

16. Синергетика и распознавание образов 155

17. Распознавание образов в синергетическом компьютере 158

18. Сетевая архитектура синергетического компьютера — шаг

к мозгу 162

19. Холмистые ландшафты процесса восприятия 163

20. Еще одна сетевая реализация синергетического компьютера:

«бабушкины клетки» 168

21. Несколько задач на распознавание 171

22. Распознавание синергетическим компьютером зашумленных

и профильтрованных изображений 175

23. Плоские трансформации изображений — первый подход к рас-

познаванию 182

24. Плоские трансформации изображений — альтернативное ре-

шение 194

25. Распознавание сложных сцен 198

26. Очарование амбивалентности 201

27. Восприятие двойных картинок в компьютерной модели . . . . 207

28. Колебания периодов восприятии 212

29. Восприятие двойственных изображений как зеркало эмоций . . 2 1 3

30. Восприятие движения человеком и компьютером 214

31. Нейрокомпьютер: традиционный путь 219

32. Обучение синергетического компьютера 228

33. Мозг и идеал красоты 233

34. Восприятие есть создание реальности 236

35. Другие вопросы, связанные со зрительным восприятием . . . . 241

ЧАСТЬ IV. Выводы 245

36. Что мы понимаем под «пониманием»? 245

37. Немного философии 250

38. Синергетика — ключ к пониманию мозга 252

Список литературы и примечания 255

Именной указатель 261

Предметный указатель 263

Источники иллюстраций 269

Об этой книге

При восприятии нами мира большая часть информации поступает че-рез глаза в мозг, которому удается как бы играючи познавать и анализиро-вать окружающую нас реальность. Однако если инженер возьмется скон-струировать робота, который познавал бы объективный мир подобно чело-веку, то он столкнется с непреодолимыми трудностями. Биологов и медиковэто не удивляет: исследуя мозг под микроскопом, они обнаруживают мил-лиарды нервных клеток, связанных друг с другом наисложнейшим образом.

Главная идея этой книги такова: человеческий мозг является самоорга-низующейся системой. И хотя эта система — самая сложная из всех извест-ных нам, она все же соответствует принципам синергетики. Синергетика —это созданная Германом Хакеном наука о взаимодействии. На законах си-нергетики основан и новый тип компьютера, обладающий основными свой-ствами человеческого восприятия. Эта книга предлагает нам новый ключк пониманию важнейших функций головного мозга.

Предисловие

Читая эти слова, Вы, конечно же, понимаете, что книга, которую Выдержите в руках — это часть реального мира. Но осознаете ли Вы, что этакнига существует и в Вашем мозге? Скорее всего, Вы согласитесь с этим: да,существует — как идея. Исследователи мозга возразят: нет, книга существуетв мозге совершенно материально. Как это возможно? Ну, скажем, в видеэлектрических и химических процессов. Но разве эти процессы являютсячем-то материальным? Да, в той или иной степени . . . примерно так же,как волны на воде. Но ведь вода же и в самом деле материальна! Однакоученые, занимающиеся квантовой физикой, утверждают, что вода состоитиз волн материи. Весь мир состоит из событий, и о том, что эти событияпроисходят, мы можем узнать, только восприняв их, — именно эти субстратымы и называем материей.

Какое же отношение все это имеет к книге в Вашей голове? Все, чтоВы воспринимаете, оказывается в этой самой голове. Но то, что Вы вос-принимаете — это еще не весь мир. Кое-что Вы пропускаете, и это можетзависеть от Вашего, к примеру, внимания (которое само зависит от многого:от настроения, от гормонального фона и т. п.). Мысль о том, что мир внутриВас так же реален, как и тот мир, что Вас окружает, возможно, понравиласьВам. Теперь Вы, наверное, захотите узнать, как этот внутренний мир су-ществует. Как он выглядит снаружи, мы, пожалуй, знаем. Как он выглядитвнутри — внутри Вас — остается загадкой, разгадыванием которой мы инамерены заняться.

Наша книга связана с книгой «Тайны Природы», написанной однимиз нас, Г. Хакеном — основателем синергетики, учения о взаимодействии.В ней показано, что синергетика лежит в основе множества разнообразныхявлений Природы — как живой (включая человеческое общество), так инеживой — словом, повсюду, где идут фундаментальные процессы самоор-ганизации.

В настоящей книге речь пойдет о человеческом мозге, самом заво-раживающем образовании из всех, предоставленных нам Природой. Всезнания о человеческом мозге, естественно, затрагивают сущность нашеговнутреннего Я, а потому оказываются одновременно и захватывающими, ипугающими. Захватывающими — ведь мы, может быть, получаем ключи к

Предисловие 9

нашему внутреннему миру; пугающими — из-за возможных последствий.Исследования мозга различными методами и на всех доступных уровняхзанимают все больше и больше места в науке и имеют все более серьезноезначение в общественном сознании. В 1991 году Президент США Дж. Бушобъявил последнее десятилетие XX века десятилетием исследований мозга.

Наша книга призвана сделать материалы исследований мозга доступ-ными для всех, кто заинтересуется этими проблемами, причем синергетикасыграет здесь ключевую роль. Опыт показывает, что значение многообраз-ных связей, существующих в мозге, поддается глобальному анализу тольков свете принципов синергетики. Таким образом, возникает новая парадигма:мозг с его потрясающими возможностями — это не жесткая конструкция,подобная компьютеру, а живая самоорганизующаяся система. В дальнейшеммы попытаемся поближе познакомить читателя с некоторыми современны-ми исследованиями и отдать тем самым, как и предыдущей нашей книгой,хотя бы часть долга исследователя перед обществом. Общие контуры сего-дняшних исследований должны при этом, естественно, проясниться.

Мы выражаем благодарность за создание и подготовку многочислен-ных иллюстраций Армину Фуксу, Рихарду Хаасу, Роберту Хёнлингеру,Вольфгангу Лоренцу и Мартину Шинделю.

Особой благодарности заслуживает г-жа Ирмгард Мёллер, котораяс огромным энтузиазмом и огромным тщанием отнеслась к подготовкенескольких вариантов нашей рукописи.

Ну и конечно же, мы благодарны издательству — и особенно докторуРейнхарду Лебе и г-же Марго Адрион — за ставшее уже традиционнымдоброе сотрудничество.

Штутгарт, Герман Хакенфевраль 1992 года Мария Хакен-Креллъ

ЧАСТЬ I

Синергетика

1. Дух и материя

Загадочные отношения между духом и материей завораживали людейеще в глубокой древности. Однако кажущаяся нам сейчас столь очевиднойсвязь между мозгом и мышлением оставалась для них тайной. Древниегреки, например, называли мозг encephalos, что означает приблизительно«то, что содержится в голове». Никаких более точных представлений уних не было. Впрочем, уже Гиппократ пришел к выводу, что мозг имеетотношение к мышлению; Аристотель, однако, придерживался совершен-но противоположного мнения, считая местом обитания человеческого духасердце. И только во II в. н. э. греко-римскому врачу Клавдию Галену удалосьокончательно установить, что именно мозг является органом мышления ивосприятия. Гален изучал анатомию человека, наблюдая раненных гладиа-торов и вскрывая трупы животных. В наш же, просвещенный естественно-научным мышлением век систематическими исследованиями деятельностичеловеческого мозга занимаются несколько различных дисциплин: психо-логия, лингвистика, психофизика и (в патологических случаях) психиатрия.С другой стороны, мозг как материальное образование сам является объ-ектом интенсивного изучения в нейроанатомии, физиологии, нейрохимиии нейрофизике (последняя занята исследованием электромагнитных полей,генерируемых головным мозгом).

В начале книги мы будем руководствоваться именно таким раздельнымподходом к изучению мозга: с одной стороны, исследованием его психиче-ской деятельности, а с другой стороны — его физического строения. Мы по-знакомимся с исследованиями, рассматривающими мозг как невообразимойсложности узор, состоящий из отдельных нервных клеток (так называемыхнейронов), обладающих определенными свойствами. И хотя описываемыйздесь метод, основанный преимущественно на экспериментальных данных,приводит к поразительным заключениям о том, как функционирует мозг науровне нейронов, пользуясь лишь этим методом, невозможно понять, какже все-таки протекает процесс восприятия, и ключевой вопрос — как от-

1. Дух и материя 11

дельные нейроны, взаимодействуя, обеспечивают этот процесс — остаетсябез ответа.

Ответ мы попытаемся найти, основываясь преимущественно на прин-ципах синергетики — науки, в которой понятие «взаимодействие» играетцентральную роль. В этом и будет заключаться второй — синергетический —подход к изучению мозга, причем границы этого подхода будут подвергнутывсестороннему критическому анализу.

Мы, конечно же, не ожидаем, что наш читатель окажется экспертом вобласти синергетики; мы предполагаем даже, что само понятие может ока-заться для него новым. Уже в следующей главе мы покажем, как просты иодновременно поразительны основные идеи, породившие это направлениев науке. При синергетическом подходе к изучению деятельности мозга длянас становится особенно важным выразить наши мысли как можно болееконкретно. Поэтому мы не только дадим качественную картину применениясинергетики в исследованиях деятельности нейронов, но и представим си-нергетический компьютер как детализированную модель процессов мышле-ния и восприятия, с помощью которой мы займемся подробным изучениемудивительной связи между процессами, протекающими на микроскопиче-ском уровне (нейроны), и макроскопическими процессами, характеризую-щими восприятие. Здесь нам необходимо оговорить возможные недоразу-мения. Говоря о синергетическом компьютере, мы не имеем в виду созда-ние некоей усовершенствованной модели уже существующих компьютеров;речь идет, скорее, о том, что теперь модно называть новой парадигмой. Мыопределяем мозг как самоорганизующуюся систему; компьютер обеспечи-вает детальное моделирование процессов самоорганизации такой системы.Это очень похоже на процессы роста и развития, протекающие в живойприроде. Мы вполне можем воспроизвести на компьютере целый ряд такихпроцессов, но вряд ли кто-нибудь возьмется утверждать, что компьютериграет сколько-нибудь важную роль в процессах, реально протекающих вприроде.

Что же побуждает нас определить мозг как самоорганизующуюся си-стему, и что вообще представляет собой самоорганизация? Сделаем дляначала несколько вводных замечаний. Как известно, вся наследственнаяинформация передается определенными молекулами, называемыми ДНК.Исходя из этого можно предположить, что ДНК выступает в роли некоегопроекта, по которому происходит «строительство» нейронных связей и ко-торый с самого начала предопределяет «монтажную схему» мозга. Однакоэксперименты, проводившиеся известными нейрологами, выразительней-шим образом доказывают, что формирование синапсов, т. е. межнейронных

12 Часть I

связей, в значительной степени определяется влиянием окружающей сре-ды. Опишем в нескольких словах один из подобных экспериментов. Со-всем маленькому котенку один глаз завязывают, а второй оставляют от-крытым; участок мозга, который «в проекте» должен был отвечать за зре-ние и предназначался для двух глаз, перестраивается таким образом, чтовесь целиком оказывается занят обработкой зрительной информации, вос-принимаемой только одним, оставшимся открытым, глазом. Когда же наболее поздней стадии развития котенка освобождают от повязки, инфор-мация, воспринимаемая вполне здоровым глазом, уже не обрабатываетсямозгом, и котенок остается в некотором смысле «одноглазым», хотя имеетдва вполне видящих глаза и должен, казалось бы, пользоваться ими обои-ми. Результаты этого эксперимента применимы и к человеку: если ребенку,имеющему врожденные дефекты зрения, вовремя не оказана необходимаяпомощь, в мозге образуются неверные нейронные связи, и ребенку уженикогда не удастся вернуть нормальное зрение. В другом эксперименте ко-тят помещали в окружение, полностью лишенное вертикалей; впоследствииживотные оказывались в состоянии воспринимать только горизонтальныелинии. Эти факты ясно показывают, что мозг в процессе формированиясинапсов выступает как самоорганизующаяся система. Естественно, основ-ные структуры задаются ДНК, однако Природа с успехом поддерживаетхрупкое равновесие между предопределенностью структур и процессамиих самоорганизации.

Но процессы самоорганизации оказываются значимыми не только вовремя роста и развития мозга — они оказывают влияние и на формирова-ние мышления. Уместен вопрос: будут ли общие принципы самоорганиза-ции, открытые в рамках синергетики, распространяться и на мозг? Иссле-дования в области синергетики обнаруживают практически повсеместноераспространение этих принципов, и было бы, наверное, странно, если быони остались неиспользованными Природой при создании мозга. Для тогочтобы превратить это несколько расплывчатое предположение в реальныйключ к пониманию психической деятельности мозга, вернемся к уже упо-минавшемуся синергетическому компьютеру. Такой компьютер оказываетсяв состоянии воспроизвести основные процессы восприятия человеческиммозгом окружающего мира; построен же этот компьютер на синергетиче-ском принципе самоорганизации.

Здесь, пожалуй, необходимо сказать несколько слов об истории ком-пьютерного моделирования. В связи с развитием электроники особую важ-ность приобрел вопрос о том, способны ли машины достичь человеческогоуровня психической деятельности (и не превзойдут ли они нас?!). В 50-е

1. Дух и материя 13

годы в США этот вопрос даже послужил причиной возникновения совер-шенно нового научного направления, связанного с так называемым искус-ственным интеллектом. В наши дни никого не удивляет, что обычные персо-нальные компьютеры способны не только оперировать числами (например,складывать, умножать, делить и т. п.), но и выступать в роли текстовыхпроцессоров, т. е. выстраивать и упорядочивать ряды букв или других сим-волов. Однако в те времена, на заре компьютерной эры, открытие того,что компьютеру подвластны не только числа, но и символы вообще, былоподлинной революцией. Ведь что, собственно, представляют собой мысли-тельные процессы? Да не что иное, как некое упорядочивание символовв соответствии с определенными законами (так тогда полагали). Сегоднявряд ли кто-нибудь станет утверждать, что текстовый процессор способенмыслить; и в самом деле, до сих пор никто не смог добиться ни от одноготекстового процессора ни одной оригинальной, лично им сочиненной идеи.Однако обработка символов им дается легко, и уровень ее повышается скаждым годом; программисты собирают дань уважения и восхищения.

И все же сложности остаются. Даже самые быстродействующие изкомпьютеров оказываются слишком медлительны для того, чтобы воспро-извести некоторые психические способности человеческого мозга. Одна изних — способность к распознаванию образов. И эта медлительность темболее поразительна, что нейроны (отвечающие за обработку информацииэлементы нашего мозга) обладают меньшей скоростью реакции, нежелисоответствующие им элементы компьютерных процессоров. Единственнымвыходом из этого парадокса может, пожалуй, послужить идея о том, что про-цессы, связанные с распознаванием образов человеческим мозгом, протека-ют не последовательно, как это происходит в «голове» компьютера, а парал-лельно. Уже в 1943 году американскими исследователями У. Маккаллоком иУ. Питтсом была представлена математическая модель нейронных связей,которая — при всей ее упрощенности — оказалась способной к осуще-ствлению целого ряда логических операций. Модель имела заслуженныйуспех, но вскоре оказалась почти совсем забыта — и пребывала в забве-нии вплоть до 80-х годов. Ренессанс ее был связан с начавшимися в этовремя интенсивными исследованиями в области создания так называемыхнейрокомпьютеров, о которых мы еще будем говорить в этой книге. Ис-следования эти, как мы увидим позже, были сопряжены с целым рядомпринципиальных проблем, само возникновение которых свидетельствовалоо том, что избранный учеными путь к пониманию когнитивных способно-стей человеческого мозга — далеко не единственный. Альтернатива все таже: концепция синергетического компьютера.

14 Часть I

Исходным пунктом наших рассуждений служит идея о том, что пси-хическая деятельность мозга протекает в соответствии с основными прин-ципами самоорганизации — законами, которым подчинены и мозг, и си-нергетический компьютер. На сегодняшний день это предположение яв-ляется, возможно, лишь смелой гипотезой, которую, впрочем, мы можемпостепенно проверить. При этом, конечно, чрезвычайно важно сконцен-трировать внимание на таких психических процессах, которые могут бытьисследованы с наибольшей возможной точностью и достоверностью. Сдругой стороны, эти процессы должны быть достаточно сложными, что-бы подтвердить валидность результатов и значимость нашей концепциив целом.

Исходя из этих требований мы решили избрать в качестве объекта ис-следования область психической деятельности, ограниченную зрительнымвосприятием. Изучая круг вопросов, касающихся обработки поступающейв мозг визуальной информации, мы ознакомимся и с результатами пси-хологических и психофизических исследований, демонстрирующих удиви-тельную соотнесенность с общей концепцией синергетики. И наконец, мыпокажем, как синергетический компьютер в качестве модели самооргани-зации оказывается мостом между нейронным микромиром и восприятием,осуществляющимся на макроскопическом уровне.

2. Основные принципы синергетики

Эта книга посвящена человеческому мозгу и некоторым аспектам егопсихической деятельности; поэтому, на первый взгляд, может показатьсястранным, что глава, рассказывающая об основных принципах синергети-ки, снабжена в качестве иллюстраций примерами из физики, относящимисяк миру неживой материи. Но в этой главе (а также в главе 5) мы будем рас-сматривать понятие «образа», и благодаря соответствующим физическимконцепциям нам удастся показать связи, характеризующие это, по сути дела,абстрактное понятие. Связи, о которых идет речь, имеют в рамках синерге-тики строгую математическую формулировку, приведение которой, однако,не является целью нашей книги. Стремясь обойтись без формул, мы по-пытаемся с помощью относительно простых примеров из области физикипоказать в действии некие общие закономерности, распространяющиеся нетолько на мир неживой природы, но и на такие объекты живого мира, какчеловеческий мозг. Читателям же, желающим глубже проникнуть в тему,мы предлагаем прочесть книги, посвященные этой проблематике: «Тайны

2. Основные принципы синергетики 15

Природы» Германа Хакена1 и «Самоструктурирование материи» ГерманаХакена и Арне Вундерлина2. В первой синергетика представлена совер-шенно без привлечения математики, вторая же потребует математическихзнаний в объеме высшей школы.

Рассмотрим два физических примера, ставших уже классикой синерге-тики: подогреваемую снизу жидкость и источник лазерного излучения. Прислабом нагревании какой-либо жидкости (например, силиконового масла)в сосуде, имеющем форму параллелепипеда, никаких заметных измененийне происходит. Получаемое жидкостью снизу тепло передается в верхниеслои только благодаря ее теплопроводности, сама же жидкость остается всостоянии покоя. Когда температурный градиент достигает некоторого кри-тического значения, в жидкости начинается спонтанное макроскопическоедвижение, оказывающееся — удивительное дело! — отнюдь не хаотическим,а напротив, строго упорядоченным. Одна из наблюдаемых при этом ти-пичных структур (так называемые цилиндрические ячейки) показана нарис. 2.1. Сформулируем вопрос следующим образом (хотя такая формули-ровка предполагает некоторый антропоморфизм с нашей стороны): откудаотдельные молекулы жидкости знают, каким именно образом они должныдвигаться при повышении температуры? Ведь микроскопические размерымолекул несравненно меньше размеров цилиндрических ячеек, которые об-разуются при превышении критической разности температур.

Рис. 2.1. Цилиндрические ячейки, спонтанно образующиеся в силиконовом маслепри нагревании снизу до достижения критической разницы между температурамиверхнего и нижнего слоев жидкости

Стоит пристальнее рассмотреть механизм возникновения этого дви-жения. Нагреваемая жидкость расширяется, ее плотность уменьшается, инагретые молекулы устремляются вверх. Пока разность температур нижне-го и верхнего уровней жидкости невелика, молекулы, стремящиеся вверх,не в состоянии преодолеть силы внутреннего трения, и жидкость остаетсяв покое. Однако как только температурный градиент достигает критической

1Н. Haken. Erfolgsgeheimnisse der Natur.2Н. Haken, A. Wunderlin. Die selbststrukturierang der Materie.

16 Часть I

величины, подъемная сила возрастает настолько, что жидкость приходитв состояние неустойчивого равновесия. Нагретые частицы устремляютсявверх, а те, что находились вверху, направляются теперь вниз, так как об-ладают более низкой температурой. Это напоминает движение большогоколичества людей, спешащих вверх и вниз по широкой лестнице. Все мызнаем, как это происходит: одним нужно попасть наверх, другим — вниз,все пихаются и мешают друг другу. Частицы жидкости (снова антропо-морфизм) ведут себя разумнее. Одна за другой испытываются различныесхемы теплообмена в поисках наилучшей. Математически эти схемы вы-глядят очень просто, особенно в таких цилиндрических системах, какиепоказаны на рис. 2.2.

XXXвремя

Т пнювремя

Рис. 2.2. Движение подогреваемой снизу жидкости. Слева изображены схемы дви-жения жидкости в цилиндрических ячейках различной конфигурации, справа —графики зависимости скорости вертикального движения жидкости от времени

Мы видим, что наилучшим образом тепло передается лишь при опреде-ленной конфигурации ячеек (первый случай). Скорость со временем растет,а цилиндрические ячейки увеличиваются. Во втором случае все не так бла-гополучно: ячейки либо медленнее растут, либо умирают, едва возникнув,

2. Основные принципы синергетики 17

потому что скорость движения жидкости слишком мала. Между растущимиячейками разворачивается настоящая конкурентная борьба, в которой побе-ждают те цилиндры, что растут быстрее; перед нами — закон естественногоотбора Дарвина в применении к неживой природе.

Растущие ячейки можно определить двумя величинами, что становит-ся особенно наглядным при рассмотрении горизонтального сечения наше-го сосуда с жидкостью. График изменения скорости движения жидкости,показанный на рис. 2.4, соответствует схеме движения на рис. 2.3 (стрел-ками обозначены направления движения жидкости внутри ячеек) и имеетвид синусоиды с амплитудой q, которая (как следует из сравнения рис. 2.3и 2.4) представляет собой максимальную скорость движения жидкости. Ко-гда температурный градиент невелик, жидкость находится в состоянии по-коя и q — 0. Когда же разность температур превышает критическое зна-чение, q становится положительным и образуются цилиндрические ячейки.Таким образом, амплитуду q можно принять за параметр, характеризующийупорядоченность жидкости, и назвать параметром порядка. Если параметрпорядка отличен от нуля, молекулы жидкости образуют особую простран-ственную структуру, подчиненную параметру порядка.

Рис. 2.3. Локальные скорости движения молекул жидкости в цилиндрических ячей-ках (продольный срез)

Изменение параметра порядка при увеличении температурной разно-сти очень просто моделируется и может быть легко обосновано с помо-щью строгих математических формул. В качестве иллюстрации мы можемвоспользоваться такой (чисто формальной, впрочем) аналогией: сравним«поведение» параметра порядка и некоего шара или мяча. Величину пара-метра порядка будем интерпретировать как координату мяча, движущегосяпо холмистой местности под воздействием силы земного притяжения. Пока

18 Часть!

4JРис. 2.4. Стрелки, отходящие от координатной оси, символизируют скорости дви-жения жидкости в цилиндрических ячейках; соединив концы стрелок, получаемграфик в виде синусоиды с амплитудой q

разность температур не достигает критического значения, наш мяч нахо-дится в низине (рис. 2.5). Так как состояние системы (покой или движениемолекул в цилиндрических ячейках) управляется заданной разностью тем-ператур, то именно этот параметр можно считать управляющим. Даже еслимяч выведен из состояния покоя толчком вверх, он все равно вернется вточку, где q = 0. Здесь мяч в конце концов останавливается и пребываетв состоянии устойчивого равновесия; аналогично ведет себя параметр по-рядка, всегда возвращающийся к значению q = 0, при котором жидкостьобретает покой на макроскопическом уровне.

Если же температурный градиент продолжает расти, наша «холми-стая долина» становится все более плоской (рис. 2.6) и в конце концовпревращается в две долины, разделенные посередине небольшим «хол-мом» (рис. 2.7). Это значит, что состояние с q = 0 (и для мяча, идля параметра порядка) становится нестабильным, и малейшего толч-ка оказывается достаточно для того, чтобы мяч навсегда покинул точ-ку равновесия. Вместо прежнего единственного минимума функция об-заводится уже двумя, что предполагает наличие двух точек устойчиво-го равновесия, в которых может оказаться мяч (или система, определя-емая параметром порядка q). Отсюда можно сделать очень важный вы-вод. Параметр порядка q (или горизонтальная координата мяча) должен«решиться» выбрать один из двух минимумов, обеспечивающих систе-ме состояние покоя, и, следовательно, испортить симметричность — го-воря профессиональным языком физиков, «нарушить симметрию». Реша-ющим здесь оказывается малейшее изменение распределения скоростейотдельных молекул в жидкости (в случае мяча — малейшее касание) —

2. Основные принципы синергетики 19

Рис. 2.5. Поведение параметра порядка q, проиллюстрированное с помощью из-менения координаты мяча, движущегося по холмистой местности. Выведенный изсостояния покоя мяч движется до тех пор, пока не занимает устойчиво равновесногоположения в самой низкой точке долины. При этом предположим, что мяч катитсяпо траве — а значит, скорость его из-за трения быстро падает. Здесь и на следующихиллюстрациях (рис. 2.6 и 2.7) через V обозначена величина так называемого потен-циала. В данном случае достаточно, если потенциал V будет соотнесен с высотойнад уровнем моря некоторой точки воображаемой нами холмистой местности

и симметрия нарушена; самое незначительное воздействие может иметьмакроскопические последствия. Правая «долина» символизирует положи-тельную величину параметра порядка; соответствующая схема движенияпредставлена на рис. 2.8. Левой же долине соответствует вращение ци-линдрических ячеек, показанное на рис. 2.9 (как видите, направлениявращения противоположны). Итак, мы наблюдаем макроскопические по-следствия нарушения симметрии, произошедшего на микроскопическомуровне.

Так как между холмами, изображенными на рис. 2.7, разместились дведолины — а значит, функция изменения параметра порядка имеет два мини-мума, — мы можем говорить о бистабильности. Похожий феномен можнонаблюдать и при изучении процесса человеческого восприятия. Посмотритена рис. 2.10. Физик, взглянув на это изображение, скорее всего, подумает окартине распределения частиц ферромагнетика, где черным обозначены течастицы, северный магнитный полюс которых направлен вверх, а белым —те, чей северный магнитный полюс направлен вниз. Ну а биржевый маклер,возможно, вспомнил бы о том, как толпятся маклеры на бирже. Одна и

20 Часть I

V

Рис. 2.6. Дальнейший рост температурного градиента приводит к деформации «хол-мистого ландшафта» — графика, описывающего поведение параметра порядка q.Вблизи точки перехода долина становится совсем плоской

Рис. 2.7. При превышении критической разности температур верхнего и нижнегоуровней начинается спонтанный процесс образования уже двух долин. Это озна-чает, что параметр порядка q (координата нашего мяча) находится в нестабильномсостоянии и для возвращения к устойчивому равнозесию может сместиться каквправо (q > 0), так и влево (q < 0); это ведет к так называемому нарушениюсимметрии

та же картинка (система) — и две совершенно различные интерпретации!

Это и есть бистабильноеть. Которая из двух «долин» (с рис. 2.7) окажется

избрана, зависит от образования и подготовки наблюдателя (а также от его

2. Основные принципы синергетики 21

XXXРис. 2.8. Эта и следующая иллюстрации представляют собой схемы движения принарушении симметрии, показанном на рис. 2.7. Стрелками показано направлениевращения жидкости в цилиндрических ячейках, когда параметр порядка q (т. е. мяч)движется к точке равновесия в правой долине

Л

JРис. 2.9. А здесь параметр порядка находится в левой долине (см. рис. 2.7)

предубеждений и пристрастий). Впрочем, связанное с этим экспериментом«нарушение симметрии» уже давно используется психологами в качествеодного из способов разобраться в тайнах «состояний души» человека. Су-ществует картина, на которой изображены две женщины, молодая и старая,причем молодая смотрит куда-то в сторону, а старая в это время — на нее.Лица обеих женщин практически лишены какого бы то ни было выра-жения, однако некоторые люди, глядя на эту картину, скажут: «Старушкабудто чем-то озабочена», другим она покажется исполненной недоверияи подозрительности, третьи увидят в этой женщине что-то еще, связан-ное с их собственным мироощущением и эмоциональным состоянием (см.рис. 29.1).

Из-за возникающих в жидкости в процессе передачи тепла снизу вверхмикроскопических колебаний параметр порядка, который мы сравниваем сположением мяча на горизонтальной оси координат, постоянно изменяет-ся под воздействием микроударов — нечто подобное можно наблюдать вовремя футбольных матчей, когда футболисты начинают, казалось бы, бес-порядочно лупить по мячу. Если сила ударов постоянна — как в случае сжидкостью, — то они (см. рис. 2.5 и 2.7) практически не влияют на карти-ну в целом, так как мяч очень скоро снова скатывается по склону вниз, в«долину». Но в случае, показанном на рис. 2.6, разность высот в области,близкой к q — 0, минимальна, а это значит, что возвращающая сила также

22 Часть I

мала, и любое воздействие на параметр порядка очень сильно сказываетсяна состоянии системы; в такой ситуации мы имеем дело с критическимиколебаниями. Мяч в этом случае возвращается в исходное состояние равно-весия очень медленно — если вообще возвращается — поэтому мы говоримздесь о критическом замедлении.

Рис. 2.10. Пример, демонстрирующийфеномен бистабильности в восприя-тии. Физик усмотрит здесь видимуюпод микроскопом картину распределе-ния частиц ферромагнетика; другой на-блюдатель, возможно, воспринял быэто изображение как вид сверху на тол-пу биржевых маклеров

Бывают случаи, когда принципиально возможны различные парамет-ры порядка — а значит, и различные конфигурации. В качестве примераприведем жидкость, подогреваемую снизу в каком-нибудь округлом сосу-де. Взгляните на рис. 2.11, где схематично показано движение жидкости втаком случае. Движение жидкости в ячейках может происходить во всехнаправлениях, причем эти направления абсолютно равноценны, что и дела-ет возможным образование множества различных конфигураций. Отметим,что все эти конфигурации устойчивы. Так как существует множество по-добных устойчивых конфигураций, то мы будем говорить о мультистабиль-ности. Мультистабильность может проявляться и в процессе восприятия.Посмотрите на рис. 2.12: множество изображенных здесь точек образуютнекие круговые узоры, изменяющиеся по мере того, как мы вглядываемсяв картинку.

Что же произойдет, если нарушить систему ячеек (например, переме-шав жидкость) на одном из участков поверхности? До тех пор пока хоть на

2. Основные принципы синергетики 23

Рис. 2.11. Пример мультистабильности. На рисунке показано движение жидкостив круглой чашке, подогреваемой снизу. Формирующиеся системы ячеек могут оста-ваться стабильными, образуя при этом самые различные конфигурации

Рис. 2.12. Мультистабильность в восприятии. Из отдельных точек наш мозг выстраиваст все новые и новые конфигурации

каком-то участке поверхности ячейки сохраняются «неповрежденными»,влияние этого участка будет распространяться на остальную жидкость —и в конце концов система ячеек вернется в прежнее состояние. Особен-но наглядно это демонстрируют компьютерные эксперименты, результатыкоторых представлены на рис. 2.13. Объектом экспериментов является мо-дель жидкости, подогретой до стадии возникновения ячеистой структуры.Рассмотрим иллюстрацию, начав с верхнего левого угла и двигаясь свер-ху вниз. Для начала возьмем в качестве примера ячейку, ориентированнуюна рисунке вертикально; остальная жидкость пока еще движется неупо-рядоченно. В результате внутренних межмолекулярных взаимодействий вжидкости возникает целостная ячеистая структура. Этот процесс можноописать поэтапно: образовавшаяся первой единственная ячейка задает па-

24 Часть I

раметр порядка, который «вступает в борьбу» с прочими параметрами по-рядка, задающими иные направления движения. Победив в этой борьбе,параметр порядка, заданный первой ячейкой, распространяет свое влияниена всю жидкость в соответствии с принципом подчинения.

Если начать с ячейки, ориентированной иначе, чем в первом случае(средний столбец), направление движения жидкости определяется влияниемнового параметра порядка, задаваемого этой ячейкой. В последнем столб-це приведены результаты эксперимента, в котором жидкость поставленав своего рода конфликтную ситуацию, когда одновременно сосуществуютдве различные разнонаправленные ячейки, каждая из которых задает свойсобственный параметр порядка; разница же между этими ячейками заклю-чается в том, что одна из них приблизительно на 10% «сильнее» другой. Поокончании некоей промежуточной фазы, во время которой жидкость как быищет компромиссный вариант, первая — более сильная — ячейка побеждает,и задаваемый ею параметр порядка подчиняет себе систему, вынуждая жид-кость двигаться в соответствии с направлением движения первой ячейки.

Обобщая эти результаты, мы можем вывести кое-какие закономерно-сти. Допустим, существует некая система, находящаяся в определенномсостоянии (например, жидкость в состоянии покоя) и определяемая неко-торым управляющим параметром. При изменении значения управляющегопараметра (в нашем случае это температурный градиент) состояние си-стемы становится неустойчивым и в конце концов изменяется. Это новоесостояние обладает более высокой степенью упорядоченности, или, в болееобщем смысле, является более структурированным, нежели исходное. При

Рис. 2.13. Модель развития системы ячеек в подогреваемой снизу жидкости. Левыйстолбец: на самом верхнем рисунке представлено продольное сечение цилиндриче-ской ячейки, окруженной хаотично движущейся жидкостью, в условиях превышениякритической разности температур. С течением времени жидкости удается создатьячеистую структуру, ориентированную в соответствии с направлением движения, за-данным первой ячейкой. Средний столбец: случай аналогичен предыдущему, толькоисходная ячейка ориентирована иначе. Правый столбец: представленная здесь кон-фликтная ситуация определяется одновременным сосуществованием двух различноориентированных ячеек, причем одна из них примерно на 10% «сильнее» другой.На втором сверху рисунке показано, как жидкость пытается найти компромиссныйвыход из этой конфликтной ситуации. Направление, в котором сориентирована бо-лее сильная ячейка, и определяет, в конечном счете, характер движения жидкости всформировавшейся ячеистой структуре, что отражено на нижнем рисунке правогостолбца

а)

Т=0,0

7=7.0

2. Основные принципы синергетики

б) в)

25

Г=0.0 7'=0.0

Г=200.0

Г=7.0 Г=60.0

'/'=200.0 ! 7=200.0

26 Часть I

переходе системы из одного состояния в другое проявляются различные ха-рактеристические феномены. На переходной стадии от одного равновесногосостояния к другому система «испытывает» множество возможных моделейдвижения, и «побеждает» в конечном счете та, что ведет к образованию но-вой структуры кратчайшим путем; именно эта модель задает параметр по-рядка, подчиняющий себе всю систему и обеспечивающий возникновениеновой структуры.

Принимая во внимание многообразные аналогии, существующие меж-ду синергетическими системами в живой и неживой природе, мы решилиостановиться на еще одном феномене — гистерезисе, хорошо известном бла-годаря исследованиям магнетизма. На рис. 2.14 представлен помещенныйв магнитное поле ферромагнетик (северный полюс вверху). Пока воздей-ствие магнитного поля слабо, первоначальное положение северного и юж-ного магнитных полюсов сохраняется; когда же напряженность внешнегомагнитного поля увеличивается до определенной критической величины F\,происходит смена полярности (см. рис. 2.14 и 2.15).

N N S поле

N

напряженность поля

Рис. 2.14. Слева вверху — ферро-магнетик до помещения во внешнеемагнитное поле (буквами N и S обо-значены положения соответственносеверного и южного полюсов фер-ромагнетика). После помещения вовнешнее магнитное поля (направле-ние поля показано стрелкой) воз-можны два положения полюсов: сле-ва положение с максимальной энер-гией, а справа — с минимальной

Если теперь начать уменьшать напряженность поля, то обратная сме-на полярности произойдет при совершенно ином значении Fi ф F\ (нарис. 2.15 этот случай показан пунктиром). То, при какой напряженностиизменяется полярность, зависит от предыдущих значений напряженности!Этот эффект можно описать в несколько более абстрактной форме с помо-щью уже обсуждавшейся нами ранее модели холмистого ландшафта (см.рис. 2.5, 2.6 и 2.7), подвергнув ее небольшой модификации (с учетомрис. 2.15). Холмистый ландшафт на рис. 2.16 деформируется в результа-те изменения управляющего параметра (в роли которого раньше выступаларазность температур). Минимумы здесь обозначают следующее: первый

2. Основные принципы синергетики 27

намагниченно сть

север

\

1

|

\ч.

Л

F, F

юг

Рис. 2.15. Под воздействием внешнего магнитного поля намагниченность ферро-магнетика изменяется. Направление намагниченности при этом зависит от предше-ствующего состояния системы. Внешнее магнитное поле F при этом направлено погоризонтали слева направо. В левой части рисунка поле направлено сверху вниз, вправой — снизу вверх. Начнем построение кривой в верхнем левом квадранте; здесьнаправления магнитного поля и намагниченности совпадают. Затем уменьшим на-пряженность поля, так чтобы поле в конце концов сменило свое направление иначало возрастать в обратном направлении — намагниченность при этом сохранитсвое первоначальное направление, хотя теперь направления поля и намагниченно-сти оказываются противоположными. И только при так называемой критическойнапряженности i*\ магнитного поля произойдет изменение направления намагни-ченности, и направления намагниченности и поля F совпадут. Если же мы и дальшебудем уменьшать напряженность магнитного поля, так чтобы оно сменило направ-ление, направление намагниченности сохранится даже после того, как изменитсянаправление поля — смена направления намагниченности произойдет только принекотором значении F%. Таким образом, направление намагниченности зависит отпредшествующего состояния системы: этот феномен называется эффектом гистере-зиса

(левый) минимум соответствует такому состоянию в случае нагреваемой

жидкости, при котором в ней образуются цилиндрические ячейки; второй

(правый) минимум соответствует состоянию, при котором возникают гекса-

гональные ячейки (см. рис. 2.17), напоминающие по своей структуре пче-

линые соты. Нагретая жидкость поднимается вверх вдоль центральной оси

28 Часть I

такой ячейки, а затем — охлажденная у поверхности — стекает вниз по еестенкам. Воспользуемся снова аналогией с движением мяча по холмам: нарис. 2.16 (а) мяч находится в единственной точке минимума; такой ланд-шафт соответствует состоянию, в котором реализуется система цилиндри-ческих ячеек. При любых деформациях ландшафта мяч (горизонтальнаякоордината которого соответствует у нас значению параметра порядка) пе-реходит во вторую, более глубокую, долину только на рис. 2.16 (д), вверху;при таких условиях в жидкости образуются гексагональные ячейки. Будемтеперь изменять величину управляющего параметра в обратном направле-нии; соответствующие этим изменениям состояния представлены в нижнемряду рисунков, с 2.16 (д) до 2.16 (а). При этом обнаруживается следующаяособенность: мяч остается в точке второго минимума даже тогда, когда этаточка оказывается выше точки первого минимума. И только при дефор-мации 2.16 (б) мяч вновь возвращается в свое первоначальное положение(первый минимум). Переход от первого минимума ко второму совершает-ся при ином значении управляющего параметра, нежели то, при которомстановится возможным обратный переход — от второго к первому. Налицопроявление эффекта гистерезиса.

Тот же самый феномен, проявляющийся в процессе восприятия, мыпроиллюстрируем двумя примерами. Если рассматривать приведенную нарис. 2.18 последовательность изображений от левого верхнего угла к пра-вому нижнему, мы видим мужское лицо, которое постепенно замещаетсяфигурой девушки. Если же мы начнем с правого нижнего изображенияи будем двигаться в обратном направлении, то смена образа произойдетотносительно позднее (у некоторых мужчин этой смены вообще уже непроисходит!).

То же случается, когда мы читаем на рис. 2.19 слово «хаос» (Chaos),двигаясь по строчкам сверху вниз, — и в последней вдруг обнаруживаемвместо хаоса «порядок» (Order). При чтении снизу вверх порядок обраща-ется в хаос столь же неожиданно, но позже.

Являются ли приведенные нами примеры бистабильности, мультиста-бильности и гистерезиса лишь поверхностными аналогиями, или за нимикроется что-то большее? Ответить на этот вопрос мы попытаемся в сле-дующей главе; затем подробнее остановимся на толковании понятия «ге-штальт». Сейчас же приведем еще один пример из синергетики — лазер.Нам представляется, что это заинтересует читателей, ожидающих от насмодели нейронных процессов.

Устройство лазера, в принципе, крайне просто. На торцах стеклян-ной трубки устанавливаются два зеркала. Трубка заполняется газом. Затем

2. Основные принципы синергетики

Vk Vk

29

VI Vk

м

а) б) в) г) Д)

Рис. 2.16. Эффект гистерезиса на примере движения мяча по холмистой местности.Под воздействием силы притяжения, направленной вниз, мяч всегда скатывается вближайшую доступную долину. Представим себе, что ландшафт в результате какого-то внешнего воздействия изменяет свою форму (для ферромагнетика таким внешнимвоздействием является внешнее магнитное поле) в последовательности, показаннойна рисунках от (а) до (д) (верхний ряд). Очевидно, что мяч сохраняет свое исходноеположение (в точке первого минимума) вплоть до рис. (г) и скатывается во вторуюдолину только на рис. (д). Изменяя ландшафт в обратном направлении (от (д) до (а),нижний ряд), убеждаемся в том, что положение мяча в точке второго минимумасохраняется до рис. (в); в первоначальное положение (первая долина) мяч возвра-щается только на рис. (б). То есть положение мяча на каждом этапе (в первой долинеили во второй) зависит от его предыдущего положения

через трубку пропускается ток; отдельные атомы или молекулы газа, возбу-

ждаясь, испускают световые волны (вернее, последовательности волн, или

цуги), причем эти волны никак не зависят друг от друга (нечто подобное

происходит, если бросить в воду пригоршню гальки). Такие волновые цуги

показаны на рис. 2.20 слева. При увеличении силы тока возникает совер-

шенно новое явление: отдельные, до сих пор независимые друг от друга,

последовательности волн превращаются в один гигантский высокоупорядо-

ченный цуг (рис. 2.20, справа). Возникающая при этом когерентная световая

волна служит своего рода параметром порядка, подчиняя себе отдельные

атомы и вынуждая их осциллировать в такт. Отдельные атомы ведут себя

30 Часть I

Рис. 2.17. Структура, образующаяся в нагреваемой снизу жидкости, напоминает пче-линые соты. Жидкость вдоль центральной оси каждой ячейки поднимается вверх, азатем, охладившись у поверхности, возвращается вдоль стенок вниз

теперь как одинаково настроенные антенны, и испускаемые ими волны на-кладываются друг на друга, в результате чего мы получаем многократноусиленные синхронизированные по фазе макроскопические световые вол-ны, что с лихвой компенсирует некоторое ослабление, вызванное тем, чточасть волн, не задержанная зеркалами, покидает трубку. Здесь мы имеемдело с так называемой циклической причинностью. С одной стороны, све-товая волна (параметр порядка) подчиняет себе атомы; с другой стороны,эта же волна (параметр порядка) сама оказывается результатом взаимодей-ствия отдельных атомов. Совершенно аналогичную картину мы наблюдали,когда рассматривали пример с нагреваемой жидкостью. Для чего же мы за-говорили о лазерах, раз картина, которую мы наблюдаем здесь, совершенноаналогична той, что мы видели раньше? Дело в том, что при дальней-шем увеличении силы тока равномерно испускаемые волны превращаютсяв короткие световые вспышки чрезвычайной интенсивности (см. рис. 2.21)или же вырождаются в неупорядоченное движение, которое нынче приня-то называть детерминированным хаосом (см. рис. 2.22). Кроме того, былиобнаружены и другие типы поведения лазера.

Итак, отметим следующий факт: при изменении такого, на первыйвзгляд, неспецифичного управляющего параметра, как сила тока в нашемпримере, одна и та же система может повести себя качественно различным

2. Основные принципы синергетики 31

Рис. 2.18. Гистерезис в зрительном восприятии. Если рассматривать последователь-ность рисунков, начиная с левого верхнего, мы увидим, как мужское лицо вдругпревратится в фигуру девушки; произойдет это примерно в середине нижнего ряда.Разглядывая картинки в обратном порядке (т. е. снизу справа), мы обнаружим, чтофигура девушки различима еще и в верхнем ряду, и только под конец она вновьстановится мужским лицом

образом. Это утверждение явно противоречит представлениям, основаннымна ньютоновской механике: если удвоить силу, воздействующую на некоетело, ускорение этого тела также удвоится. Но когда мы удваиваем силутока в трубке лазера, поведение лазера полностью изменяется. И такиемолниеносные изменения в поведении типичны для нелинейных систем.Изучением общих закономерностей таких изменений и занимается синер-гетика; именно поэтому она оказывается столь подходящим инструментомдля раскрытия тайн психической деятельности мозга.

Изменения, подобные вышеописанным, обнаруживаются в психиче-ских процессах всех уровней. Например, у морских зайцев (аплизий) былинайдены нейроны, ведущие себя подобно лазеру. Эти нейроны способныработать в самых различных режимах: генерировать неупорядоченные им-пульсы, соответствующие хаотическим на микроскопическом уровне вол-новым цугам, излучаемым обычной лампой, упорядоченные импульсы, со-ответствующие свету лазера, регулярные короткие импульсы, подобные ла-

32 Часть I

Ofi&Cf

Рис. 2.19. Еще один пример гистерезиса в восприятии. Начиная читать с верхнейстроки, мы видим три строки со словом Chaos («хаос») и лишь в последней «хаос»обращается в «порядок» (Order). Теперь начнем с нижней строки: «порядок» сновастановится «хаосом» лишь в самом конце

зерным вспышкам, и, наконец, детерминированно хаотические импульсы.Исследования нервных клеток аплизий приводят нас к интересным предпо-ложениям: возможно, их нейроны имеют совершенно одинаковое строениеи разнятся только количеством рецепторов.

В свете этого предположения понятнее становятся изменения в пове-дении людей. В качестве иллюстрации приведем пару примеров. Когда мыпьем какой-нибудь стимулирующий напиток типа кофе, наше поведение из-меняется. Единственным «управляющим параметром» при этом изменениисистемы (человеческого мозга) оказывается концентрация кофеина в крови.Для читателей, ближе знакомых с нейронами и их медиаторами, уточню:кофеин блокирует рецепторы серотонина. Число рецепторов также являетсянеспецифичным управляющим параметром. При лечении шизофрении ча-сто используется сильнодействующий медикамент «халдол», вызывающий

2. Основные принципы синергетики 33

время

[

И П П И | И

II III 11 время

У V V У

Рис. 2.20. Основное отличие между световым излучением лампы (слева) и лазера(справа). Лампа испускает абсолютно некоррелированные отдельные короткие вол-новые цуги, хаотичные на микроскопическом уровне. Испускаемые лазером волны,напротив, высокоупорядочены, однородны и когерентны

время

Рис. 2.21. При увеличении подводимой к лазеру мощности достигается так называ-емый порог лазерной генерации, что приводит к возникновению регулярных уль-тракоротких световых вспышек

изменения в поведении: он блокирует так называемые дофамин-2-рецепто-

ры. Аналогия с лазером, правда, не объясняет такие изменения в поведении,

однако дает возможность предположить, что речь идет о возникновении но-

вых параметров порядка, подчиняющих себе всю систему в целом. Отсюда

34 Часть I

время

Рис. 2.22. При других условиях возбуждения и ином расположении зеркал излучениелазера становится совершенно неупорядоченным. Однако в данном случае речьидет не о хаотичности на микроскопическом уровне (как на рис. 2.20, слева), а одетерминированном хаосе

становится очевидным, насколько важна оказывается дозировка препаратовподобного типа, ведь, следуя нашей аналогии, мы должны быть готовы к то-му, что один и тот же препарат в различных дозах может оказать совершенноразличное действие на организм пациента.

В приведенных примерах мы коснулись, естественно, лишь самой вер-шины айсберга, которому можно уподобить синергетику. Что же представ-ляет собой его большая часть, скрытая от глаз? Синергетика, собственно,занимается комплексным исследованием процессов возникновения новыхсвойств в сложных системах, или — говоря научным языком — эмергенциейновых качеств упомянутых систем. Получив таким образом первое пред-ставление о системах высокой степени сложности, мы намерены в дальней-шем это представление углубить и развить.

3. Синергетика в живой природе

Как мы уже отмечали в начале предыдущей главы, применение синер-гетики для объяснения биологических феноменов вовсе не означает, что мыльем воду на мельницу физикализма и стремимся все биологические про-цессы свести к феноменам физическим. Смысл существования синергетики

3. Синергетика в живой природе 35

состоит как раз в обратном: выяснить природу эмергенции, ведущей к каче-ственным изменениям сложных систем. Итак, имеются феномены, вполнесовместимые с законами физики и химии, но никоим образом не «вытекаю-щие» из этих законов с достаточной определенностью. Таким образом, речьидет, скорее, об открытии неких новых общих закономерностей, не свя-занных напрямую с физикой. Однако прежде чем применить синергетикук исследованию мозга, мы должны, по крайней мере, продемонстрироватьна нескольких простых примерах суть синергетического подхода к биоло-гическим задачам.

Заметим, что некоторые примеры уже были использованы нами в книге«Тайны Природы»3. Одним из важнейших в биологии считается следующийвопрос: каким образом происходит рост и развитие растений и животных,и как отдельные клетки узнают, какие именно органы они должны сфор-мировать. Очень удачен в этой связи частный вопрос об образовании двух-цветных полос у зебры (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Полосатые зебры — пример действия биологического параметра порядка

Воспользуемся идеей, принадлежащей английскому математику АлануТьюрингу, который предположил, что отдельные, поначалу не дифференци-рованные клетки производят определенные химические вещества, которыемогут вступать в обмен друг с другом. Там, где концентрация этих веществ

3См. прим. к с. 15. — Прим. перев.

36 Часть I

достигает определенной величины, в работу включаются гены, которые иопределяют дальнейшую судьбу клетки, т. е. дифференцируют ее как, напри-мер, нервную клетку или клетку глаза. На основании выводов, сделанныхнами в предыдущих главах, мы можем считать эти морфогенетические по-ля не чем иным, как параметрами порядка. Пользуясь этим положением,можно объяснить не только полосы у зебр, но любую подобную «перио-дическую» структуру (например, позвоночный столб, элементы которого —при переменных размерах — очень точно повторяют друг друга).

Обсудим еще один пример, обнаруженный нами в ходе последнихисследований; пример этот позволяет увидеть фундаментальные пробле-мы биологии в новом свете. Как известно, человеческое тело состоит измиллиардов отдельных клеток, среди которых есть клетки, образующиекостные ткани, мышечные ткани, нервные клетки и т.д. Все эти клеткитесно взаимодействуют друг с другом и обеспечивают протекание про-цессов, характерных для высших организмов: дыхание, движение, кро-вообращение и т. п. Рассмотрим процесс движения. Конечности (руки иноги) должны двигаться совершенно особым образом, в соответствии снеким «паттерном движения», в равной степени присущим человеку приходьбе или беге и скачущей любым из аллюров лошади. Каким обра-зом можно обобщить результаты наблюдений за столь различными, каза-лось бы, типами поступательного движения? Как раз здесь и вступает вигру синергетика — она поможет нам разобраться с качественными от-личиями между всеми упомянутыми (и неупомянутыми) типами движе-ния. Американским физиологом Скоттом Келсо был проведен очень про-стой и в то же время красивый эксперимент, который мы сейчас и опи-шем. Каждый читатель легко может повторить действия, которые выпол-нялись испытуемыми в ходе этого опыта. Келсо просил испытуемых дви-гать указательными пальцами, расположенными, как показано на рис. 3.2.Пальцы двигались параллельно до тех пор, пока Келсо не давал указа-ния ускорить движение. К величайшему удивлению участников экспери-мента, изменение ритма движения неожиданно — и при этом совершеннонепроизвольно! — изменяло положение пальцев относительно друг друга.Пальцы больше не двигались параллельно; они сходились и расходилисьс различной степенью симметричности, но никак не параллельно! (См.рис. 3.3.)

Несколько лет назад, услышав о наших работах по синергетике, в ко-торых рассматривались фазовые переходы, Скотт Келсо приехал к нам вЗиндельфинген и предложил объяснить обнаруженный им феномен. Мы(Г. X.) решили применить к этому случаю синергетический подход. Первый

3. Синергетика в живой природе 37

Рис. 3.2. Исходное — па-раллельное — положе-ние пальцев в экспери-менте С. Келсо

Рис. 3.3. Конечное положение паль-цев в эксперименте С. Келсо: паль-цы расположены уже не параллельно,а симметрично

вопрос, на который следовало ответить, касался определения параметрапорядка. Это должна быть величина, определяемая на макроскопическомуровне, и кроме того, очевидно, что искомый параметр порядка связан с по-ложением пальцев относительно друг друга — сдвигом по фазе, выражаясьна профессиональном жаргоне.

Теперь, после бесед с голландским физиологом Онно Мейером, я пони-маю, что подобное заявление оказалось для физиологов настоящим потря-сением, ведь такой «параметр порядка», управляющий мышечной тканьюпо принципу подчинения себе ее клеток, есть совершенно абстрактная ве-личина, которую, правда, можно измерить с помощью угловой меры, но закоторой не стоит ничего материального. С точки зрения синергетики, ни-чего удивительного в этом нет: ведь цилиндрические ячейки, возникающиев нагреваемой жидкости, тоже, по сути, являются абстракцией — они пред-ставляют собой форму для движения материи, не будучи при этом материейсами.

Как мы уже видели, рассматривая пример с жидкостью, поведениепараметра порядка — по крайней мере, в несложных случаях — можно смо-делировать движением мяча по холмистой местности. Но что же выступитв данном случае в роли «холмистой местности»? Здесь нам придется вос-пользоваться законом симметрии. Как и «холмистый ландшафт» на рис. 2.7,наш новый ландшафт должен быть симметричен относительно вертикаль-ной оси; т. е. его правая и левая части должны быть зеркальным отражениемдруг друга, так как пальцы правой и левой рук оказываются в данном случаесовершенно равноправны. Кроме того, колебания фазы должны быть пери-

38 Часть I

одичными. Этих несложных условий вполне достаточно для достижениянашей цели.

На рис. 3.4 приведена последовательность рисунков, на которых пред-ставлены интересующие нас ландшафты. По горизонтальной оси каждойсистемы координат откладывается фаза, а по вертикальной — высота хол-мов, по которым скатывается мяч. Рассмотрим каждый рисунок отдельно,начиная с верхнего левого. Каждый последующий рисунок отличается отпредыдущего тем, что описывает изменения в движении пальцев с увеличе-нием скорости. Начальному медленному движению пальцев (рис. 3.2) соот-ветствует положение мяча, показанное на рис. 3.4 вверху справа; фаза приэтом равна тг. По мере того как скорость движения пальцев увеличивается,верхняя долина деформируется и становится все более плоской — в концеконцов, мяч с нее скатывается. Так как скорость продолжает увеличивать-ся, мяч остается лежать в нижней долине; это положение соответствуетдвижению пальцев, показанному на рис. 3.3, а фаза при этом равна нулю.

Продемонстрировав Келсо эту нехитрую последовательность, мы ещеи сделали несколько прогнозов, верность и точность которых он вскоресмог проверить с помощью новых экспериментов. Мы утверждали, напри-мер, что если процесс запустить в обратном направлении, то мяч так и несможет покинуть глубокую долину. Для испытуемых это выглядело так:они начинали быстрое движение пальцами из положения, показанного нарис. 3.3, и постепенно снижали скорость, однако — как бы медленно нидвигались пальцы — возвращение в положение, показанное на рис. 3.2, непроисходило; раз за разом в ходе эксперимента Келсо наблюдал эффектгистерезиса. Кроме того, следует обратить внимание на так называемыекритические флуктуации, столь часто встречающиеся в синергетике приисследовании параметров порядка переходных процессов. Возникновениефлуктуации связано с изменением верхних долин; мы предложили Келсо из-мерить колебания фаз, при которых у испытуемых совершался переход отодного положения пальцев к другому — хоть и непроизвольный, но всегдазависящий от скорости движения. Келсо удалось экспериментально под-твердить существование неких критических колебаний. Это, в свою оче-редь, превосходно согласуется с выводами синергетики относительно само-организующихся систем (кроме того, мы с вами уже рассмотрели несколькопримеров из физики, наглядно подтверждающих это положение).

Однако мы можем сделать и куда более значительный вывод. Исхо-дя из представлений о том, как именно происходит управление движениемпальцев и переход от одних движений к другим, можно утверждать, что по-пулярная сегодня модель функционирования мозга неверна. Предполагая,

3. Синергетика в живой природе 39

V 1,000 у 0,875

' \ /

у 0,750

у 0,375

0.000

Рис. 3.4. Поведение параметра порядка «сдвиг по фазе» проиллюстрировано сериейрисунков, на которых изображен катящийся по холмистому ландшафту мяч. Ланд-шафт на каждом рисунке определяется значением фазы ip. По мере того, как скоростьдвижения пальцев возрастает, ландшафт начинает деформироваться, что отраженов последовательности рисунков, которые следует рассматривать, начиная с верхнейстроки и слева направо. На верхнем левом рисунке мяч находится в абсолютноустойчивом положении в одной из долин; этот рисунок соответствует медленному«параллельному» движению пальцев. На нижнем правом рисунке эта долина исчеза-ет совсем, и мяч находится в единственной точке минимума; этот рисунок отражаетситуацию, в которой пальцы уже совершили переход к «симметричному» движению

что мозг работает подобно электронному компьютеру, приходится согла-

ситься с тем, что существуют некие «моторные программы», управляющие

движениями отдельных конечностей, и при переходе от одного вида дви-

жения к другому мозгом осуществляется некое «переключение» с одной

программы на другую. Такого рода переключения, действительно произво-

димые компьютером при переходе от программы к программе, ни в коей

мере не связаны с какими бы то ни было колебаниями (машины колебаниям

не подвержены). Появление критических колебаний в данном случае явля-

ется признаком того, что речь идет не о механической смене заложенных

в машину программ, а о протекающих в нервной системе процессах само-

40 Часть I

организации. Иными словами, эксперимент и его теоретическое обобщениеуказывают на то, что мозг является самоорганизующейся системой.

Эффект самоорганизации, описанный на примере движения пальцев —лишь первый пример интерпретации координации движений с помощьюсинергетики. Вообще же существует целый ряд других координационныхпроцессов, при которых происходит переход от одного вида движения к дру-гому; среди них исследованные тем же Келсо движения плеча, предплечья икисти (рис. 3.5), или эксперименты, в которых дза сидящих человека пока-чивают правыми ногами, сначала медленно и в противофазе; с увеличениемскорости движения ноги начинают двигаться параллельно. На конференции,которая проходила в 1991 году в Амстердаме и была посвящена биомеха-нике человека, выяснилось, что эксперименты Келсо и наши теоретическиеработы по синергетике вызвали целую лавину других исследований в этойобласти.

_^~r^^?*'.v^g.4?-

Рис. 3.5. Два различных типа движения руки: плеча, предплечья и кисти (линиямипоказаны положения руки через равные промежутки времени)

Естественно, имея перед глазами ту картину мира, что была порожде-на механистическим мировоззрением и все еще не сдает позиций, невольнозадаешься вопросом: каким же образом параметр порядка — столь немате-риальное нечто — способен управлять вполне материальными клеточными

4. Электрическая активность мозга 41

тканями? Однако и при синергетическом взгляде на мир этот вопрос оста-ется ключевым. Такой параметр порядка, как «сдвиг по фазе», представляетсобой, в сущности, показатель кооперации всех отдельных клеток, которые,с одной стороны, сами создают этот параметр, а с другой — подчиняютсяего воздействию. Это воздействие распространяется на отдельные клетки,но не как на материальные сущности (как в примере с лазером), а, скорее, нанекие нематериальные состояния, как в случае нагреваемой жидкости. Длянашего мышления это весьма серьезное препятствие, само существованиекоторого показывает, насколько радикального переворота в мировоззрениитребует путь, которым синергетика ведет нас к созданию новых понятий иконцепций.

4. Электрическая активность мозга

Рассмотрим еще один пример, который показывает, насколько адекват-ными оказываются концепции синергетики при исследовании мозга, и вто же время «подберемся поближе» к самому мозгу. Речь идет об анализеЭЭГ, т. е. электроэнцефалограмм. При проведении экспериментов на черепеиспытуемого крепятся электроды, замеряющие электрическое напряжение(рис. 4.1).

1

Рис. 4.1. Схема (вид сверху) закрепления электродов на черепе испытуемого

Показания каждого электрода отображаются в виде кривой, выражаю-щей зависимость изменения напряжения от времени; эти кривые выводятсяна экран. Врачи и исследователи давно обнаружили, что целесообразнозаписывать не просто точную микроструктуру этих кривых, а отфильтро-вывать так называемые частотные диапазоны. Это означает, что кривые

42 Часть I

определенным образом сглаживаются. В зависимости от способа сглажива-ния (т. е. частотной фильтрации) различают определенные волны, о которыхи пойдет речь в нашем анализе экспериментальных данных, полученныхДитрихом Леманом (Цюрих, Швейцария).

Каждому участку (с закрепленным на нем электродом) головы испыту-емого соответствует определенный квадрат на схеме, выводимой на экран,где и отображаются все изменения альфа-волн, излучаемых мозгом во времяэксперимента. Глядя на схему (рис. 4.2), мы можем получить представле-ние об этих изменениях. По вертикали нанесены значения напряжения, а погоризонтали — временные интервалы. Предстаатенные графики несколькоабстрактны и не дают наглядного представления о стоящих за ними процес-сах. Однако используя их, мы можем реконструировать общую картину рас-пределения напряжений, возникающих в мозге в каждый момент времени(рис. 4.3). На рисунке показаны бегущие волны электрической активности,которые, однако, способны совершать в направлении своего распростране-ния нерегулярные колебания и отчасти стоять на месте. То есть наблюдаетсяпостоянное движение в обе стороны таких волн.

1.0 2.1) 3.0 4.0/ 1.0 2.0 3.11 1.0 / 1.0 2.0 :{.() 1.0 /

Рис. 4.2. Каждому из электродов (схема 4. ]) соответствует серия, изображенная в со-ответствующих квадратах

4. Электрическая активность мозга 43

Рис. 4.3. Реконструкция пространственно-временных структур, представленных нарис. 4.2

Так каким же образом синергетика вносит порядок в этот хаос? Для на-чала выскажем одну довольно-таки смелую гипотезу. Анализируемые ЭЭГбыли сняты Дитрихом Леманом с испытуемых, находившихся в состоянииполного покоя с закрытыми глазами, но не спящих. Наше предположе-ние заключается в следующем: «система» мозга, находящегося в подобномнеустойчивом состоянии (соответствующем точке неустойчивого равнове-сия), способна очень быстро и спонтанно начать действовать, изменяя своесостояние. А синергетика как раз и занимается изучением подобных про-цессов в сложных системах.

Возникают определенные кластеры активности, очень схожие с ана-логичными структурами в гидродинамике, причем каждая такая структуравыстраивается из очень небольшого количества основных элементарныхструктур. Отсюда можно сделать вывод, что волны сложной природы, из-лучаемые мозгом, также могут быть построены на основе немногих перво-элементов. Эту гипотезу мы даже смогли впоследствии частично подтвер-дить — как на примере так называемых альфа-волн (положенных в основунастоящего рассмотрения), так и на примере эпилептических припадков.

Каждая из элементарных структур управляется неким параметром по-рядка. Сочетание действий этих параметров и дает нам целостную картину

44 Часть I

наблюдаемой сложной структуры. Какова же динамика параметров поряд-ка? Неожиданное открытие в этой области было сделано Агнес Баблоянц(Брюссель).

Используя теорию хаоса для анализа эпилептических припадков, онаобнаружила, что — говоря языком синергетики — в действии участвуют толь-ко три параметра порядка. Динамика этих трех параметров была изученаРудольфом Фридрихом, Арнимом Фуксом и нами (Г. X.), в результате чегобыло установлено, что в данном случае можно говорить о так называемомдетерминированном хаосе, т. е. о детерминированных, начисто лишенныхслучайности процессах (такие процессы можно воспроизвести с помощьюэлектронного компьютера). Альфа-волны же оказались крепким орешком:мы столкнулись с большими трудностями, пытаясь добиться от них тогодетерминизма, какой присущ компьютерным процессам. Многое указыва-ло на то, что структура ритма волн совершенно случайна. Наблюдаемыенами колебания представляли собой, по сути дела, проявление процессовсамоорганизации.

Почему именно мозг человека, находящегося в состоянии полного по-коя, оказывается воплощением нестабильности? Разве не должно наше телокак раз в таком состоянии быть особенно «стабильным»? В последние го-ды мы много дискутировали на эту тему с физиологами Хансом-ПетеромКёпхеном и Хольгером Шмид-Шёнбайном. Их исследования подтвержда-ют, что именно в состоянии полного покоя испытуемых особым колебани-ям подвержены такие величины, как кровяное давление, частота сердечныхсокращений и частота дыхания. Для сохранения способности к быстройадаптации система вынуждена пребывать в состоянии нестабильности. Таккартина, представляющая человека в состоянии полного покоя, обретаетсовершенно новые краски не только для физиологов, но и для психологов.Только когда телу предложены специальные задачи, оно начинает реаги-ровать на них определенным — «стабильным» — образом. Особенно яркоеподтверждение это предположение находит в новых экспериментах амери-канского физиолога Скотта Келсо. Келсо исследовал магнитное поле мозга иобнаружил, что — выражаясь в терминах синергетики — в процесс оказыва-ются вовлечены особые, причем немногочисленные, «параметры порядка»,или «моды», управляющие функциями мозга. Флуктуации при этом исчеза-ют, сменяясь вполне однозначной картиной мозговой деятельности, котораявоплощается в генерируемых мозгом магнитных полях.

Итак, мы выяснили, насколько применима синергетика в области пси-хофизиологического эксперимента. Движения пальцев рук, электро- и маг-нитоэнцефалограммы являются наглядными и поддающимися измерению

5. Гештальтпсихология 45

внешними проявлениями протекающих в мозге процессов. Однако мыдолжны обратить внимание и на другие, отличные от описанных, процессы,характеризующие деятельность нашего мозга. Речь идет о совершенно осо-бом мире — мире человеческого восприятия, связанном, в первую очередь,с работой сознания, которую — несмотря на ее очевидность — очень сложноисследовать непосредственно. Именно этому направлению исследований ипосвящена следующая глава, в которой будет показано, насколько тесносвязаны между собой концепции синергетики и гештальтпсихологии.

5. Гештальтпсихология

Идея образа имеет собственную долгую историю, и нас до сих порпродолжают волновать слова Гёте:

«"Морфология" покоится на убеждении, что все существующеедолжно также обнаруживаться и показываться. Это основное по-ложение имеет для нас значимость, начиная от первых физиче-ских и химических элементов до самого духовного проявлениячеловека.

Мы сейчас же обращаемся к тому, что имеет образ. Неоргани-ческое, растительное, животное, человеческое — все само обна-руживается, оно является тем, что оно есть, нашему внешнему,нашему внутреннему чувству.

Образ есть нечто подвижное, становящееся, исчезающее. Уче-ние об образах есть учение об изменениях. Учение о метамор-фозе — ключ ко всем обнаружениям природы.»4 (Курсив наш. —Г.Х., М.Х.-К.)

В естественно-научной форме идея образа («гештальта») особенно ярковоплощена в концепциях гештальтпсихологии, основоположниками которойсчитаются Макс Вертхеймер и Вольфганг Кёлер. Уже в 1912 году Вертхей-мер говорил об «образах движения», а в 1920 Кёлер публикует свою работу«Физические образы в состоянии покоя и в стационарном состоянии»5.

4Перевод с немецкого дается по изданию: И. В. Гёте. Избранные сочинения по естество-знанию. Перевод и комментарии И.И.Канаева. М.: Изд-во АН СССР, 1957 (Серия «Классикинауки»). — Прим. перев.

5W. Kohler. Die physischen Gestalten in Ruhe und im stationaren Zustand. Friedrich Vieweg undSohn, Braunschweig, 1920.

46 Часть I

Рис. 5.1. Картина кисти Джузсппс Арчимбольдо: лицо . . . или фрукты и овощи?

5. Гештальтпсихология 47

После того, как в 1933 году Вертхеймер и Кёлер вынуждены былиэмигрировать, идеи их оказались преданы забвению; и лишь недавно этонаправление в психологии вновь получило признание благодаря работамбременских исследователей Петера Крузе и Михаэля Штадлера, внесшихважный вклад в процесс возрождения принципов гештальтпсихологии. Этипсихологи указывали (как, кстати, и один из авторов настоящего труда, —Г. X.) на несомненное сходство гештальтпсихологии и синергетики. Как ту,так и другую науку прекрасно характеризует одна фраза: «Целое большесуммы составляющих его элементов». Как приверженцы этой идеи Вертхей-мер и Кёлер оказались в оппозиции распространенному тогда — да, возмож-но, и теперь — структурализму, последователи которого пытались через ис-следование частностей прийти к пониманию целого. Утверждение «Целоебольше суммы составляющих его элементов» можно интерпретировать ещеи вот каким образом: целое есть не что иное, как взаимодействие элементов,ведущее к эмергенции новых качеств. Некоторое представление о степе-ни правоты Вертхеймера и Кёлера можно получить, рассматривая картинусредневекового художника Арчимбольдо (рис. 5.1). На первый, поверхност-ный, взгляд, здесь изображено человеческое лицо. Однако при более тща-тельном рассмотрении становится очевидным тот факт, что элементы этогопортрета суть не что иное, как фрукты и овощи.

Концепция гештальта включает в себя и понятие прегнантности(Prdgnanz), в соответствии с которым процесс восприятия подчиняется от-носительно простым правилам, проиллюстрированным на рис. 5.2 и 5.3.По-видимому, человек при восприятии стремится к «разложению» сложныхконфигураций на более простые. Следует также упомянуть и об устойчи-вости — или, если можно так выразиться, независимости — восприятия отразличных помех. Начнем с простого примера. Мы способны узнавать лицавне зависимости от их положения в пространстве, их величины, ориентациии освещенности. Мы способны узнать даже искаженные или «смазанные»изображения лица (рис. 5.4, 5.5, 5.6, 5.7). Художники часто используютподобные трансформации как стилистический прием (рис. 5.8).

Рассмотрим поразительную картинку, созданную Г. Канижей (рис. 5.9).Здесь мы странным образом обнаруживаем «несуществующие» треугольни-ки. Наш мозг при восприятии дополняет изображение деталями, которых вдействительности на рисунке нет. Но ведь и жидкость, о которой мы гово-рили в главе 2, «в действительности» не содержит никаких цилиндрическихячеек.

Немалый интерес для психологов представляют и так называемыедвойственные, или амбивалентные, изображения (рис. 5.10 и 5.11). На зна-

48 Часть I

менитом кубе Некера каждую из вертикальных граней мы попеременнопринимаем то за переднюю, то за заднюю; так же попеременно — одно-временность здесь исключается — на рис. 5.11 мы обнаруживаем то изоб-ражение вазы, то двух мужских лиц в профиль. Даже при всем желанииневозможно сосредоточиться только на одном из «способов восприятия»;смена изображений происходит совершенно непроизвольно: ваза — профи-ли — ваза — . . . и т. д. Наше восприятие постоянно колеблется между этимидвумя состояниями, т. е. наблюдается процесс, который повсеместно проис-ходит в системах, изучаемых синергетикой. Итак, мы убедились в том, чтоаналогии между функционированием мозга и давно известными в синер-гетике явлениями далеко не случайны и многочисленны; перед нами сновавстает вопрос: насколько велик диапазон применимости этих аналогий?

Рис. 5.2. Пример прегнантности. Фигура, показанная слева, воспринимается каксочетание двух выпуклых фигур — круга и шестиугольника, а не каких-либо других

Рис. 5.3. Еще один пример прегнантности

До сих пор мы были заняты, в определенном смысле, макроскопиче-скими «продуктами» деятельности мозга и не касались самого материаль-ного субстрата. Следующая часть нашей книги посвящена именно этомусубстрату.

5. Гешталыппсихология 49

Рис. 5.4. Зашумлсннос черно-белое изображение

Рис. 5.5. Изображение, полу-ченное с помощью низкоча-стотного фильтра

Рис. 5.6. Изображение, полу-ченное с помощью высоко-частотного фильтра. Результаттакой фильтрации очень напо-минает карандашный набро-сок или карикатуру

Рис. 5.7. Искаженное изобра-жение

50 Часть I

Рис. 5.8. «Частотная фильтрация» в искусстве: «Руанский собор» Клода Монэ

5. Гештальтпсихология 51

tРис. 5.9. Наша система восприятия дополняетфигуры Канижи фигурами, которых в действи-тельности на рисунке нет

Рис. 5.10. Знаменитый куб Некера: передняягрань куба становится задней, и наоборот

Рис. 5.11. Ваза или два профиля?

ЧАСТЬ II

Мозг. Материальный субстрат:от макроскопического к микроскопическому

В основе западного научного мышления лежит убеждение в том, чтовсе непосредственно доступные восприятию макроскопические явленияобъясняются процессами, происходящими на микроскопическом уровне.История развития физики — отличная тому иллюстрация. Макроскопиче-ский феномен электрического тока сводится к движению мельчайших ча-стиц, электронов, а магнетизм — к взаимодействию «элементарных магни-тиков», т. е., по существу, тех же электронов, обладающих магнитным мо-ментом. Интересно, что почти для всех макроскопических явлений сначалабыли открыты феноменологические законы — такие, например, как законОма, согласно которому сила электрического тока в проводнике пропорци-ональна поданному на него напряжению; позднее этот закон мог бы бытьвыведен уже в рамках учения о движении электронов в металлах. «Погру-жение» в микромир обогатило нас поистине сенсационными открытиями:электроны, о которых уже упоминалось, оказалось, обладают свойствамине только частиц, но и волн. Впрочем, обнаруживается, что не менее по-трясающие идеи может подарить человечеству и возвращение из глубинмикромира в макромир — но об этом несколько позже.

Сначала остановимся на аналитическом методе, имеющем фундамен-тальное значение не только для изучения мозга, но и для науки вообще.Вооружившись таким образом, мы попытаемся исследовать «элементарныечастицы» мозга. Начнем с того, что проследим, насколько это возможно,связи между «элементами» и выполняемыми ими функциями на примереглаза. Избрать именно процессы зрительного восприятия нас побудили двевеские причины. Во-первых, эти процессы на данный момент оказывают-ся лучше всего исследованными. Во-вторых, мы полагаем, что зрительныепроцессы могут послужить нам в качестве модели при исследовании вы-сокоуровневых, абстрактных процессов мышления; выражаясь конкретнее,можно высказать предположение такого рода: мозг в процессе мышленияиспользует принципы, во многом схожие с принципами зрительного вос-приятия. Об этом свидетельствует и такое прижившееся в языке слово-употребление, как «рассмотреть проблему», «вести себя осмотрительнго»,

6. Мозг и его элементы — нейроны 53

«видеть смысл» и т. д. Математики говорят: «Как можно легко увидеть, . . . »вместо «Как можно легко доказать, . . . » (хотя любому сколько-нибудь раз-бирающемуся в математике человеку, конечно же, ясно, что доказательстваочевидными не бывают).

Естественно, одно лишь словоупотребление не в состоянии подтвер-дить истинность нашего предположения; однако оно может послужить внекотором смысле «отправной точкой», ведь такого рода устойчивые сло-восочетания несут в себе подчас гораздо более глубокое философское со-держание, нежели то, что вкладывается в них в повседневной речи.

Итак, попробуем «взглянуть» на мозг и начнем с нейронов.

6. Мозг и его элементы — нейроны

а) Исследования мозга: вчера и сегодня

Человеческий мозг является, пожалуй, самой завораживающей струк-турой из числа предоставленных в наше распоряжение Природой. Обладаявесом около полутора килограммов, мозг содержит в себе невообразимое ко-личество нервных клеток, называемых нейронами; их число — порядка 100миллиардов — сопоставимо с числом звезд в Млечном Пути. Получить на-глядное представление об этом числе можно таким, например, способом.Вообразим себе, что в объеме размером с наперсток могут разместитьсяровно 100 нейронов. Ну а чтобы расположить таким образом 100 миллиар-дов нейронов, понадобится куб со стороной 10 метров, до отказа набитыйнаперстками, в каждом из которых, как мы вообразили, содержится по 100нейронов. Наш мозг по сравнению с этим кубом очень мал; и настоящиенейроны — совсем крошечные. Более того: помимо нейронов в мозге на-ходятся еще и так называемые глиальные клетки, а также кровеносныесосуды, обеспечивающие все клетки питательными веществами, кислоро-дом, гормонами и т. п. Нельзя забывать и о многочисленных связях междунейронами, которые пронизывают мозг и — подобно телефонным прово-дам — обеспечивают связь между нейронами. Если подумать о том, чтокаждый нейрон может быть таким образом связан с десятком тысяч сво-их собратьев, то перед нашим мысленным взором непременно возникнетобраз чрезвычайно плотной сети — поистине неимоверного чуда миниатю-ризации. Все это приводит нас к мысли о том, насколько сложно строениемозга и, соответственно, насколько трудновыполнимы задачи, связанныес исследованием столь сложного объекта — и еще колоссальней выглядитидея создания подобной конструкции. В качестве иллюстрации используем

54 Часть II

такой факт: ежесекундно мозг обрабатывает огромные объемы получаемойв процессе восприятия информации (сюда входят любые проявления внеш-него мира: живописные картины, зажигательные мелодии, приятные запахии т. д.) и делает это с молниеносной быстротой, а кроме того, еще и сохра-няет результаты обработки в гигантском объеме памяти порядка 101 0 бит.

Однако связь мозга с мышлением и чувствами не всегда была для лю-дей столь уж очевидной. В древние времена эти функции приписывалисьсердцу. Отголоски такого взгляда на природу мышления мы и по сей деньнаходим в речи: «с открытым сердцем», «тяжело на сердце», «затаить всердце обиду» и т. п. Прошло немало времени, прежде чем роль мозга вмышлении, чувствовании и восприятии стала общепризнанной. Историядревних исследований мозга очень показательна: до тех пор, пока не по-явится и не закрепится верная теория, очень трудно порой бывает постичьсуть исследуемого явления.

Знаменитый греческий врач Гиппократ (460-370 г. до н. э.), стремив-шийся поставить медицину на естественно-научный фундамент, уже имелвзгляды на мозг, схожие с сегодняшними, однако они не получили признаниясовременников и потомков — ведь этим взглядам противостояли воззренияне менее прославленного грека, великого философа Аристотеля (384-322 г.до н. э.), утверждавшего, что мышление порождается сердцем. Уже послесмерти Аристотеля, около 300 г. до н. э. в Александрийской академии собра-лись ученые и врачи, объединенные интересом к изучению функций мозга инервной системы. Двое из этих античных ученых мужей — Герофил (335-? г.до н. э.) и Эрасистрат (300-240 г. до н. э.) — вошли в историю медициныкак основоположники новой науки и первооткрыватели мира человеческойанатомии. Не взирая на запрет, касавшийся вскрытия тел умерших, они за-нимались изучением внутреннего строения человеческого тела; более того,они проводили эксперименты на людях, приговоренных к смерти, выяс-нив с помощью этих экспериментов множество фундаментальных фактов(обнаружилось, например, что человек теряет способность видеть, если на-рушена связь между глазами и мозгом). Исследования привели Герофилаи Эрасистрата к убеждению, что человеческое тело обладает обширнойнервной системой, центром которой является мозг. Они предположили, чтомозг, кроме того, служит местом обитания души и связан с процессамимышления. Тем самым, собственно, и были заложены первые камни фун-дамента, на котором выстроена вся современная теория мозга. Впрочем,авторитет Аристотеля был настолько высок, что и после открытий, сделан-ных александрийскими анатомами, взгляды его незыблемо продержалисьеще в течение нескольких веков.

6. Мозг и его элементы — нейроны 55

Окончательный перелом в теории произошел только во II в. н. э. бла-годаря трудам греко-римского врача Клавдия Галена. Гален использовалдля своих опытов раненных гладиаторов и трупы животных, однако до со-временного уровня исследований мозга было еще далеко. Более тысячи летпродолжался «застой» в экспериментальной медицине, жившей все это вре-мя за счет знаний, полученных древними греческими и римскими учеными,подобными Галену.

Вплоть до эпохи Возрождения ученые не нарушали табу; с приходомРенессанса началась новая эпоха открытий. Анатомы того времени ужезнали, как выглядит мозг, укрытый от глаз в черепной коробке: серо-белаямасса, напоминающая формой извилин грецкий орех. После изобретенияголландцем Антони ван Левенгуком микроскопа (а произошло это в 1677 го-ду) ученые получили возможность заняться изучением структуры мозга инервных клеток. Итальянскому нейрологу Камилло Гольджи мы обязаныизобретением метода, позволяющего рассмотреть под микроскопом отдель-ные нервные клетки, особым образом окрашенные. Благодаря этому методуперед учеными открывались все новые и новые детали строения как все-го мозга, так и его отдельных составляющих; к этому времени относитсязнакомство анатомов со строением нервных клеток. Параллельно с этимиисследованиями шло развитие и других дисциплин. Примерно с серединыXIX в. начали бурно развиваться методы электрофизиологии, а с ними —непременные электрические измерения при изучении нервных клеток. Этиработы заложили фундамент для дальнейших исследований нейронов, при-чем прогресс в этой области часто бывал напрямую связан с открытиямифизиков и химиков.

Современные исследования мозга преследуют несколько различных це-лей. Во-первых, эти исследования, естественно, направлены на решениемедицинских задач, а значит, изучаются, прежде всего, болезни мозга: ши-зофрения, маниакально-депрессивные состояния, а также болезни Паркин-сона, Альцгеймера, опухоли головного мозга, кровоизлияния в мозг и т. п.Найдя причины этих недугов, ученые-медики, вероятно, смогут научить-ся излечивать и предотвращать такие заболевания. Кроме того, в процессеисследований постоянно совершенствуются и методы диагностики, как этопроизошло, например, при изучении опухолей мозга и кровоизлияний. Сле-дующее, не менее важное направление исследований мозга определяетсячисто научными интересами ученых, т. е. нацелено оно на получение фун-даментальных знаний о строении и функционировании мозга, о принципах,на которых основана почти неимоверная — хотя, безусловно, кажущаяся —легкость, с которой человеческий мозг собирает и обрабатывает инфор-

56 Часть II

мацию. Какова природа впечатлений — зрительных, обонятельных и т. п.?Каким образом происходит обработка информации, переданной ощущения-ми? Как работает память? Что определяет способность человека чему-либообучаться? Существенно сложнее понять, что стоит за такими чувствами,как ярость, печаль, радость; каким образом протекает процесс проективногомышления, и как все это влияет на развитие планов действий, в конечномсчете приводящих желание к исполнению . . . Перечисление способностейчеловеческого мозга, естественно, можно продолжить и дальше — передучеными простирается гигантское, почти необозримое поле деятельности.Наконец, назовем еще одно направление в науке, занятое раскрытием тайнмозга: теория вычислительных систем, напрямую связанная с исследова-нием «принципов действия» человеческого мозга. Уже сейчас существуюткомпьютеры, работающие по принципу нейронных сетей (подробнее обэтом мы расскажем в главе 31) — природного феномена, воспроизведенно-го человеческими руками, попытка, так сказать, «подсмотреть» кое-что уПрироды.

Естественно, ни одно из названных направлений не может существо-вать изолированно: все три тесно переплетаются друг с другом. Медицинануждается в фундаментальных теориях, а информатика может, со своейстороны, привнести нечто новое в понимание основных принципов функ-ционирования человеческого мозга.

Наша книга посвящена, в основном, общим вопросам всех трех направ-лений, т. е. некоторым фундаментальным проблемам исследований мозга.Сначала попытаемся разобраться, насколько понимание природы отдель-ных его элементов — нейронов — может помочь нам проникнуть в тайнуцелого, в тайну человеческого мозга. Итак, начнем с рассмотрения строенияи свойств нейрона.

б) Нейрон — основной элемент нервной системы

Собственно говоря, нервная система представляет собой единство двухвзаимосвязанных компонентов: центральной нервной системы, состоящейиз головного и спинного мозга, и так называемой периферийной нервнойсистемы, к которой относятся нервные волокна, связывающие мозг с орга-нами чувств и мышцами.

Используя метод окрашивания, о котором уже упоминалось, нейроныможно наблюдать с помощью микроскопа. На рис. 6.1 представлена фо-тография окрашенной таким образом нервной клетки. Продолжительноеизучение нервных клеток дает ученым основание предполагать, что все они

6. Мозг и его элементы — нейроны 57

Рис. 6.1. Нервная клетка зрительной коры головного мозга кошки при значительномувеличении. В центре хорошо видно тело клетки, или сома

имеют одинаковое строение. Это, разумеется, ни в коем случае не означает,что все нервные клетки выглядят одинаково; здесь, скорее, можно провестинекоторую аналогию с . . . цветами. Цветы, как известно, очень разнооб-разны: и высокие, на плотных стеблях, и вьющиеся, и цветущие всемицветами радуги, с листьями самых причудливых форм и размеров. И всеже каждый цветок непременно обладает корнем, стеблем, листьями и т.п.Похоже обстоит дело и с «внешним видом» нервных клеток (см. рис. 6.2):

58 Часть II

в центре всегда находится тело клетки, или сома (а), в котором происхо-дят все процессы обмена веществ. От тела клетки отходят многочисленныеразветвленные отростки, называемые за их форму дендритами1 (б), которыеосуществляют прием и интеграцию информации, поступающей от другихнервных клеток. Среди отростков выделяется один очень длинный, назы-ваемый аксоном (в), функцией которого является передача информации отнейрона к структурам мозга или органам. Связь между нервными клеткамиосуществляется через синапсы (г). Соотношение размеров на рис. 6.2 соот-ветствует действительному (за исключением аксона, который значительноукорочен). Таким образом, устроена нервная клетка относительно просто.Различные типы нервных клеток представлены на рис. 6.3. В дальнейшемнам еще предстоит убедиться в том, насколько велико разнообразие этихтипов; клетки сетчатки глаза, например, обладают поистине экзотическойформой.

10 мкм

Рис. 6.2. Схематическое изображение нервной клетки (1 мкм = 1/1000 мм): (а) телоклетки (сома); (б) дендрит; (в) аксон; (г) синапс. Аксон на этой схеме значительноукорочен

Теперь, когда мы познакомились со строением нервных клеток, переднами встает принципиальный вопрос: каким образом передаются сигналыв нервной системе? Самым известным примером передачи сигнала в повсе-дневной жизни является телефонная связь, в которой сигналы передаютсяпосредством электрических импульсов. Еще в 1791 году итальянский врачи естествоиспытатель Луиджи Гальвани установил, что электрические про-

1 От фсч. 6suSpou «дерево». — Прим. перев.

6. Мозг и его элементы — нейроны 59

цессы имеют место и в нервной системе. Открытие это произошло совер-шенно случайно. Лягушачьи лапки, вывешенные им на балконной решетке,к величайшему удивлению ученого, дергались всякий раз, касаясь металли-ческих прутьев. Дело было в том, что чугунная решетка и медные крючки,на которых висели лапки, образовали в совокупности нечто вроде гальва-нического элемента (этакую батарейку). Электрический разряд возбуждалмышцы лапки, вынуждая их сокращаться. Последующие опыты привелиГальвани к выводу о том, что в нервных волокнах протекают некие про-цессы, имеющие электрическую природу. Конечно, с помощью имевшейсяв то время аппаратуры невозможно было точно замерить молниеносныеизменения напряжения, возникавшие в ходе экспериментов. С тех пор ме-тоды измерения значительно усовершенствовались, и это позволяет ученымосуществлять подобные замеры не только в изолированных препаратах, нои в тканях живых организмов. Принципиальная схема проведения измере-ний показана на рис. 6.4. Внутрь аксона осторожно вводится очень тонкийстеклянный электрод. Диаметр электродов, используемых в таких экспе-риментах, составляет примерно 0,5 микрометров (1 мкм = 0,001 мм. Длясравнения: толщина человеческого волоса — от 40 до 100 мкм!). Второйэлектрод вводится в окружающую аксон жидкость; он называется электро-дом сравнения. Напряжение, возникающее между этими двумя электрода-ми, измеряется вольтметром, а результаты измерений в реальном временизаписываются регистрирующим прибором.

сома

аксон

аксон

сомааксон

:он А

сома

Рис. 6.3. Различные типы нервных клеток

60 Часть II

Объектом опытов становились аксоны различных животных. При этомбыло установлено, что нервная система использует при передаче сигналовособого рода язык, или код, с помощью которого и осуществляется со-гласованная деятельность всей системы. В мозг поступают кодированныесигналы (например, боль от ушибленного пальца); в ответ мозг передает посоответствующим нервным волокнам некие управляющие сигналы нужныммышцам, на что они тем или иным образом реагируют. Интересно, что тако-го рода «передача информации», характерная для всех живых организмов,осуществляется у людей и животных по одному и тому же принципу.

Электрическое напряжение в аксоне возникает не только в момент пе-редачи сигнала, но существует и тогда, когда аксон «не при исполнении» инаходится в спокойном, не возбужденном состоянии. По отношению к окру-жающей его жидкости аксон заряжен отрицательно. Разница потенциаловмежду ними, разумеется, чрезвычайно мала, что-то около 70 милливольт(мВ). При возбуждении аксона происходит мгновенная смена зарядов, т. е.аксон приобретает по отношению к окружающей его жидкости положи-тельный заряд. Этот весьма кратковременный процесс называется нервнымимпульсом (рис. 6.5), и обусловлен он прохождением заряженных частиц(ионов) сквозь поверхность аксона. Длительность одного такого нервногоимпульса составляет величину порядка одной миллисекунды, т. е. тысячнойдоли секунды. Скорость поистине молниеносная! Регистрирующее устрой-ство отображает поступающие нервные микроимпульсы в виде характерныхкоротких вертикальных полос. После аксона нервный импульс отправляетсядалее, к синапсу.

Все нервные импульсы, проходящие через аксон, имеют постояннуюдлительность и интенсивность и протекают с одной и той же скоростью,которая зависит от диаметра и структуры этого конкретного аксона. Мед-ленно проводящие аксоны обеспечивают импульсу скорость порядка 1 м/с(и 3,6 км/ч); высокоскоростными проводниками считаются аксоны, в кото-рых импульс достигает скорости порядка 100 м/с (т. е. 360 км/ч). На такойскорости сигнал преодолевает путь от мозга до кончика большого пальца наноге примерно за 1/50 секунды. Нервные импульсы перемещаются по аксо-ну, оставляя за собой участки, совершенно лишенные какого бы то ни быловозбуждения и готовые принять следующий импульс (рис. 6.5). Такой ме-ханизм препятствует случайному перекрытию двух отдельных импульсов.Нервные импульсы играют в языке нервной системы роль знаков или букв.Учитывая, однако, что длительность и интенсивность нервных импульсовпостоянна, остается только удивляться языку, обходящемуся всего лишьодной буквой. Как с помощью единственного знака можно передать хоть

6. Мозг и его элементы — нейроны 61

осциллограф

усилитель

электродво внешней среде

стеклянный-^г^--—1 -=-т- = — *=-•*-=--— капилляр,

ZZ. наполненный~ раствором К.С1

Рис. 6.4. Измерение напряжения на отдельном аксоне

аксон

; физиоло-'. гический'• раствор

а)

внешняяжидкость

внутренняяобластьаксона

невозбуж- нервныйденная зона импульс

направление движения нервного импульса

невозбуж- нервныйденная зона импульс

Рис. 6.5. Схематическое изображение нервного импульса в аксоне. На рис. (б) нерв-ный импульс продвинулся несколько дальше, чем ка рис. (а). Позади импульсадвижется невозбужденная зона

62 Часть II

какую-то информацию? В латинском алфавите 26 знаков, в азбуке Морзе —три знака (точка, тире и пауза), компьютеры используют всего два знака,нуль и единицу (так называемый двоичный код).

Микроэлектродные исследования помогли найти ответ на этот вопрос.Дело в том, что нервные импульсы следуют друг за другом на различномрасстоянии, т. е. частота импульсов может изменяться. Чем сильнее воз-буждение аксона, тем ближе друг к другу располагаются импульсы и темвыше, следовательно, частота. В этом случае можно говорить об интенсив-ности передаваемого аксоном возбуждения.

Нервный импульс проделывает путь от сомы через аксон к синапсу, т. е.к месту связи между данной и соседней нервной клеткой (рис. 6.5). Здесьсигнал передается химическим путем, посредством так называемых меди-аторов. Работа химического механизма передачи сигнала между синапсамипоказана на рис. 6.6: одна из клеток выделяет особые химические веще-ства (нейромедиаторы), которые преодолевают узкую синаптическую щельи вызывают в соседней клетке соответствующую реакцию, которая, в своюочередь, приводит к возникновению в принимающей клетке электрическоговозбуждения.

Важно отметить, что в зависимости от осуществляемой функции разли-чают возбуждающие и тормозные синапсы. Например, некая возбужденнаянервная клетка, генерируя нервный импульс через тормозный синапс, мо-жет «погасить» возбуждение в другой клетке. Роль тормозных синапсовмы рассмотрим позднее, при обсуждении сетчатки. Бывает, хотя и весьмаредко, что какая-то отдельная нервная клетка связана с одной-единственнойсоседкой; в большинстве же случаев каждый нейрон соединен с десятками исотнями тысяч других нейронов, результатом чего является очень сложнаясеть, основанная на синаптических связях (рис. 6.7). Сигналы возбужде-ния или торможения, поступающие в нервную клетку от других нервныхклеток, вынуждают ее определенным образом реагировать: импульс возни-кает в аксоне только в тот момент, когда электрическое возбуждение в телеклетки достигает некоторой критической величины, которая гарантируетнадежную передачу сигнала; такой механизм препятствует возникновениюнервного импульса в результате случайного изменения электрического по-тенциала клетки.

«Специализированные» нервные клетки органов чувств предназначеныдля преобразования воздействия различных внешних раздражителей (на-пример, света, изменения температуры и т. д.) в электрический сигнал. Этирецепторные клетки являются, таким образом, посредниками между внеш-ними раздражителями и нервной системой; единственное их предназначе-

6. Мозг и его элементы — нейроны 63

молекуланейро-медиатора

Г

направлениедвижениямолекулы

рецепторы

Рис. 6.6. Схематическое изображение процесса, происходящего в синапсах. Нервнаяклетка выбрасывает через синапс нейромедиатор. Преодолев синаптическую щель(она представлена здесь без соблюдения масштаба, в действительности ее шириназначительно меньше), медиатор достигает синапса соседней нервной клетки, гдевступает в химическую реакцию, которая благодаря свойствам мембраны синапсапреобразует этот химический стимул в электрический сигнал. (Более подробныеобъяснения имеются в тексте)

ние — обеспечение прохождения информации от внешнего мира к нерв-ной системе. При этом каждая группа таких клеток реагирует только насовершенно определенные раздражители, т. е. имеет свою специфическуюобласть применения: для клеток глаза это восприятие света, для клетоккожи (тактильных и терморецепторных) — изменения давления и темпе-ратуры. Иногда, впрочем, возникают ситуации, приводящие к «смещениюобязанностей»: если, например, ударить человека в глаз, он увидит «звезды»вследствие того, что нервные клетки глаза испытали сильное воздействие«не того» раздражителя. Тот факт, что нервные клетки реагируют толькона определенные (или, скажем, адекватные) раздражители, представляетсяочень важным, так как нервные импульсы сами по себе могут передатьтолько интенсивность раздражения, но не указать на его источник. Именноисходя из того, какая группа нервных клеток отреагировала на раздраже-ние и по каким передающим каналам сигнал достиг мозга, можно судить ораздражителе: например, аксоны, связывающие мозг с сетчаткой глаза, пе-редают информацию о световом раздражении — именно ими мы намеренызаняться более подробно.

64 Часть II

V/ I

Рис. 6.7. Нервная клетка с несколькими синапсами

Рассмотрев вкратце нейроны, обратимся от частей к целому, т. е. попы-таемся выяснить, что же представляет собой собственно мозг.

в) Строение и функции мозга

В предыдущем разделе мы ознакомились с микроскопической структу-рой мозга, образуемой нейронами. Теперь пришло время обратиться к неко-торым фундаментальным проблемам, встающим перед исследователямимозга на макроскопическом уровне. Относительно просто изучить анато-мию мозга, опираясь на наши познания о различных типах нервных клеток.Однако какую функцию выполняют эти клетки, располагаясь в определен-ных областях мозга? Каково назначение (и значение) отдельных областей'?На этот счет к началу XIX века имелась одна занятная теория. Занимавший-ся исследованием мозга врач Франц Иозеф Галль обнаружил, что различныеучастки коры головного мозга имеют различную толщину. Это, по его мне-нию, свидетельствовало о том, что и выпуклости на наружной поверхностичерепа позволяют делать заключения о характере обладателя головы. Галльуверовал в свою теорию сам и привлек к ней внимание множества людей.Сегодня мы можем лишь посмеяться над этой теорией, но все же некое

6. Мозг и его элементы — нейроны 65

зерно истины она в себе несла: различные участки коры действительновыполняют различные функции.

Как показано на рис. 6.8, мозг можно разделить на большие отде-лы в соответствии с обнаруженными исследователями анатомическими ифункциональными особенностями. Различают продолговатый мозг, мозже-чок, средний мозг, промежуточный мозг и, наконец, передний мозг, илисобственно головной. При анатомическом сравнении человека с другимиживыми существами было установлено, что мозг человека значительнобольше по своим размерам; кроме того, большое количество извилин наповерхности мозга существенно увеличивает ее площадь, а значит, и числонервных клеток. Действительно, головной мозг играет совершенно особен-ную роль: здесь сосредоточены центры зрения, слуха, обоняния и т. д., т. е.все, что непосредственно участвует в процессе осознанного восприятия. Сголовным мозгом связан также процесс сознательного мышления. С чистоанатомической точки зрения головной мозг можно разделить на несколькодолей: лобную, две височных, две теменных и затылочную (рис. 6.9). По-мимо этого, выделяют еще и правое и левое полушария, которые связанымежду собой так называемым мозолистым телом.

Как же распределены функции мозга между этими отделами? Мы знаемточно, что при кровоизлиянии (инсульте), поражающем различные участ-ки головы, могут возникать различные повреждения. Так, например, однипациенты вследствие инсульта теряют речевые навыки, другие перестаютузнавать знакомое, казалось бы, окружение, третьи оказываются полностьюили частично парализованы. Существуют разнообразные методы, позволя-ющие выяснить, какие именно функции закреплены за тем или иным от-делом мозга. Старейший из этих методов как раз и сводится к тому, чтобысопоставить наличествующие физические повреждения с последовавши-ми функциональными расстройствами. Так в 1861 году французский врачПоль Брока исследовал мозг трупов двух человек, при жизни страдавшихнарушением речевой функции. Брока обнаружил, что в обоих случаях ока-зались сильно повреждены определенные участки в левом полушарии, изчего можно было заключить, что именно в этой области находится речевойцентр. В те времена только после смерти пациента можно было анатоми-ческим путем выяснить, какой именно участок мозга имеет повреждения.Теперь все иначе; к моменту начала операции по поводу, скажем, опухолиуже точно известно, какая именно область мозга поражена. Эксперимен-тируя на животных, ученые порой целенаправленно разрушают какую-тоопределенную область мозга с тем, чтобы затем изучить результаты про-

66 Часть II

кровеносные сосуды

твердаяоболочка мозга

паутинная оболочкамозга

внутренняяоболочкамозга

промежуточныймозг:

обонятельнаялуковицагяпофвззрительный нерв

Рис. 6.8. Строение мозга

лоонаядоля

височныедоли

тагмлочнаядоля

Рис. 6.9. Отделы коры головного мозга

6. Мозг и его элементы — нейроны 67

изведенного вмешательства. Методы эти, впрочем, не отличаются особойточностью.

Обратимся к самым современным методам, куда более тонким и точ-ным. Таков, к примеру, микроэлектродный метод: безболезненно введен-ные под черепную коробку электроды служат для измерения показателейэлектрического возбуждения, возникающего от того, что испытуемый в этовремя подвергается воздействию различных внешних раздражителей. Элек-трод вводится в определенную область мозга, и в зависимости от того, вответ на какой именно раздражитель происходит повышение электрическойактивности мозга, делается вывод о том, какие функции выполняет даннаяобласть. Если ожидаемая реакция возникла в тот момент, когда испытуе-мый слушал музыку, то, следовательно, участок мозга, в который введенэлектрод, является слуховым центром. В опытах с животными был исполь-зован и обратный прием: с помощью электрода производилось электри-ческое раздражение определенных участков мозга. При этом отмечалось,что подопытные животные реагируют на такие раздражения свойственнымим способом: курицы, например, начинали бегать или хлопать крыльями.В сороковые-пятидесятые годы нашего столетия подобные экспериментыпроводились и с людьми. Во время операций на открытом мозге эти паци-енты находились в полном сознании и были способны рассказать о своихощущениях, возникающих при раздражении определенных участков мозга.Например, если при таком воздействии у пациента появлялся зуд в правойруке, то становилось ясно, что именно данный участок мозга ответствененза осязание правой рукой.

Совершенно иные принципы лежат в основе метода компьютерных ис-следований мозга, который позволяет наблюдать за изменениями кровоснаб-жения мозга при различных видах деятельности (рис. 6.10). Испытуемымвводится в кровь микродоза слаборадиоактивного вещества в безопаснойдля здоровья (по уверению изобретателя) концентрации. При разработкеэксперимента исследователи исходили из того, что «задействованные» об-ласти мозга снабжаются кровью интенсивнее, чем те, что в данный моментпребывают в состоянии покоя. Одно из первых упоминаний об этой взаи-мосвязи относится еще к 1890 году, когда было установлено, что перед эпи-лептическим приступом мозг больного буквально переполняется кровью,а значит, имеет место несомненное усиление кровотока. Чем интенсивнеекровоснабжение определенной области мозга, тем больше радиоактивныхчастиц можно обнаружить в этой области. Внешние детекторы регистри-руют повышение радиоактивности, и на основании этих данных компью-терная программа моделирует цветную схему, которая позволяет судить об

68 Часть 11

Рис. 6.10. Полученное с помощью компьютера изображение, свидетельствующееоб изменении кровоснабжения отдельных участков мозга при смене деятельности.Вверху: состояние покоя; внизу: испытуемый следит глазами за движущимся объ-ектом. Интенсивность серого цвета соответствует интенсивности кровотока

6. Мозг и его элементы — нейроны 69

интенсивности кровотока. Наблюдения, проводимые описанным методом,дают исследователям возможность собрать гораздо более полные и точныеданные о деятельности мозга в целом, нежели метод микроэлектродов, кото-рый сужает область наблюдения до небольшого участка мозга. Данный ме-тод оказывается очень хорош для наблюдения переходных состояний мозга:например, при переходе испытуемого от состояния покоя к тому или иномувиду деятельности или при смене типов раздражителей. Предположим, чтоиспытуемый неподвижно лежит с закрытыми глазами и при полном отсут-ствии каких бы то ни было внешних раздражителей. Интересно отметить,что при этом снабжение кровью лобной доли приблизительно на 20-30% вы-ше, чем среднее значение (по всему мозгу в целом). Результаты исследова-ний, проводимых другими методами, говорят о том, что эта область не имеетникаких специфических функций, а несет на себе, по большей части, от-ветственность за личностные свойства человека. Установлено, что в резуль-тате кровоизлияния в эту область могут происходить изменения структурыличности. С этой областью мозга связывают способность человека к созна-тельному мышлению и перспективному планированию. Такие, не имеющиеспециальных функций, области называются ассоциативными полями.

Когда испытуемый открывает глаза, чтобы проследить за движущимсяобъектом, картина кровотока абсолютно меняется. Теперь особенно интен-сивно снабжаются кровью — как, собственно, и ожидалось — зрительныецентры, находящиеся в затылочной доле, а кроме того, фронтальное зри-тельное поле и моторное поле, ответственные за сознательное движениеглаз. Еще более высокоорганизованной деятельностью (такой, как речь иличтение) заведует центр чтения, сенсорный центр речи и моторный центрречи.

Рассмотрим в качестве примера такой вид деятельности, как чтениевслух. Какие центры оказываются вовлечены в этот процесс? Сначала сиг-нал поступает в зрительный центр. Воспринимаемая просто как картинкабуква анализируется центром чтения, а затем, уже распознанная, благодарясенсорному и моторному центрам речи может быть произнесена. Этот при-мер недвусмысленно указывает на то, что для многих процессов необходимоподключение не одного, а нескольких центров мозга, взаимодействующихдруг с другом. С помощью описанных методов исследования мозга ученыесмогли составить своеобразную «географическую карту», на которой нане-сены зоны, ответственные за определенные функции (рис. 6.11). Например,в области затылочной доли головного мозга находится зрительный центр(с которым мы ознакомимся подробнее в последующих главах) определенаобласть, в которой расположен центр обоняния, сенсорное поле коры го-

70 Часть II

ловного мозга, анализирующее ощущения, и моторное поле, управляющеемускулатурой.

ассоциативныйцентр

моторноеполе сенсорное

лолецентрслуха

моторныйцентр речи

центрсчета

зрительноеполе

центрсенсорный чтенияцентр речи

Рис. 6.11. Области коры головного мозга

Как уже упоминалось, головной мозг состоит из двух полушарий, со-единенных мозолистым телом. Но являются ли полушария зеркальным от-ражением друг друга? Одинаковые ли функции они выполняют? Некоторыеответы были получены в ходе экспериментов, проводившихся с людьми, укоторых оперативным путем было рассечено мозолистое тело, и тем самымнарушена связь между полушариями. Такие операции назначаются обычнобольным эпилепсией с целью смягчения приступов. Во время экспериментапациенту закрывали повязкой попеременно правый и левый глаз и с помо-щью проекционного аппарата предъявляли различные изображения. Когдаоткрытым оставался правый глаз, испытуемый мог назвать показанные емуна картинках предметы и правой рукой выбрать такие предметы из числапредложенных (рис. 6.12). Если вместо предметов проецировались слова, тоиспытуемый мог прочесть их вслух и выбрать предмет, соответствующийпоказанному слову. Чтобы верно оценить результаты этого эксперимента,следует знать, что все, видимое правым глазом, анализируется левым полу-

6. Мозг и его элементы — нейроны 71

Рис. 6.12. Экспериментальной исследовании деятельности полушарий головного

мозга пациента, у которого оперативным путем было рассечено мозолистое тело

левое полушарие правое полушарие

сознательное

вербальное

аналитичес-кое

арифмети-ческое

восприятиеструктурныхэлементов

лоб

пространствен-ное представление

бессознательное

невербальное

синтетическое

геометричес-кое, прост-ранственное

восприятиеизображенийи образов

музыкальное

Рис. 6.13. Функции полушарий головного мозга

72 Часть II

шарием; то же относится и к правой руке. Аналогично действует и правоеполушарие, контролирующее и анализирующее сигналы, поступающие отлевого глаза и левой руки. Как мы увидим далее, нервные тракты в мозгескрещиваются. Этот эксперимент показывает, что левое полушарие, дажебудучи изолированным от правого, способно обеспечить человеку пусть неполную, но все же достаточную свободу действий.

Еще более интересные результаты получаются, когда открытым остает-ся левый глаз. Испытуемый, правда, по-прежнему способен отыскать средипредложенных названный или показанный предмет, однако он оказывает-ся не в состоянии, даже при успешном отыскании предмета, прочесть егоназвание с экрана или назвать этот предмет вслух. Становится ясно, чтоправое полушарие не может в одиночку выполнить задачи, связанные с ре-чевыми или письменными функциями. Таким образом, очевидно, что левоеи правое полушария не идентичны, и функции их разделены (рис. 6.13).

Остановимся вкратце и на некоторых других отделах мозга. В ходесравнения мозга различных животных было установлено, что те животные,которые обладают способностью к сложному поступательному движению(сюда относятся и птицы), имеют особенно развитый мозжечок. Именноэта часть мозга ответственна за координацию движений. Еще одна частьмозга, играющая важную роль в обработке сигналов, получаемых от органовчувств — промежуточный мозг, а в нем — область таламуса. Помимо всегопрочего, у млекопитающих таламус служит коллектором нервных трактов,соединяющих органы чувств с корой головного мозга. Подробнее эту связьмы рассмотрим в последующих главах, посвященных зрительному тракту.

Итак, на сегодняшний день известно, что каждая зона мозга связанас исполнением определенных функций; однако у читателя не должно сло-житься ложного представления о природе этой связи. Разделение функциймежду определенными отделами мозга в действительности подразумеваетотнюдь не жесткое закрепление за каждой зоной, представляющей собойнекую замкнутую целостность, каких-то определенных задач, но существо-вание множественных связей, обеспечивающих прежде всего скоординиро-ванное взаимодействие отдельных частей, составляющих в совокупностимозг. Можно сравнить работу отделов мозга с работой консультантов вкаком-нибудь большом учреждении: несмотря на то, что эти люди физиче-ски находятся в разных помещениях, они постоянно обмениваются инфор-мацией и выполняют каждый свою часть общей работы.

Для понимания природы психической деятельности важно знать, какимобразом распределяются задачи между отдельными частями мозга. Одна-ко одного этого знания еще не достаточно. Истинное понимание возможно

6. Мозг и его элементы — нейроны 73

лишь в том случае, когда исследования психической деятельности ведутсяпредставителями многих отраслей науки. Можно рассматривать деятель-ность мозга как макроскопическое явление и исследовать внешние резуль-таты процессов, протекающих в системе (например, способность к звуко-и световосприятию или способность к обучению, оцениваемая при раз-личных условиях). Богатый материал для таких исследований дает работас пациентами, у которых определенные способности деформированы иливовсе отсутствуют, а также эксперименты с животными (например, с кры-сами, которых дрессируют таким образом, чтобы они обучались отыскиватьеду в определенной формы лабиринтах), наблюдая за поведением которыхученые могут делать выводы о психической деятельности мозга.

При изучении мозга на микроскопическом уровне наука движетсянесколько иным путем. Исследуя все более мелкие элементы мозга, доби-раясь до отдельных нервных клеток и изучая связи между ними, биохими-ки установили, например, посредством каких именно химических веществосуществляется связь между синапсами. Открытие это привело к созда-нию медикаментов, способных восполнить отсутствие или недостаток убольного человека медиаторов, с помощью которых происходит взаимодей-ствие нейронов, и таким образом помочь людям, страдающим различнымизаболеваниями мозга. С другой стороны, можно исследовать воздействиена мозг различных медикаментозных препаратов, причем наиболее инте-ресным представляется изучить реакции, вызываемые теми препаратами,которые аналогичны вырабатываемым самим организмом веществам.

Поскольку мозг, являясь исключительно сложным образованием, занятосуществлением огромного количества разнообразных функций (восприя-тие, запоминание и обучение, мышление и управление деятельностью раз-личных органов), немыслимо вместить в одну небольшую книгу подробноеизложение всех аспектов психической деятельности. Поэтому мы и вы-брали всего один пример — деятельность зрительной системы, о которойуже упоминалось как о наиболее подробно изученной. Рассказ о зритель-ной системе поможет нам ознакомиться с самыми современными методамиисследования мозга и в то же время выйти за рамки этих методов, пред-ставив систему не только в виде самостоятельного целого, но и как частьзрительного аппарата, выходящего за пределы мозга, т. е. познакомить чита-теля с механизмами взаимодействия различных частей, осуществляющих вконечном счете целостный процесс восприятия. Ошибки на любом уровнесистемы восприятия могут приводить к очень значительным искажениямрезультата. Читателю, возможно, покажется несколько странным то, чтоглавным действующим лицом главы 10 будет сетчатка, — ведь мы обещали

74 Часть II

посвятить нашу книгу исключительно исследованию мозга. Однако в этом«отклонении от темы» нет ничего удивительного: в ходе исследований эм-брионального развития было установлено, что сетчатка в действительностиявляется в некотором роде частью мозга, так как глазные яблоки развива-ются из так называемых мозговых пузырьков.

С точки зрения исследователей, у сетчатки (в сравнении с собственномозгом) есть одно преимущество: она относительно тонка и состоит все-го из нескольких слоев клеток, которые «удобно» изучать. Действительно,анатомы досконально исследовали как строение сетчатки, так и принципы,на которых основана ее деятельность. Более того, в ходе изучения сетчаткибыли обнаружены некоторые феномены, уже известные ученым, занимав-шимся зрительным центром головного мозга; здесь эти феномены подда-ются научному объяснению гораздо проще, нежели в случае наблюдения ихнепосредственно в мозге. Таким образом, рассматривая сетчатку как мозг вминиатюре, мы можем добыть немало очень важных сведений для дальней-ших научных изысканий. Однако прежде чем приступить к рассмотрениюпроцессов, протекающих в зрительном центре мозга, необходимо вкратцеописать тот путь, по которому сигнал от сетчатки поступает в мозг. Вос-приятием цвета мы займемся отдельно (в главе 13), так как оно, по всейвероятности, осуществляется независимо от восприятия формы и представ-ляет собой особый вид деятельности зрительной системы. Наконец, следу-ет выяснить, как происходит развитие зрительной системы. Экспериментыдоказывают, что узнавание предметов, будь то скрипка или карандаш, воз-можно лишь при наличии факта знакомства с этими предметами в прошлом,т. е. чтобы «признать» в карандаше именно карандаш, необходимо хотя раздо этого увидеть карандаш и в общих чертах знать, какая, собственно, сущ-ность стоит за обозначением «карандаш». Таким образом, процесс узнава-ния предполагает участие памяти и неких «обучающих» элементов. Именнооб этих участниках процесса узнавания мы и расскажем вкратце, преждечем вплотную займемся зрительной системой.

7. Обучение и память: что нам известно обо всем этом насамом деле?

Когда мы встречаемся с кем-то из своих знакомых, наша зрительнаясистема воспринимает лицо этого человека, и мы его узнаем. Мы легко от-личаем это лицо от других — если, конечно, речь не идет об однояйцевыхблизнецах. Итак, восприятие связано, в общем случае, с узнаванием неких

7. Обучение и память: что нам известно обо всем этом на самом деле? 75

предметов, людей, образов и т. д. Узнавание предполагает, что прежде состо-ялось некое обучение, т. е. произошло «знакомство» с данным предметом,явлением или человеком. Именно потому, что при узнавании в результатезрительного восприятия решающую роль играют обучение и память, мысейчас и займемся рассмотрением связанных с ними психических процес-сов на примере животных и человека.

При исследованиях функций памяти и процессов обучения можно, каки прежде, условно выделить два уровня: макроскопический и микроско-пический. На макроскопическом уровне психологи заняты изучением ре-зультатов человеческой деятельности, связанной с процессами обучения, ипопытками выяснить, при каких условиях эти процессы протекают в оп-тимальном режиме. Когда и при каких обстоятельствах человек обучаетсябыстрее всего? Чему именно он обучается особенно хорошо? Вот некоторыезаключения, полученные в результате таких исследований. Успешность обу-чения зависит от степени нагрузки (слишком низкие — равно как и слишкомвысокие — нагрузки ограничивают способность человека научиться чему-либо, в то время как некий «средний» уровень нагрузок помогает овла-деть предметом). Интерес, мотивация обучаемого также играют огромнуюроль; кроме того, велика роль внимания, которое обучаемый сосредоточитна предмете. Исследование всех этих моментов, связанных с процессамиобучения, вплотную приближается к исследованию психических состояниймозга, наиболее благоприятных для обучения. Опытным педагогам и ме-тодистам известно, что частое повторение или обучение с помощью такназываемых «ключевых слов» и ассоциативного ряда увеличивает вероят-ность успешного усвоения материала учащимися.

Специальные исследования были посвящены определению механизмовзапоминания, участвующего в процессе обучения. Так, к примеру, группеиспытуемых было предложено с определенной скоростью прочесть вслухсорок простых коротких слов. Сразу после прочтения испытуемые должныбыли записать запомнившиеся им слова. График на рис. 7.1 иллюстриру-ет полученные в ходе исследования результаты. Мы видим, что первыенесколько слов (в среднем — три) запоминают практически все испытуе-мые. Последующие слова воспроизводятся реже, но — что интересно! —четвертый десяток предложенных слов вновь воспроизводится большин-ством участников эксперимента вполне успешно. Здесь же показан резуль-тат другого теста, отличающегося от первого тем, что прочитанные вслухсорок слов испытуемым предлагалось записать по памяти не сразу послепрочтения, а лишь через некоторый промежуток времени (порядка 20 с);в течение этих нескольких секунд испытуемые были заняты несложными

76 Часть II

10 15 20 25номер слова

Рис. 7.1. Результаты эксперимента по исследованию кратковременной памяти. Пунк-тирная линия: испытуемые записывают слова сразу после прочтения; сплошная ли-ния: испытуемые записывают слова с задержкой в 20 секунд

счетными заданиями, которые необходимо было решить «в уме». Послед-ний десяток слов, как мы видим, воспроизведен на этот раз отнюдь не стольуспешно, как в условиях первого эксперимента.

Сравнение двух кривых позволяет сделать вывод о том, что кратковре-менная память способна сохранять информацию примерно десяти послед-них секунд. Именно благодаря кратковременной памяти так высок процентзапоминания последних десяти слов. Когда же испытуемым были предложе-ны сразу после прочтения слов еще и задачи, требующие несложных устныхвычислений, объем кратковременной памяти оказался занят именно резуль-татами этих вычислений, а слова к этому времени были уже «стерты». Вобоих случаях испытуемые довольно успешно могли вспомнить несколькопервых из сорока прочитанных ими слов: это объясняется тем, что ин-формация от временного промежутка, в течение которого были прочитаныэти начальные слова, была сохранена уже в так называемой среднесрочнойпамяти, обладающей меньшей емкостью, но большим «сроком хранения»,нежели кратковременная память. Информация может сохраняться в средне-срочной памяти на протяжении нескольких часов или даже суток; некотораячасть такой информации переходит затем в так называемую долговремен-ную память и может оставаться там очень продолжительное время, поройдаже всю жизнь.

В долговременной памяти находится информация, полученная чело-веком либо посредством множественных повторений (так, например, мыпользуемся умением говорить на родном языке или писать), либо благодаря

7. Обучение и память: что нам известно обо всем этом на самом деле? 11

единичному, но очень сильному впечатлению — таковыми часто оказыва-ются впечатления детских лет. Эксперименты позволяют провести границумежду долговременной и кратковременной памятью и продемонстрироватьразличия между этими двумя типами памяти. Известно, что вследствиеприменения электрошокотерапии или наркоза, после переохлаждения иливдыхания воздуха с избытком кислорода, а также при несчастных случаях,сопровождающихся сильным шоком, из памяти пациентов исчезает инфор-мация, хранившаяся в кратковременном объеме памяти; однако все, чтосодержалось в долговременной памяти, остается нетронутым, даже если счеловеком произошло что-либо из вышеперечисленного.

На рис. 7.2 представлена модель процессов, посредством которых ин-формация, воспринимаемая нами через органы чувств, достигает мозга.Следует понимать, что через органы чувств на мозг постоянно, ежесекунднообрушивается поистине гигантская лавина самой разнообразной информа-ции. Глаза воспринимают сложнейшую постоянно изменяющуюся «картинуокружающего мира», состоящую из многообразия цветов, форм и образов;уши улавливают всевозможные шумы, шорохи или музыку. Если мы приэтом сидим на стуле, мозг получает сигнал от тактильных рецепторов. Воз-можно, в комнате еще и тикают часы, а за окном шумят автомобили —однако лишь очень ограниченная часть всего этого потока информации до-стигает сознания. Ведь если вы, например, поглощены каким-то интерес-ным разговором, вы уже не слышите ни уличного шума, ни тиканья часов,вас больше не занимает жесткость стула, вам важно лишь выражение лицавашего собеседника. Прежде чем достичь сознания, поступающая информа-ция попадает сначала в кратковременную память, которая обладает, образноговоря, очень малой емкостью. Большая часть информации здесь теряется;то, что осталось, проходит дальше, в среднесрочную память, где и может со-храняться несколько часов или даже суток. На этом этапе вновь происходитпотеря некоторого количества информации; затем совсем уже небольшаячасть (от первоначального объема) достигает поистине колоссальных хра-нилищ долговременной памяти, где человек в течение всей своей жизнисобирает огромную коллекцию лиц, предметов, явлений, событий и т. п. —т. е., несмотря даже на многочисленные «потери», невообразимо огромноеколичество информации.

Однако зададим себе вопрос: каким же образом осуществляется обуче-ние? Как протекают процессы обучения на микроскопическом уровне? Есливспомнить об огромном числе нервных клеток, содержащемся в человече-ском мозге, станет ясно, что исследования такого рода представляют собойчрезвычайно сложное (и даже в каком-то смысле рискованное) предприятие.

78 Часть II

поступление

10-10 бит/с

органы чувств

поступление15-20 бит/скратковременнаяпамять

емкость

180 200 бит

поступление0,3-1 бит/ссреднесрочнаяпамятьемкость

10 -10 бит

поступление0,03-0,1 бит/сдолговремен-ная памятьемкость

>10 бит

невоспринимаемаяинформация

потеря через

10-20 секунд

потеря через несколькочасов или суток

потеря черезнесколько лет

Рис. 7.2. Модель фильтрации памяти (схематично). 1 бит соответствует количеству

информации, получаемой при приеме сообщения об осуществлении одного из двух

равновероятных событий

Именно поэтому первыми были изучены очень простые организмы — та-кие, как Aplysia (аплизии, или морские зайцы) и Hermissenda. Эти морскиемоллюски, естественно, способны научиться лишь очень и очень простымвещам. Надо заметить, кстати, что под «научением» биологи понимаютизменение поведения под воздействием нового опыта, приобретенного ис-пытуемым. Отсюда следует, что в случае, когда испытуемым оказываетсякакое-нибудь животное, об успешности обучения можно говорить толькоесли в ходе эксперимента наблюдаются какие-то конкретные изменения вповедении этого животного. В ответ на раздражение дыхательной трубкиаплизия втягивает жабры; при постоянном повторении этого раздражениянаблюдается ослабление реакции. Если же механическое раздражение со-

7. Обучение и память: что нам известно обо всем этом на самом деле? 19

провождалось болевым воздействием, то при многократном раздраженииупомянутая реакция, напротив, усиливалась. Моллюск Hermissenda во вре-мя эксперимента «обучался» установлению взаимосвязи между вспышкойсвета и возникновением водоворота в окружающем его (моллюска) объемеводы; результатом этого «обучения» стало уменьшение скорости движениямоллюска.

Эти представители животного мира замечательно подходят для роли«испытуемых», поскольку, обладая очень простой нервной системой, струк-тура которой описывается несложной схемой, они все же способны демон-стрировать недвусмысленные изменения в своем поведении, что позволяетисследователям точно установить в ходе экспериментов произошедшие врезультате «обучения» перемены. Специфические изменения были обнару-жены у подопытных моллюсков и на микроскопическом уровне; например,у аплизий происходили изменения в передаче возбуждения через синапсы.На первом этапе эксперимента, пока аплизия «привыкала» к постоянномураздражению, передача возбуждения замедлялась; затем, при введения бо-левого раздражителя, чувствительность аплизий повышалась, и передачавозбуждения ускорялась. Биохимические механизмы наблюдаемых измене-ний вполне объяснимы, однако в силу того, что объяснения эти все же до-вольно сложны, мы не будем здесь на них останавливаться. Заметим лишь,что важную роль во всех этих процессах играют кальций, определенныехимические вещества и энзимы. В случае же с моллюском Hermissenda на-блюдалась повысившаяся после «обучения» чувствительность отдельныхнервных клеток.

Мозг млекопитающего и человека настолько сложен, что создание про-стой и точной модели для описания деятельности нервной системы пред-ставляется невозможным. Следовательно, для обнаружения принципиаль-ных механизмов обучения и прочих связанных с памятью процессов сле-дует избрать иной путь. На основании результатов изучения воздействияна человека уже упоминавшихся наркоза и электрошока можно предпо-ложить, что для каждого типа памяти существуют различные биохимиче-ские механизмы: для краткосрочной — один, для долгосрочной — другой.Существует гипотеза, согласно которой кратковременное сохранение ин-формации обеспечивается циркуляцией нервного импульса в замкнутыхцепях нейронов (рис. 7.3). При охлаждении или воздействии электрошо-ка такие замкнутые цепи могут быть разрушены, что вызывает наруше-ние кратковременной памяти. Существование замкнутых нейронных цепейуже довольно давно получило подтверждение на анатомическом уровне:электрофизиологические исследования и клинические эксперименты, про-

80 Часть II

веденные в 60-е годы XX века, свидетельствуют, что подобный механизмпозволяет сохранять сигнал в течение весьма продолжительного времени.Но более сложные процессы — такие, например, как восприятие челове-ком лиц — наверняка не могут быть обусловлены простой циркуляциейсигнала по замкнутой цепи из нейронов, для этого требуется куда болеесложная пространственно-временная модель нейронной активности. Эта ги-потетическая пространственно-временная модель должна включать в себяодновременную активизацию большого числа нервных клеток, передающихпоток импульсов другим группам нервных клеток в результате возникно-вения между ними временной связи. Картина пространственно-временногораспределения нейронов иначе называется динамической энграммой, или«памятным следом». Можно представить себе нервные клетки в виде кро-шечных электрических лампочек, которые определенным образом разме-щены в пространстве и вспыхивают и гаснут в определенном ритме, такчто получаемый в результате световой узор дает совершенно определеннуюпространственно-временную картину (энграмму).

Рис. 7.3. Циркуляция нервных импульсов по замкнутым цепям нейронов

Каким же образом фиксируется содержание довольно-таки быстро ис-чезающего памятного следа? Эксперименты с отдельными нервными клет-ками показывают, что различные типы синапсов головного мозга начинаютпроизводить с этой целью большие количества химических веществ, слу-жащих медиаторами. Это означает, что если некий синапс принимает нерв-ные импульсы очень часто, то с течением времени сила воздействия этихимпульсов на синапс увеличивается; выделение медиатора синапсами так-же увеличивается, и соседней клетке передается соответственно усиленныйимпульс. Кроме того, был обнаружен и еще один феномен: клетка становит-ся чувствительнее даже при неизменном количестве выделяемого в синапсемедиатора. И все же оба описанных феномена имеют определенные вре-менные рамки. Импульс и впрямь может сохраняться довольно долго, даже

7. Обучение и память: что нам известно обо всем этом на самом деле? 81

до 10 часов, что, впрочем, никак не объясняет природы долгосрочной памя-ти; упомянутый эффект можно было бы счесть неким переходным этапоммежду краткосрочной и долгосрочной памятью.

Эксперименты дают четкое представление о той роли, которую игра-ют в механизме долгосрочной памяти биохимические процессы. В качествепримера можно привести сравнительные данные по такому химическомусоединению, как рибонуклеиновая кислота (РНК). Для эксперимента быливзяты две группы крыс: одна группа была «обучена» находить в лабиринтепищу, вторая же использовалась в качестве контрольной. Результат срав-нения содержания в клетках мозга этих крыс рибонуклеиновой кислотытаков: у крыс первой группы ее оказалось на 60-100% больше. РНК явля-ется важным элементом процесса белкового синтеза — она «содержит» всебе информацию, в соответствии с которой выстраивается молекула бел-ка. Интересные результаты дают опыты с впрыскиванием крысам веществ,тормозящих процесс синтеза белка. Сначала крысы, которым была сделанаинъекция, выучиваются проходить лабиринт так же хорошо, как и крысы изконтрольной группы. Однако сохранить приобретенные во время обучениянавыки подопытные крысы не могли — по прошествии примерно трех часовони начисто забывали путь через лабиринт и уже не могли отыскать в немпищу. Если же инъекция производилась спустя два часа после завершенияобучения, все крысы отлично сохраняли приобретенные навыки прохожде-ния лабиринта и ничем не отличались от крыс из контрольной группы. Этотэксперимент показывает, какое значительное влияние оказывают биохими-ческие процессы (в частности, синтез белка) на сохранение информации вдолгосрочной памяти.

После того как этот факт был окончательно установлен, появиласьтеория, в соответствии с которой содержание памяти должно фактическиопределяться химическим составом молекул медиатора, подобно тому, какхимическим путем передается по наследству информация, необходимая длясинтеза белка. Один ученый даже утверждал, что ему удалось выделитьтакое химическое соединение, которое обуславливает у животных страх пе-ред темнотой. Это соединение он получил в результате эксперимента, входе которого у животных развивался страх перед темнотой, и назвал «ско-тофобин» (скотофобия — боязнь темноты). Охватившая общество эйфорияпозволила поверить в возможность получения соединений, которые опре-деляли бы содержание памяти. Перед взорами людей представало чудесноевидение: в будущем детям больше не придется ходить в школу, достаточнобудет лишь принять нужные таблетки! Однако в конечном счете эта теория

82 Часть II

обнаружила свою несостоятельность. Эксперименты оказались невоспроиз-водимыми, т. е. другим исследователям не удалось подтвердить существо-вание особых соединений, определяющих содержание памяти. Очевидно,связь белкового синтеза с процессом запоминания объясняется как-то ина-че. Сегодня предполагается, что если синапсы подвергаются частому воз-буждению, то изменения в них происходят на микроструктурном уровне,и синапсы оказываются способны увеличивать проводимость. При огра-ниченном же использовании синаптические связи разрушаются, а синапсывырождаются. Итак, предполагается, что активизация процессов белковогосинтеза необходима для повышения эффективности уже существующих иобразования новых синапсов, а кроме того, возможно, и для увеличенияколичества производимых синапсами медиаторов.

В последнее время было выяснено, что на синапсах, которые часто ис-пользуются, молекулы группируются в упорядоченные волокнистые струк-туры; группы таких молекул называются ганглиозидными (рис. 7.4). Чемчаще на синапс передается возбуждение, тем большее количество волоконобъединяется вместе; вероятно, они облегчают прохождение медиатора иповышают проводимость нужных синапсов, улучшая связь между ними иобразуя нечто вроде хорошо сплетенной нервной сети, удерживающей всебе памятный след.

Возможно, содержание памяти и впрямь можно закодировать с помо-щью определенных специфических межнейронных связей. И все же сомни-тельно, что каждому сохраненному в памяти сигналу соответствует некаяопределенная схема связей. Как мы уже упоминали в предыдущей главе,объекты окружающего мира чрезвычайно разнообразны: деревья, напри-мер, могут быть очень различными по высоте, форме и т.д., однако онилегко распознаются нами именно как деревья. Остается по-прежнему неяс-но, каким же образом происходит отбор существенных особенностей из вос-принятого целостного образа? Или: как работает подобный сортирующиймеханизм у животных? С точки зрения синергетики, действие этих механиз-мов основано на принципе самоорганизации. Как только объект воспринят,в мозге создается некий образ, подобный воспринятому объекту, так чтов данном случае имеет место не простое сопоставление воспринятой ре-альной действительности с сохраненными в памяти шаблонами, а именносамоорганизация.

Принцип изменения проводимости синапсов пригодился и создателямкомпьютерной техники, о чем мы расскажем подробнее в третьей частинашей книги. Сейчас же обратимся к уже неоднократно привлекавшимся

8. Глаз и фотоаппарат 83

О О пресинаптичес-Р О О кая мембрана

постсинаптичес-кая мембрана

транссинапти-ческие каналы

синаптическаящель

Рис. 7.4. Транссинаптичсскис каналы. А: фотография, полученная с помощью элек-тронного микроскопа; Б: схематическое изображение

нами в качестве примеров зрительным процессам, описание которых явля-ется главной задачей этой книги. Начнем с устройства человеческого глаза.

8. Глаз и фотоаппарат

1 лаза — это входные врата для всей зрительной информации, которуюможет получить об окружающем нас мире наша нервная система. Поэтомуименно с глаз мы и начнем. Следует, впрочем, оговориться: эта книга нив коей мере не является учебником анатомии, и мы намерены ограничить-ся описанием лишь самого необходимого минимума фактов, касающихсяустройства глаза.

Зрительное восприятие возможно лишь тогда, когда в глаза попадаетсвет — при этом совершенно не важно, исходит он от Солнца или от элек-трической лампы. Свет может достичь глаза непосредственно от источника(вдоль прямой линии), как случается, если мы, например, посмотрим прямона Солнце. Однако гораздо чаще глаз направлен на объекты, которые самипо себе не являются источниками света. Видим же мы их благодаря тому,

84 Часть II

ресничная мышца

хрусталик

радужная оболочкароговица

желтое пятно

центральная ямка

передняя камераглазного яблока _ _

зрительный нервслепое пятно

сетчаткасосудистая оболочка

склера

Рис. 8.1. Схема строения глаза

что поверхность этих объектов отражает излучаемый неким источникомсвет, и некоторая часть отраженного таким образом света попадает в глаз(рис. 8.2). Что же при этом происходит со светом? Обратимся к анатомиче-скому строению глаза. На рис. 8.1 схематически представлен продольныйразрез человеческого глаза; ниже мы рассмотрим каждую из составляющихего частей.

Очень удобным представляется сравнение глаза с фотоаппаратом.И тот, и другой выполняют одинаковую функдию, которая заключаетсяв отображении на некую двумерную поверхность уменьшенной картиныокружающего нас трехмерного мира. Фотоаппарат проецирует эту карти-ну на пленку, глаз — на сетчатку. Впрочем, различие все же есть: фото-

Рис. 8.2. Распространение световых лучей.(а) Солнечный свет отражается во все стороны.(б) Лучи, проходящие сквозь отверстие диафрагмы: чем ближе к отверстию диа-фрагмы находится объект, тем сильнее рассеиваются световые лучи.(в) Настройка резкости за счет изменения расстояния между объективом и пленкойили между хрусталиком и сеччагкой.(г) Настройка резкости за счет изменения оптической силы объектива.

8. Глаз и фотоаппарат 85

солнечный луч

отраженныелучи

булавочная головка

б)

булавочная головка //перед отверстиемдиафрагмы

малое расстояние междуобъектом и отверстиемдиафрагмы

фото-отверс-тие диафрагмы

большое расстояние между объек-том и отверстием диафрагмы

в)

булавочная головкаперед отверстием (

диафрагмы

малое расстояние междуобъектом и отверстиемдиафрагмы

объектив

фото-пленка

отверс-тие диафрагмы

объектив

3> фото-пленка

большое расстояние между объек-том и отверстием диафрагмы

оптическая сила объектива в обоих случаях одинакова

г)

булавочная головкаперед отверстиемдиафрагмы

малое расстояние междуобъектом и отверстиемдиафрагмы

фото-пленка

\ отверстиедиафрагм ы

объектив с большойоптической силой

большое расстояние между объек-том и отверстием диафрагмы

объектив с малойоптической силой

86 Часть II

пленку можно считать плоской, а сетчатка представляет собой внутреннююповерхность пустотелого шара. Шарообразная форма глаза позволяет емувращаться (в известных пределах) внутри глазной впадины.

Еще одна общая черта: в обоих случаях луч света попадает внутрьсквозь некое малое отверстие. У фотоаппарата это отверстие диафрагмы,у глаза — зрачок. Фотолюбители знают, что чем меньше в момент съемкиотверстие диафрагмы, тем четче получается фотография; с другой сторо-ны, это отверстие должно все же быть достаточно большим, иначе изоб-ражение окажется слишком темным. Размер отверстия определяется либосамим фотографом — с учетом освещения, чувствительности фотопленки ивыбранной выдержки, либо автоматически (как во многих современных фо-тоаппаратах). Человеческий глаз также располагает подобной автоматикой,и в этом каждый из нас может легко убедиться, посмотрев в зеркало: ес-ли в глаза попадает отраженный луч света, зрачки моментально сужаются,ограничивая количество света, достигающего сетчатки, если же уменьшитьуровень освещенности, зрачки снова расширятся — таким образом нервнаясистема человека регулирует количество падающего на сетчатку глаза све-та. Регулировка размера зрачка осуществляется с помощью мелких мышц,сжимающих или расширяющих радужную оболочку. Сама радужная обо-лочка может быть окрашена в различные цвета, и именно цвет радужки мыимеем в виду, когда говорим о цвете глаз того или иного человека.

В то время как светочувствительность фотопленки постоянна, чувстви-тельность глаза может изменяться. При очень ярком свете не только сужа-ется зрачок, но и снижается чувствительность сетчатки; и наоборот, приплохом освещении чувствительность сетчатки повышается, а зрачок рас-ширяется. Все это хорошо известно нам из повседневного опыта. Когда вывозвращаетесь домой с лыжной прогулки (иначе говоря, от белого снега ияркого солнца), ваша комната кажется вам поначалу какой-то сумеречной,однако проходит несколько минут, глаза «привыкают» к меньшей освещен-ности, и комната предстает перед вами в своем «обычном свете». Процесс«привыкания», или адаптации, длится дольше, чем изменение величинызрачка. Устройство глаза не предусматривает возможности установки вы-держки, как при фотографировании, и свет попадает в глаз до тех пор,пока человек его не закроет. Естественно, для возникновения зрительногоощущения необходимо некоторое время, но оно невелико; кроме того, иисчезает зрительное ощущение не сразу после того, как прекратилось раз-дражение. Это свойство человеческого глаза используется в кино: короткиепаузы между кадрами не воспринимаются глазом, и перед нами возникаетиллюзия непрерывного движения.

8. Глаз и фотоаппарат 87

«Кадры», возникающие на сетчатке, изменяются непрерывно. Даже ко-гда человек смотрит на неподвижный объект (например, на картину), глазаскачкообразно движутся от одной точки объекта к другой, так что образ насетчатке находится в почти непрерывном движении. Далее мы увидим, чтотакое движение играет существенную роль в процессе обработки инфор-мации, воспринимаемой органами чувств. Как нам известно из зоологии,некоторые животные замечают свою добычу только если она движется. Так,например, лягушка видит добычу только в темных движущихся объектахопределенной величины, а на лежащую у нее буквально «под носом» мерт-вую муху не обращает никакого внимания.

Вернемся теперь к свету, проходящему сквозь зрачок внутрь глаза, ик тому, что с этим светом происходит. В каждом фотоаппарате есть линзы.Нечто подобное имеется и в глазу, только здесь линза называется хруста-ликом. Какую же функцию выполняет эта глазная линза? Вспомним о том,что упавший на какую-либо поверхность свет отражается от всех ее точек(даже если эта поверхность размером с булавочную головку) и рассеивает-ся во всех направлениях. В глаз попадает как раз такой, рассеянный (илидиффузный), свет. На сетчатке же упомянутая булавочная головка должнаотображаться не иначе, чем в виде маленькой точки. Для этого рассеянныелучи света необходимо снова собрать в тонкий пучок — чем, собственно, изанимается хрусталик. Он работает так же, как самое обыкновенное увели-чительное стекло, которое собирает солнечные лучи в одну точку, причем вэтой точке становится так горячо, что вспыхивает бумага. Для образованияпучка лучей, впрочем, одной лишь линзы недостаточно. На помощь прихо-дят и роговица, и внутриглазная жидкость, заполняющая глазную камеру, истекловидное тело (рис. 8.1). Так, точка за точкой, на сетчатке отображаетсяокружающий нас мир. При этом изображение оказывается уменьшенным,зеркально отображенным и перевернутым «с ног на голову». Тем не менее,нам обычно удается верно ориентироваться среди окружающих объектов иправильно воспринимать явления и события. Все это становится возмож-ным благодаря тому, что принятое изображение подвергается последующейобработке в мозге.

Для того чтобы получить четкую фотографию, необходимо предвари-тельно определить расстояние от объектива фотоаппарата до объекта съем-ки. Теперешние фотоаппараты научились делать это автоматически. При-чина возникновения такой необходимости объясняется на рис. 8.2 (б). Мывидим, что лучи, отраженные близко расположенными объектами, рассеи-ваются гораздо сильнее тех, что отражены объектами более отдаленными.Однако и в том, и в другом случае лучи следует собрать в пучки с таким

88 Часть II

расчетом, чтобы на фотопленке или на сетчатке они сошлись в точку. В фо-тографии для достижения этого результата изменяют расстояние от линзыдо пленки: чем ближе находится объект съемки, тем дальше должна оказать-ся от линзы пленка (рис. 8.2 (в)). Такой механизм встречается и в животноммире — например, у рыб хрусталик с помощью особых мышц может пе-ремещаться, приближаясь к сетчатке или удаляясь от нее. У человека этанастройка происходит иначе. Оптическая сила линзы-хрусталика изменяет-ся посредством изменения формы самой линзы. Чем более выпукла линза,тем сильнее она преломляет свет. Чем ближе находится рассматриваемыйпредмет, тем больше должна быть оптическая сила хрусталика, и, соответ-ственно, более выпуклым должен стать сам хрусталик. Процесс измененияформы хрусталика называется аккомодацией (рис. 8.2 (г)). Изменение сте-пени выпуклости хрусталика осуществляется с помощью непроизвольносокращающейся мышцы; это означает, что нам не приходится приклады-вать никаких сознательных усилий для того, чтобы изменить «настройку»наших глаз — обо всем этом совершенно самостоятельно заботится нашанервная система. Со временем эластичность хрусталика уменьшается, ичеловек с возрастом начинает хуже видеть близкие предметы — в конеч-ном счете это приводит к старческой дальнозоркости. И дальнозоркость,и близорукость встречаются, конечно же, и у молодых людей, но это, какправило, объясняется ненормальной формой глазного яблока. При близо-рукости продольная ось глазного яблока слишком длинна, и удаленныепредметы оказываются «не в фокусе», который должен располагаться насетчатке (в данном случае фокус смещен в стекловидное тело); при даль-нозоркости также происходит смещение главного фокуса, но в противо-положном направлении, так как продольная ось глазного яблока слишкомкоротка.

Итак, с точки зрения оптики, глаз вполне можно сравнить с фотоаппа-ратом. Оба состоят из похожих «деталей», позволяющих получить четкую иконтрастную картину трехмерного мира на двумерной поверхности — прав-да уменьшенную, зеркальную и перевернутую. Для фотоаппарата работа наэтом и заканчивается; остальное — дело фотолаборатории. А вот с глазамивсе обстоит иначе: получение изображения является лишь первым шагом втаинственном процессе восприятия. Чтобы понять природу этого процесса,нам придется пробраться через настоящие нейронные джунгли . . . но эточуть позже. Сейчас же коротко коснемся еще одного вопроса, имеющегоотношение к зрительному восприятию.

9. Зрительное восприятие пространства

9. Зрительное восприятие пространства

89

Почему правая фигура на рис. 9.1 кажется нам значительно больше,нежели левые — ведь если измерить их высоту, то обнаружится, что ониабсолютно одинаковы? Ответ, если вдуматься, совершенно очевиден: из-залиний, обозначающих перспективу, нам кажется, что правая фигура нахо-дится гораздо «дальше». Имей этот человечек тот же рост, что и «ближний»к нам персонаж, его удаленная фигура казалась бы гораздо меньше, что иотразилось бы на рисунке. Этот оптический обман очень ярко демонстри-рует, насколько неосознаваемо при восприятии пространства и оценке рас-стояния до предметов и их величины мы используем перспективу — ведьименно известная нам величина объекта (человека, автомобиля на дороге,пасущейся на лугу коровы) позволяет нам оценить расстояние до него. Кро-ме того, важно распределение света и тени на поверхности объекта. Германфон Гельмгольц однажды заметил: «В нашем распоряжении находятся, посути дела, те же самые вспомогательные средства, какими пользуется ху-дожник для придания изображенным на его полотнах предметам иллюзииобъемности и различной удаленности».

Рис. 9.1. Оптическая иллюзия, создаваемая линиями перспективы

90 Часть II

Для приблизительной оценки расстояния упомянутые средства (т. е.оценка по известной величине или распределению света и тени) вполнехороши, однако с их помощью нельзя определить расстояние точно —примером может послужить такая достаточно тонкая процедура, как про-девание нити в игольное ушко. В этом нет ничего сложного, если выпользуетесь обоими глазами, однако стоит лишь закрыть один глаз, и по-пасть ниткой в крошечное отверстие становится почти невозможно. На-блюдения показывают, что предмет, рассматриваемый только одним гла-зом, теряет объемность. Для получения объемной картины окружающегомира необходима совместная работа двух глаз; особенно ярко это про-является при просмотре так называемых стереофильмов. Такие фильмы,как известно, смотрят сквозь специальные очки, благодаря которым плос-кая картина чудесным образом преображается, приобретая весьма выра-зительную трехмерность. Можно создать, например, иллюзию парящегопосреди комнаты камня — иными словами, реальные оптические усло-вия воспроизводятся в стереофильмах силой искусства. В действитель-ности же в наших глазах возникают две разные, но легко совместимыедруг с другом картинки; при этом относительная разница между нимистановится тем меньше, чем дальше от нас находится объект наблюде-ния, и наоборот — чем ближе рассматриваемый предмет, тем большей ста-новится разница между его изображениями, возникающими на сетчаткахглаз. Убедиться в этом читатель легко может сам. Вытяните перед собойруку и зафиксируйте положение большого пальца относительно какого-либо ориентира на заднем плане; теперь посмотрите на палец одним —скажем, правым, — глазом, второй же на это время прикройте. Если вызатем откроете его, а правый закроете, палец переместится относитель-но отметки на заднем плане, причем это кажущееся перемещение будеттем больше, чем меньше было расстояние от пальца до глаз. При по-казе стереофильма нам демонстрируется два слегка смещенных относи-тельно друг друга изображения, каждое из которых предназначается толькодля одного глаза (для выполнения этого требования и необходимы особыеочки).

Проходя по зрительным трактам, сигналы, полученные каждым из глаз,соответствующим образом обрабатываются и преобразуются в зрительнойобласти коры головного мозга в единое зрительное ощущение, обладающеепространственной глубиной. Подробнее об этом мы поговорим в главе,посвященной зрительному тракту и зрительной области коры головногомозга.

10. Сетчатка: мозг в миниатюре 91

10. Сетчатка: мозг в миниатюре

а) Похожа ли сетчатка на фотопленку?

Вернемся ненадолго к нашему маленькому экскурсу в область искус-ства фотографии и сравним процессы, происходящие на фотопленке, с по-добными им на сетчатке. Сначала выясним, что же происходит с пленкойв момент экспозиции и при последующем проявлении. Световое излучениенесет в себе немалое количество энергии и способно изменять материаль-ные объекты: цветные вещи, оставленные на долгое время на солнечномсвету, выцветают (т. е. теряют свой цвет), а белая бумага желтеет. Поверх-ность фотопленки покрыта слоем особо светочувствительного вещества,которое при попадании на него света темнеет. На данном этапе изменениецвета пленки почти незаметно невооруженным глазом. При проявке плен-ки контраст в достаточной степени увеличивается, и становится возмож-ным разглядеть изображение (негатив) во всех подробностях. Полученноеизображение следует теперь закрепить с помощью специальных химиче-ских веществ, удаляющих с пленки оставшееся незачерненным исходноепокрытие. Затем с негатива печатают обычные позитивные фотографии.Итак, главным процессом при фотографировании является химическая ре-акция, происходящая в светочувствительном слое на поверхности пленки, ифункция фотоаппарата состоит в обеспечении только этого процесса. Про-явление, закрепление и печать фотографий фотограф производит уже безприменения фотоаппарата (исключение представляют, пожалуй, лишь фо-тоаппараты «полароид»). Таким образом, непосредственно на пленке имеютместо лишь физические и химические процессы.

Читателю может показаться, что процессы, происходящие в сетчаткеглаза, даже в грубом приближении совсем не так просты. В конце концов,речь ведь идет о биологической структуре. Биологические процессы, конеч-но же, тоже следуют всем химическим и физическим законам, однако био-логические системы вдобавок еще и чрезвычайно сложны. Действительно,сложность строения сетчатки до сих пор поражает исследователей и слу-жит источником неожиданных открытий. Сетчатка является частью нервнойсистемы, и при ближайшем рассмотрении, как мы уже знаем, оказываетсядаже частью мозга. Этим, собственно, и объясняется столь сложное ее стро-ение. Состоящая — подобно любому другому органу — из отдельных клеток,сетчатка, тем не менее, отличается сложной структурой связей между этимиклетками. Некоторые клетки сетчатки содержат особые светочувствитель-ные соединения, изменяющиеся под воздействием световых лучей. Среди

92 Часть II

них — родопсин, или зрительный пурпур, для выработки которого орга-низму необходим витамин А. Известно, что при нехватке этого витаминанаступает так называемая куриная слепота (гемералопия). Итак, мы видим,что основной процесс — химическая реакция в светочувствительном ве-ществе — имеет место и на фотопленке, и в сетчатке. Однако глубже этааналогия уже не простирается.

Сетчатка как бы «переводит» получаемые ею сигналы от внешнегораздражителя (источника света) на язык, понятный нервной системе. Пере-веденная, или кодированная таким образом информация передается дальшев головной мозг. Однако, как мы вскоре увидим, еще в сетчатке внешниесигналы проходят весьма существенную обработку.

б) Зрительные клетки — клетки, воспринимающие свет

Исследуя сетчатку с помощью микроскопа, ученые обнаружили, чтоона состоит из нескольких слоев клеток. Рассмотрим сначала фоторецеп-торные клетки, т. е. клетки, непосредственно реагирующие на свет.

В результате микроскопических исследований было установлено, чточеловеческий глаз содержит фоторецепторные клетки двух различных ти-пов. В соответствии с формой их называют палочками и колбочками(рис. 10.1). Диаметр и тех, и других составляет всего несколько микро-метров (1 мкм = 1/1000 миллиметра), а длина — около 50 мкм. Эти клеткиобладают сходным строением: в центре находится тело клетки, от которогоотходит короткий отросток (аксон), образующий терминали в синаптиче-ской области и обеспечивающий связь с другими клетками (на рисункепоказан снизу от тела). Длинный отросток с другой стороны тела клет-ки, так называемый наружный сегмент, у палочек длиннее и тоньше, чему колбочек, а у колбочек он короче и снабжен выпуклым утолщением. Вмембранах наружного сегмента содержится светочувствительное вещество.В палочках это уже знакомый нам красный зрительный пигмент — зри-тельный пурпур, или родопсин. Для чего же нужно разделение зрительныхклеток на два различных типа? Как известно, в темноте все кошки серы.Происходит это потому, что палочки способны воспринимать слабый свет,но не способны обеспечить цветовое разделение сигнала, давая в результа-те лишь черно-белую картинку, т. е. информацию об освещенности и формепредметов. За цветовое зрение отвечают колбочки, которые менее светочув-ствительны, чем палочки. Свет в сумерках слишком слаб, так что колбочкиоказываются не в состоянии отреагировать на него, поэтому цветовое вос-приятие отсутствует. Возвращаясь к сравнению с фотоаппаратом, можно

10. Сетчатка: мозг в миниатюре 93

амакриновая клетка

гапглиозная клетка

а аксонл дендритя ядро клетки

м мемораиный дискс область синапсат тело клетки

Рис. 10.1. Схематическое изображение клеток сетчатки

сказать, что сетчатка одновременно снабжена и черно-белой пленкой (па-лочки), и цветной (колбочки), причем светочувствительность черно-белойзначительно выше.

Количество палочек и колбочек в глазах позвоночных невообразимовелико. Например, человеческая сетчатка содержит около 10 миллионов

94 Часть II

колбочек и 100 миллионов палочек. Больше всего их в области так назы-ваемого желтого пятна — области наилучшего видения глаза (см. рис. 8.1).Плотность размещения зрительных клеток здесь достигает 160000 на мм2.Интересно сравнить эти цифры с соответствующими характеристиками глазживотных. У таких, например, существ, как пещерные саламандры, кото-рым их сумрачное окружение поставляет относительно немного зритель-ных ощущений, достаточно совсем незначительного количества зритель-ных клеток, что-то около 2500 на мм2. Хищные птицы (например, каню-ки), которым приходится отыскивать свои маленькие жертвы, находясь приэтом на большой высоте, нуждаются, естественно, в более остром зрении;на квадратном миллиметре их сетчатки расположено около миллиона зри-тельных клеток! Возможности человека располагаются где-то посерединемежду этими крайностями. В голову приходит такая техническая аналогия.Разрешение видеокамеры определяется количеством точек, составляющихизображение и называемых пикселями. Хорошая камера дает разрешениепорядка 470000 пикселей. Нетрудно убедиться, что разрешающая способ-ность глаза существенно выше.

Палочки и колбочки размещены в сетчатке не равномерно. В обла-сти желтого пятна (рис. 8.1) имеются только колбочки, причем они уже идлиннее, чем в остальной части сетчатки. Вне желтого пятна расположеныи палочки, и более крупные колбочки, причем на периферии сетчатки —только палочки. Четкость изображения и разрешение на сетчатке зависят —подобно аналогичным характеристикам фотопленки — от того, наскольковелика плотность палочек и колбочек, обеспечивающих протекание фотохи-мической реакции. Скажем, для того, чтобы особенно тщательно осмотретькакой-либо предмет, необходимо зафиксировать взгляд так, чтобы изобра-жение этого предмета возникло в области желтого пятна. Впрочем, это про-исходит совершенно непроизвольно, «автоматически», при разглядываниикаких бы то ни было объектов. Если же человеку захочется увидеть слабо-освещенный предмет или, например, маленькую звездочку в ночном небе,и он начинает в эту звездочку вглядываться, она, кажется, вовсе исчезает;происходит это как раз потому, что ее изображение формируется в областижелтого пятна, состоящего из маловосприимчивых к свету колбочек. Свет,однако, настолько слаб, что колбочки «не отвечают» на раздражение. Ностоит лишь отвести глаза в сторону от звезды, она тут же вспыхнет снова,потому что теперь ее изображение возникло в зоне, содержащей высоко-чувствительные палочки.

Своеобразный феномен этот имеет объяснение. Рис. 10.2 дает нагляд-ное представление об одном любопытном эксперименте. Мы с вами также

10. Сетчатка: мозг в миниатюре 95

X

X

Рис. 10.2. Опыты со слепым пятном.(а) Закройте левый глаз, а правый зафиксируйте на верхнем крестике; книгу приэтом держите на расстоянии примерно 25 см от глаз. Изменяя это расстояние, по-пытайтесь найти такое положение, при котором черный круг справа исчезнет — этоозначает, что его отображение на сетчатке оказывается в области слепого пятна.(б) Проделайте такую же процедуру с нижней картинкой. Настанет момент, когдамышь исчезнет из клетки, причем разрывов в вертикальных линиях мы не увидим(объяснение в тексте)

можем провести такой опыт с помощью рисунка 10.2 (а). Почему исче-зает черный круг? Очевидно, его изображение попадает на такой участоксетчатки, который не может отреагировать на раздражение. Действитель-но, место выхода из сетчатки зрительного нерва лишено как палочек, таки колбочек. Эта область не воспринимает никаких зрительных ощущений,за что и называется слепым пятном (рис. 8.1). Возможно, существование вчеловеческом глазу слепого пятна удивит читателя: ведь разглядывая мирвокруг себя, никто и никогда не сталкивался ни с какими пятнами. Опыт,показанный на рис. 10.2 (б), объясняет отсутствие таких пятен. Мозг, еслиможно так выразиться, «дорисовывает» для нас недостающие детали в пол-

96 Часть II

ном соответствии с окружающей обстановкой так, что мы в повседневнойжизни не замечаем никаких свидетельств существования слепых пятен.

Функция зрительных клеток заключается не только в том, чтобы при-нять поступающие извне световые сигналы, но еще и в том, чтобы обра-ботать их, «переведя» на язык, понятный нервной системе. Как же осу-ществляется такой перевод? Ниже мы рассмотрим процесс преобразованиясигнала только внутри палочек; в колбочках происходит аналогичный про-цесс.

Первый этап преобразования, как мы уже знаем, схож с процессом, про-исходящим в фотопленке. Светочувствительным веществом сетчатки явля-ется содержащийся в мембранах наружных сегментов красный зрительныйпигмент. Зрительный пурпур — это высокомолекулярное соединение, моле-кула которого состоит из органического радикала (ретиналя, или альдегидавитамина А) и белка опсина (рис. 10.3 (а)). Под воздействием света про-исходит отщепление ретиналя от опсина (рис. 10.3 (б), (в)). Расщеплениеродопсина запускает целую цепь реакций, которые мы здесь рассматриватьне будем, скажем лишь, что результатом этих реакций является изменениепроводимости мембраны палочек для определенным образом заряженныхчастиц, вследствие чего изменяется и электрические потенциалы в палоч-ках; все эти изменения можно измерить с помощью электродов. В темноте,когда палочки находятся в состоянии покоя, между наружной и внутреннейстороной каждой палочки существует разность потенциалов, причем вну-тренняя сторона заряжена по отношению к внешней отрицательно. Напря-жение это чрезвычайно мало и составляет всего лишь 30-40 милливольт(1 мВ = 1/1000 В). Когда на палочку попадает свет, электрод фиксируетизменение напряжения — оно увеличивается. Исследователей это наблю-дение повергло в изумление: клетки других органов чувств в подобныхобстоятельствах (в ответ на раздражение) устойчиво реагируют уменьше-нием разности потенциалов. Очевидно, здесь мы имеем дело с какими-тоособенностями фоторецепторных клеток, которые отличают их от клетокдругих органов чувств. Чем сильнее попадающий на зрительные клеткисвет, тем большую разность потенциалов фиксируют приборы, причем этаразность потенциалов сохраняется все то время, пока продолжается раз-дражение. Таким образом, сила попадающего в глаза света преобразуетсянепосредственно в электрическое возбуждение.

Преобразование это требует, естественно, энергии. Энергия поступаетне от световых лучей, она накапливается внутри клеток и имеет химическоепроисхождение. В клетке имеется нечто вроде собственного запаса топли-ва, которое и дает необходимую для преобразования сигналов энергию.

10. Сетчатка: мозг в миниатюре 91

свет

б)

опсин

Рис. 10.3. Расщепление молекулы зрительного пурпура (родопсина) под воздействи-ем света (опсин — белковая составляющая зрительного пурпура)

Свет нужен лишь для запуска реакций; с подобной ситуацией мы сталки-ваемся, когда включаем электрическую лампу: энергия, потребляемая приосвещении, не содержится в выключателе и не производится им, однако для«запуска» освещения выключатель необходим.

Нервные импульсы возникают не в самих фоторецепторных клетках.Как мы вскоре увидим, эта задача возложена на другие клетки сетчатки.Энергия же потребляется на регенерацию расщепившегося пигмента с тем,чтобы вновь пустить его в дело. При продолжительном воздействии светанаступает состояние, при котором оба процесса (расщепление и регенера-ция) уравновешивают друг друга.

Наши глаза очень хорошо адаптируются к меняющемуся уровню осве-щенности. Происходит это, как нам известно, не мгновенно, но все жедостаточно быстро: попадая, например, из светлого помещения в темное,мы тратим некоторое непродолжительное время на то, чтобы глаза при-выкли к темноте. При переходе же от темноты к яркому свету временноеослепление проходит гораздо быстрее. Полное приспособление глаз к тем-ноте происходит приблизительно за 30 мин, тогда как к яркому свету мыадаптируемся за время от нескольких секунд до минуты, т. е. способностьглаза настраиваться на уровень освещенности очень и очень высока. Заупомянутые краткие промежутки времени светочувствительность челове-

98 Часть II

ческого глаза может изменяться в миллионы раз. Какую роль в этом играетзрачок, мы уже знаем, однако одним зрачком дело явно не обходится — зра-чок изменяет свой размер мгновенно, дальнейшая же адаптация (особеннок темноте) длится по сравнению с этим довольно долго. Очевидно, здесьмы сталкиваемся с какими-то иными процессами, протекающими в самихзрительных клетках.

Действительно, чувствительность зрительных клеток ничтожна при яр-ком освещении и увеличивается в темноте. Предполагается, что в основеизменений чувствительности лежат два механизма. Под действием одногоиз них чувствительность клеток увеличивается за счет того, что расщепля-ется большее количество пигмента — это называется фотохимической адап-тацией. Независимо от этого при длительном раздражении клеток светомпроисходит уменьшение их чувствительности — это называется невральнойадаптацией. Действие последнего механизма можно наблюдать и в клеткахдругих органов чувств, когда при продолжительном раздражении реакцияклеток на данный раздражитель ослабевает — происходит нечто вроде при-выкания. Так через некоторое время мы перестаем ощущать повышеннуютемпературу тела или неудобства, причиняемые одеждой или обувью. Вме-сте с привыканием чувствительных клеток к раздражению в мозге идутиные процессы, напрямую связанные с вниманием. Пока внимание челове-ка поглощено какой-либо деятельностью, он может не осознавать наличиявнешнего раздражителя, однако если внимание каким-то образом переклю-чается на этот раздражитель, происходит его восприятие и осознание.

Таким образом, мы убедились, что зрительные клетки играют важней-шую роль при восприятии зрительной информации, являясь посредникамимежду сигналами, поступающими извне в виде светового раздражения, ивозникающим в нервной системе возбуждением. С их участием отобража-емая на сетчатке картина мира разбивается на отдельные точки — инымисловами, общий сигнал разделяется на крошечные порции, процесс обра-ботки которых мы с вами намерены проследить шаг за шагом. Следующийже шаг заключается в том, что, рассмотрев некоторые особенности стро-ения сетчатки, было бы полезно попытаться представить себе сетчатку вцелом.

в) Архитектура сетчатки

На рис. 10.4 показано, как выглядит сетчатка под микроскопом. Напервый взгляд, здесь трудно хоть что-нибудь разобрать, можно лишь заме-тить, что сетчатка состоит из различных слоев, и, возможно, предположить,

10. Сетчатка: мозг в миниатюре 99

Рис. 10.4. Фотография, полученная с помощью микроскопа. Поперечный срез сет-чатки. Вверху — слой палочек и колбочек, внизу — ганглиозные клетки

что малые круглые образования на фотографии являются телами клетоксетчатки. Благодаря микроскопическим исследованиям огромного множе-ства таких срезов ученым, однако, удалось выяснить очень многое. Ещев 1892 году знаменитый испанский нейроанатом Сантьяго Рамон-и-Кахальобратил внимание на то, что клетки сетчатки образуют очень красивый ри-сунок. На рис. 10.5 схематически отражено современное представление оструктуре сетчатки. Не следует забывать, что при всей сложности структурысетчатки, ее толщина равна всего лишь 1/10 мм, т. е. клетки сетчатки чудо-вищно малы! Разрешающая способность глаз была бы существенно ниже,обладай эти клетки большим размером. Перед нами чудо миниатюризации,не уступающее в этом отношении самому мозгу.

100 Часть II

пигментныеэпителиоциты

колбочки

горизонтальныеклетки

биполярные

о^-клетки

ганглиозные

о^-клетки

клеткаМюллера

t t tнаправление световых лучей

Рис. 10.5. Схема строения сетчатки

Рассмотрим строение сетчатки, пользуясь рис. 10.5. Сетчатка состоитиз пяти различных типов клеток, которые, в свою очередь, можно разде-лить на несколько подтипов. Упомянутые пять типов клеток располагаютсяв трех слоях. Наружный слой составляют фоторецепторные клетки (на ри-сунке показаны вверху), средний слой — биполярные, горизонтальные иамакриновые клетки, и, наконец, внутренний слой — ганглиозные клет-ки. Все названные типы клеток являются либо фоторецепторными, либонервными клетками; все они непосредственно заняты в процессе переда-чи и обработки информации. Кроме того, имеются, скажем так, клетки-помощники: пигментные клетки, прилегающие к фоторецепторным клет-кам, и опорные клетки, расположенные между нервными клетками (клеткиМюллера).

10. Сетчатка: мозг в миниатюре 101

Каким же образом осуществляется связь между различными нервны-ми клетками в «продольном» направлении? Эта связь обеспечивается си-напсами биполярных клеток. Биполярными они называются из-за своего по-чти симметричного строения. Биполярные клетки синапсами соединяются сганглиозными клетками, отличающимися относительно крупными размера-ми. Таким образом, биполярные клетки являются связными между зритель-ными клетками и ганглиозными. Сложность этой структуры увеличиваетсяеще и за счет существования «поперечных» связей, которые обеспечиваютсягоризонтальными и амакриновыми клетками. Нервные волокна, тянущиесяот ганглиозных клеток, образуют в совокупности зрительный нерв, черезкоторый и передаются в мозг изображения с сетчатки. На рис. 10.1 пока-заны все перечисленные типы клеток сетчатки. Нетрудно заметить, что всеони довольно значительно отличаются от «базовой модели» нервной клетки(см. рис. 6.2) и имеют прямо-таки экзотический вид. Это связано с особы-ми функциями, возложенными природой на клетки сетчатки. Биполярныеклетки располагают одним-единственным дендритом — правда, расщепляю-щимся — и с его помощью поддерживают связь с окружающими клетками.Особенно же примечателен внешний вид горизонтальных клеток. Их стро-ение совершенно не напоминает обычную для нервных клеток структуру,причем функцию нервных волокон (аксонов) в них выполняют дендриты.Сходным образом обстоит дело и с амакриновыми клетками. Ганглиозныеже клетки, напротив, во всем соответствуют упомянутой «базовой модели»и даже располагают особо длинными нервными волокнами, посредствомкоторых и осуществляется сообщение с мозгом.

При более внимательном рассмотрении рис. 10.5 обнаруживается уди-вительный факт: тянущиеся от сетчатки и образующие зрительный нерваксоны располагаются у поверхности сетчатки. Еще удивительнее то, чтосами фоторецепторные клетки составляют глубинный слой сетчатки. Такимобразом, свет — прежде чем попасть на зрительные клетки — вынужденпроходить сквозь другие клетки и нервные волокна, которые, как выясня-ется, настолько тонки и прозрачны, что не создают свету сколько-нибудьзаметных помех. И только в области желтого пятна — области наилучшеговидения глаза — клетки и нервные волокна, составляющие верхние слои,как бы «расступаются», и свет попадает непосредственно на зрительныеклетки.

Объяснить именно такое расположение клеток сетчатки можно, пред-положив, помимо всего прочего, что фоторецепторные клетки должны раз-мещаться в непосредственной близости от пигментных клеток. Пигментныйслой состоит из окрашенных в темный цвет клеток, поглощающих рассеян-

102 Часть II

ный свет, который зрительными клетками не воспринимается. Этим дости-гается следующий эффект: рассеянный свет больше не отражается повсюдуи не мешает «работать» зрительным клеткам. Можно предположить также,что пигментный слой выполняет еще одну вспомогательную функцию. Пиг-ментные клетки, очевидно, заняты и в производстве зрительного пурпура.А чтобы участвовать в этом процессе, им необходимо находиться как разна фоторецепторном слое.

Надеюсь, наш краткий обзор помог читателю получить некоторое пред-ставление о том, что представляет собой сетчатка. Сейчас мы находимся вположении дилетанта, который решил «разобраться с радиоприемником»:шурупы вывернуты, корпус вскрыт, все детали и соединения теперь вид-ны — но как же он все-таки работает? У мастеров по ремонту электрическойтехники есть приборы, называемые тестерами; с помощью этих устройствможно установить, по каким именно проводам идет ток, а если аппаратиспорчен, можно обнаружить и место неисправности. Подобный приборпригодился бы нам и для исследования сетчатки, и, как нам уже известно,в этом нет ничего невозможного: электрические процессы, протекающие внервной системе, вполне поддаются обнаружению и могут быть измереныс помощью электродов. В следующем разделе мы подробнее рассмотримрезультаты таких исследований.

г) Обработка сигналов в сетчатке

Информация о том, как выглядит окружающий нас мир, поступаетк нам через орган зрения — глаза. При этом каждая палочка и каждая кол-бочка принимают лишь крошечную порцию этой информации — данные ободной-единственной точке. Свет, попадающий на зрительные клетки, име-ет определенную интенсивность и характеризуется определенной длинойволны, хотя в общем случае, речь все же идет о наложении волн разныхдлин. Таким образом, вся поступающая в глаза информация оказываетсяразбита на мельчайшие сигналы, т. е. общая картина как бы дробится накрошечные осколки, которые в дальнейшем снова соединяются воедино иобразуют целостное зрительное ощущение. Для этого сигнал, полученныйкаждой клеткой, должен быть передан «по этапу» и обработан. Процессэтот можно сравнить с работой компьютера: с целью получения некоегоконечного результата в него вводится огромное количество разрозненныхданных, которые обрабатываются им в соответствии с определенной про-граммой. Как мы вскоре увидим, такой процесс в системе, обеспечивающейчеловека зрением, чрезвычайно сложен и еще не до конца понят.

10. Сетчатка: мозг в миниатюре 103

Начнем с того, что выясним, каким же образом обрабатывается в сет-чатке поступающее от зрительных клеток возбуждение, и какую роль игра-ют в этом процессе различные типы клеток. С этой целью следует провестиэлектрофизиологические исследования данных клеток, подобно тому, какбыли исследованы фоторецепторные клетки, т. е. выяснить, как изменяет-ся напряжение на них при раздражении сетчатки светом. Эксперименты сганглиозными клетками представляются более простыми (по сравнению сдругими клетками), так как ганглиозные клетки, во-первых, располагают-ся в поверхностном слое сетчатки, а во-вторых, имеют довольно большиеразмеры. Однако, несмотря на эти преимущества, первые предпринятыенейрофизиологами попытки проведения подобных измерений закончилисьполным провалом. В ходе эксперимента воздействию очень яркой вспышкисвета подвергался глаз кошки, и хотя подобная вспышка является весьмасущественным раздражителем, ганглиозные клетки не проявили сколько-нибудь заметной реакции. Это было в высшей степени странно, так каккошка самым выразительным образом демонстрировала, что вспышку онаувидела.

Первым исследователем, добившимся успеха, стал Стивен Куффлер,чьи опыты с кошками относятся к 1953 году. Следует, между прочим, заме-тить, что выбор подопытного животного оказался очень удачным — сетчаткамногих других животных (среди которых и столь любимый эксперимента-торами кролик) устроена несколько сложнее, что привносит в экспериментдополнительные трудности.

Рис. 10.6 иллюстрирует эксперимент Куффлера. На стол помещает-ся наркотизированная кошка, чей взгляд направлен на экран, на кото-рый проецируется вспышка света. Отражаясь от экрана, свет попадаетв глаз подопытного животного, на строго определенный участок сетчат-ки. Впоследствии метод был усовершенствован: экран и проектор заме-нили электронно-лучевой трубкой, управляемой с помощью компьютера.Отличие эксперимента Куффлера от предшествующих ему опытов заклю-чалось в том, что в качестве раздражителя ученый использовал световойсигнал в виде очень маленькой и четко очерченной точки, а не освещалвесь глаз целиком. Крошечная вспышка раздражала лишь очень неболь-шой участок сетчатки. Электроды внутрь глаза были введены через бел-ковую оболочку. Первоначально Куффлер с их помощью исследовал про-извольно выбранную ганглиозную клетку. Поскольку ганглиозные клет-ки, в отличие от фоторецепторных, генерируют нервный импульс, изме-рительная аппаратура сразу реагировала на нахождение электродом нуж-ной клетки. Вообще говоря, ганглиозные клетки генерируют нервные им-

104 Часть II

к \хилитс;ио

проектор

Рис. 10.6. Опыт Стивена Куффлера по исследованию рецептивных полей

пульсы даже находясь в состоянии покоя, т. е. в полной темноте, в отсут-ствие какого бы то ни было раздражения. Иными словами, эти клеткиспонтанно активны, и было бы неверно полагать, что нервные импуль-сы в клетках сетчатки возникают только при попадании в глаз света. По-этому, введя электрод в ганглиозную клетку и перемещая световую точ-ку, Куффлер наблюдал за сетчаткой до тех пор, пока электрическая ак-тивность ганглиозной клетки не изменялась. Это означало, что свет до-стиг фоторецепторных клеток, связанных с наблюдаемой ганглиозной клет-кой. Как и следовало ожидать, эти фоторецепторные клетки находилисьв непосредственной близости к исследуемой клетке. Таким образом, фо-торецепторные клетки оказываются очень тесно связаны пространствен-но с соответствующими клетками ганглиозного слоя. Более того, к каж-дой ганглиозной клетке «подсоединено» множество фоторецепторных кле-ток. Совокупность фоторецепторных клеток, раздражение которых влия-ет на активность какой-либо ганглиозной клетки, называется рецептив-ным, или воспринимающим, полем этой ганглиозной клетки. Понятие ре-цептивного поля представляется нам одним из важнейших понятий, и мыеще не раз встретимся с ним при дальнейшем рассмотрении зрительнойсистемы.

10. Сетчатка: мозг в миниатюре 105

Куффлер применял в качестве раздражителя и световые вспышкибольшего размера. При этом обнаружилось несколько интересных фактов.Например, было установлено, что в определенном положении увеличениедиаметра светового пятна сначала вызывает усиление активности гангли-озной клетки, чего, собственно, и следовало ожидать. При этом частотагенерируемого клеткой нервного импульса также возрастает. Однако придальнейшем увеличении диаметра пятна активность клетки ослабевает, ачастота нервного импульса падает. Такое развитие событий Куффлер счелдонельзя странным и удивительным. Еще более озадачило его то, что кро-шечный сдвиг светового пятна вызвал вдруг торможение в клетке, преждеактивной. Это наблюдение экспериментатор сделал, медленно и плавно пе-ремещая очень тонкий световой луч по сетчатке. Таким образом ему удалосьисследовать рецептивные поля очень многих ганглиозных клеток. При этомКуффлер обнаружил, что все рецептивные поля похожи друг на друга и об-ладают весьма характерной формой — центральный круг, окруженный кон-центрическим кольцом (рис. 10.7). Пока световое пятно умещается внутрицентрального круга, соответствующая ганглиозная клетка активизируется,как только свет попадает на кольцевую часть рецептивного поля, в ней начи-нается процесс торможения. Таким образом, центральная и периферийнаязоны поля противоположны по своим функциям. В том случае, когда осве-щены одновременно и центр, и периферия, активность ганглиозной клеткиоказывается выраженной весьма слабо, так как процессы торможения напериферии по большей части компенсируют возбуждение в центральнойзоне. Это объясняет, почему первоначальные эксперименты не обнаружива-ли сколько-нибудь заметных изменений электрической активности гангли-озных клеток — ведь тогда световое раздражение «накрывало» весь глаз.При попадании светового пятна только на периферийную зону наступаетполное торможение ганглиозной клетки (рис. 10.7). Отключение светово-го раздражителя имеет обратный эффект. При исчезновении раздражителяс периферийной зоны клетка кратковременно возбуждается, если раздра-житель убрать с центральной зоны, возникает столь же кратковременноеторможение. Таким образом, делаем вывод: клетки реагируют на изменениеосвещения.

Однако не все так просто. Дело в том, что в ходе экспериментов Куф-флер обнаружил еще один тип ганглиозных клеток. Рецептивное поле кле-ток этого типа организовано по обратному принципу: воздействие света нацентральную зону вызывало торможение в соответствующей ганглиознойклетке, а воздействие на периферию — активизацию. Для того, чтобы разли-чать эти клетки, клетки первого типа называются оп-нейронами, а второго —

106 Часть II

ол-нейрон

раздражение реакции

состояниепокоя

слабоевозбуждение

сильноевозбуждение

•—ч \ слабое\_J I возбуждение

I время

длительность раздражения

^_ . оченьС j 1 слабое

J возбуждениед)4

слабоеторможение

сильноеторможение

Рис. 10.7. Реакции ганглиозной ол-клстки (ол-нсйрона) на различные степени раз-дражения. Слева схематично изображено рецептивное поле, состоящее из централь-ной и периферийной зон; световое раздражение для большей наглядности показанотемным. Справа — реакция клеток на соответствующее раздражение; вертикальны-ми штрихами обозначены нервные импульсы — чем сильнее возбуждение, тем гущерасположены штрихи, тем чаще следуют друг за другом импульсы

10. Сетчатка: мозг в миниатюре 107

o/j-нейронами2. Клетки обоих типов можно далее разделить на подтипы,отличающиеся как внешним видом, так и электрическими свойствами. Этиподтипы обозначают буквами X, Y и W. Кроме того, ганглиозные клеткиразличных подтипов передают сигналы в различные области мозга. Пред-полагается, что клетки подтипа Y заняты передачей информации об общихконтурах объектов; при более тонком анализе деталей и образов исполь-зуется информация, передаваемая Х-клетками. В главе 13, посвященнойцветовому зрению, мы познакомимся еще и с такими клетками, которыеспособны особым образом реагировать на световые волны различной дли-ны.

И все же — несмотря на известное разнообразие ганглиозных клеток —мы можем утверждать, что в целом сетчатка построена из стереотипныхбазовых единиц, и единицами этими являются рецептивные поля. Числоганглиозных клеток не так велико, как число фоторецепторных клеток (наприблизительно миллион ганглиозных клеток приходится около 130 мил-лионов фоторецепторных клеток). Размер рецептивного поля ганглиознойклетки зависит от места ее расположения. Самые маленькие поля находятсяв области желтого пятна и содержат всего лишь по несколько колбочек накаждую ганглиозную клетку. По мере удаления от желтого пятна размерыполей увеличиваются, и на периферии сетчатки поле каждой ганглиознойклетки насчитывает многие тысячи палочек. Таким образом, разрешающаяспособность глаза уменьшается от центра желтого пятна к периферии; ана-логичная закономерность была установлена и для собственно фоторецеп-торных клеток — плотность желтого пятна уменьшается от центра к краям, иэффект от этого уменьшения еще усиливается за счет увеличения размероврецептивных полей.

Кроме того, поля, состоящие из палочек, содержат большее количествоклеток, чем поля, состоящие из колбочек, благодаря чему «палочковые» си-стемы обладают повышенной светочувствительностью. Диаметр рецептив-ных полей в сетчатке кошки колеблется от 0,12 до 2,0 мм. Интересно, чтоструктура такого поля не является фиксированной, и размер центральнойзоны поля может увеличиваться в зависимости от того, насколько сильноосвещена та область сетчатки, в которой расположено это поле. При неиз-менном диаметре поля размер центральной зоны будет тем меньше, чемсильнее освещена данная область сетчатки (рис. 10.8).

При этом нельзя забывать о том, что и синаптические связи меж-ду нервными клетками, и прочие анатомические реалии при изменении

2От англ. on — «включено» и off — «выключено». — Прим. перев.

108 Часть II

начальный момент вспышки

процессвозбуждения / \

ганглиозная ол-клетка

Ц

уменьшение диаметра центральной зоны рецептивного —поля при увеличении яркости света

Рис. 10.8. Структура рецептивных полей в зависимости от общего уровня осве-щенности. Кривые в верхней части рисунка показывают наложение друг на другагипотетических процессов возбуждения и торможения (Ц — центральная зона, П —периферийная зона)

уровня освещенности остаются неизменными, и описанное явление до сихпор объясняется (несколько, пожалуй, схематично) взаимным наложени-ем процессов возбуждения и торможения. Процессы торможения при уси-лении светового раздражения приобретают преобладающий характер, чтои вызывает уменьшение размера центральной зоны поля. С уменьшени-ем центральной зоны поля острота зрения позышается, однако при та-ком сильном освещении, которое приводит к почти полному исчезнове-нию центральной зоны, адекватное восприятие формы становится невоз-можным — такой свет воспринимается как слепящий. Следует всяческиизбегать представления о рецептивных полях, как о лежащих один ря-дом с другим элементах мозаики. На самом деле поля соседних гангли-озных клеток в значительной степени перекрываются (рис. 10.9). Это озна-чает, что каждая фоторецепторная клетка поставляет информацию сра-зу нескольким ганглиозным клеткам, и даже самый тонкий луч света(пусть даже его диаметр не превышает 1/10 мм) попадает в «зону дей-ствия» сразу нескольких полей. Открытие рецептивных полей стало под-линной вехой в истории изучения зрительной системы, сделав возможны-

10. Сетчатка: мозг в миниатюре 109

ми систематические целенаправленные исследования высших зрительныхпроцессов.

Рис. 10.9. Схематическое изображениеналожения трех рецептивных полей.Пунктиром обозначены центральные зо-ны, сплошной линией — периферийныекольца полей

Итак, обобщим вкратце самое важное из того, что мы узнали о ре-цептивных полях сетчатки:

1. Совокупность фоторецепторных клеток, способных воздействовать наэлектрическую активность ганглиозной клетки, образует рецептивноеполе этой клетки.

2. Рецептивные поля сетчатки имеют округлую форму и состоят из цен-тральной и периферийной зон, причем в этих зонах протекают про-тивоположные процессы.

3. Все ганглиозные клетки подразделяют на ои-нейроны и о/Т-нейроны:в ои-нейронах при освещении центральной зоны рецептивного по-ля возникает возбуждение, а при освещении периферийной зоны —торможение, o/f-нейроны реагируют обратным образом.

4. Рецептивные поля сильно перекрываются.

Итак, нам известно, что сетчатка обрабатывает сигналы от световыхраздражителей, причем делает это весьма своеобразным способом. Зада-димся теперь целью найти ответы на следующие два вопроса:

1. Какими процессами в сетчатке обусловлена реализация рецептивныхполей?

ПО Часть II

2. Что выигрывает оптическое восприятие от обработки светового сиг-нала системой рецептивных полей?

д) Принципы функционирования рецептивных полей

Попытаемся сначала ответить на первый вопрос. Рецептивные поляобусловлены, по всей видимости, сложными взаимосвязями между различ-ными нервными клетками сетчатки. Сама структура поля, состоящего издвух антагонистических зон, позволяет сразу утверждать, что в деятельно-сти таких полей одинаково важны как процессы возбуждения, так и про-цессы торможения, протекающие с участием определенных химическихсоединений-ингибиторов. Так какие же процессы происходят в сетчатке?Вы, возможно, полагаете, что все эти процессы уже до мельчайших подроб-ностей объяснены. Это не так. Конечно, изучением сетчатки занималисьочень многие исследователи, используя в своих экспериментах различныхживотных (среди которых были и лягушки, и голуби, и всевозможные мле-копитающие, и даже крабы). Кропотливый труд этих исследователей непропал даром: они подобрали множество элементов мозаики, и уже, пожа-луй, можно разглядеть в общих чертах всю картину. Но с новыми знаниямиприходят и новые вопросы, и ученые вновь и вновь с изумлением обна-руживают, сколь многое еще остается неизвестным. Так, например, былоустановлено, что в сетчатке в действительности имеется не просто пять раз-личных типов клеток, а что каждый из этих типов можно, в свою очередь,подразделить на большое количество подтипов. Только среди амакриновыхклеток было выделено не менее 30 подтипов, различающихся и внешнимвидом, и медиаторами, производимыми их синапсами. Конечно, было бычудесно, если бы возможно было составить подробную точную схему ре-цептивного поля, на которой было бы четко обозначено, какие клетки свя-заны друг с другом, какими синапсами и какое воздействие оказывает нарецептивное поле каждая отдельная клетка.

Однако учитывая, насколько высокоорганизованной биологической си-стемой является сетчатка, составление такой схемы сопряжено с весьмасерьезными трудностями. Поэтому удовольствуемся пока самыми общи-ми знаниями о предмете. При исследовании подобных систем необходимосотрудничество представителей самых различных научных дисциплин. Во-первых, должна быть досконально изучена анатомия сетчатки. Работа этавесьма тонка и требует применения электронного микроскопа — для иссле-дования, скажем, синапсов. Во-вторых, следует провести биохимическиеисследования, которые позволят установить, какие медиаторы воздейству-

10. Сетчатка: мозг в миниатюре 111

ют на синапсы и каким образом. И, наконец, необходимо изучить свойстваклеток сетчатки на электронном уровне.

Особо нужно отметить электрические исследования клеток. О приме-няемых в этих исследованиях технических средствах мы уже имеем неко-торое представление. С помощью тончайшего электрода можно изучатьи другие клетки сетчатки — биполярные, горизонтальные или амакрино-вые. Посредством введенного в нужную клетку электрода регистрируютсяизменения потенциала, вызванные особыми световыми раздражителями,проецируемыми экспериментатором на сетчатку подопытного животного.Выбор клетки в ходе эксперимента предоставлен, что называется, воле слу-чая. Чтобы определить тип клетки, в которую оказался введен электрод,применяют следующую методику. В клетку через электрод впрыскиваюткраситель, а затем исследуют сетчатку под микроскопом. Окрашенная клет-ка хорошо различима, поэтому описанная процедура позволяет однозначноустановить, какому именно типу принадлежит исследуемая клетка. Одна-ко вскоре было обнаружено, что между электрическими характеристикамиклетки и ее принадлежностью к какому-либо типу существует тесная взаи-мосвязь, и тип клетки можно определить исходя из ее «поведения» во времяэксперимента. Через некоторое время, ученые пришли к выводу, что экс-перименты с высшими животными чересчур расточительны, ведь для того,чтобы исследовать одну или даже несколько клеток, приходится брать всюсетчатку. Как следствие, в качестве подопытных стали использовать низ-ших животных — таких, например, как крабы. Это, естественно, породилоновую проблему: насколько результаты, полученные в ходе экспериментовс крабами, применимы к другим животным, и прежде всего к человеку.Ближайшими «родственниками» человека являются, конечно же, обезьяны,и результаты экспериментов с участием обезьян оказались бы, вероятно, вэтом отношении самыми перспективными. Предпочтение при этом, самособой, следует отдавать опытам, пройдя через которые, животное остаетсяв живых. И все же в животном мире прослеживаются некоторые анало-гии, и мы рассмотрим здесь некоторые важные результаты экспериментовс низшими животными. Основой для понимания происходящих в сетчат-ке процессов является, естественно, внешний вид ее клеток и взаимосвязимежду ними, т. е. анатомия сетчатки. Далее, необходимо выявить зависи-мость между обнаруженными в анатомических исследованиях связями ирезультатами электрофизиологических измерений.

Вернемся к рис. 10.5. Отметим, что с каждой ганглиозной клеткой свя-зано множество биполярных клеток, каждая из которых, в свою очередь,соединена со множеством фоторецепторных клеток (рис. 10.10). Такая схе-

112 Часть II

фоторецепторныеклетки

биполярныеклетки

ганглиознаяклетка

Рис. 10.10. Очень упрощенная схема соединения фоторецепторных, биполярныхи ганглиозных клеток. Здесь не отражено то обстоятельство, что каждая фоторецеп-торная клетка может быть связана не с одной, а со многими биполярными клетками,а каждая биполярная — со многими ганглиозными

ма объясняет, каким образом становится возможной передача сигналов ототносительно большого количества фоторецепторных клеток к одной ган-глиозной. С другой стороны, каждая фоторецепторная клетка, в свою оче-редь, может быть связана с несколькими биполярными. Уже на уровне би-полярных клеток обнаружено два различных типа клеток: биполярные on- иoff -клетки, обладающие рецептивными полями, схожими с полями гангли-озных клеток во всем, кроме размеров (поля биполярных клеток несколькоменьше). При попадании света в центральную зону поля ои-клетки возника-ет возбуждение, при попадании света в периферийную зону — торможение.Off -клетки реагируют обратным образом. Биполярные ои-клетки передаютсигналы на ганглиозные ои-клетки, а биполярные off-кяеггки — на ганглиоз-ные o/f-клетки. Таким образом, разделение клеток на on- и off-типы имеетместо уже на уровне биполярных клеток.

Каким же образом реализуется такое разделение? Какие из биполярныхклеток реагируют на освещение центральных зон своих фоторецепторныхполей возбуждением, а какие — торможением? Определяющую роль здесь,как выясняется, играют синапсы, т. е. связующее звено между фоторецеп-торными и биполярными клетками. Синаптические окончания фоторецеп-

10. Сетчатка: мозг в миниатюре 113

торных клеток производят медиатор только одного типа, который, междутем, воздействует на биполярные on- и o/f'-клетки противоположным обра-зом — или, иначе говоря, биполярные клетки каждого из типов по-разномуреагируют на один и тот же медиатор. Следует упомянуть и еще об однойстранности, связанной с деятельностью синапсов: на свету фоторецептор-ные клетки вырабатывают меньшее количество медиатора, нежели в тем-ноте. Вследствие этого, в биполярных ои-клетках преобладающими стано-вятся процессы торможения (поскольку в отсутствие света вырабатываетсябольшее количество медиатора), а в о/Т-клетках — процессы возбуждения.

На основании анализа относительных размеров клеток можно пред-положить, что центральная зона рецептивного поля обусловлена прямымикоммуникациями, т. е. путями, связывающими фоторецепторные клетки сганглиозными через биполярные, а периферийная — непрямыми (т. е. теми,что проходят через горизонтальные и биполярные клетки). Действительно,каждая фоторецепторная клетка связана как с биполярными, так и с гори-зонтальными клетками. В пользу предположения о том, что возникновениепериферийной зоны связано с горизонтальными клетками, говорят, в основ-ном, два экспериментально установленных факта. Во-первых, рецептивноеполе горизонтальной клетки значительно больше, благодаря чему и болееотдаленные фоторецепторные клетки могут быть опосредованно связаны ссоответствующей ганглиозной клеткой. Во-вторых, было обнаружено, чтовсякая горизонтальная клетка через свои тормозные синапсы оказывают насоседние области сетчатки воздействие, противоположное текущему состо-янию области, в которой находится сама — иными словами, если определен-ная область сетчатки возбуждена, то в соседних с ней областях в результатевоздействия соответствующей горизонтальной клетки наступает торможе-ние. То есть противоположные состояния центральной и периферийной зонрецептивного поля обусловлены именно горизонтальными клетками.

Функции амакриновых клеток весьма разнообразны, чем и объясня-ется большое количество обнаруженных исследователями типов этих кле-ток. Предполагается, что амакриновые клетки, помимо прочего, регулируютразвитие возбуждения ганглиозных клеток во времени, т. е. обеспечиваютвсплеск возбуждения центрального поля рецептивной зоны ганглиознойклетки при появлении светового раздражения и дальнейшее уменьшениеуровня возбуждения, если световое раздражение остается постоянным.

Итак, мы обрисовали в общих чертах важнейшие функции отдельныхтипов клеток сетчатки. Сами фоторецепторные, биполярные, горизонталь-ные и амакриновые клетки еще не генерируют нервных импульсов, онилишь реагируют на возникающее при возбуждении или торможении изме-

114 Часть II

нение разности электрических потенциалов между внутренней и наружнойповерхностью сетчатки. Правда, результаты экспериментов с некоторымивидами животных говорят о том, что амакриновые клетки генерируют-такинервные импульсы. При торможении текущий потенциал клетки возрастает,а при возбуждении — уменьшается, причем величина изменения напряжениязависит от интенсивности процессов возбуждения и торможения. Инымисловами, при отсутствии нервных импульсов напряжение изменяется плав-но, и величина такого изменения не является постоянной (когда происходитпередача нервного импульса, напряжение изменяется скачкообразно, при-чем всегда на одну и ту же величину). В клетках четырех названных вышетипов напряжение изменяется на протяжении всего времени раздражения.Это изменение определяет и их синаптическую активность: увеличение на-пряжения приводит к уменьшению выработки медиатора, и наоборот.

То обстоятельство, что реагировать на раздражение генерацией нерв-ных импульсов способны только ганглиозные клетки, объясняется разницейв расстоянии, на которое требуется передать возбуждение. Сигналу от ган-глиозной клетки необходимо пройти довольно длинный путь (от сетчаткичерез зрительный нерв к мозгу). Сама же сетчатка к такому просто неприспособлена — сигналы ее клеток не могут преодолеть расстояний, пре-вышающих толщину сетчатки, а толщина эта, как известно, очень и оченьневелика. Небольшие по величине плавные изменения напряжения годятсядля передачи возбуждения лишь на короткие расстояния, так как такой сиг-нал очень быстро затухает, и заключенная в нем информация оказываетсяпотерянной.

Нервные импульсы, передаваемые ганглиозными клетками в мозг, явля-ются конечным результатом всех взаимодействий клеток сетчатки, котораяосуществляет не только передачу зрительных сигналов, но и очень слож-ную их обработку. Мозг, в конечном счете, получает только ту информацию,которую передают ему ганглиозные клетки, а она является, в свою очередь,результатом обработки световых сигналов, принятых из внешнего мира фо-торецепторными клетками сетчатки.

Интересно, что процесс такой обработки у некоторых представите-лей фауны оказывается даже более сложным, чем у высших млекопитаю-щих. Так, например, в сетчатке лягушки имеются особые клетки, реагирую-щие исключительно на маленькие, темные, хаотично движущиеся объекты.Здесь, пожалуй, можно уже говорить о механизмах распознавания добычи.Очевидно, сложные процессы обработки информации переместились в ходеэволюции в мозг, чтобы обеспечить по возможности более гибкое поведениеи лучшую приспособляемость к изменяющимся условиям существования.

10. Сетчатка: мозг в миниатюре 115

При этом не следует забывать о том, что сетчатка представляет собой, всущности, продолжение мозга — именно поэтому у низших животных онаберет на себя несколько большую долю его функций.

Теперь, познакомившись с важнейшими экспериментальными резуль-татами, читатель сможет достаточно хорошо представить себе всю слож-ность происходящих в сетчатке процессов. Однако возникает новый вопрос:для чего нужны все эти сложности? И какова роль рецептивных полей в рас-познавании образов?

е) Рецептивные поля и зрение

Для демонстрации роли зрительных полей в зрении человека лучшевсего воспользоваться конкретным примером. Представим себе границумежду светлым и темным. Для упрощения задачи можно поместить натемный фон белый лист бумаги и сосредоточить внимание на границе этоголиста. Или можно посмотреть на рис. 10.11. В данной ситуации часть сет-чатки оказывается освещенной, и соответственно фоторецепторные клеткиполучают много света. Очень четко ограниченная темная область отражаетна клетки сетчатки значительно меньше света. Какой при этом будет ре-акция различных ганглиозных клеток? На том же рисунке представленысхематические изображения рецептивных полей, принадлежащих несколь-ким ганглиозным клеткам ои-типа. Для наглядности поля расположены другпод другом. В действительности же, как нам известно, они очень сильноперекрываются. С таким же успехом можно представить их нарисованнымидруг на друге. Однако сейчас мы рассмотрим лишь поведение несколькихотдельных рецептивных полей под воздействием границы между светлым итемным. Верхнее поле находится целиком в темной зоне, и в нем не наблю-дается никаких изменений нормальной электрической активности, уровенькоторой в состоянии покоя довольно низок.

Во втором случае центральная зона поля все еще целиком находитсяв темной зоне, однако часть периферийной зоны уже оказывается освеще-на. Следствием этого является торможение активности ганглиозной клетки.Следующее поле соответствует случаю, когда центральная зона полностьюосвещена, но некоторая часть периферийной зоны продолжает пребывать втени, что и приводит к возбуждению клетки. Четвертое поле, оказавшеесяполностью в освещенной зоне характеризуется лишь легким возбуждени-ем, так как процесс, протекающий в центральной зоне поля незначительнопреобладает над процессом в периферийной зоне. Сильнее всего, следо-вательно, реагируют те ганглиозные клетки, для которых граница междусветлым и темным касается границы между центральной и периферийной

116 Часть II

положениерецептивногополя

темный фонреакцияганглиознойклетки

активностьв состояниипокоя

торможение

возбуждение

очень малоевозбуждение

Рис. 10.11. Реакция на световое раздражение ганглиозных ол-клеток, рецептивныеполя которых занимают различное положение относительно границы между свет-лым и темным (края листа белой бумаги, помещенного на темный фон)

зонами рецептивного поля. Во втором примере это приводит к сильнейшему

торможению, а в третьем — к столь же сильному возбуждению. В целом же

изменение активности нервных импульсов демонстрирую те ганглиозные

10. Сетчатка: мозг в миниатюре 117

клетки, чьи рецептивные поля так или иначе пересекают границу. И напро-тив, те клетки, поля которых находятся целиком либо в темной, либо в осве-щенной зоне, не проявляют существенных изменений активности. Отсюдаможно заключить, что рецептивные поля служат для приема и передачи ин-формации об изменениях яркости; усиливая, кстати, при этом контрастностьпередаваемого изображения.

Разобравшись с границей между светом и тьмой, зададим себе другойвопрос: как воспринимается область, находящаяся внутри такой границы?

Представим себе какую-нибудь светлую поверхность, скажем, круглойформы и поместим ее на темный фон. Разглядывая ее, мы видим сплошнойсветлый круг, хотя — как нам известно — изменения активности демонстри-руют только те ганглиозные клетки, рецептивные поля которых приходятсяна границу между светлым участком поверхности и темным, т. е. различиемежду активностью ганглиозных клеток, поля которых оказались внутрисветлого круга, и клеток, поля которых в него не попали, весьма незначи-тельно. Каким же образом наш мозг улавливает это различие? Очевидно,мозг полагает, что все ганглиозные клетки, лежащие по одну сторону гра-ницы и не передающие никаких особых сигналов, освещены точно также, как и «пограничные». Мозг производит оценку уровня освещенностивнутри круга, так сказать, опосредованно, руководствуясь сообщениями,переданными «пограничными» ганглиозными клетками.

То, что ганглиозные клетки и в самом деле сообщают лишь об измене-нии уровня освещенности, было наглядно продемонстрировано с помощьюодного замечательного эксперимента, который заключался в следующем.Сначала экспериментатор отыскал в сетчатке подопытного животного (вданном случае — обезьяны) ганглиозную клетку ои-типа и соответствующееей рецептивное поле и точно определил в нем с помощью точечного свето-вого раздражителя центральную и периферийную зоны. Затем вся сетчаткаподверглась равномерному световому раздражению, а в центр рецептивногополя указанной клетки был направлен точечный луч, освещающий толькоцентральную зону. Далее яркость светового луча очень медленно увеличи-валась, и было обнаружено, что ганглиозная клетка реагирует на изменениеуровня освещенности. Это произошло, когда яркость луча превысила «фо-новую» (для всей сетчатки) на 2 процента. Опыты с людьми подтвердиливеличину порогового значения яркости, при котором испытуемые оказалисьспособны выделить на однородном фоне отдельную точку.

Затем эксперимент повторили, увеличив яркость фонового освещенияв пять раз. Яркость точечного луча снова медленно увеличивали до техпор, пока не было достигнуто значение, на 2 процента превышающее яр-

118 Часть II

Рис. 10.12. Оптическая иллюзия, воз-никающая за счет усиления контраст-ности при восприятии (пояснениев тексте)

Рис. 10.13. Усиление контрастности.Узлы решетки выглядят более темны-ми, чем ее прутья. Исключение со-ставляет центральный узел, в которомнаходится черная точка

кость фона; и снова в этот момент ганглиозная клетка отреагировала наизменение яркости. В экспериментах с людьми испытуемые в этот моментначинали видеть на однородной фоне более яркую точку. Описанные экс-перименты более чем убедительно показывают, что реакция ганглиозныхклеток зависит не от абсолютной яркости точечного светового раздражите-ля, а от изменения его яркости относительно яркости фона. Ну а в том, чтонаш орган зрения снабжен механизмом, усиливающим контрастность, мож-но легко убедиться, взглянув на рис. 10.12. Серая стрелка на белом фонекажется темнее стрелки, помещенной на черный фон, хотя в действительно-сти эти стрелки абсолютно одинаковы. На рис. 10.13 изображена решетка избелых полос на черном фоне. Области пересечений «прутьев» решетки вы-глядят темнее самих «прутьев». Это происходит потому, что белые участки,граничащие с черными, кажутся нам ярче. Центральные же участки узловрешетки находятся на некотором удалении от границы с черным, поэтомуувеличение яркости их не затрагивает — в результате они выглядят темнеетех участков, которые расположены ближе к границе. Центральный узелрешетки не кажется темнее из-за находящейся в нем черной точки.

Этот феномен можно продемонстрировать и с помощью другого экс-перимента. Если испытуемого поместить на долгое время в полностью за-темненное помещение, то окружающая его темнота через некоторое время

10. Сетчатка: мозг в миниатюре 119

потеряет свою непроницаемую «черноту» и будет восприниматься как некая«серость». Эта серость обусловлена, вероятно, спонтанным возбуждениемнервных клеток и центральной зрительной системы, о которой мы еще по-говорим позже. Когда глаза испытуемого привыкают к темноте, ему неожи-данно показывают освещенную черно-белую шахматную доску. Светлыеквадраты на ней воспринимаются испытуемым как белые, а темные — какчерные, хотя освещенные темные квадраты отражают значительно боль-ше света, чем до сих пор попадало ему в глаза в темной комнате. Здесьмы снова сталкиваемся с относительностью понятий «светлое» и «темное».Естественно, известную роль в этом играют процессы приспособляемо-сти фоторецепторных клеток к интенсивности воспринимаемого световогоизлучения. Преимущества упомянутой относительности вполне очевидны,ведь все не излучающие собственного света объекты становятся видимымитолько тогда, когда они освещены каким-либо источником света. Мощностьэтого источника может быть, конечно же, очень разной. Даже интенсивностьсолнечного света зависит, по крайней мере, от времени дня и погоды. Чер-ные буквы в книге, которую читают при солнечном свете, могут отражатьбольше света, чем белый лист бумаги в умеренно освещенном помещении.Несмотря на это, черный и белый цвета мы всегда воспринимаем именнокак черный и белый, вне зависимости от яркости освещения.

Остается невыясненным еще один вопрос: для чего ганглиозные клет-ки подразделяются на два типа? Более ста лет назад немецкий физиологЭвальд Геринг, основываясь только на собственном субъективном воспри-ятии, утверждал, что в органе зрения должны функционировать две про-тивоположные нервные системы. Задолго до Стивена Куффлера Герингэкспериментальным путем обнаружил обе эти противоположным образомфункционирующие системы, т. е. on- и o/jf-клетки. На центральную зонуполя о/7:нейрона темная точка оказывает то же воздействие, что оказываетсветлая точка на центральную зону поля ои-нейрона. Геринг предположил,что центральные зоны о/^нейронов предназначены для восприятия темныхобъектов на светлом фоне. Дело это совсем не простое, так как темныеили черные поверхности отражают очень малую часть падающего на нихсвета, т. е. если и являются раздражителями для фоторецепторных клеток,то очень слабыми. Логично предположить, что отсутствие раздражителяприведет к отсутствию реакции, а следовательно, к отсутствию восприя-тия. Благодаря же совместной работе двух противоположно «настроенных»систем, мы получаем возможность вполне отчетливо видеть темные предме-ты на светлом фоне. Здесь уместно вспомнить и о том, что при длительномпребывании в совершенно темной комнате человек действительно начина-

120 Часть II

ет видеть «более темные» объекты на фоне «менее темных» в различныхоттенках серого.

Тот же принцип обнаруживается и в деятельности других органовчувств — например терморецепторов. Экспериментальным путем было уста-новлено существование двух типов терморецепторных клеток: одни предна-значены для восприятия тепла, другие — холода. Восприятие температурыстоль же относительно, как и восприятие уровня освещенности, и это утвер-ждение можно доказать аналогичными рассуждениями. В качестве приме-ра приведем простейший опыт. Если опустить одну руку в горячую воду,другую одновременно с первой — в холодную, а через некоторое время пе-реместить их вместе в теплую воду, то той руке, что прежде находилась вхолодной воде, теплая вода покажется заметно более горячей, нежели той,что и в самом деле была в горячей воде. Абсолютное измерение температу-ры с помощью наших органов чувств невозможно — они функционируют всоответствии с принципами, в корне отличными от принципа работы тер-мометра. То же относится и к восприятию света: любой фотограф знает, чтоуровень освещенности следует именно измерять, а не оценивать «на глаз» —определить абсолютную величину уровня освещенности глаз просто не всостоянии.

Мы ознакомились только с первым этапом сложных процессов обра-ботки зрительной информации, однако при этом получили уже достаточ-но оснований проникнуться уважением и восхищением перед мастерствомПрироды. При своей весьма незначительной толщине сетчатка состоит изнескольких слоев клеток разного типа, соединенных между собой связя-ми высокого уровня сложности. Особую роль в этой системе играют фо-торецепторные клетки, являющиеся своеобразными посредниками междувнешним миров (или, как говорят, «белым светом») и нервной системой.Да и все остальные клетки сетчатки ни в коей мере нельзя считать простопроводниками возбуждения; все они принимают самое активное участие всложнейших процессах, благодаря которым поступающая извне информа-ция передается ганглиозными клетками в мозг не в «сыром» виде, а пройдяпредварительную обработку.

В следующей главе мы проследим путь, по которому осуществляетсяэта передача.

11. Зрительный тракт

На рис. 11.1 схематично показан путь, по которому информация пере-дается от глаз к зрительной коре, расположенной в затылочной доле голов-

11. Зрительный тракт 121

левыйглаз

латеральное коленчатое тело(Corpus geniculannii lalerale)

первичнаязрительнаякора

правыйглаз

Рис. 11.1. Схематическое изображение зрительного тракта человека {Chiasmaopticum — зрительный перекрест, Tractus opticus — зрительный тракт от зритель-ного перекреста до латерального коленчатого тела, Cortex — кора головного мозга,Corpus geniculatum laterale — латеральное коленчатое тело)

ного мозга. Сначала зрительные нервы обоих глаз встречаются у основаниячерепа, образуя так называемый зрительный перекрест {Chiasma opticum),при этом зрительный нерв каждого из глаз разделяется на две части, однаиз которых затем тянется дальше, направляясь в латеральное коленчатое те-ло, являющееся частью таламуса. В латеральном коленчатом теле нервныеволокна заканчиваются синапсами на залегающих здесь нейронах, аксоныкоторых направляются к коре затылочной доли головного мозга. Другаячасть волокон зрительного нерва после перекреста отправляется не в со-ответствующее латеральное коленчатое тело, а к другим областям мозга, аименно — к среднему мозгу (к так называемой ручке верхнего двухолмиячетверохолмия (Colliculi superiores)) и к претектальной области.

Познакомившись вкратце со зрительным трактом, обратимся к проте-кающим здесь процессам и рассмотрим их более подробно. Зрительныйнерв каждого глаза человека состоит приблизительно из миллиона нервных

122 Часть II

волокон. Проходя через зрительный перекрест у основания черепа пример-но половина всех нервных волокон каждого зрительного нерва сохраняетсвое направление, в то время как остальные волокна уходят в другое по-лушарие. Таким образом, каждый из зрительных нервов после перекрестасостоит наполовину из нервных волокон, исходящих из правого глаза, инаполовину — из левого.

Разделение волокон происходит отнюдь не случайным образом. Нерв-ные волокна от левой половины сетчатки каждого глаза тянутся к левомуполушарию, а нервные волокна, берущие начало в правых половинах сет-чатки, соответственно, к правому. Принимая во внимание то, что картинавнешнего мира отображается на сетчатке в перевернутом и зеркальном виде,можно заключить, что правая половина сетчатки каждого глаза восприни-мает и переворачивает все, что находится в поле зрения человека слева, алевая половина, соответственно, — все, что справа. Если, например, на сто-ле слева лежит мяч, а справа — карандаш, то мяч воспринимается правымиполовинами сетчатки обоих глаз, и информация о нем попадает в правоеполушарие, карандаш же отображается на левых половинах сетчаток, и ин-формация о нем оказывается в левом полушарии.

Об этом обстоятельстве мы уже упоминали, описывая экспериментс пациентами, у которых оперативным путем было рассечено мозолистоетело. У таких людей поле зрения оказывается разделенным на две поло-вины, и становится невозможным одновременное восприятие объектов изразных половин. Органы осязания также обладают подобным зрительномуперекрестом: осязательные ощущения правой руки обрабатываются левымполушарием, и наоборот.

Правая и левая зоны поля зрения, таким образом, воспринимаются от-дельно и обрабатываются в разных полушариях. С другой стороны, каждоеполушарие получает информацию от обоих глаз. Благодаря такому устрой-ству, как уже говорилось, человек обладает пространственным зрением,поскольку при этом каждое полушарие обрабатывает совмещенные изоб-ражения, полученные от обоих глаз. Возможно, будет интересно сравнитьсоответствующие механизмы у человека и животных. Допустим, у лягуш-ки каждое полушарие обрабатывает информацию, поступающую только отодного глаза, из-за чего лягушки начисто лишены способности к простран-ственному восприятию. У крыс и кроликов такая способность имеется, од-нако она очень ограничена из-за особенностей строения черепа. Глаза этихживотных расположены по бокам головы, и поле зрения левого глаза лишьнемного перекрывает поле зрения правого, в результате чего имеется толькоочень небольшая зона, которая действительно воспринимается обоими гла-

11. Зрительный тракт 123

зами вместе. Очевидно, можно утверждать, что высшие млекопитающие —например обезьяны — особенно остро нуждаются в способности к воспри-ятию пространства. Вообразите себе обезьяну, которая, прыгая с дерева надерево, не может верно оценить расстояние до очередной ветки — ясно, чтодолго такая обезьяна не проживет и вряд ли успеет передать свои особыекачества по наследству. Однако вернемся к зрительному тракту человека.

Итак, после зрительного перекреста большая часть нервных волоконпопадает в латеральные коленчатые тела, находящиеся в таламусе. Здесьцарит строгий порядок. Латеральное коленчатое тело, названное так из-засвоей формы, содержит шесть слоев нервных клеток, причем каждый такойслой связан с нервными волокнами только одного глаза. Таким образом,информация от разных глаз оказывается в отделенных друг от друга слояхнервных клеток латерального коленчатого тела. Нервные волокна в лате-ральном коленчатом теле заканчиваются, и информация передается черезсинапсы другим нервным клеткам, аксоны которых тянутся к зрительнойобласти коры головного мозга. Как мы видим, латеральное коленчатое телослужит для нервных волокон чем-то вроде коммутационного пункта. Про-странственная структура сетчатки находит свое отражение а пространствен-ной структуре латерального коленчатого тела: нервные волокна, берущиеначало в смежных областях сетчатки, заканчиваются в соответствующихсмежных областях латерального коленчатого тела. Такая организация при-суща всей зрительной системе в целом: нервные волокна, несущие инфор-мацию от смежных участков сетчатки, остаются соседями на протяжениивсего пути от глаза к мозгу. Это соседство, правда, непохоже на соседствов географическом, например, смысле, так как соотношение размеров здесьоказывается различным: отображение желтого пятна сетчатки, например,занимает относительно большее пространство, что со всей очевидностьюсвидетельствует о том, что обработка зрительных ощущений, получаемыхжелтым пятном, производится особенно детально.

Используя экспериментальные методы, аналогичные тем, о которыхмы говорили при рассмотрении сетчатки, можно исследовать с помощьюэлектродов рецептивные поля нервных клеток латерального коленчатого те-ла. В результате таких исследований было установлено, что рецептивныеполя клеток латерального коленчатого тела подобны рецептивным полямклеток сетчатки: у них так же наблюдается круглая центральная зона и кон-центрическая ей кольцеобразная периферийная зона, а также разделениена поля с on- и o/f-центрами. Пока не совсем ясно предназначение такогоразделения, потому что чисто электрофизиологические методы не дают намотносительно него никаких новых сведений. Для того чтобы понять назна-

124 Часть II

чение коленчатого тела, необходимы, бесспорно, дальнейшие интенсивныеисследования. Нервные волокна, идущие от латерального коленчатого тела,заканчиваются в первичной зоне зрительной области коры головного мозга(рис. 11.1). Эта область связана с вторичными и третичными зрительны-ми полями, а также с высшими ассоциативными областями, находящимисяздесь же, в затылочной, либо в теменной долях головного мозга и обеспечи-вающими связи с другими областями коры головного мозга — например, сцентром чтения, в котором буквы или слова соотносятся с соответствующи-ми образами. Отсюда информация может быть передана дальше, к центруречи (об этом мы уже говорили в главе 6).

Почему же некоторые нервные волокна уходят в другие области мозга?Верхнее двухолмие четверохолмия, наряду с прочими важными задачами,управляет быстрыми движениями глаз, а кроме того, отвечает за рефлексы,относящиеся к движениям головы и шеи. Таким образом, по крайней ме-ре, быстрые движения глаз (подробнее эти движения мы рассмотрим ниже)производятся рефлекторно. Быстрые движения глаз могут быть как обу-словлены процессом зрительного восприятия, протекающего сознательно изахватывающего кору головного мозга, так и производиться неосознанно,благодаря связям зрительной области с другими участками коры. Разуме-ется, верхнее двухолмие четверохолмия получает сигналы и из зрительнойобласти. Так называемая претектальная зона обусловливает рефлекторноесужение зрачков в ответ на увеличение уровня освещенности, что, как намуже известно, происходит автоматически без каких бы то ни было волевыхусилий.

Обобщая все вышесказанное относительно процесса прохождения сиг-налов по зрительному тракту, можно сказать, что нервные волокна на опре-деленных участках тракта перестраиваются и переключаются на новые про-водящие пути, однако радикальной обработки информации здесь не проис-ходит.

Перейдем теперь к более интересному и даже таинственному элементузрительной системы — к зрительной области коры головного мозга.

12. Зрительная область коры головного мозга

а) История исследования

Хотя до некоторой степени зрительная информация обрабатываетсяеще при прохождении зрительного сигнала через сетчатку и коленчатоетело, осознаваемое зрительное ощущение возникает только в коре головно-

12. Зрительная область коры головного мозга 125

го мозга. О структуре и функциях зрительной области коры — той самойобласти, где и формируется это ощущение — известно довольно много. Рас-скажем коротко об истории исследования зрительной области, опираясь нато, о чем читатели уже знают из главы 6, посвященной мозгу.

Раньше всего было изучено анатомическое строение головного мозга.К концу XVIII века уже было известно, что мозг состоит из коры (так на-зываемое серое вещество) и мозгового (или белого) вещества (см. рис. 6.8).На сегодняшний день мы можем добавить к этому кое-что еще: серое ве-щество коры состоит из тел нервных клеток, а белое вещество составляютнервные волокна. Предполагалось также, что серое вещество представляетсобой единую однородную массу, однако итальянец Франческо Дженнариобнаружил в корковом слое белые полосы. Белые полосы ярко выраженыв различных зонах мозга, и особенно хорошо — именно в первичной зри-тельной коре. Теперь они носят имя открывшего их ученого и называютсяполосы Дженнари, а соответствующие области головного мозга известныкак полосатая зона, или Area striata. Дженнари, конечно, еще ничего незнал о функциях этой области коры, однако догадывался, что с различнымстроением участков коры связаны и различные функции. Об исследованияхотдельных областей коры головного мозга мы уже рассказывали подробнов главе 6.

Каким же образом была обнаружена зрительная область? Как это частослучается в науке, здесь не обошлось без недоразумения. В конце XIX ве-ка английский нейролог и физиолог Дэвид Ферье проводил эксперименты собезьянами. Оперативным путем у подопытного животного удалялись опре-деленные извилины головного мозга, а затем изучались последствия такихопераций. Вырезав из обоих полушарий мозга обезьяны боковые извилины,ученый обнаружил, что обезьяна оказывалась не в состоянии взять стоящуюперед ней чашку чая и отпить из нее, хотя до операции эти действия не вы-зывали у нее никаких затруднений. Из этого Ферье заключил, что обезьянаослепла и поэтому не может найти чашку. Типичный пример ложного выво-да, потому что в действительности у обезьяны был поврежден не зритель-ный центр, а область, контролирующая зрительно управляемые движения.В задачи этой области входит точное согласование различных движений —такое, например, какое требуется для того, чтобы из большой груды камнейвытащить определенный маленький камушек. После того, как эта областьоказывалась повреждена, обезьяна больше не могла координировать необ-ходимые для взятия чашки движения, и поэтому не брала стоящую передней чашку. Этот пример показывает, с какой осмотрительностью следуетотноситься в подобных случаях к выводам и заключениям.

126 Часть II

Настоящий зрительный центр обнаружил немецкий физиолог ГерманМунк в 1877 году. Этот центр расположен в затылочной доле головно-го мозга (рис. 12.1). Следующий шаг в изучении этой области мозга былсделан японским военным врачом Иноуйе. Во время русско-японской вой-ны 1904-1905 гг. он обследовал солдат с ранениями, повлекшими за собойповреждение мозга и нарушение зрения. Успеху его исследований способ-ствовало одно удивительное обстоятельство: новое оружие русской армиистреляло пулями меньшего размера, придавая им при выстреле очень вы-сокую скорость. При попадании в голову такие пули часто пробивали че-реп насквозь. Раненые вскоре выздоравливали и становились участникамиэкспериментов своего военврача. Сначала Иноуйе попытался установитьзависимость между определенными местами поражения и характером зри-тельных нарушений — такими, например, как выпадение из поле зрениянекоторой области. Ему удалось таким образом сопоставить различные об-ласти сетчатки с участками коры головного мозга. Так было обнаружено,что отображение сетчатки на зрительную область коры сильно искажено,а участок коры, соответствующий области желтого пятна, по сравнению спериферийными зонами сетчатки, непропорционально велик.

Аналогичную схему соответствия поля зрения и зрительной коры го-ловного мозга разрабатывали во время Первой мировой войны два англий-ских нейролога, Гордон Холмс и Уильям Тинделл Листер. В дальнейшемэта схема неоднократно уточнялась и совершенствовалась. Так, в 1941 годуУэйд Маршалл и Сэмюэл Толбот в ходе электрофизиологических иссле-дований окончательно подтвердили, что смежные области сетчатки соот-ветствуют смежным участкам зрительной коры. Методика, примененнаяМаршаллом и Толботом заключалась в следующем: раздражая сетчатку то-чечными световыми сигналами, исследователи определяли, какая именнозона коры головного мозга оказывалась при этом возбужденной. Экспери-менты эти проводились еще до того, как Стивен Куффлер обнаружил всетчатке рецептивные поля. Решающее значение для исследований в этомнаправлении имели работы шведа Торстена Визела и американца ДэвидаХьюбела, ставших в 1981 году лауреатами Нобелевской премии в областимедицины. Подробнее об этих работах мы поговорим ниже.

б) Анатомия зрительной коры головного мозга

Зрительная область коры головного мозга находится в затылочной до-ле. При вскрытой черепной коробке снаружи видна лишь небольшая еечасть. И только если полушария отделены друг от друга, то на лежащей

12. Зрительная область коры головного мозга 127

первичнаязрительнаякора

б)„„.~„„ первичная

^мозолистое calcarinus, зрительнаятело борозда кора

Рис. 12.1. Расположение первичного зрительного поля на коре головного мозга:(а) вид сбоку; (б) вид сбоку после удаления части левого полушария

между ними поверхности коры становится видна большая часть интере-сующей нас зрительной области — участок поверхности мозга площадьюв несколько квадратных сантиметров и толщиной около двух миллимет-ров (рис. 12.1 (б), справа). О сложности ее строения можно судить ужепо числу составляющих ее клеток. Если в коленчатом теле насчитываетсяпримерно 1,5 миллиона клеток, то в зрительной области коры количествоклеток достигает 200 миллионов!

Отвечающую за зрительное восприятие корковую область исследова-тели подразделяют на различные зоны. Первая зона — та, где оканчиваются

128 Часть II

зрительные тракты, идущие от коленчатого тела — называется первичнымзрительным полем. Эта зона обозначается как VI или 17; далее следуютсоединяющиеся с ней поля 18 и 19 (или V2, V3 и т.д.). На тонкостях ихнумерации мы здесь останавливаться не будем; для наших целей достаточ-но и того, что мы проводим условное разделение первичного, вторичногои т. д. зрительных полей. Однако важно отметить, что каждое из них пред-ставляет собой более или менее точный аналог сетчатки. Это означает, чтораздражение определенного участка сетчатки вызывает реакцию соответ-ствующего ему участка зрительной коры. Таким образом, корковую областьможно рассматривать как в некотором роде карту сетчатки. Естественнобудет предположить, что в каждом полушарии мозга можно найти соот-ветствия половинам поверхности сетчатки обоих глаз. В настоящее времяколичество зрительных полей, например, у обезьян оценивается, по мень-шей мере, числом 15, у человека же оно, по всей видимости, еще больше.Действительно хорошо исследованным считается сейчас только первичноезрительное поле, так что в своих рассуждениях мы ограничимся, по боль-шей части, именно им.

Для того, чтобы разобраться в механизмах работы зрительной коры,необходимо, естественно, сначала подробно изучить ее строение. Дженна-ри первым отметил, что внутри коры имеются белые полосы. Сейчас намизвестно, что зрительная область коры делится на шесть слоев, которые раз-личаются и по типу образующих их клеток, и по плотности их «укладки».Слои эти нумеруются римскими цифрами от I до VI, причем четвертыйслой подразделяется на слои IVa, IV6 и IVB. СЛОИ связаны между собойсложной сетью нервных волокон. Почти все зрительные проводящие пути,идущие от коленчатого тела, оканчиваются в слое IVB. Нейроны этого слоясвязаны со слоями II и III, а те, в свою очередь, соединяются с остальнымислоями.

Путь нервного импульса от глаза к мозгу ни в коем случае не следуетпредставлять в виде улицы с односторонним движением, заканчивающейсяв некоем тупике. Здесь имеется множество «петель», т. е. участков с обрат-ной связью, где сигнал может не только двигаться вперед, но и возвращатьсяназад: например, из слоя V обратно в слой IV Возврат сигнала из зрительнойкоры к латеральному коленчатому телу или четверохолмию обеспечивает-ся соответствующими нервными волокнами. Вероятно, это обратное сооб-щение также играет важную роль в осуществлении процесса восприятия,однако нам еще далеко не все известно о его предназначении. Аналогич-ным образом первичное зрительное поле связано с другими зрительнымиполями, однако чтобы не заблудиться в подробностях, отметим лишь, что

12. Зрительная область коры головного мозга 129

между отдельными слоями первичной зрительной коры, другими полями ипрочими областями мозга имеют место многочисленные и весьма сложныевзаимодействия.

Существование всех этих связей и взаимодействий было установленов ходе экспериментальных исследований, проведенных Чарлзом Гилбер-том и Торстеном Визелом. С помощью микропипетки ученые впрыскиваливнутрь отдельных нейронов специальный состав, таким образом «поме-чая» их, и благодаря этому смогли не только определить точное строениенервных клеток, но и проследить их связи с другими нервными клетками.Для исследования связи между глазом и соответствующей областью мозгаТорстен Визел и Дэвид Хьюбел поставили очень интересный опыт. Нар-котизированной обезьяне ввели внутрь одного глаза некоторое количестворадиоактивной аминокислоты — структурного элемента белка. Клетки сет-чатки, где в конечном счете оказалось радиоактивное вещество, построилина его основе молекулы белка и отправили их дальше по нервным волокнам,к латеральному коленчатому телу. Отслеживая радиоактивные молекулы,ученые совершенно точно определили, что нервные волокна заканчиваютсяв определенном слое коленчатого тела. Мы уже упоминали об этом фактев главе 11, при рассмотрении зрительного тракта; а установлен он был какраз в результате описанного эксперимента.

Через синапсы коленчатого тела частицы радиоактивного вещества по-падают, наконец, на нервные пути, ведущие к зрительной области коры.Чтобы выяснить, где именно скапливаются радиоактивные молекулы, по-павшие в мозг таким путем, ткань мозга впоследствии рассекли на оченьтонкие слои, которые затем выкладывались в темноте на высокочувстви-тельную фотопленку. Результаты этого эксперимента отражены на рис. 12.2.Обратите внимание на характерную полосатую структуру слоя IVB: участки,содержащие радиоактивные молекулы (светлые), чередуются с участками,не содержащими таковых (темные). Это означает, что «меченые» участки(т. е. участки, связанные с тем глазом, куда вводили радиоактивную ами-нокислоту) перемежаются в зрительной коре с участками, связанными совторым, «необработанным» глазом. Нервные клетки, связанные (как в дан-ном случае) только с одним глазом, называются монокулярными. В другихслоях коры обнаружены клетки, связанные одновременно с обоими глазами;такие клетки называют бинокулярными. У обезьян, например, бинокуляр-ные клетки составляют к 60% всех нервных клеток. В дальнейшем мыеще поговорим о том, какое воздействие оказывают на отдельную нервнуюклетку импульсы, поступающие от обоих глаз одновременно, поскольку дляпонимания принципов работы зрительной коры головного мозга особенно

130 Часть II

Рис. 12.2. Радиоактивное маркирование первичной зрительной коры путем введениярадиоактивного вещества в один глаз. Светлые участки соответствуют радиоактив-ным зонам. В слое IVB радиоактивные области (светлые) чередуются с нерадиоак-тивными (темными)

важно знание точной структуры этой зоны мозга и связей между различ-ными нервными клетками, ее составляющими — хотя одного лишь этогознания, конечно, недостаточно. Точно так же, как и при изучении сетчатки,необходимо исследовать и физиологические свойства клеток: установить,например, какие оптические раздражители при попадании на сетчатку спо-собны вызвать возбуждение определенных клеток коры.

в) Рецептивные поля в коре и в глазах

Как известно, каждая ганглиозная клетка сетчатки обладает своим ре-цептивным полем, состоящим из двух концентрических зон. Аналогичныерецептивные поля с on- и «//-центрами и противоположными им по функ-циям периферийными зонами обнаружены и у клеток латерального колен-чатого тела, т. е. можно предположить существование несложной аналогиимежду свойствами нервных клеток коры и ганглиозных клеток сетчатки.

Однако читатель уже, по всей видимости, заподозрил, что клетки коры,вдобавок к известным, обладают и другими свойствами, совершенно для насновыми. Действительно, изучение свойств этих клеток никак нельзя назвать

12. Зрительная область коры головного мозга 131

простым делом. Дэвид X. Хьюбел в своей книге «Глаз и мозг»3 рассказыва-ет, как на помощь ученым в очередной раз пришел случай. Хьюбел и Визелисследовали одну клетку в зрительной коре головного мозга кошки с по-мощью введенного под черепную коробку электрода. Целью экспериментабыло определение типа светового раздражителя (темная или светлая точка),вызывающего возбуждение данной конкретной клетки. Для этого использо-вались две маленькие прямоугольные пластины: стеклянная с нанесеннойна нее темной точкой и латунная с точечным отверстием. На сетчатку по-допытного животного направляли луч проектора, пропущенный через этипластины. Эксперимент длился уже много часов, а ученые никак не мог-ли добиться реакции клетки хотя бы на один из раздражителей. При этомнельзя было сказать, что клетка вовсе ни на что не реагировала: раз за разомнаблюдалась ярко выраженная реакция на . . . смену пластин в проекторе.В конце концов Хьюбел и Визел пришли к выводу, что клетка, пусть и нереагируя на предлагаемые ей в качестве раздражителей светлую и темнуюточки, все же выдает реакцию на край пластины. Вот так, чисто случайно,было обнаружено, что действительным раздражителем для таких клетокявляется, по всей видимости, граница светлого и темного. Важность этогооткрытия трудно переоценить, поскольку очень многие клетки зрительнойкоры (в чем мы вскоре убедимся) реагируют исключительно на такого родараздражители.

После того как было экспериментально изучено огромное количествоклеток коры, оказалось, что и здесь существуют клетки различных типов,которые, соответственно, и реагируют на разные раздражители. Ради на-глядности воспользуемся условным разделением клеток на простые и ком-плексные (по степени сложности организации их рецептивных полей). Ре-цептивные поля нервных клеток зрительной области коры головного мозгаизучались, в основном, в ходе лабораторных опытов с кошками и обезья-нами, похожих на те, с помощью которых ученые исследовали сетчатку(рис. 10.6), с той лишь разницей, что теперь электрод вводился под че-репную коробку подопытного животного. Нужную клетку коры отыскать,разумеется, очень непросто, однако методы проведения экспериментов по-стоянно совершенствуются.

Рассмотрим рецептивные поля клеток различных типов. При этом сле-дует непременно иметь в виду, что эти рецептивные поля связаны еще и ссетчаткой, т. е. каждый участок сетчатки воздействует на соответствующиеклетки коры. Нейроны зрительной коры, расположенные в слое IVB, обла-

3D.Hubel. Auge und Gehtrn. Spektrum, Heidelberg, 1989.

132 Часть II

дают — точно так же, как клетки сетчатки и коленчатого тела — круглымирецептивными полями, центральная и периферийная зоны которых функ-ционируют противоположным образом. Все эти нейроны являются моноку-лярными, т. е. связанными только с одним глазом.

Что касается тех клеток коры, которые мы будем называть простыми,то принято считать, что они представляют собой в некотором роде первуюстанцию корковой области. Большинство из них вовсе не имеет рецептив-ных полей. На рис. 12.3 показаны три различных примера рецептивныхполей, встречающихся у простых клеток. Сразу бросается в глаза то, чтово всех трех случаях рецептивные поля имеют прямоугольную форму. Впервом случае (а) центральная зона рецептивного поля такова, что при еераздражении светом происходит возбуждение соответствующей клетки ко-ры. Справа и слева от центральной зоны имеются две периферийные зоны,световое раздражение которых вызывает в этой клетке коры торможение.Во втором случае (б) наблюдается прямо противоположная картина; в слу-чае (в) рецептивное поле состоит из двух смежных областей, одна из кото-рых при воздействии на нее светового раздражителя вызывает возбуждениесоответствующей клетки, а другая — торможение. На рис. 12.3 (г) схематич-но изображено воздействие различных раздражителей на рецептивное полес рис. 12.3 (а). Светлая полоса, в точности совпадающая с зоной возбужде-ния рецептивного поля, вызывает оптимальную реакцию соответствующейнервной клетки. Если же такая полоса попадает целиком на зону торможе-ния, клетка никак не отреагирует; в этом случае клетка реагирует — правдаочень слабо — только на исчезновение раздражителя. Отклонение поло-сы на рисунке от вертикали гасит реакцию клетки, ослабляя ее или вовсесводя на нет в зависимости от того, большая или меньшая часть полосыоказывается в зоне торможения. Иными словами, рассматриваемые клеткиобладают очень высокой чувствительностью к ориентации раздражителя впространстве, и только особым образом сориентированные световые поло-сы вызывают оптимальную реакцию клетки. Рассмотрим несколько болеесложный вариант, при котором возбуждение соответствующих нейронов ко-ры вызывается полосой света, не только сориентированной определенным

Рис. 12.3. (а), (б), (в) Рецептивные поля простых клеток. Знаком «+» обозначена об-ласть, отвечающая на световое раздражение возбуждением, знаком «—» — область,отвечающая на световое раздражение торможением, (г) Реакции клетки с рецептив-ным полем типа (а) на раздражение различным образом ориентированной световойполосой (световые полосы здесь изображены черными)

12. Зрительная область коры головного мозга 133

- +

J б)

+

ч.

- +

J в)

раздражение реакция

длительность раздражения

сильноевозбуждение

слабоевозбуждение

\

у торможение

г)

слабоевозбуждение

торможение

134 Часть II

образом, но и попадающей на определенный участок сетчатки. Исследова-ние большого числа простых клеток показало, что в зрительной коре име-ются клетки, отвечающие на любую ориентацию светового раздражителя,причем все направления оказываются «равноправными», т. е. ни одному изних (ни вертикальному, ни горизонтальному, ни какому иному) не отдаетсяпредпочтения, и количество клеток для каждого из направлений примерноодинаково.

Клетка, рецептивное поле которой изображено на рис. 12.3 (б), опти-мально реагирует на темную полосу на светлом фоне, причем эта темнаяполоса опять же должна приходиться на центральную зону поля и быть пра-вильно сориентирована. Клетка, поле которой представлено на рис. 12.3 (в),оптимально реагирует на границу между светлым и темным, но только то-гда, когда эта граница в точности совпадает с линией, разделяющей зонывозбуждения и торможения рецептивного поля клетки, т. е. перед нами ещеодин пример специфической реакции на ориентацию раздражителя в про-странстве.

Что же представляют собой такие рецептивные поля? На рис. 12.4 при-ведена гипотетическая схема их организации. Здесь изображены клетки, со-единенные между собой возбуждающими синапсами, причем центральныезоны круглых рецептивных полей этих клеток лежат на одной прямой. Кро-ме того, как нам известно, рецептивные поля значительно перекрываются,то же можно сказать и о центральных зонах этих полей. В результате такогоперекрытия нервные клетки коры образуют единое непрерывное рецептив-ное поле. Следует, однако, особо подчеркнуть, что в настоящий моментмы рассматриваем лишь некую умозрительную конструкцию, гипотетиче-скую — пусть даже и весьма убедительную — модель, не подкрепленнуюпока еще экспериментально. Простые клетки с прямоугольными рецептив-ными полями связаны в большинстве своем с обоими глазами и являются,следовательно, бинокулярными, что подтверждается результатами опытов свведением подопытным животным радиоактивных молекул. Электрофизио-логические исследования бинокулярных клеток показывают, впрочем, чтосвязь такой клетки с одним из глаз все же оказывается сильнее. Если воз-действовать на соответствующую зону сетчатки одного глаза раздражите-лем нужного типа, то клетки реагируют на такое раздражение по-разному:у части из них ярче выражена реакция на раздражение правого глаза, уостальных левого. Иными словами, один из глаз доминирует. Обычно каж-дому глазу соответствует примерно одинаковое число клеток. Однако еслиу маленького котенка в течение нескольких недель держать закрытым одинглаз, то соотношение это определенным образом изменяется в пользу от-

12. Зрительная область коры головного мозга 135

крытого глаза, т.е. для подавляющего большинства клеток доминантнымстановится именно открытый глаз.

рецептивные поля клетки

зритель-ной коры

клетки латеральногоколенчатого тела(Corpus geniculatum laterale)

возбуждающий

Рис. 12.4. Гипотетическая модель организации рецептивных полей с рисунка 12.3 (а)(пояснение в тексте)

Общим свойством всех простых клеток является то, что они обла-дают хорошо выраженными зонами возбуждения и торможения. Границыобеих зон можно определить с помощью точечного светового раздражениясетчатки; метод полностью аналогичен описанному ранее методу определе-ния рецептивных полей ганглиозных клеток сетчатки. Пели световая точкапопадает на зону возбуждения, то клетка реагирует сильнее, если же назону торможения — реакция клетки ослабевает. Простые клетки реагируютна статичный раздражитель, т. е. такой, положение которого во время экс-перимента не изменяется. Иначе обстоит дело с комплексными клетками.Их рецептивные поля значительно больше, чем рецептивные поля простыхклеток, а зоны возбуждения и торможения точно не определяются. Особен-ность комплексных клеток заключается, прежде всего, в том, что они реаги-руют на подвижные раздражители; особенно сильной оказывается реакцияна световые полосы, движущиеся перпендикулярно собственной длиннойстороне, но не вдоль зрительной оси. Комплексные клетки демонстрируютсовершенно специфическую чувствительность к ориентации раздражите-ля; с наибольшей силой они реагируют на движущиеся в определенном

136 Часть II

направлении и определенным образом сориентированные световые полосы(рис. 12.5).

направление движения

— рецептивноеполе

]

движущаясясветоваяполоса

,, направление движения

возбуждение торможение

Рис. 12.5. Схематическое изображение рецептивного поля комплексной клетки. Ре-акция клетки определяется направлением движения световой полосы

Некоторые клетки настолько специфичны, что реагируют на движениесветовой полосы только в какую-то одну сторону и совершенно игнориру-ют движение в другую сторону. Однако имеются и клетки, реагирующиена движение полосы в обоих направлениях. Здесь можно представить себееще одну схему — гипотетическую модель реакции клеток коры на свето-вое раздражение сетчатки, аналогичную той, что мы описывали для слу-чая простых клеток. Рецептивное поле комплексной клетки в этой моделиявляется результатом взаимосвязи некоторого большого количества прямо-угольных рецептивных полей простых клеток. Впрочем, эксперименты ясноуказывают на то, что не все клетки с комплексными рецептивными поля-ми получают информацию только от простых клеток; существует также«вход» непосредственно от расположенных в слое IVc клеток с круглымирецептивными полями. Это означает, что представляемая модель являетсяв настоящем ее виде слишком упрощенной и требует в будущем значитель-ного усовершенствования на основе дальнейших экспериментов.

Мы познакомились с важнейшими типами клеток, составляющих зри-тельную область коры головного мозга. Размещение клеток в этой областини в коей мере не случайно: мы можем наблюдать здесь строгую организа-цию основных элементов в так называемую колончатую структуру. Каждаяколонка имеет от 30 до 100 мкм (1 мкм = 1/1000 мм) в толщину и при-близительно 2 мм в высоту. Начнем осмотр со слоя IV, несколько клетокиз которого (вместе с их рецептивными полями) попадают в каждую такую

12. Зрительная область коры головного мозга 137

колонку. Над ними и под ними находятся как простые, так и комплексныеклетки, и вот что по-настоящему интересно: все чувствительные к ориен-тации раздражителя в пространстве клетки одной колонки реагируют наодинаково ориентированные световые полосы. Смежные колонки воспри-нимают световые полосы, повернутые друг относительно друга на угол,приблизительно равный 10°. Таким образом, все вместе колонки способныреагировать на любую ориентацию световой полосы от вертикальной до го-ризонтальной (рис. 12.6), а составляющие описываемую структуру нейроныупорядочены в соответствии со строгой системой. Небольшие структурныевкрапления «посторонних» клеток, встречающиеся в колонках, мы рассмот-рим подробно несколько позднее, когда будем говорить о цветовом зрении.Кроме уже названного деления, колонки подразделяются в зависимости оттого, какой глаз — правый или левый — является доминирующим для каж-дой из клеток колонки (так называемые глазодоминантные колонки). Длякаждого участка сетчатки каждого глаза в коре имеется свой, так сказать,комплект колонок, содержащий нейроны, реагирующие на все мыслимыеориентации светового раздражителя в пространстве; такие комплекты Хью-бел и Визел назвали гипер колонкам и (англ. hypercolumn). Подобная колон-чатая структура наблюдается во многих областях коры головного мозга.

оптимальная дляданной колонкиориентациясветовогораздражителя

°**ir

4 <S.°'i<V'

цитоархитекто- <Pнические слои

Рис. 12.6. Колончатая структура зрительной коры головного мозга

138 Часть II

рецептивноеполе

возбуждающеераздражение

тормозноераздражение

слабое илиневоспри-нимаемоераздражение

Рис. 12.7. Схематическое изображение рецептивного поля гиперкомплсксной клет-ки. Реакция клетки определяется положением и направлением движения световойполосы

Клетки высших зрительных полей обладают еще более сложными свой-ствами, что находит отражение в их названии: гиперкомплексные. До сихпор эти клетки остаются в значительной степени менее изученными, нежеликлетки первичного зрительного поля. На рис. 12.7 схематически изображенорецептивное поле гиперкомплексной клетки. Как и в случае с комплекснымиклетками, четкое определение зон возбуждения и торможения оказываетсяздесь невозможным. Точечные световые раздражители вообще не оказыва-ют на такую клетку никакого воздействия. Более эффективным раздражи-телем может стать световая полоса, движущаяся слева направо в нижнейполовине рецептивного поля (рис. 12.7). Если же световая полоса движетсяв верхней половине поля, то она оказывается тормозным раздражителем.Движение полосы по всей ширине (или длине) поля вызывает лишь уме-ренное возбуждение. Некоторые рецептивные поля реагируют на еще болеесложные раздражения, чем движение световой полосы (например, движениев определенном направлении двух соединенных под углом световых полос).Иными словами, среди гиперкомплексных клеток существует некая иерар-хия: от клеток, реагирующих на самые простые раздражители, до таких,которые активизируются только очень сложными сочетаниями различныхпо форме раздражителей.

Обобщая вышеизложенное, можно сказать, что зрительная кора пред-ставляет собой сложную иерархическую систему, объединяющую в одноцелое все описанные в настоящей главе элементы: начиная с клеток с круг-

12. Зрительная область коры головного мозга 139

световойраздражитель:светлая буква

Рис. 12.8. Нейронное «отображение» светлой буквы «К» на темном фоне. Когда мыразглядываем изображение, различные нервные клетки нашей зрительной коры от-фильтровывают «свои» специфические структурные элементы,(а) зрительные клетки сетчатки; (б) и (в) ганглиозные клетки сетчатки ((б) оп-нейроны, (в) о^-нейроны); (г) клетки латерального коленчатого тела и часть клетоксетчатки; от (д) до (и) различные клетки зрительной области коры головного мозга

лыми рецептивными полями и заканчивая гиперкомплексными клетками,рецептивные поля которых обладают очень сложной структурой. На каж-дой следующей ступени иерархической лестницы происходит смена кон-фигурации раздражителя, способного воздействовать на нервные клетки;раздражители становятся все сложнее и специфичнее, т.е. постоянно по-вышается уровень абстракции. Можно представить себе, как наблюдаемыйобраз разлагается на отдельные составляющие, каждая из которых обладаетопределенным набором характеристик (граница между светлым и темным,контуры, движение), воспринимаемым совершенно определенными клет-ками зрительной коры. Пример такого разложения светлой буквы «К» натемном фоне приведен на рис. 12.8; различные формы раздражителей ре-гистрируются соответствующими нервными клетками коры. Изображеннаяздесь последовательность, разумеется, условна — еще одна гипотетическаямодель. Известно лишь, что главную роль в моделируемом процессе играютграницы между светлыми и темными участками изображения. Распознава-ние определенных форм (даже при изменении их положения) обеспечивают,

140 Часть II

прежде всего, гиперкомплексные клетки с их относительно большими ре-цептивными полями.

Рис. 12.9. Справа: запись движений глаз испытуемого, который несколько минутсмотрел на фотографию, помещенную слева

Вообще говоря, высокоорганизованные клетки коры головного мозгалучше всего приспособлены для распознавания именно движущихся форм.Как же в таком случае нам удается распознавать статичные образы? Всеобъясняется очень просто. Статичные изображения и покоящиеся предме-ты человек рассматривает непрерывно движущимися глазами. На рис. 12.9справа вы видите запись движений глаз человека, которому было предло-жено рассмотреть портрет (помещен здесь же слева). Взгляд скачкообразноперемещается от точки к точке; даже если намеренно зафиксировать взглядна какой-либо точке, глаза все равно будут совершать пусть совсем крошеч-ные, но все же рывки, и остановить эти движения волевым усилием мы нев состоянии. Этот механизм обеспечивает постоянное перемещение обра-за на сетчатке, благодаря чему нейроны коры получают для распознаваниядвижущийся объект.

г) Восприятие целого

Настало время задать главный вопрос: каким же образом мозг воспри-нимает сложные изображения? Возможно, сигнал последовательно прохо-дит все уровни иерархии от простых клеток к все более сложным, а в вер-шине этой пирамиды находится одна-единственная клетка, которая, в конце

12. Зрительная область коры головного мозга 141

концов, и распознает лицо знакомого нам человека. В соответствующейлитературе такую клетку часто называют «бабушкиной клеткой». Можнотакже предположить, что для каждой специфической конфигурации раздра-жителя имеется, в конечном счете, некая особая клетка. На первый взглядтакое устройство может показаться практически нецелесообразным — из-вестно, что ежедневно умирает довольно большое количество клеток, а этоозначает, что человек рискует в один прекрасный день не узнать собствен-ную бабушку. Однако в коре головного мозга обезьян были обнаруженыклетки, избирательно реагирующие на контуры лиц, причем именно опи-санным выше способом: проходя сквозь иерархию нервных клеток, эле-ментарные образы организуются во все более сложные конфигурации, поканаконец не происходит распознавание. Сама по себе идея такой обработ-ки в процессе восприятия представляется в высшей степени невероятной.Возможно, следует предположить, что эта обработка от начала и до концаосуществляется параллельно, и что каждая отдельная клетка, участвующаяв процессе, занята от начала и до конца обработкой лишь какой-либо от-дельной детали, но не всей картины в целом. Целостное же восприятиепроисходит благодаря организованному взаимодействию многих клеток. Овозможном механизме такого взаимодействия мы поговорим в главе 14,посвященной осцилляции.

В пользу гипотезы о параллельной обработке зрительных данных гово-рят и результаты клинических исследований. Например, было установлено,что повреждение определенных зон коры головного мозга приводит к нару-шению совершенно определенных функций восприятия. Наблюдались па-циенты, которые после такого повреждения утрачивали способность к вос-приятию цвета или движения, сохранив при этом способность к восприя-тию формы. Еще Зигмунд Фрейд описывал пациентов, которые не моглираспознать определенные объекты, так как были не в состоянии восстано-вить целостный образ из отдельных элементарных компонентов — такиепоследствия возникают только при нарушении высших зрительных функ-ций. Стоит упомянуть и о тех пациентах, которые не способны узнаватьлица, вплоть до своего собственного отражения в зеркале.

Не следует смешивать собственно восприятие с процессом распознава-ния. При «выходе из строя» отвечающих за восприятие корковых областейнаступает истинная слепота, т. е. зрительное восприятие становится невоз-можным. Если же разрушены поля, ответственные за воспоминания, тобольной просто не может узнать и назвать предмет, даже хорошо его видя.Такое состояние называют «душевной слепотой», или зрительной агнозией.Если повреждена область коры, анализирующая воспринятую письменную

142 Часть II

речь, то наступает так называемая «словесная слепота» (алексия, или вер-бальная афазия): больной прекрасно видит написанное или напечатанноеслово, но не может постичь его значения.

Обобщим описанные результаты. С анатомической точки зрения, зри-тельная область коры головного мозга представляет собой сложную струк-туру из нескольких слоев и множества колонок. Между отдельными слоямиэтой области и другими зонами коры возникают сложные связи, до сих пореще до конца не изученные. В понимании процессов зрительного восприя-тия особую роль играют различные типы рецептивных полей нервных кле-ток, составляющих зрительную кору. Известно, что диапазон воспринимае-мых этими полями конфигураций световых раздражителей исключительноширок, причем каждому типу поля соответствует своя особая конфигура-ция раздражителей. Все рецептивные поля организованы в иерархическуюструктуру: от простейших, круглых полей (состоящих из двух противопо-ложных по действию концентрических зон, центральной и периферийной)к простым прямоугольным, и далее к комплексным и гиперкомплексным по-лям. Чем сложнее поле, тем более сложным и специфичным является свето-вой раздражитель, вызывающий возбуждение в соответствующем нейроне.По всей видимости, поступающее в зрительную кору изображение под-вергается при распознавании иерархическому анализу, т. е. разлагается наэлементарные образы, которые далее и обрабатываются. Разумеется, однимтолько иерархическим анализом суть восприятия не объяснить. Сегодня уженикто не принимает всерьез предположение о существовании в зрительнойкоре отдельной «бабушкиной клетки», предназначенной исключительно дляузнавания бабушкиного лица. Гораздо более перспективно выглядит гипо-теза о параллельной обработке нервных импульсов, в которой участвуетодновременно большое число клеток, причем распознавание образа осуще-ствляется именно в результате взаимодействия всех типов возбужденных наданный момент нервных клеток.

13. Цветовое зрение

Осознать, насколько важно для нас цветовое зрение, очень легко: нужнолишь посмотреть черно-белый фильм. При отсутствии цвета происходящиена экране события существенно теряют в реалистичности, а значит, и в сте-пени воздействия на зрителя. Вне всякого сомнения, цвета имеют большоепсихологическое значение. Об этом можно судить хотя бы по тому, что людинаделяют цвета символическим характером: зеленый, например, считается

13. Цветовое зрение 143

цветом надежды, а красный символизирует любовь. Цвет одежды часто го-ворит об общественном положением ее владельца: например, священныйсан кардинала обязывает его носить одежды красного цвета. Однако пер-воначальная причина развития цветового зрения в ходе эволюции была,конечно же, совсем иной. По всей видимости, цветовое зрение приматов(высших) обеспечило им в нелегком деле выживания значительное пре-имущество перед цветнослепыми животными: цветовое зрение позволялообезьянам гораздо лучше определять контуры объектов, поскольку даваловозможность различать большее количество оттенков.

Субъективное цветоощущение можно разделить на три составляющие:цветовой тон, насыщенность цвета и его яркость. Цветовой тон в значи-тельной степени дает представление о собственно цвете. Насыщенностьпоказывает, насколько «густ» этот цвет или насколько он разбавлен при-сутствием серого; яркость же определяется интенсивностью отражаемогоцветной поверхностью света. Экспериментально установлено, что на осно-вании этих трех составляющих возможно различение очень тонких оттен-ков цвета. Предполагается, что человеческий глаз способен различить околодвухсот разных цветовых тонов, при этом каждый тон может иметь от шестидо двадцати степеней насыщенности, а у каждого тона определенной насы-щенности обнаруживается примерно пятьсот уровней яркости. Для оценкиобщего количества различаемых человеческим глазом оттенков цвета нуж-но перемножить эти три величины: 200 х 20 х 500, что дает нам числопорядка двух миллионов. А теперь сравните эти два миллиона различныхцветов с пятьюстами — максимальным количеством оттенков, доступнымобладателю черно-белого зрения.

Что же это, собственно, такое — цвет? Существуют ли цвета в реаль-ном мире? С чисто физической точки зрения, объекты отражают лишь светс различной длиной волны. Известно, что видимый свет — это электромаг-нитные волны очень малой длины (приблизительно от 400 до 700 нм, 1 нм == 1/1000 000 мм), т. е. некий физический феномен, характеризуемый неко-торой абстрактной величиной. Ощущение же цвета возникает только в на-шем мозге в результате деятельности нейронов. Действительно, цветносле-пые люди вовсе не обладают цветовым зрением, и для них цвета простоне существуют. Возникает вполне естественный вопрос: каким образом внашем мозге из световых волн различной длины создается в конечном сче-те цветовое восприятие? Рассмотрим сначала теории, пытающиеся найтиответ на этот вопрос только на основании феноменов субъективного вос-приятия цвета. Каждому из нас доводилось видеть радугу: если в одно и тоже время идет дождь и светит солнце, то на небе вдруг появляется цветная

144 Часть II

дуга, в которой плавно переходят один в другой несколько цветов, начинаяс фиолетового и заканчивая красным.

Откуда берутся все эти цвета? Собственно говоря, в природе суще-ствует лишь солнечный свет, воспринимаемый нашими глазами как белый.Созерцая радугу, можно предположить, что солнечный свет представляетсобой смесь электромагнитных волн с различными длинами волн. Имен-но эту смесь, но разложенную на составляющие, мы и видим в радуге. Влабораторных условиях того же эффекта можно достичь, разложив белыйсвет с помощью призмы: получаемый при этом цветной спектр содержитте же цвета, что и радуга, и расположены они в том же порядке. Смеше-ние же всех этих цветов не воспринимается нашими глазами, как сочетаниеотдельных составляющих, но лишь как единое целое — белый цвет. Тако-го рода смешение принято называть аддитивным смешением цветов. Еслиосвещать полотняный экран одновременно светом зеленого и красного про-жекторов, то от экрана отразится уже «смешанный» свет, и мы не увидимв нем ни зеленого, ни красного, а увидим вместо этого совершенно новыйцвет — желтый. Смешение зеленого, синего и красного света воспринима-ется нашими глазами как белый свет. Аддитивное смешение цветов следуетотличать от субтрактивного, которое имеет место, например, при смеши-вании акварельных красок. В этом случае, смешав красный с зеленым, мыполучим темно-коричневый цвет. Упомянем об одном любопытном фено-мене цветового зрения, о котором люди в повседневной жизни едва ли за-думываются — речь идет о восприятии промежуточных цветов. Некоторыецвета смешиваются друг с другом, образуя при этом промежуточный цвет,т. е. цвет, близкий к обоим исходным цветам, — например, синий и крас-ный дают при смешивании фиолетовый, из синего и зеленого получаетсясине-зеленый, а желтый и красный сливаются в оранжевый. Однако не всецвета видимого спектра «способны» на такое. Красный и зеленый не даютпри смешивании, вопреки ожиданиям, красно-зеленого цвета, а дают новыйцвет — желтый. Не образует промежуточного цвета и сочетание желтого исинего; они словно бы подавляют друг друга.

Еще одна особенность цветового зрения — восприятие цвета только вконтрасте. Мы редко осознаем это, так как нас постоянно окружает множе-ство различных сочетаний цветов. Однако летчикам, например, упомянутыйфеномен хорошо знаком: если долгое время лететь в безоблачном небе, ононачинает казаться серым, а голубой цвет временно совершенно перестаетвосприниматься. До определенной степени восприятие цвета не зависит отосвещения. Мы распознаем красный цвет как красный и при солнечномсвете, и при искусственном освещении, будь то неоновые лампы или лам-

13. Цветовое зрение 145

пы накаливания. Хотя некоторое отличие, надо сказать, все же существует:выбрав себе какую-нибудь одежду при неоновом освещении, мы замечаем,выйдя из магазина, что ее цвет при солнечном свете изменился.

Мы познакомились с важнейшими особенностями цветового воспри-ятия. Какими же нейронными процессами обусловлены эти особенности?В начале XIX века английский ученый Томас Юнг и позднее немецкийестествоиспытатель Герман фон Гельмгольц разработали теорию трехком-понентного цветового зрения, которая неплохо объясняла вышеописанныефеномены смешения цветов. В основу этой теории было положено предпо-ложение о том, что в сетчатке имеется три различных типа цветовосприни-мающих клеток с перекрывающимися полосами спектра поглощения; привозбуждении клетки определенного типа в головном мозге возникает соот-ветствующее цветовое ощущение. Необъясненным остался лишь тот факт,что определенные цвета (например, красный и зеленый) при смешении по-давляют друг друга, и зрительного ощущения не возникает. В связи с этимнемецкий физиолог Эвальд Геринг выдвинул новую теорию: так называе-мую теорию дополнительных цветов. Он рассмотрел три пары цветов, каж-дая из которых состояла из основного цвета и цвета, его дополняющего:зеленый и красный, желтый и синий, черный и белый. Зрительному ощу-щению зеленого цвета сопутствует торможение восприятия красного цвета,и наоборот. Геринг утверждал, что эти три пары цветов представлены в сет-чатке тремя типами цветовоспринимающих соединений, причем каждое изэтих соединений реагирует только на цвета «своей» пары: распадом на одинцвет и синтезом на другой. При всех своих достоинствах обе эти теории,взятые по отдельности, оказываются не в состоянии дать удовлетворитель-ное объяснение всем феноменам цветового восприятия. И вот в 1905 годунемецкий физиолог Йоханнес фон Крис, ученик Гельмгольца, пришел к вы-воду о необходимости объединения двух теорий. В самом деле, согласноимеющимся у нас сегодня данным, верными оказываются обе теории —но на различных уровнях системы восприятия. Теория трехкомпонентногоцветового зрения касается колбочек. Принцип же дополнительных цветов —ганглиозных клеток сетчатки, а также определенных клеток латеральногоколенчатого тела и зрительной коры головного мозга.

Поговорим сначала о роли колбочек. Сегодня точно известно, что в сет-чатке имеется три типа колбочек, различающихся содержащимся в них пиг-ментом. Каждый пигмент характеризуется своим значением максимума све-тового поглощения. Один поглощает свет синей области спектра, другой —зеленой, а третий — красной. Каждый тип колбочек при этом охватываетдовольно широкий диапазон длин волн, которые он способен поглощать,

146 Часть II

в результате чего кривые поглощения различных типов значительно пере-крываются. Таким образом, когда на сетчатку падает свет какой-то опреде-ленной длины волны, различные типы колбочек реагируют на раздражениепо-разному. Например, свет с длиной волны 400 нм воздействует преждевсего на те колбочки, которые содержат пигмент, восприимчивый к сине-му цвету; остальные колбочки демонстрируют весьма слабую реакцию насветовые волны такой длины. Реакции от всех трех типов колбочек обраба-тываются, по всей видимости, в совокупности, что и приводит в конечномсчете к возникновению определенного цветового ощущения.

Юнг и Гельмгольц, помимо прочего, полагали, что сигналы от раз-личных типов колбочек передаются далее в мозг параллельно. Сегодня намизвестно, что слияние этих сигналов происходит уже в сетчатке, и ганглиоз-ные клетки передают в головной мозг уже обработанную информацию. Кро-ме того, на разных уровнях зрительной системы имеются особые нервныеклетки, рецептивные поля которых реагируют именно на цвет. На рис. 13.1схематически изображены «простые контрастные клетки», обнаруженные всетчатке и латеральном коленчатом теле приматов: зеленый, например, цветвозбуждает центральную зону рецептивного поля такой клетки, а красныйвызывает торможение в периферийной зоне. Как показано на схеме, длякаждой пары цветов (основной и дополнительный) существует по четыреразличных типа рецептивных полей.

На рис. 13.2 показана реакция двух клеток на различные белые и цвет-ные раздражители. При малом размере раздражителя клетки реагируют наразницу в яркости света, попадающего на центральную и периферийнуюзоны. И только когда раздражитель достаточно велик и покрывает обе зоныполя, клетка начинает реагировать именно на цвет, в соответствии с раз-личным поглощением света различными типами колбочек. Клетка с оя-цен-тром для зеленого цвета реагирует на сильное раздражение красным цветомторможением, поскольку как раз торможением реагирует на красный цветпериферийная зона рецептивного поля такой клетки (рис. 13.2, слева). Еслисменить раздражитель с красного на зеленый, то клетка отреагирует воз-буждением. Однако реакции такой клетки не являются однозначными: намаленькую белую точку она реагирует точно так же, как на большое зеле-ное пятно. Различение между такими раздражителями производится тольков зрительной коре головного мозга путем параллельной обработки реакцийразных клеток одной зоны сетчатки. Как известно, рецептивные поля весьмазначительно перекрываются, и поэтому на воздействие даже совсем крошеч-ного светового раздражителя одновременно реагируют многие клетки. Ана-лиз цветового содержания сигнала производится «двойными контрастными

13. Цветовое зрение 147

рецептивные поля «простой контрастной клетки» для цветовой пары

зеленый-красный

рецептивные поля «двойной контрастной клетки» для цветовой пары

зеленый-красный

Рис. 13.1. Рецептивные поля цветочувствительных клеток. Знаком «+» обозначенызоны, реагирующие на соответствующий свет возбуждением, знаком «—» — зоны,реагирующие на соответствующий свет торможением. «Простые контрастные клет-ки» находятся в сетчатке и латеральном коленчатом теле, «двойные» — в первичнойзрительной коре. Клетки с соответствующими рецептивными полями существуюти для цветовой пары синий-желтый

клетками», расположенными в зрительной коре; схема реакции таких кле-ток показана на рис. 13.1, внизу. Как центральная, так и периферийная зонарецептивных полей таких клеток реагирует сразу на оба цвета из цветовойпары «основной-дополнительный». Если центральная зона возбуждаетсяв ответ на раздражение, например, зеленым цветом, а торможение в нейнаступает как реакция на раздражитель красного цвета, то периферийнаязона ведет себя противоположным образом, т. е. реагирует возбуждениемна красный цвет и торможением на зеленый. С помощью двойных кон-трастных клеток в зрительной области коры головного мозга формируетсясоответствующее цветовое ощущение. Рецептивными полями вышеописан-ного типа очень хорошо объясняется эффект «двойного» торможения приодновременном раздражении сетчатки основным и дополнительным цвета-ми (например, красным и зеленым). Кроме того, такая модель проясняетроль контрастных цветов в цветовом восприятии. Как мы уже отмечали,отсутствие контрастных сочетаний цветов обедняет палитру цветового вое-

148 Часть II

красный

зеленый

круг света

малыйбелый ®малыйкрасный

малыйзеленый

большойбелый

большойкрасный

большойзеленый

зеленый

красный

I , .

11 ;;н| | j i ii i i i l l l i ! i i

J_ilL

® | 14 1(1

hiiiiu

I1

i ;;: ! I

11

- яркость

1UJLU1L1 1 1 1 i l l 1 1

M l цвет

Рис. 13.2. Реакции «простой контрастной клетки» на различные раздражители. Вер-тикальными штрихами показаны нервные импульсы. Чем сильнее возбуждена клет-ка, тем гуще следуют друг за другом нервные импульсы

14. Когерентность в мозге 149

приятия. Цветовое ощущение во многом зависит от фона, относительно ко-торого мы воспринимаем этот цвет. Так, например, серый цвет на зеленомфоне может показаться слегка красноватым. С помощью вышеописанныхрецептивных полей можно также объяснить, почему на восприятие цветастоль малое влияние оказывает уровень освещенности: любые измененияуровня освещенности в равной степени затрагивают как центральную, таки периферийную зоны рецептивного поля, что уравновешивает возможныеизменения в цветовом восприятии.

Размещение цветочувствительных клеток в первичной области зри-тельной коры имеет свои особенности: внутри колонок, о которых мы ужеговорили, наблюдаются некие клиновидные образования. Первооткрыва-тели этих структур, Дэвид Хьюбел и Маргарет Ливингстон, назвали их«каплями» (англ. blobs). Кроме того, цветочувствительные клетки часто со-вершенно не чувствительны к ориентации раздражителя в пространстве.

Из первичной области зрительной коры информация о цвете передает-ся дальше, в более высокое зрительное поле (поле 18, часть V2), а оттудауже в поле V4, где и происходит окончательная обработка полученных дан-ных. Установлено, что у пациентов, имеющих повреждения этой зоны коры,цветовое восприятие затруднено, хотя эти же пациенты легко справляютсяс опознанием форм. Напрашивается предположение, что анализ цвета ви-димых объектов производится независимо от анализа их формы. В пользуэтого предположения говорит и следующий факт. Ливингстон и Хьюбел об-наружили, что определенные компоненты нервной системы, отвечающие завосприятие цвета, передают свою информацию параллельно и независимоот информации о форме.

На этом описание основных особенностей цветового зрения позвольтесчитать, в общих чертах, законченным. В следующей главе мы рассмотримвосприятие формы и образа в целом.

14. Когерентность в мозге

С термином «когерентность» мы в этой книге уже встречались — хотяи безотносительно к мозгу — во второй главе при рассмотрении лазера. Ла-зерный источник света испускает именно когерентный свет, и происходитэто благодаря тому, что колебания электронов отдельных атомов рабочеговещества лазера полностью совпадают по фазе. Однако какое же отношениевсе это может иметь к мозгу? В предыдущих главах мы почти вплотнуюподошли к убеждению, что какое бы то ни было восприятие возможно толь-

150 Часть II

ко благодаря взаимодействию многих — а то и очень многих — нейроновмозга. Для того чтобы понять механизмы взаимодействия нейронов, необхо-димо изучить их свойства — например, произвести одновременные замерыих электрических потенциалов. Американский психолог Уолтер Фримен,проводя электрические измерения на обонятельных луковицах подопыт-ных крыс, обнаружил, что в них целые группы нейронов демонстрируютсовершенно единообразное поведение, т. е. являются, в некотором роде, ко-герентными. Что же может означать это одинаковое поведение, и как этосвязано со внешним раздражением?

Значительный вклад в отыскание ответов на эти вопросы удалосьвнести команде исследователей из Франкфурта (Вольф Зингер, К. М. Грейи др.), изучавшей группы нейронов зрительной области коры головногомозга кошки, а точнее — нейроны, расположенные в поле 17. Как нам ужеизвестно, падающая на сетчатку полоса света возбуждает определенныенейроны, находящиеся в зрительной коре головного мозга; эти нейроныгенерируют затем собственные нервные импульсы, причем отдельные ней-роны избирательно реагируют на определенным образом ориентированныеи в определенном направлении движущиеся световые полосы. Зингер и егосотрудники проводили замеры двумя разными способами одновременно: во-первых, с помощью электрода был измерен электрический потенциал однойгруппы нейронов, а кроме того, была получена картина совокупного изме-нения потенциалов многих нейронов, находящихся в определенной областикоры. При сопоставлении результатов было сделано потрясающее откры-тие: обе кривые превосходно коррелировали друг с другом (см. рис. 14.1,горизонтальная ось отражает течение времени). В верхней части рисун-ка представлены совокупные колебания электрических потенциалов оченьмногих нейронов; выражаясь научным языком, локальный потенциал поля.Кривая демонстрирует довольно равномерные колебания потенциала, какв отношении амплитуды, так и в отношении периода колебаний. В ниж-ней части рисунка, с соблюдением того же временного масштаба, помеще-на кривая, описывающая соответствующую последовательность нервныхимпульсов отдельной группы нейронов. Видно, что обе кривые хорошокоррелируют и имеют достаточно равномерные интервалы между мини-мумами. Интересно, что нервные импульсы возникают всякий раз именнотогда, когда электрический потенциал поля минимален. Полученные в ходеэксперимента данные являются очевидным свидетельством существованиявесьма сильной корреляции между деятельностью отдельных нейронов вгруппе и электрическим потенциалом поля очень большой совокупностинейронов. Отсюда можно сделать вывод, что строго коррелированными яв-

14. Когерентность в мозге 151

ляются нервные импульсы очень большого количества нейронов коры (а нетолько тех, что «принимали участие» в эксперименте), т. е. нейроны произ-водят совершенно равномерные когерентные колебания, аналогичные тем,что мы наблюдаем в атомах лазера.

Рис. 14.1. Результаты электрических измерений группы нейронов. Горизонтальнаяось отражает течение времени. Верхняя кривая — локальный потенциал поля; ниж-няя — последовательность нервных импульсов отдельной группы нейронов. Рассто-яния между минимумами верхней кривой или группами импульсов нижней кривойсоответствуют временным интервалам порядка 20 мс. Обратите внимание на совпа-дение во времени групп нервных импульсов и минимумов локального потенциалаполя

Зингер и Грей расширили эксперимент и исследовали электрическоеповедение двух групп нейронов, причем расстояние между этими группа-ми могло составлять многие миллиметры. Сначала были идентифицирова-ны группы нейронов, реагирующих на одинаковую ориентацию световыхполос в пространстве и их параллельное или антипараллельное движение.Ученые установили, что коррелированная генерация сигналов обеими груп-пами нейронов оказывалось наиболее ярко выраженным тогда, когда соот-ветствующая световая полоса пересекала рецептивные поля обеих групп.Похожие эксперименты были проведены в Марбурге Р. Экхорном и Гербер-том Райтбёком. В ходе этих экспериментов было обнаружено, что выражен-ную корреляцию демонстрируют даже группы нейронов, расположенные вразных полях (например, в 17 и 18), соответственно генерируя синхронныенервные импульсы.

152 Часть II

Одинаковая отличительная особенность воспринимаемого изображе-ния — в данном случае, ориентация или направление движения световойполосы — может вызвать когерентную генерацию нервных импульсов дажеу весьма отдаленных одна от другой групп нейронов. Это обстоятельствопозволяет сделать одно интересное обобщение, которое уже было потребо-вано ранее Зингером и другими, а именно — генерируя связанные нервныеимпульсы, мозг способен соединять друг с другом отдельные детали вос-принимаемого изображения, тем или иным образом связанные между собой(такие, например, как одинаковые оттенки цвета). Возможно, именно таковмеханизм воссоздания в сознании целостного изображения. Фрэнсис Крики Кристоф Кох пошли еще дальше: они предположили, что основываясьна этом механизме связывания, можно объяснить и общие принципы функ-ционирования сознания. Хотя это предположение представляется нам наданном этапе слишком смелым, оно все же дает пищу для дальнейшихразмышлений.

Мы же в своих умозаключениях пока не заходим столь далеко и пред-почитаем придерживаться экспериментальных свидетельств, на основаниикоторых можно утверждать, что одинаковые движения светового раздра-жителя идентифицируются системой нейронов как взаимосвязанные. От-сюда недалеко до вывода о том, что данный механизм предназначен дляидентификации движущихся объектов, при которой одинаково движущие-ся элементы воспринимаются как части одного целого. В результате мозгулегко удается отличать друг от друга движущиеся объекты. Как показыва-ют проведенные на синергетическом компьютере исследования, о которыхрассказывается в следующей части, для объяснения процесса распознава-ния образов одного лишь механизма связанных колебаний недостаточно, дав них, собственно говоря, и нет необходимости. Значимым этот механизмоказывается лишь при идентификации различных движущихся объектов.

В любом случае, открытия, сделанные в ходе исследований зрительнойобласти коры головного мозга кошки, открыли новую страницу в изуче-нии мозга. Далее должны последовать аналогичные эксперименты с мозгомвысших приматов — значительно более близких родственников человека,нежели кошки — и у нас есть основания полагать, что результаты этихэкспериментов дадут этим открытиям необходимые и весьма ожидаемыеподтверждения.

ЧАСТЬ III

Самоорганизация восприятия

15. Что происходит после гиперкомплексных клеток?

Открытие гиперкомплексных клеток осветило путь к окончательнойразгадке тайн мозга. Оставалось лишь отыскать в высших слоях мозга клет-ки, реагирующие на еще более сложные объекты. Однако систематическиепоиски таких клеток до сих пор не дали никаких результатов. Несколь-ко воодушевляют, правда, появляющиеся время от времени в специальнойлитературе сообщения о том, что в мозге высших приматов и овец обна-ружены клетки, избирательно реагирующие на демонстрацию животномучеловеческого лица. Однозначных подтверждений этому, однако, нет. По-скольку в упомянутых экспериментах измеряется потенциал лишь одногонейрона, оказывается невозможным со всей определенностью утверждать,идет ли речь о деятельности одного отдельного нейрона или же целой груп-пы нейронов, которой исследуемый нейрон принадлежит.

Такая неопределенность лишь укрепляет наше убеждение в том, чтораспознавание объектов все же не является результатом деятельности од-ного изолированного нейрона; скорее, это продукт работы всей нейроннойсети. Правда, принять это представление на веру нелегко: над нами слиш-ком довлеет идея о том, что психическая деятельность непременно должнабыть связана с каким-то определенным местом в мозге, и возможно даже скакими-то определенными нейронами. То есть нам — так или иначе — при-дется во всех подробностях изучить свойства нервной сети и происходящиев ней процессы.

При этом исключительно полезно обратиться к физике — пусть и силь-но упрощенной. Было время, когда физики полагали, что для того чтобыпонять, как устроен мир, нужно лишь разобраться в устройстве и свой-ствах мельчайших его частиц — атомов. Сегодня нам ясно, что надеждамэтим вряд ли суждено сбыться. Именно в тех ситуациях, когда макроско-пические явления являются результатом взаимодействия многих отдельныхэлементов какого-то целого, возникает нужда в совершенно новом мировоз-зрении — иначе не преодолеть пропасти между микроскопическими процес-сами и макроскопическими феноменами.

154 Часть III

Известный пример такой ситуации — сверхпроводимость. Стоит охла-дить определенный металл до определенной температуры, как он вдругсовершенно теряет свое электрическое сопротивление: в кольце, сделанномиз такого металла, годами может течь электрический ток, ни в малейшейстепени не ослабевая. Вскоре после открытия сверхпроводимости ФрицуЛондону удалось установить феноменологические законы, в соответствиис которыми из сверхпроводника вытесняется магнитное поле. А что жемикроскопическая теория? Разработка такой теории оказалась не по зу-бам таким корифеям науки, как Вернер Гейзенберг и Эрвин Шрёдингер,создатели квантовой теории, или Генрих Велькер, открывший соединениягруппы А 3 В 5 , без которых немыслимы современные полупроводниковыетехнологии. И только Герберту Фрёлиху пришла в голову блестящая идея,на которой, по сути, и основывается сверхпроводимость. Суть этой идеи втом, что электроны — носители электрического тока — определенным об-разом взаимодействуют с колебаниями атомов кристаллической решеткипроводника. Дальнейшим развитием наиболее распространенная микроско-пическая теория обязана работам Джона Бардина, Леона Купера и РобертаШриффера. Однако и новая БКШ-теория не смогла уничтожить пропастьмежду «микроскопическим» и «макроскопическим»; в этом не осталось ни-каких сомнений, когда Йоханнес Георг Беднорц и Алекс Мюллер совершилисенсационный прорыв, установив возможность существования сверхпрово-димости при высоких температурах. БКШ-теория оказалась не в состояниипредсказать ни того, какие металлы или соединения могут при таких усло-виях обладать сверхпроводимостью, ни даже того, насколько велики будутзначения температуры перехода в сверхпроводящее состояние.

Однако недооценивать эту теорию все же не следует. Она не толькоустановила связь между совершенно, казалось бы, различными явлениями,но и первой дала верную качественную картину этих явлений. При этомновый смысл приобрели понятия, до сих пор не имевшие никакого отно-шения к электронам («когерентность», «макроскопические волновые функ-ции» и т. п.). Иными словами, потребность в новых понятиях возникает припереходе наблюдателя с микроскопического уровня на макроскопический.По нашему глубокому убеждению, все это имеет прямое отношение и к пе-реходу от нейронов к нейронной сети. Для этого, собственно, мы и предпри-няли наш краткий экскурс в физику. Концепции, применимые к описаниюперехода от поведения частей к поведению целого в самоорганизующихсясистемах, образуют не что иное, как фундамент синергетики, к которой мывскоре вновь вернемся. Поскольку редукционизм, т. е. сведение макроско-пического к микроскопическому, играет в современных биологических ис-

16. Синергетика и распознавание образов 155

следованиях весьма заметную роль, давайте рассмотрим связанную с этимобстоятельством проблематику еще и с другой точки зрения. Одним изпредставителей строгого редукционизма является Фрэнсис Крик, которыйвместе с Джеймсом Д. Уотсоном установил, каким образом сохраняется на-следственная информация в структуре молекулы ДНК, внеся тем самымневообразимо важный и чрезвычайно огромный вклад в развитие молеку-лярной биологии. Согласно Крику и Уотсону, путь к полному и окончатель-ному пониманию биологических процессов лежит через объяснение струк-тур соответствующих биологических молекул, причем в каждом конкрет-ном случае за результат определенной деятельности биологической систе-мы отвечает какая-то совершенно определенная молекула. Мы не разделяемкатегоричности редукционистов. Рассмотрим простой пример. Представьтесебе дом. Сможем ли мы разобраться в его конструкции и предназначении,постигнув сущность кирпичей, из которых он построен? Разумеется, опре-деленные свойства кирпичей (форма, прочность, теплопроводность и т. д.)имеют определенную важность для конструкции в целом. Однако дом мо-жет возникнуть только в результате определенного размещения этих самыхкирпичей. Кроме того, дом можно построить и из дерева, бетона, глины илидаже — по методу эскимосов — изо льда. Все эти материалы, определеннымобразом обработанные и размещенные могут стать элементами («кирпича-ми») здания, которое будет выполнять некие определенные и мало завися-щие от материала функции. То есть существенные свойства дома могут бытьпостигнуты вне зависимости от материала, из которого он построен. Дума-ется, то же можно отнести и к постижению природы мозга. Ряд его функцийможно реализовать с помощью других, отличных от нейронов, элементов —например, микросхем компьютера. Однако проводимую в настоящей книгеаналогию с компьютером следует понимать шире. Сам по себе компьютерслужит нам лишь как вспомогательное средство, применяемое для модели-рования процессов, протекающих в самоорганизующихся системах. Точнееговоря, в качестве самоорганизующейся системы мы рассматриваем мозг,учитывая при этом, что процессы самоорганизации — как нам известно изсинергетики — могут протекать на самых различных субстратах.

16. Синергетика и распознавание образов

В начальных главах книги мы познакомились с явлениями, демонстри-рующими поведение различных систем в живой и неживой природе (гла-ва 2 — движение жидкости, 5 — восприятие образов). Возникает вполне

156 Часть III

естественный вопрос: является ли аналогия между этими явлениями всего-навсего поверхностным сходством или же перед нами результат действиякаких-то глубинных, основополагающих принципов? Иными словами, мо-жем ли мы применить известные нам из синергетики принципы (включаяи необходимые математические методы) к созданию модели мозга, способ-ной к воспроизведению результатов деятельности живого мозга, связанныхс восприятием? Поиском ответов на эти вопросы мы и намерены занятьсяв дальнейшем.

Что же это, в сущности, такое — распознавание? Чтобы разобрать-ся в этом, обратимся к понятию так называемой ассоциативной памяти,впервые математически описанной Карлом Штайнбухом. В качестве приме-ра воспользуемся телефонным справочником. Допустим, мы хотим узнатьномер телефона известного нам человека по имени Алекс Мюллер; мынаходим в справочнике это имя и напротив него видим искомый номертелефона — те. справочник дополняет известные нам данные (имя) ранеенеизвестными (номер телефона). Нечто подобное происходит и при узна-вании нами людей: когда мы видим фрагмент лица некоего человека, нашмозг, обращаясь к ассоциативной памяти, «дополняет» недостающие дета-ли, и если человек нам знаком, называет еще и его имя, или, по крайнеймере, подтверждает, что с этим человеком мы уже когда-то встречались. Подассоциативной памятью, таким образом, понимается дополнение неполногонабора данных недостающими деталями.

Второй важный момент, позаимствованный нами из синергетики и пе-ренесенный в область восприятия, — это идея параметра порядка, поведениекоторого можно описать с помощью модели движения мяча по холмистойместности. Пример связи распознавания образов с динамикой параметрапорядка представлен на рис. 16.1. В правой части рисунка помещена однаиз уже знакомых нам «двойных» картинок — она воспринимается то какбелая ваза на черном фоне, то как два черных профиля на белом фоне.Слева на рисунке изображен холмистый ландшафт, соответствующий та-кому двойному восприятию. Если мяч оказывается в левой долине, то этоозначает, что произошло «распознавание вазы», если же в правой — «рас-познавание лиц». Любое другое расположение мяча должно означать либонезавершенный процесс распознавания, либо отсутствие такового вообще.Так, при первом взгляде на «двойную» картинку мы еще не видим ни ва-зы, ни лиц — этому состоянию соответствует положение мяча на «вершинехолма». Небольшое начальное воздействие или некоторая дополнительнаяинформация (например, фраза «Назовите предмет, изображенный на черномфоне») оказываются решающими, т. е. определяют направление, в котором

16. Синергетика и распознавание образов 157

лица

Рис. 16.1. Распознавание образов и динамика параметра порядка. Рисунок, поме-щенный справа, уже встречался нам в этой книге (рис. 5.11). Человеку, впервыеувидевшему этот рисунок, его содержание может показаться не совсем ясным. Ес-ли же такому человеку дать конкретное указание: «Рассмотрите, пожалуйста, этукартинку и назовите предмет, изображенный на черном фоне», то он очень бы-стро распознает в загадочном предмете вазу. Если же спросить его, что изображенона белом фоне, то он без труда распознает два лица, нарисованные в профиль.Такую бистабильность восприятия одного и того же изображения можно описатьс помощью движения мяча по холмистой местности (рисунок слева). Устойчивыеположения мяча соответствуют интерпретациям изображения «ваза» или «лица».Горизонтальная координата (q) снова выступает в роли параметра порядка. Началь-ная информация определяет положение мяча справа или слева от «вершины», послечего, по мере рассматривания картинки, мяч окончательно скатывается в одну из«долин» — это означает, что восприятие успешно завершено

покатится мяч, и, в итоге, конечное его положение, а значит, и конечное со-

стояние («ваза» или «лица») системы восприятия у нас в мозге. В дальней-

шем мы увидим, что именно так и происходит различение разных объектов.

Механизмы, действующие при распознавании двойственных изображений,

мы еще будем обсуждать ниже, в главе 26. Пока же для наших целей вполне

достаточно принять к сведению тот факт, что движением мяча по холмистой

местности можно символически описать действительный процесс распозна-

вания образов. Эта идея высказывалась нами (Г. X.) еще в начале 70-х годов

и нашла свое отражение в вышедшей в 1977 году книге «Синергетика»1.

'H.Haken. Synergetik. Eine Einfiihrung. Springer, Berlin/Heidelberg, 1977.

158 Часть III

Эта же идея лежит в основе разработанной Джоном Хопфилдом в 1981 годуконцепции нейрокомпьютера (об этом мы поговорим в главе 31).

И, наконец, наше наиважнейшее положение заключается в том, что рас-познавание образа есть не что иное, как создание образа. На первый взгляд,это может показаться парадоксальным, однако по некотором размышлениимежду двумя упомянутыми процессами обнаруживается фундаментальнаяаналогия.

Для начала рассмотрим процесс создания образа, с которым мы ужеимели возможность познакомиться ближе в главе 2, посвященной изложе-нию основных принципов синергетики. В качестве конкретного примеравозьмем процесс возникновения ячеистой структуры в жидкости (рис. 2.13,левый столбец). Сначала в упорядоченном состоянии находится лишь частьжидкости. Это состояние порождает соответствующий параметр порядка,который в дальнейшем подчиняет себе все остальные возможные парамет-ры порядка и приводит все частицы в данном объеме жидкости в соответ-ствующим образом организованное состояние. Этот процесс еще раз пред-ставлен на рис. 16.2, слева. Что же происходит при распознавании образа?Допустим, сначала мы видим только один фрагмент лица, который и узна-ем по каким-то отличительным особенностям (например, по форме носа).Теперь представим себе, что в нашем мозге — или в сконструированном поего подобию компьютере — эти уже опознанные черты порождают некийпараметр порядка. Этот параметр порядка подчиняет себе другие возмож-ные параметры порядка, соответствующие каким-то другим имеющимсяв памяти лицам, в результате чего увиденный нами фрагмент однознач-но сопоставляется с образом, соответствующим именно этому параметрупорядка, и мы узнаем лицо знакомого нам человека.

Конечно, можно возразить, что создание ячеистой структуры в жидко-сти во много раз проще, нежели создание образа лица или каких-то других,еще более сложных картин. В этом и заключается суть сделанного нами по-разительного открытия: процесс воссоздания образа абсолютно не зависитот сложности этого образа. Иными словами, можно разработать систему (вчисто математической форме для начала), которая позволит реконструиро-вать любой заданный образец исходя из каких-либо данных о его фрагменте.

17. Распознавание образов в синергетическом компьютере

Как это принято в нашей книге, мы не будем останавливаться на аб-страктных принципах и излагать их на языке математики, а просто пока-

17. Распознавание образов в синергетическом компьютере 159

создание образа распознавание образа

параметр порядка параметр порядка

элементы системы черты лица

Рис. 16.2. Аналогия между созданием образа и распознаванием образа. Слева — со-здание параметра порядка на основе элементов системы, находящихся в некоторомупорядоченном состоянии (например, цилиндрических ячеек в жидкости, рис. 2.13),и последующее подчинение этому параметру порядка остальных элементов систе-мы. Справа — распознавание образа (человеческого лица): создание параметра по-рядка на основе отдельных элементов (запомненных черт лица), и последующееподчинение этому параметру порядка остальных элементов распознаваемого изоб-ражения

жем, как эти принципы могут быть воплощены в жизнь и как при этомвновь и вновь возникает необходимость в привлечении синергетическихконцепций. Сначала опишем, какими видятся наши действия наблюдателюу экрана компьютерного монитора, а затем попытаемся проникнуть в задей-ствованный «механизм» несколько глубже. Вскоре мы увидим, что слово«механизм» в данном случае можно использовать лишь условно, потомучто хотя и мышление, и работа синергетического компьютера действитель-но представляют собой некие процессы, они все же очень отличаются оттех процессов, что происходят в обычных машинах, являясь, в сущности,типичными процессами самоорганизации. Более подробно мы поговоримоб этом в последующих главах.

Итак, каковы же наши действия? Сначала делаются фотографическиеснимки нескольких лиц. Для идентификации этих лиц каждая фотография

160 Часть III

Рис. 17.1. Наложение на прототип ра-стровой сетки. Фотография разделяет-ся на клетки, называемые пикселями; вкаждом пикселе определяется значениеуровня серого

<1

&Iг1\

\

1L

'

11

4-

шя•

азоAw1

Лм

F

i d

помечается латинской буквой, выступающей в роли кодового обозначения.Разумеется, для кодовых обозначений можно взять и любые другие сим-волы — например цифры. Затем на каждую фотографию накладываетсярастровая сетка, состоящая обычно из 60 строк и 60 столбцов (рис. 17.1) —в некоторых случаях, впрочем, эти значения могут быть и больше. Каждаяячейка этой сетки — так называемый пиксель — характеризуется опреде-ленным оттенком серого. Общая картина складывается, таким образом, изупорядоченного размещения всех этих пикселей, каждому из которых при-своено определенное значение, обозначающее соответствующий оттеноксерого. Сама собой напрашивается аналогия с сетчаткой (для сравнения см.главу 10). Отдельные клетки сетчатки улавливают свет определенной ин-тенсивности. Состояние сетчатки в каждый момент времени описывается,следовательно, распределением световых точек различной интенсивностипо всем фоторецепторным клеткам. Распределения значений оттенков серо-го, соответствующее разным лицам (рис. 17.2), определенным образом со-храняются в памяти компьютера. Сущность синергетического компьютеракак раз и заключается в том, каким именно образом происходит сохранениеэтих данных и дальнейшее их использование для распознавания образов.

Опишем сначала задачу, поставленную перед компьютером. По предъ-явленному ему фрагменту одной из фотографий (например, фрагменту сглазами и носом), компьютеру предстоит не только успешно реконструиро-вать все лицо, но и определить кодовую букву, которой обозначена фами-лия изображенного на фотографии человека. Только при выполнении обоихтребований лицо на фотографии может считаться опознанным. Такая зада-ча оказывается компьютеру вполне по силам, о чем и свидетельствует рядизображений на рис. 17.3 — последовательные этапы обработки компьюте-

17. Распознавание образов в синергетическом компьютере 161

Рис. 17.2. Примеры использованных нами в качестве прототипов лиц. Буквы служатдля идентификации образов и в то же время выступают в роли кодового обозначенияизображений

Рис. 17.3. Если синергетическому компьютеру предъявить фрагмент изображениялица (как на крайней левой картинке), то компьютер сможет воссоздать само лицоцеликом и установить его кодовое обозначение. Изображения представляют собойснимки с монитора компьютера и иллюстрируют ход процесса распознавания. Ин-тересно отметить, что на определенной стадии распознавания изображение лицавыглядит «размытым»

Рис. 17.4. Если синергетическому компьютеру предъявлена только буква, служа-щая кодовым обозначением одного из сохраненных образов, то компьютеру удастсявоссоздать соответствующее лицо. При этом процесс распознавания, как и в преды-дущем случае, проходит через стадию «размытости»

ром полученных данных. Изображения на рис. 17.4 отражают ход другого

процесса: на этот раз компьютеру было предложено реконструировать лицо

по известному — в данном случае буквенному — коду. Компьютер успеш-

но справился и с этой задачей. Изображения, представленные на рис. 17.3

162 Часть III

и 17.4, сняты с монитора компьютера; по этим изображениям, представлен-ным в виде временных рядов, можно проследить ход всего эксперимента.Изображения эти «обсчитаны» нами на обыкновенном, последовательном,компьютере, который, впрочем, способен лишь моделировать то, что про-исходит при распознавании образов в синергетическом смысле. На такомкомпьютере можно просчитать и неоднократно упоминавшиеся в этой кни-ге процессы образования ячеек в нагреваемой снизу жидкости (рис. 2.13),несмотря на то, что нам известно, что все ячейки образуются одновременнов результате самоорганизации. То же относится и к процессу распознава-ния образов: принцип параллельной одновременной обработки всех точекизображения помогает нам лучше понять концепцию, лежащую в основесинергетического компьютера. Упомянутое параллельное — т. е. одновре-менное во всех точках изображения (или пикселях) — изменение оттенкасерого отчетливо видно на рис. 17.3. Как же происходит такая обработка?

18. Сетевая архитектура синергетического компьютера —шаг к мозгу

Чтобы лучше понять, как все вышесказанное соотносится с деятельно-стью мозга, представим себе путь, по которому следуют нервные импульсыиз сетчатки в кору головного мозга, где они обрабатываются и дают в концеконцов осознанное зрительное впечатление. В нашей компьютерной моделиэто происходит следующим образом. Каждому пикселю воспринимаемогоизображения ставится в соответствие «модельный» нейрон (рис. 18.1), со-ставляющий в совокупности с другими нейронами некий плоский слой.Каждый отдельный нейрон нашей модели характеризуется собственнымуровнем возбуждения, собственной активностью, изменяющейся в зависи-мости от изменения оттенка серого, — аналогичным образом свет различнойинтенсивности воздействует на зрительные клетки сетчатки. Нейроны моз-га — как нам уже известно — соединены друг с другом синапсами; в нашеймодели нейроны также соединены друг с другом, причем каждый модель-ный нейрон напрямую связан со всеми остальными модельными нейронами(рис. 18.2) и способен посылать им сигналы, сила которых соответству-ет его собственному уровню возбуждения. Получаемые сигналы нейронымодели умножают и складывают, изменяя тем самым свою собственнуюактивность. Со временем в результате такой деятельности модельных ней-ронов из «входного образа» (рис. 17.3, слева) возникает «выходной образ»(рис. 17.3, справа). Секрет успешной работы такой системы заключается

19. Холмистые ландшафты процесса восприятия 163

в том, что силы связей между модельными нейронами, т. е. синаптическиесилы, устанавливаются на основе сохраненных прототипов так, что ока-зывается возможным получить окончательный образ из любого исходного,причем полученный окончательный образ будет максимально похож на ори-гинал.

изображение

Рис. 18.1. Каждая ячейка изображения Рис. 18.2. Связи между модельнымисоответствует одному модельному ней- нейронами. Каждый нейрон определен-рону ным образом связан со всеми остальны-

ми

19. Холмистые ландшафты процесса восприятия

Как же взаимосвязаны описанные выше явления с синергетическимиконцепциями? Подобно тому как изменяется скорость и направление дви-жения частиц жидкости при нагревании ее снизу, изменяется электрическаяактивность каждой нервной клетки в нейронной сети. Совокупное движе-ние всех частиц жидкости — или совокупный электрический потенциалвсех нейронов мозга — обозначим как общее состояние системы на данныймомент времени. Это состояние удобно символически описать через поло-жение мяча на холмистой местности. На рис. 19.1 изображена модель такойместности для случая взаимодействия всего лишь двух нейронов, каждый изкоторых характеризуется некоторым уровнем собственной активности. Наэтой местности имеются особые долины, соответствующие сохраненным

164

Рис. 19.1. Холмистый ландшафт для случая всего лишь двух отличительных при-знаков и двух прототипов. Прототипам соответствуют долины. Если признаки пред-ложенного образа не в точности совпадают с признаками прототипов, то такомуобразу соответствует положение мяча вне обеих долин. При этом мяч скатываетсяпо склону в ближайшую долину. См. также рис. 19.2-19.4

в памяти образам. Одна из этих долин соответствует распределению ин-тенсивностей света с рис. 19.2, а другая — распределению интенсивностей,показанному на рис. 19.3.

В случае, если наблюдаемое распределение интенсивностей отличнои от первого запомненного образа (рис. 19.2), и от второго (рис. 19.3) —а представляет собой нечто вроде того, что изображено на рис. 19.4, —возникает вполне объяснимая неопределенность. К какому же из эталон-ных образов новое распределение окажется ближе? Ответ на этот вопросдает динамика движения мяча по ландшафту, изображенному на рис. 19.1.Где-то на этом ландшафте имеется точка, соответствующая распределениюс рис. 19.4. Оказавшись в этой точке, мяч, естественно, будет стремитьсяпопасть в ближайшую к ней точку минимума. Из состояния, соответствую-щего распределению с рис. 19.4, система перейдет (следуя движению мяча)в состояние, соответствующее распределению с рис. 19.2, и следовательно,эти распределения (рис. 19.2 и 19.4) будут идентифицированы как наибо-лее похожие. Можно также сказать, что в результате такого распознавания«ошибочная» картинка (рис. 19.4) с «неверным» тоном серого заменяется

19. Холмистые ландшафты процесса восприятия 165

Рис. 19.2. Один из прототипов: образ, содержащий только два отличительных при-знака (слева — черная область, справа — некоторый оттенок серого)

Рис. 19.3. Другой прототип

Рис. 19.4. Оттенок серого в предложенном образе может отличаться от оттенка со-храненного прототипа — так, например, правый квадрат данного рисунка темнее,чем правый квадрат на рис. 19.2, но светлее, чем на рис. 19.3. Синсргстичсский ком-пьютер может установить, на какой из двух сохраненных прототипов предложенныйобраз похож больше, и «исправить» этот образ в соответствии с рис. 19.2

в восприятии компьютера на «правильную» картинку, оттенок серого на

которой одинаков с запомненным.

Этот очень простой пример, в котором задействованы всего два модель-

ных нейрона, может дать читателю вполне адекватное представление о том,

как можно интерпретировать процесс распознавания образа по изображе-

166 Часть III

нию, состоящему из очень большого количества пикселей, сетью, состоящейи соответствующего количества модельных нейронов. Каждый пиксель илимодельный нейрон в нашей модели можно представить в виде координатнойоси в пространстве, количество измерений которого равно количеству пик-селей (или нейронов). Это многомерное пространство нам вряд ли удастсявообразить, однако математическими средствами такое вполне осуществи-мо. В полученном многомерном пространстве также имеется уже знакомаянам холмистая местность, по которой в поисках близлежащей «долины рас-познанного образа» катается «мяч состояния».

Читатель, возможно, уже догадался, что секрет синергетического ком-пьютера заключается в правильном построении «холмов» потенциальногобарьера. Для такого построения нам потребуются знание определенных ве-личин, о которых мы, впрочем, уже наслышаны. Направления, по которымв модельном пространстве располагаются долины, определяются с помо-щью так называемой матрицы обучения, причем такая матрица строитсяопределенным образом из начальных запомненных образов (в описанномслучае это образы распределения интенсивности). Каждая долина облада-ет определенной глубиной, которая определяется, в основном, через такназываемый параметр внимания. В дальнейшем будет представлен способопределения этого параметра непосредственно из экспериментов по воспри-ятию двойственных изображений. Между долинами должны располагатьсяцепи холмов, предназначение которых состоит в том, чтобы направлять мячсостояния системы в нужную долину (т. е. сопоставлять предложенному об-разу наиболее близкий к нему из запомненных). Поэтому цепи холмов стро-ятся в соответствии с имеющимися начальными запомненными образами.И наконец, следует позаботиться и о том, чтобы возбуждение отдельногонейрона (модельного) не могло расти бесконечно.

Поскольку при движении по координатной оси в направлении от началакоординат возбуждение постоянно и неизбежно растет (рис. 19.5), необхо-димо воздвигнуть «снаружи» достаточно высокий потенциальный барьер,который обеспечивал бы возвращения мяча в долины. Разумеется, все пе-речисленные «строительные требования» можно выразить математически.Заинтересовавшегося читателя мы отсылаем к списку специальной лите-ратуры (с. 255 и далее). Менее же заинтересованный в математическомобосновании читатель уже, надеемся, получил некоторое представление отом, как строится холмистая местность нашей модели.

Интересно, что из конструкции холмистой местности непосредственноследуют величины сил синаптических связей между модельными нейро-нами; иными словами, величины синаптических сил можно предсказать,

19. Холмистые ландшафты процесса восприятия 167

Рис. 19.5. Уровень возбуждения от-дельной клетки прямо пропорционаленнекоторой переменной

переменная

основываясь на известных «строительных требованиях». В этом и заклю-чается главное и очень большое преимущество синергетического компью-тера перед всеми до сих пор известными моделями нейронных сетей. Обостальных отличиях мы непременно поговорим позднее, когда будем рас-сматривать другие нейронные сети. Можно легко представить, насколькогромоздким оказалось бы математическое представление движения мяча попотенциальным холмам в многомерном пространстве (порядка 10 000 изме-рений), и нам никогда бы не удалось получить надежных результатов, неприди к нам на помощь еще одна синергетическая концепция — параметрпорядка. Подобно тому как положение отдельных цилиндрических ячеек вжидкости (рис. 2.11 и 2.13) определяется одним параметром порядка, од-ним параметром порядка можно определить и набор оттенков серого длявсех пикселей образа. То есть с помощью одного-единственного параметрапорядка можно определить любой образ — включая и лицо человека. То жеможно сказать и об уровне возбуждения каждого отдельного модельногонейрона — уровни возбуждения всех нейронов сразу определяются опять-таки одним-единственным параметром порядка. Это чрезвычайно упрощаетдело, так как теперь мы можем рассматривать уже не изменения активностикаждого отдельного нейрона, а лишь процесс «борьбы» между различнымипараметрами порядка.

Динамику изменений параметров порядка в процессе их борьбы междусобой можно проследить по движению мяча по холмистой местности. Вели-чины отдельных параметров порядка определяются заданными начальнымираспределениями оттенков серого, соответствующими различным лицам. Впроцессе распознавания каждый параметр порядка стремится подчинитьсебе всю систему, причем победителем в этой борьбе становится тот па-раметр, определяемый которым запомненный тестовый образ оказываетсяболее всего похожим на предложенную для распознавания картинку.

168 Часть III

20. Еще одна сетевая реализация синергетическогокомпьютера: «бабушкины клетки»

Интересно, что параметр порядка оказывается не просто абстрактнымпонятием, но и находит вполне конкретное воплощение в трехслойной ней-ронной сети (рис. 20.1). Верхний слой составлен из отдельных клеток, каж-дой из которых соответствует один пиксель. Когда нашему компьютерупредъявляется фрагмент какого изображения, в отдельных клетках (модель-ных нейронах) верхнего слоя возникает соответствующее возбуждение, иони посылают сигналы (электрические импульсы) к клеткам второго слоя.Важным нюансом здесь является то, что сила тока сигнала не только про-порциональна уровню возбуждения клетки первого слоя, но и зависит отимеющихся запомненных образов (см. рис. 20.2). Процесс первоначальногообучения сводится, таким образом, к установлению связей определеннойсилы между клетками первого и второго слоя (см. рис. 20.1). Каждая клеткавторого (среднего) слоя соотносится с каким-либо из первоначально задан-ных параметров порядка. Так, например, клетка 1 представляет параметрпорядка, соответствующий образу (или лицу) 1, клетка 2 — образу 2 и т. д.

о оРис. 20.1. Трехслойная нейронная сеть. Верхний слой соответствует слою нейронов,изображенному на рис. 18.1 справа. Этот слой генерирует входные сигналы, которыепередаются во второй слой, в результате чего в нейронах второго слоя возникаетопределенное возбуждение. Параметры порядка клеток второго слоя вступают вборьбу между собой; победивший параметр порядка возбуждает третий слой клеток,где и формируется полное изображение

20. Еще одна сетевая реализация синергетического компьютера... 1 6 9

образ 1 2 1 2

Рис. 20.2. Более подробное объяснение процессов воздействия первого слоя на вто-рой (см. рис. 20.1). Возбуждение клеток входного слоя (Ei, E2 и т.д.) умножаетсяна весовые коэффициенты gi,\, gi,2 и т. д., а затем передается на клетки 1, 2, 3 сред-него слоя. В этих клетках полученные сигналы складываются. Справа на рисунке —передача сигнала в клетку 2. Все передачи из клеток первого слоя в клетки второгопроисходят одновременно

В процессе распознавания между этими клетками возникает нечто вро-де конкурентной борьбы. Перед началом «схватки» клетки среднего слоядолжны определиться со своими исходными состояниями (т. е. установитьсебе первоначальные уровни возбуждения). Производится такая установкапосредством сложения всех поступающих из первого слоя сигналов. Побе-ждает та клетка, уровень возбуждения которой оказался в результате такойпроцедуры самым высоким. Далее возбуждение этой клетки достигает мак-симума, в то время как возбуждение в остальных клетках затухает, и их ак-тивность приближается к нулю. Клетка, оставшаяся возбужденной, можеттеперь денервировать некоторый «выходной» набор клеток третьего слоя,которые, собственно, и дают на выходе нашего компьютера то запомнен-ное распределение оттенков серого, которое соответствует предложенномуфрагменту. Удивительно, что концепция такой клетки, которую мы будемназывать здесь клеткой параметра порядка, не нова. Психофизиологам, ес-ли помните, для подтверждения одной гипотезы очень нужна была именнотакая клетка — они называли ее «бабушкиной клеткой». Гипотеза же за-ключалась в том, что в зрительной коре головного мозга имеются некиеособые нервные клетки, каждая из которых реагируют исключительно насвой, очень специфический, световой раздражитель (таким раздражителемможет быть, например, лицо родной бабушки обладателя этих клеток). Су-ществуют ли в действительности подобные клетки, окончательно пока невыяснено. Хотя, как уже упоминалось, имеются сообщения об эксперимен-

170 Часть III

тах с овцами и высшими приматами, в ходе которых такие клетки якобы бы-ли обнаружены. Например, при демонстрации обезьяне человеческого лицавозникает ярко выраженная реакция определенной нервной клетки коры ееголовного мозга. Разумеется, эта клетка может быть и частью какого-токомплекса клеток, и тогда распознавание образа оказывается результатомдеятельности целого ряда клеток, а не одной-единственной «бабушкинойклетки». Более того, наша модель синергетического компьютера требует,чтобы все «бабушкины клетки» были соединены между собой, так что ив нашем случае восприятие не является результатом деятельности однойклетки, но сети, составленной из всех таких клеток.

Решающее преимущество при восприятии концепция параметра поряд-ка дает лишь тогда, когда мы не привязываем его к какому-то конкретному«вместилищу» (например, к «бабушкиной клетке»): каждому воспринятомуобразу (например, лицу) соотносится некоторый специфический параметрпорядка. Как мы увидим позднее, параметр порядка остается неизменным,даже если соответствующее ему изображение лица удалено в простран-стве, увеличено, уменьшено или вовсе повернуто набок; то же относится ик искаженным, зашумленным или пропущенным через различные фильтрыизображениям. Иными словами, концепция параметра порядка совпадает посвоим свойствам с концепцией собственно образа. Как это часто случаетсяв науке, за преимущество, полученное нами благодаря параметру порядка,приходится платить, и вот какова цена: параметр порядка есть величинавесьма абстрактная и требует от нас столь же абстрактного мышления.

Обобщим вышесказанное. Синергетический компьютер — т. е. компью-тер, построенный в соответствии с законами синергетики — может бытьреализован в виде сети связанных между собой клеток, так называемыхмодельных нейронов. Изменения общего состояния нейронной сети можнонаглядно представить через движение мяча по холмистой местности. Наабстрактном уровне такое движение (изменение состояния системы) будетсоответствовать ходу конкурентной борьбы между различными параметра-ми порядка, в результате которой один из параметров побеждает (а мячзакатывается в какую-то из долин), и система приходит наконец в некоеустойчивое структурное состояние. Движение мяча (и борьбу параметровпорядка) можно смоделировать как на обычном, последовательном, ком-пьютере, так и в сети из соединенных между собой клеток.

Принимая во внимание результаты экспериментальных исследований(на кошках), которые показали, что генерируемые нейронами нервные им-пульсы могут накладываться друг на друга, заметим в завершение даннойглавы, что наша модель также предполагает такую возможность; однако это

21. Несколько задач на распознавание 171

обстоятельство не вносит сколько-нибудь существенных изменений в обсу-ждаемую здесь концепцию распознавания образов, и потому мы не будемего особо рассматривать.

21. Несколько задач на распознавание

Перейдем теперь от все еще абстрактных рассуждений к некоторымконкретным результатам. Образы, разумеется, можно выбирать совершен-но произвольно, и ничто не мешает нам рассматривать не лица целиком,

Рис. 21.1. Фотографии области рта, хорошо различаемые компьютером

Рис. 21.2. Еще два изображения, которые компьютер отличает как одно от другого,так и от вышеприведенных

172 Часть 111

Рис. 21.3. Фотографии области глаз, хорошо различаемые компьютером

а отдельные выражения этих самых лиц. Анализ выражений лица играетсущественную роль и в психологии, и при исследовании болезней состоя-ний в психиатрии. Возникает вопрос: а способен ли компьютер однозначноопределить столь тонкую вещь, как различие в выражениях лица? Приведемнесколько небольших, но весьма типичных, примеров из проработанногонами вместе с Робертом Хёнлингером и Филиппосом Вангером обширногоматериала. Сначала о том, удается ли компьютеру отличать друг от друга повыражению не только целые лица, но и отдельные участки лиц (например,область рта или глаз). В первой серии экспериментов мы сохранили в памя-ти компьютера в качестве прототипов несколько изображений двух участковлица (области рта и области глаз) одного и того же человека в различныхэмоциональных состояниях, а затем предложили компьютеру одно из этихизображений в качестве тестового образа. Компьютер оказался на удивле-ние проницательным и смог заметить различие между выражениями лица,приведенными на рис. с 21.1 по 21.3. Несколько более сложной оказалась

21. Несколько задач на распознавание 173

Рис. 21.4. Четыре сохраненных в памяти компьютера плана городов

для компьютера задача по различению мимики разных людей; удалась лишьнебольшая часть попыток. Однако способность компьютера к распознава-нию человеческих эмоций резко улучшилась — до 90% верных ответов —после того как для запоминания ему предоставили усредненные прототи-пы. При создании таких прототипов были использованы фотофафии раз-личных участков лиц (например, области рта) примерно десяти человек вопределенном эмоциональном состоянии; затем было вычислено среднеезначение уровня серого в одинаково расположенных пикселях всех фото-фафии одного участка лица и на основе полученных данных создано егоусредненное изображение. Выяснилось, что с помощью усредненного про-тотипа компьютер способен узнавать выражение лица людей, не входящихв число тех, фотофафии которых использовались для создания этого само-го прототипа. Исходя из результатов эксперимента можно предположить,что и человеческий мозг создает свои прототипы посредством подобногоусреднения — по крайней мере, при распознавании лиц. Об удивительномподтверждении тому мы расскажем в одной из последующих глав.

174 Часть 111

Рис. 21.5. Компьютерная реконструкция плана города по предложенному фрагменту;кроме этого, компьютер определяет и название города, закодированное буквой

Рис. 21.6. По буквенному коду компьютер восстанавливает план города на основесохраненных изображений

22. Распознавание синергетическим компьютером зашумленных... 175

Хотя компьютер оказался способен различать сами по себе выражениялиц, интерпретация этих выражений, т. е. определение их эмоциональногосмысла (радость, грусть, злость) ему, естественно, пока не по силам. Его,однако, можно определенным образом запрограммировать и тем самым, таксказать, научить узнавать собственно эмоции — так, чтобы на экран мони-тора рядом с предложенным компьютеру изображением лица выводиласьбы еще и его интерпретация (верная!).

В качестве следующего примера проиллюстрируем процесс распозна-вания плана города (рис. 21.4-21.6). Вообще говоря, область возможныхприменений описанного процесса распознавания практически безгранична:сравнение промышленных деталей и отыскание бракованных, сортировкаупаковок по надписям на них — например, в фармакологической промыш-ленности — и многое другое. Как бы то ни было, обсуждение радужныхперспектив применения синергетического компьютера не является цельюнашей книги, и поэтому мы обратимся к основным моментам, связываю-щим работу синергетического компьютера с деятельностью мозга.

22. Распознавание синергетическим компьютеромзашумленных и профильтрованных изображений

Мы уже неоднократно имели возможность убедиться в том, что концеп-ция «образа» непосредственно связана с понятием «инвариантности». Мыраспознаем образ вне зависимости от его величины и положения в простран-стве, мы распознаем его даже тогда, когда изображение искажено различ-ными помехами: растянуто, зашумлено или подвергнуто частотной филь-трации. Примеры таких искажений можно найти в главе 5 (рис. 5.4-5.7).

Попытаемся выяснить, в какой мере воспроизводит упомянутое свой-ство нашего мозга синергетический компьютер. Это, как мы надеемся, про-льет некоторый свет и на способность самого мозга к обработке инфор-мации, а также, возможно, позволит установить, в каких случаях такаяобработка производится относительно просто, а в каких встречается с труд-ностями. Кроме того, мы узнаем, какие модели мышления имеются в распо-ряжении у синергетического компьютера и как именно он ими пользуется;далее мы проведем с этими моделями некоторые психофизические экспери-менты с целью выяснить их применимость в качестве возможных моделейфункционирования человеческого мозга.

Прежде всего, напомним, что синергетический компьютер — в том виде,в каком мы представили его в предыдущих главах — играючи справляет-

176 Часть 111

i 75

50

25

0,50 1,00 1,50

1п(уровень шума)

Рис. 22.1. Распознавание синсргстичсским компьютером зашумлснного изображе-ния. В верхней части рисунка — фотографии одного и того же лица в разной степе-ни зашумленности; уровень зашумленности увеличивается слева направо. В нижнейчасти — кривая, отражающая зависимость успешности опознавания (в процентах)от степени зашумленности (отложена по горизонтальной оси)

ся с целым рядом задач по распознаванию образов. Мы убедились также,что синергетический компьютер оказывается в состоянии опознать «иска-женные» лица, и даже лица, скрытые в тумане — что нам, людям, удаетсяуже с трудом. На рис. 22.1, вверху, показано изображение лица в различнойстепени зашумленности (шум усиливается в направлении слева направо), ав нижней части рисунка приведен график, на котором с зашумленностьюизображения сопоставлена способность синергетического компьютера опо-знать изображенное лицо. Как видите, степень зашумленности становитсявесьма высокой еще до того, как компьютер перестает опознавать лицов 100% случаев. В ходе этого компьютеру предъявлялись изображения сразной степенью зашумленности, причем эта степень могла изменяться и впределах одного изображения.

С поразительной легкостью компьютеру удавалось распознавать иизображения, подвергнутые высоко- и низкочастотной фильтрации. Здесь

22. Распознавание синергетическим компьютером затушенных... 1 7 7

Рис. 22.2. Выделение из изображения ряда пикселей

Рис. 22.3. Распределение уровней серого в ряде пикселей с рис. 22.2

следует прежде пояснить, что именно мы имеем в виду, говоря о высо-ко- и низкочастотной фильтрации изображений. Рассмотрим ряд пикселей,расположенных вдоль прямой, как это показано на рис. 22.2. Если теперьпо вертикальной координатной оси откладывать значение уровня серогов пикселе, а горизонтальную расположить вдоль рассматриваемой линиипикселей, то мы получим некоторую кривую (рис. 22.3), которую — какутверждают математики — всегда можно представить в виде суммы некото-рых волн (такие волны можно видеть на рис. 22.4). Этот метод называетсяанализом Фурье. Под высокочастотной фильтрацией изображения подразу-мевается удаление из Фурье-разложения упомянутой кривой длинных волн;при низкочастотной фильтрации, напротив, удаляются короткие волны. По-сле фильтрации оставшиеся волны снова складываются в кривую, по кото-рой и восстанавливается изображение. После высокочастотной фильтрации

178 Часть III

Рис. 22.4. Кривая с рис. 22.3 может быть представлена в виде суммы волн разнойдлины; здесь приведены лишь некоторые из них

контуры изображения становятся более резкими, при низкочастотной жеболее мягкими, размытыми.

Задавшись целью исследовать способность человека к распознаваниюобразов, американские психологи (А. Дж. О'Тул с сотрудниками) провелинесколько серий экспериментов с применением в качестве тестовых обра-зов изображений, подвергшихся той или иной фильтрации. Эксперимен-таторы ставили перед собой целый ряд задач. Сначала испытуемым былопредложено запомнить несколько «нормальных» (т. е. непрофильтрованных)изображений лиц. Затем им предъявлялись портреты, подвергшиеся высо-кочастотной фильтрации; от испытуемых требовалось опознать знакомыелица, т. е. определить, какому из знакомых лиц соответствует профильтро-ванное изображение. Аналогичный эксперимент был проведен и с низкоча-стотной фильтрацией изображений. В другой серии экспериментов испы-туемым предлагалось запомнить изображения, прошедшие низкочастотныйфильтр, и сопоставить их затем по памяти с изображениями, прошедши-ми высокочастотный фильтр, и наоборот. Результаты экспериментов О'Тулапредставлены на рис. 22.5.

Мы провели аналогичные эксперименты с нашим синергетическимкомпьютером, также использовав несколько предварительно «запомнен-ных» им портретов (уже знакомых нам по рис. 17.2). Профильтрованные(как высоко-, так и низкочастотными фильтрами) изображения представ-лены на рис. 22.6 и 22.7. Как нам представляется, уже при низкочастот-

22. Распознавание синергетическим компьютером зашумленных... 1 7 9

эксперимент 1

пемьпусмыс запоминали изображения следующего типа:

100

низкочастотнаяфильтрация

пепрофильт-ронаниые

низкочастотнаяфильтрация

испрофилы-рованные

высокочастотнаяфильтрация

высокочастотнаяфильтрация

Рис. 22.5. Результаты экспериментов А. Дж. О'Тула и его сотрудников. В эксперимен-тах принимали участие три группы. Испытуемым первой группы (левая часть диа-граммы) предлагались для запоминания изображения, подвергшиеся низкочастотнойфильтрации; испытуемым второй группы (средняя часть диаграммы) — нспрофиль-трованные изображения; испытуемым же третьей группы (правая часть диаграм-мы) — изображения, прошедшие высокочастотную фильтрацию. Затем испытуемымвсех групп изображения всех трех типов предлагались уже для распознавания. Какпоказано на диаграмме, группа, запоминавшая лица, прошедшие низкочастотныйфильтр, лучше всего, естественно, распознавала именно их, в то время как прошед-шие высокочастотный фильтр изображения опознавались испытуемыми хуже все-го. Группа, запоминавшая непрофильтрованные изображения, их же лучше всего иопознавала; на втором месте оказались изображения, подвергшиеся низкочастотнойфильтрации; результаты же высокочастотной фильтрации узнавались хуже осталь-ных. Третья группа также лучше всего узнавала изображения «своего» типа, чтоже до остальных изображений (непрофильтрованных и прошедших низкочастотныйфильтр), то степень их узнавания оказался приблизительно одинаковой.

180 Часть 111

"If 1*1

Рис 22 6 RRepxy: ичображение, подвергнутое ничкочястотной фильтрации; степеньфильтрации возрастает слева направо. Внизу: результат Фурьс-прсобразования (см.рис. 22.4) этих изображений

Рис. 22.7. Вверху: изображение, подвергнутое высокочастотной фильтрации; степеньфильтрации возрастает слева направо. Внизу: результат Фурье-преобразования (см.рис. 22.4) этих изображений

22. Распознавание синергетическим компьютером зашумленных... 181

'К ш

Рис. 22.8. Распознавание синергетическим компьютером профильтрованного изоб-ражения (низкочастотная фильтрация). В ходе этого процесса компьютеру удастсяопознать в предложенном исходное, т.е. нспрофильтрованнос изображение лица иопределить его кодовое обозначение

V->•» - -£>

• • % ?

Рис. 22.9. Распознавание синергетическим компьютером профильтрованного изоб-ражения (высокочастотная фильтрация)

ной фильтрации способность человека к восприятию профильтрованныхизображений сталкивается со значительными трудностями. В качестве ме-ры способности компьютера к распознаванию таких объектов мы исполь-зовали период времени, требующийся компьютеру для реконструкции за-данного изображения к его исходному виду (запомненному ранее). Есте-ственно, с уменьшением объема вводимой информации это время увели-чивалось. Временные ряды, отражающие ход реконструкции изображения,представлены на рис. 22.8 и 22.9: от профильтрованного портрета в на-чале ряда до исходного изображения, сохраненного в памяти компьюте-ра. Для большей наглядности сравнения результатов компьютерных экс-периментов с результатами О'Тула по вертикальной оси на диаграммах(рис. 22.10) откладываются не значения времени, затраченного на распо-знавание, а обратные им величины. Наблюдается очень хорошее согла-сие между нашими экспериментами и экспериментами О'Тула. Как видноиз диаграмм, синергетический компьютер продемонстрировал при распо-знавании вполне соответствующие человеческим возможности и похожиерезультаты.

182 Часть 111

сохранение профильтрован- сохранение непрофильт- сохранение профильтрован-ных изображений (низко- рованных изображений ных изображений (высоко-частотная фильрация) частотная фильрация)

i 1I Ii Ii i

пнизкочастотная фильтрация I I непрофильтрованные I высокочастотная фильтрация

Рис. 22.10. Теоретические результаты для синсргстичсского компьютера. По верти-кальной оси откладывается величина, обратная времени, необходимому компьютерудля распознавания изображения (1/i,). Проведенные испытания аналогичны экспе-риментам О'Тула, причем полученные результаты демонстрируют хорошее согласиес данными, представленными на рис. 22.5. Единственное исключение составляютрезультаты, относящиеся к серии, в которой компьютеру для запоминания предла-гались изображения, обработанные высокочастотными фильтрами. При этом про-фильтрованные низкочастотными фильтрами изображения компьютеру распознатьне удалось. Причина заключается в том, что в результате упомянутых фильтрацийзапомненное и распознаваемое изображения становятся слишком непохожи друг надруга, и для успешного распознавания компьютеру просто недостает данных

23. Плоские трансформации изображений — первыйподход к распознаванию

Для человека не представляет никаких сложностей опознание даже та-

кого объекта, который удален от него в пространстве или находится в дви-

жении. Точно так же безо всякого труда узнаем мы лица вне зависимости

от их величины или удаленности от нас — настолько, разумеется, насколь-

ко позволяет разрешающая способность наших глаз (предмет не должен

быть слишком мал, а расстояние — слишком велико). И наконец, человек

в состоянии опознать предметы (и лица), повернутые на какой-либо угол.

Способен ли на это описанный нами синергетический компьютер?

Кудем честны и скромно ответим «нет». Нму, правда, удается распо-

знать изображение, которое незначительно увеличено или уменьшено, либо

повернуто на очень небольшой угол, однако при больших отклонениях си-

23. Плоские трансформации изображений — первый подход... 183

нергетический компьютер отказывается что-либо узнавать. Следует ли нам втаком случае признать несостоятельной саму концепцию? Ни в коем случае.Существует, как выяснилось, множество различных (и весьма интересных)способов помочь синергетическому компьютеру преодолеть этот барьер.Можно тем или иным образом предварительно обработать поступающие вкомпьютер данные, либо как-то изменить динамику его внутренних процес-сов. Первый подход представляет собой, как мы увидим несколько позже,чисто техническое решение проблемы, второй же, предположительно, обес-печит большее приближение возможностей компьютера к человеческомувосприятию. На общедоступном языке описать реализацию первого, тех-нического, подхода довольно сложно, а вот второе решение описываетсявесьма наглядно.

Несмотря на очевидную сложность, рискнем-таки начать с техническо-го решения и рассмотрим его несколько подробнее. Читатели, не слишкоминтересующиеся математическими описаниями, могут просто пропуститьэто место, либо сразу перейти к следующей главе. Рассмотрим сначаланезависимость процесса распознавания от перемещений объекта в про-странстве. Для этого снова применим разложение распределения уровнясерого некоторого изображения на отдельные волновые составляющие, т. е.анализ Фурье. На рис. 23.1а и 23.16 представлены два изображения одногои того же лица, но смещенные друг относительно в плоскости страницы.Выделим ряд пикселей, расположенных вдоль горизонтальной прямой, какэто показано на рис. 23.2а и 23.26, и нанесем соответствующие значенияуровня серого на графики на рис. 23.3а и 23.36. Естественно, кривая рас-пределения серого на графике 23.36 будет повторять кривую распределе-ния серого на графике 23.3а с некоторым смещением (равным смещениюизображения на рис. 23.26 и 23.16). Разложим эти распределения на отдель-ные волновые составляющие с помощью уже упоминавшегося анализа Фу-рье. В результате получим некоторые наборы волн, схематично показанныена рис. 23.4а и 23.46 (рис. 23.4а соответствует рис. 23.3а, а рис. 23.46 —рис. 23.36).

Вся информация, содержавшаяся прежде в распределениях уровня се-рого изображений 23.2а и 23.26, теперь представлена в виде отдельных волнна рис. 23.4а и 23.46. Каким же образом это возможно? Каждая волна имеетопределенную длину и определенную высоту (так называемую амплитуду).Сравним между собой волны одинаковой длины на рис. 23.4а и 23.46 (на-пример, верхнюю слева и верхнюю справа). Мы видим, что амплитуды этихволн одинаковы. Однако сами волны (т. е., координаты их максимумов нагоризонтальной оси) смещены друг относительно друга, причем на то же

184 Часть 111

Рис. 23.1а. Прототипный образ Рис. 23.16. Он же, смещенный вправо

Рис. 23.2а. Выделение горизонтально- Рис. 23.26. То же, на смещенном изоб-го ряда пикселей ражении

i, уровень серого уровень серого

Рис 23 За Распределение значенийуровня серого вдоль вьщслснного ряда

Рис 23 36 То же, на смещенном изоб-ражении

23. Плоские трансформации изображений — первый подход... 185

расстояние, на которое смещена кривая 23.36 относительно кривой 23.3а.Такое смещение называется в науке «сдвигом фазы».

/\\/ \У \У

Рис. 23.4а. Разложение распределе-ния серого на отдельные волновыесоставляющие (для примера приве-дена лишь часть составляющих)

Рис. 23.46. То же, для смещенноговправо изображения

Теперь мы видим, как сохраняется информация о распределении уров-ня серого при переходе от исходной кривой к волновому разложению. Дляволны каждой длины следует задать амплитуду и фазу (положение первогомаксимума на горизонтальной оси). Чтобы закодировать таким образом всеисходное изображение (рис. 23.1а и 23.16), еще недостаточно подвергнутьанализу распределение уровней серого лишь вдоль одного ряда пикселей —необходимо обработать все имеющиеся пиксели. Распространение же ана-лиза Фурье из одного на два измерения не представляет для математика нималейшей сложности; нужно лишь представить, что волны могут «бежать»не только вдоль горизонтальной оси, но и в любом другом направлении наплоскости.

186 Часть 111

Рис. 23.5. При логарифмическом отображении каждой точке плоскости х, у соот-ветствует некоторая точка плоскости х', у'

Рис. 23.6. Поворот изображения в плоскости х, у

*- X

Рис. 23.7. Логарифмическое представление изображения 23.6

23. Плоские трансформации изображений — первый подход... 187

Вернемся, однако, к проблеме распознавания образов вне зависимостиот их положения в пространстве. Как можно видеть, волны на рис. 23.4аи 23.46 идентичны во всем, кроме фазы. Если бы удалось совершенно ис-ключить из рассмотрения величину фазы, то, очевидно, опознание исход-ного изображения перестало бы зависеть от его положения — а это как разто, что нам нужно. Проведем двумерное преобразование Фурье, котороедаст нам и амплитуду волн, и их фазу. Для кодирования же изображениявоспользуемся только амплитудой — этого можно добиться с помощью од-ного совсем несложного математического приема, в результате которого внашем распоряжении окажутся необходимые для данного случая коэффи-циенты Фурье.

Далее необходимо выяснить, не пропадет ли при «выбрасывании» фа-зы слишком много существенной для исходного изображения информации.В одномерном представлении это действительно было бы так, но в дву-мерном случае мы (при достаточно общих условиях) можем избавиться отфазы без каких-либо неприятных последствий. Теперь изображение опи-сывается уже не посредством исходного распределения уровня серого, асовокупностью амплитуд, т. е. значений коэффициентов Фурье. После та-кой «предварительной обработки» распознавание изображения оказываетсясинергетическому компьютеру вполне по силам. Прежде он конструировал«холмистый ландшафт» на основе запомненных распределений уровня се-рого (т. е. собственно, изображений); сейчас же он проделал аналогичнуюпроцедуру с запомненными амплитудами и сумел, таким образом, распо-знать смещенное в плоскости изображение лица.

Процесс становится еще более абстрактным, если требуется распо-знать изображение объекта независимо от величины этого изображенияи его ориентации в плоскости. В этом случае нам предстоит произвеститак называемое логарифмическое отображение, при котором каждой точкеплоскости ставится в соответствие определенная точка на другой плоско-сти (рис. 23.5). При таком отображении повороту изображения в плоскости(рис. 23.6) соответствует некоторый сдвиг каждой точки его отображенияна другой плоскости в вертикальном направлении (рис. 23.7). Увеличениюже и уменьшению изображения (рис. 23.8) соответствует сдвиг точек отоб-ражения по горизонтали (рис. 23.9).

Теперь оказывается возможным свести новую задачу к уже решеннойстарой (на радость всем читателям-математикам). Как добиться инвариант-ности распознавания относительно сдвигов в плоскости (т. е. независимостиот этих самых сдвигов), мы узнали несколько абзацев назад. Нужно лишьпровести преобразование Фурье, взять только значения амплитуд волно-

188 Часть 111

Рис. 23.8. Уменьшение изображения

* - X

Рис. 23.9. Логарифмическое представление изображения 23.8

вых составляющих, и сдвиг отображения в плоскости не помешает намраспознать исходное изображение. Для читателей, далеких от математики,все это, наверное, представляется невообразимой абстракцией, однако ре-зультаты вполне наглядны и очень хорошо поддаются интерпретации. Рас-смотрим рис. 23.10 и 23.11, на каждом из которых слева вверху помещеноизображение лица: на рис. 23.10 лицо ориентировано «правильно», а нарис. 23.11 — повернуто на некоторый угол. Так как изображения двумерны,значения коэффициентов Фурье приходится наносить на двумерную плос-кость; нам в этом помогает специальная компьютерная программа, причемфазовые коэффициенты она сразу отбрасывает. При построении зависимо-сти коэффициентов Фурье от соответствующих длин волн целесообразноследующее: откладывать на осях х и у не сами длины волн, а величины,

23. Плоские трансформации изображений — первый подход. 189

mmдинин б)

Рис. 23.10. Преобразования прототипного образа.(а) Исходное изображение, (б) После проведения преобразования Фурье, (в) Лога-рифмическое представление предыдущего результата, (г) Повторное преобразованиеФурье

обратные им (так называемые волновые числа), и, кроме того, соединитьодинаковые значения амплитуд горизонталями. Каждая горизонталь соот-ветствует, таким образом, какому-то определенному коэффициенту Фурье.На рис. 23.10 (б) можно видеть ярко выраженный максимум, причем значе-ние коэффициента с различной скоростью уменьшается в направлении отцентра изображения к его краям. Если сравнить эту зависимость с соот-ветствующей зависимостью на рис. 23.11 (б), то можно заметить, что обараспределения величин коэффициентов Фурье все еще отличаются друг отдруга, причем второе изображение явно повернуто относительно первогона тот же угол, на какой повернуто исходное изображение.

190 Часть 111

Рис. 23.11. Преобразования прототипного образа, повернутого в плоскости х, у.(а) Исходное изображение, (б) После проведения преобразования Фурье. Ясно вид-но, что полученная картина повернута по отношению к 23.10 (б), в) Логарифми-ческое представление предыдущего результата. Картинка явно смещена вниз посравнению с 23.10 (в), (г) Повторное преобразование Фурье. Становится очевидно,что исходные изображения действительно идентичны; при этом можно определитьи кодовое обозначение, присвоенное данному изображению, несмотря на то, что ионо оказывается повернутым

В следующем квадрате (рис. 23.10 (в) и 23.11 (в)) можно видеть резуль-

таты следующего шага: логарифмического отображения предыдущего рас-

пределения. И здесь между изображениями существует выраженное отли-

чие. Картинка на рис. 23.11 (в) сдвинута вниз по сравнению с аналогичной

картинкой на рис. 23.10 (в). Сделаем последний шаг: произведем еще раз

преобразование Фурье и вычислим значения коэффициентов (рис. 23.10 (г)

23. Плоские трансформации изображений — первый подход. 191

Рис. 23.12. Тс же преобразования, что и на рис. 23.11, — для нормального, умень-шенного и увеличенного изображения

и 23.11 (г)). Как видите, изображения полностью совпали. Иными словами,мы добились искомой инвариантности. Картинка останется неизменной, какбы мы ни поворачивали исходное изображение лица девушки. Если подверг-нуть описанной процедуре другие портреты, мы получим какие-то другиезакодированные изображения. И хотя закодированное изображение выгля-дит совершенно непохоже на оригинал, оно обладает таким весьма важнымпреимуществом, как независимость от каких бы го ни было поворотов этогосамого оригинала (в плоскости изображения).

Абсолютно то же самое можно проделать и с увеличенными или умень-шенными изображениями (см. рис. 23.12): после проведения описанныхпреобразований увеличенные и уменьшенные лица ничем не отличаютсядруг от друга. Наконец, можно убедиться и в том, что результаты последне-го преобразования увеличенных, уменьшенных и повернутых в собственной

192 Часть 111

Рис. 23.13. Преобразования повернутого, смещенного и увеличенного изображения

Рис. 23.14. Способности к восприятию человеком перевернутых изображений небезграничны. На первый взгляд, представленные здесь лица кажутся одинаковыми.Попробуйте, однако, перевернуть книгу!

плоскости изображений в точности совпадают с аналогичным результатом,полученным из исходного изображения (рис. 23.13). Синергетическому ком-пьютеру, таким образом, предъявлялись не исходные изображения, каждоесо своим распределением уровней серого, а изображения, предваритель-но обработанные и приведенные к инвариантному виду (нижний правыйквадрат в вышеприведенных рисунках). Такой процедуре подверглись и за-помненные изображения, и изображения, предъявлявшиеся компьютеру дляопознания. Компьютер производил с кодированными портретами те же опе-рации, что и раньше с оригиналами, и отличал их друг от друга с той жеоднозначность, даже если ему показывали только фрагмент изображения.

С помощью описанного метода можно, совершенно очевидно, распо-знать даже лицо, перевернутое «вниз головой». Не составляет труда также

23. Плоские трансформации изображений — первый подход... 193

Рис. 23.15. Здесь мы видим чашу, наполненную овощами и фруктами. А что мыувидим, перевернув книгу? (Фрагмент картины Джузсппе Арчимбольдо.)

заметить мельчайшие различия в лицах очень похожих друг на друга людей,один из который стоит «нормально», а другой встал на голову. Способен лина такое распознавание человек? Взгляните на рис. 23.14: обе дамы пред-ставляются нам практически «на одно лицо». Однако стоит перевернутькнигу «вверх ногами», и сразу станет очевидным разительное несходствомежду ними. Еще один пример представлен на рис. 23.15. И здесь обна-руживается значительная разница между «правильным» и перевернутым

194 Часть III

изображениями. Совершенно очевидно, что в данном случае человеческиевозможности восприятия уступают компьютерным; если одно лицо изоб-ражено «правильно», а другое — «вверх ногами», то человеку не удаетсяотличить друг от друга изображения этих лиц не только по мелким, нодаже и по относительно крупным их чертам. Возникает естественный во-прос: не существует ли других компьютерных процедур, которые были бытак же похожи на человеческие способы восприятия, как вышеописанные?Подробным рассмотрением этого вопроса мы займемся в следующей главе.

24. Плоские трансформацииизображений — альтернативное решение

Идея, лежащая в основе этого альтернативного решения, в сущности,чрезвычайно проста. Нужно создать в дополнение к той холмистой мест-ности, которую мы строили в главе 19, еще одну подобную местность,форма которой отражала бы только различные смещения заданного обра-за относительно запомненного. Мяч скатится в какую-нибудь долину, ипо его положению отыщется «правильная» окрестность нуля и, соответ-ственно, определится нужное смещение из запомненных, соответствующеесмещению предложенного образа. Далее в дело вступает первоначальныйландшафт и помогает найти среди запомненных образов самый близкийк предъявленному с учетом уже известного смещения. То же самое отно-сится и к поворотам образов, только шаг угла поворота не должен бытьслишком велик во избежание возникновения нежелательных боковых до-лин (см. рис. 24.1). В остальном же этот способ функционирует очень хо-рошо, причем его можно еще усовершенствовать и тем самым совершенноисключить возникновение боковых долин. Холмистая местность при этомразглаживается, скрывая мелкие неровности и отчетливее выделяя большиеперепады яркости. Больших же перепадов яркости можно добиться, какмы уже видели, с помощью низкочастотной фильтрации. Иными словами,«сглаживание» изображения приводит в действительности к сглаживаниюпотенциальной кривой, как это показано на рис. 24.2.

С помощью такой холмистой местности компьютер сможет также рас-познавать вытянутые в различных направлениях изображения (рис. 24.3).Возможно, не будет большим заблуждением предположить, что и в нашеммозге функционирует подобный механизм, постоянно стремящийся посред-ством изменения синаптических сил привести предлагаемые ему образы всоответствие с запомненными прототипами. Здесь, по всей видимости, мы

24. Плоские трансформации изображений — альтернативное решение 195

V

0,25

0,00

-0,25

V0,25

0,00

-0,25:

-2,0 -1,0 0,0 1,0 2,0 9

I

-2,0 -1,0 0,0 1,0 2,0 v

v : "0,25;'

0,00:

-0,25:

-2,0 -1,0 0,0 1,0 2,0

V !

0,25|

0,00:

-0,25 i

. V

0,25

o,oc-0,26

V

0,25

0,0C

-0,25

V0,25

: 0,00

i -0,25

V0,2E-

0,00

I V\ 0,25

I o,oc| -0,25

0,75

0,75

0,75

0,75

\J

1,00

1,00

1,00

)

1,00

-- - -

1,25 1,50

1,25 1,50

1,25 1,50

1,25 1,50

SK

. —;

SK

SK

SK

-2,0 -1,0 0,0 1,0 2,0 0,75 1,00 1,25 1,50 SK

Рис. 24.1. Представленный здесь ряд изображений лиц был предложен компьюте-ру в повернутом виде. Левый столбец: зависимости формы холмистого ландшафтаот угла поворота изображения. Помимо главного минимума в середине, здесь име-ются и нежелательные боковые минимумы. Правый столбец: зависимости формыхолмистого ландшафта от изменения масштаба изображения

196 Часть 111

2,0 1,0 0,0 lfl 2fl a -2,0 -1,0 0.0 lfl 2,0 „ -2fi -1,0 Ofl \fl 2,0 „ -2.C -1,0 0,0 1.0 2.0 n

2fi 1Д 0.0 1.0 2fl n

Рис. 24,2. Сглаживание холмистого ландшафта посредством «смазывания» изобра-жения. Слева внизу: исходное изображение (Астсрикс); справа внизу: холмистыйландшафт, соответствующий этому изображению. Вверху: зависимости формы хол-мистого ландшафта от угла поворота изображения

( . • - . •

Рис. 24.3. Деформированные изображения лица, которые компьютер без труда рас-познает

24. Плоские трансформации изображений — альтернативное решение 197

имеем дело с совершенно новой точкой зрения, прежде в литературе не об-суждавшейся. Упомянутое приведение в соответствие требует непрерывно-го динамического изменения сил синаптических связей. До сих пор предпо-лагалось, что синаптические связи формируются исключительно в процессеобучения. Теперь же обнаруживается, что синаптические связи могут — идаже должны — подчиняться, помимо всего прочего, некой собственнойдинамике. Возможно, данное обстоятельство послужит начальным толчкомк проведению экспериментов непосредственно на нейронах. Все эти момен-ты требуют, безусловно, дальнейшего всестороннего осмысления и обобще-ния — следует, к примеру, учитывать, что деформация изображения вовсе необязана быть одинаковой вдоль всех направлений плоскости этого самогоизображения. Можно подумать и о возможности локальных искажений —таких, например, какие возникнут, если лицо нарисовать на резиновом ко-врике, а затем растягивать этот коврик в определенных участках. Учиты-вая, что зоны искажений на человеческом лице ограничены (они почти незатрагивают, например, лоб и нос, которые остаются относительно непо-движными по сравнению с тем, как изменяются глаза и рот), можно легкопредположить в данном случае возможность компьютерного распознаваниятаких искаженных лиц (находящихся, например, в группе оживленно бесе-дующих людей, либо просто демонстрирующих какие-либо эмоциональныесостояния). Исследования вышеупомянутых проблем еще весьма далеки отзавершения.

Только рассматривая этот альтернативный способ инвариантного рас-познавания образов, мы начинаем осознавать, что в основе восприятиялежит целый ряд динамических процессов непрерывного формированиясинаптических связей. Эта картина полностью противоположна той, чтообычно ассоциируется с восприятием. Мы наивно полагали, что мозг подо-бен фотопластинке, которая просто сохраняет сообщенные ей визуальныевпечатления. Теперь мы знаем, что распознавание образов обеспечиваетсявзаимодействием множества протекающих в мозге сложнейших процессов.Наш метод можно интерпретировать и так: показанный тестовый образ«подгоняется» мозгом под один из уже имеющихся у него запомненныхобразов. Так работает известная нам из психологии ассимиляция. И нао-борот — что особенно интересно — математический формализм позволяетнам произвести совершенно иную интерпретацию: сохраненный образ мо-жет с таким же успехом и сам оказаться «подогнанным» под предложенныйтестовый образ. Этот процесс психологи называют адаптацией.

Для синергетического компьютера оба эти процесса, по большей ча-сти, эквивалентны, и поэтому один из них может быть заменен другим без

198 Часть III

какого-либо ущерба. Для людей это, судя по всему, не всегда так, одна-ко какой-либо информацией о подобных исследованиях мы не располага-ем. Мы не думаем, что будущее решение проблемы восприятия состоит вконструировании каких-либо статических фильтров или шаблонов для ком-пьютера — так же сложно представить себе создание чего-либо подобногои для мозга. Гораздо более разумным будет примириться с мыслью о том,что в мозге при восприятии протекают высокосложные и взаимосвязанныепроцессы — это подтверждается и многочисленными экспериментальнымиданными, и результатами компьютерных исследований, которые мы ещебудем обсуждать в дальнейшем.

25. Распознавание сложных сцен

В повседневной жизни мы, как правило, имеем дело не с отдельнымилицами или предметами, а с группами лиц и предметов. Если мы намере-ны встретить кого-то на вокзале, мы должны суметь отыскать нужное намлицо в большой группе других лиц, причем это лицо может оказаться ча-стично скрытым от нашего взгляда. Может ли синергетический компьютерсправиться с такой задачей, и если да, то каким образом?

Рассмотрим просто в качестве примера рис. 25.1. Так как оба изоб-ражения лиц смещены по сравнению с исходными (запомненными) обра-зами, приблизительно дюжиной которых мы располагаем, нам предстоитсначала воспользоваться при распознавании способом, который позволяетустранить различия, вносимые в образ его смещением в плоскости. Какэто делается, мы уже обсуждали в главе 23. Преобразованное изображениепредложим компьютеру, который опознает лицо девушки на переднем планеи сочтет свою задачу выполненной. Теперь обратите внимание на оченьважный момент, с которым мы еще неоднократно встретимся в этой книге.При описании конструктивных принципов синергетического компьютерамы упоминали о некоем параметре внимания. Присвоим параметру внима-ния, соответствующему портрету девушки, нулевое значение и предложимту же сцену компьютеру еще раз. На сей раз компьютер опознает муж-чину на заднем плане. Интересно, что эту процедуру можно продолжать идальше. Компьютер может таким образом обрабатывать сцены, содержащиебольшее количество объектов. Доведем число участников сцены до пяти(причем одним из них сделаем Астерикса, см. рис. 25.2). Проведем выше-описанное преобразование, обеспечивающее независимость распознаванияизображения от его положения в плоскости. После того, как компьютер опо-

25. Распознавание сложных сцен 199

знает первое лицо, присвоим соответствующему параметру внимания зна-чение «О». При повторном предъявлении сцены компьютер опознает ещеодно лицо; мы же вновь изменим значение соответствующего параметравнимания. Процедура повторяется до тех пор, пока наконец все лица небудут правильно опознаны компьютером.

Рис. 25.1. Сложная сцена, распознава-емая синсргстичсским компьютером

Рис. 25.2. Сложная сцена, составлен-ная из пяти изображений лиц, которыекомпьютер распознает по очереди

Вскоре мы увидим, что понятие параметра внимания имеет для рас-познавания образов совершенно фундаментальное значение, и, по всей ви-димости, не будет большой ошибкой предположить, что и наш мозг прианализе сложных сцен использует аналогичный способ: сначала вниманиеконцентрируется на распознавании одного из объектов, объект опознается,затем внимание «переключается» на следующий объект и т. д.

Нельзя обойти молчанием и тот факт, что при распознавании слож-ных сцен бывали случаи, когда компьютер выдавал неверные ответы. Так,например, при предъявлении ему сцены, составленной из двух портретов,компьютер не узнавал ни первое, ни второе лицо, а называл и вовсе третье.Такое поведение компьютера, естественно, не могло не вызвать у нас се-рьезных опасений, так как свидетельствовало о наличии серьезных изъяновв его конструкции. Однако известно, что и люди при распознавании образовпорой совершают ошибки: взглянув на рис. 25.3, читатель легко сможет вэтом убедиться. На первый взгляд, перед нами портрет Альберта Эйнштей-на. Но стоит рассмотреть его более тщательно, сконцентрировав внимание

200 Часть III

Рис. 25.3. Кто это — Альберт Эйнштейн или три купальщицы?

26. Очарование амбивалентности 201

на области глаз, и вот мы видим сначала головы, а затем и фигуры трех«купальщиц». Этим портретом мы открываем краткий экскурс в царстводвойных картинок, которые уже много лет привлекают психологов.

26. Очарование амбивалентности

Изображения, о которых здесь пойдет речь, известны еще с римскихвремен, в чем можно убедиться, взглянув на рис. 26.1. Читатель, безуслов-но, сумеет разглядеть в этой статуэтке и старую женщину, и влюбленнуюпару. С другим примером подобной двойственности мы уже неоднократновстречались на страницах этой книги (рис. 26.2). Полагая, что фон чер-ный, мы видим на нем вазу, если же фоном счесть белый, то на этом жерисунке обнаруживаются два черных профиля. Еще один пример двой-ственного изображения — «Рынок рабов» Сальвадора Дали (1940 г.), поме-щенный на рис. 26.3. Среди прочих, хорошо известных психологам приме-ров и портрет женщины (молодой или старой?), и таинственное животное(утка или заяц?), и человеческое лицо, с легкостью переходящее в мышь

Рис. 26.1. Древняя амбивалентнаяфигура: влюбленная пара или ста-рая женщина?

202 Часть III

Рис. 26.2. Ваза или два лица?

(рис. 26.4-26.6). Всякий раз мы имеем дело с возможностью различныхинтерпретаций одного и того же изображения. Существуют, кроме того,картинки, эффект двойственности которых основывается на законах пер-спективы. На рис. 26.7 изображен так называемый куб Некера, передняягрань которого может вдруг стать задней, и наоборот. Похожим свойствомобладают и очки на рис. 26.8, внизу. Исследуя восприятие всех этих двойныхкартинок, мы приходим к одному очень важному заключению, а именно —невозможно удерживать внимание на любом из «вариантов» интерпретациитакой картинки дольше нескольких секунд. Например, разглядывая в тече-ние некоторого времени белую вазу на рис. 26.2, мы вдруг осознаем, чтовазы больше нет, а вместо нее на рисунке — два черных профиля; затемони пропадают, вернув на место белую вазу, но вскоре вновь возвращаютсяи т.д., причем происходит все это совершенно непроизвольно. Один из ужеупоминавшихся ранее основоположников гештальтпсихологии, ВольфгангКёлер, объяснял эту особенность человеческого восприятия насыщениемвнимания. Как только мы распознаем изображение вазы, внимание авто-матически переключается, и на месте вазы возникают лица; затем и ониоказываются распознанными, внимание снова переключается на восприя-тие вазы и т. д. Кёлер даже предложил для объяснения этого эффекта осо-бую физическую модель, которая, однако, не соответствует сегодняшнимпредставлениям об устройстве и принципах функционирования нейронов.Ниже мы рассмотрим иную модель, которая включает в себя и эффект на-сыщения внимания, причем таким образом, который позволит нам провести

26. Очарование амбивалентности 203

Рис. 26.3. Что вы видите сначала: бюст Вольтера или рынок рабов? (Фрагмент кар-тины Сальвадора Дали)

детальное (т. е. количественное) сравнение нашей компьютерной модели симеющимися результатами психофизических экспериментов.

Сложность заключается в том, что для получения сколько-нибудь на-дежных количественных результатов нам необходимы экспериментальныеданные, отвечающие одному непременному требованию, а именно — времявосприятия альтернативного образа должно быть (для данного испытуе-мого, данной картинки и при прочих равных условиях) по возможностипостоянным. Кроме того, приходится учитывать и то, что время восприя-тия образов различными людьми может очень существенно варьироваться.Как следствие разные авторы приводят весьма различные цифры, соглас-но которым время восприятия альтернативного образа колеблется от 1,5до 5,7 с. И это при том, что сообщаемые упомянутыми авторами данные

204 Часть III

Рис. 26.4. Молодая девушкаили старуха?

Рис. 26.5. Утка или заяц?

Рис. 26.6. Лицо или мышь?

26. Очарование амбивалентности 205

Рис. 26.7. Куб Некера

Рис. 26.8. Сверху вниз: лестница, видимая снизу или сверху; согнутый лист бумаги —которая его половина ближе к нам (левая или правая)?; очки, развернутые к намстеклами или дужками

206 Часть III

основаны, как правило, на очень хороших в статистическом смысле вы-борках (X. Грезер, например, обследовал 133 испытуемых, которым былопредложено 48 различных образов).

Следует также отметить, что выбор между двумя различными интер-претациями не всегда оказывается равнозначным. Так, например, при рас-смотрении картинки, помещенной на рис. 26.4, образу «молодая девушка»испытуемые отдают явное предпочтение. Как именно будет воспринято дан-ное изображение, и какой из образов возникнет первым («молодая девушка»или «старуха»), может зависеть и от случайных факторов, и от личност-ных особенностей самих испытуемых; однако если опросить достаточнобольшое количество испытуемых, можно получить некоторое представле-ние о том, что же люди предпочитают видеть первым в каждой конкретнойдвойной картинке. Таким образом было, например, установлено процентноесоотношение для данного случая: 60% испытуемых видят сначала «моло-дую девушку» и только 40% — «старуху». Затем происходит переключе-ние, и «молодую девушку» сменяет «старуха», и наоборот. При этом более«сильный» из образов воспринимается в течение более продолжительногоотрезка времени. Возможны также пограничные случаи, когда один из об-разов доминирует настолько явно, что переключения восприятия вообще непроисходит.

Психологи обнаружили существование еще одного важного свойствавосприятия двойных картинок: общий период, т. е. сумма временных про-межутков, в течение которых воспринимается тот или иной образ, увели-чивается, если один из образов оказывается «сильнее». Если же оба аль-тернативных варианта в равной степени значимы, то наблюдается самыйкороткий общий период. При этом, впрочем, следует принять во внима-ние, что результат может зависеть и от того, что испытуемые видели непо-средственно перед опытом. Когда одной из групп испытуемых показывалисначала рисунок 26.9 (а), а лишь затем рисунок 26.4, все видели первоймолодую девушку. Другой группе сначала показывали рисунок 26.9 (б),и 94% испытуемых этой группы на рис. 26.4 первой видели старуху. Безпредварительной подготовки, как уже упоминалось, «голоса» как правило,разделяются следующим образом: 40% видят первой «старуху», и 60% —«молодую девушку».

Если точно определить время, затраченное в каждом случае на вос-приятие, то обнаружится, что в начале этого «возвратно-поступательного»процесса имеется нечто вроде переходной фазы, которая может длиться отодной до трех минут. В течение этой фазы период восприятия одного образазначительно длиннее, чем впоследствии, когда начинаются осцилляции.

27. Восприятие двойных картинок в компьютерной модели 207

б)

Рис. 26.9. Усиление одного из альтернативных образов, (а) «Молодая девушка»,(б) «Старуха»

Возникает естественный вопрос: нельзя ли волевым усилием задержатьпереход от одного образа к другому? На этот вопрос имеется полученныйопытным путем ответ: таким образом действительно можно до некоторойстепени повлиять на продолжительность какой-либо из фаз, однако это, всущности, ничего не изменит, и переход все рано произойдет.

Для завершения картины вспомним еще об одном эффекте, о кото-ром мы уже говорили ранее, а именно — о гистерезисе (рис. 2.18 и 2.19).В случае, представленном на этих иллюстрациях, переход от одной ин-терпретации к другой происходит в различных местах последовательностикартинок, в зависимости от того, с какого конца мы рассматриваем этусамую последовательность.

27. Восприятие двойных картинок в компьютерноймодели

Прежде чем перейти к подробностям, попытаемся смоделировать вос-приятие двойных картинок посредством синергетического компьютера.Первый вопрос, естественно, касается того, как в общем случае можетпротекать процесс восприятия таких сложных изображений, при котором«побеждает» то один образ, то другой. Здесь нам на помощь приходит по-

208 Часть III

нятие параметра порядка, который способен ощутимо сократить тот огром-ный объем информации, что мы получаем от каждой отдельной картинки.Мы уже видели, как параметр порядка может управлять процессом рас-познавания человеческих лиц или иных объектов. При опознании нами,например, лица соответствующий ему параметр порядка достигает макси-мального значения, которое мы можем принять за единицу. Значения пара-метров порядка, соответствующих остальным хранящимся в памяти лицам,равны в этом случае нулю. Рассмотрим в качестве конкретного примерарисунок 26.2: если мы распознали образ «ваза», следовательно, соответ-ствующий ему параметр порядка получает значение 1, если же мы видимпрофили лиц, значит здесь «сработал» другой параметр порядка, и значе-ние 1 мы должны присвоить уже ему, в то время как параметр порядка,соответствующий вазе, оказывается равным нулю.

Динамику процесса восприятия двойной картинки можно, таким об-разом, свести к динамике параметра порядка, хотя и не полностью; какчитатель уже, несомненно, отметил, в описанной схеме отсутствует такоепонятие, как насыщенность внимания. Каждому воспринимаемому обра-зу, будь то ваза или лица, следует поставить в соответствие некоторыйпараметр внимания, как мы уже делали в главе 25 при рассмотрении рас-познавания сложных сцен. В общем случае мы можем исходить из того,что оба параметра внимания изначально равны; однако как только одиниз образов (например, ваза) оказывается распознан, величина соответству-ющего параметра порядка очень быстро достигает своего максимальногозначения, равного единице. Учитывая гипотетический эффект насыщениявнимания, можно предположить, что величина параметра внимания долж-на изменяться обратно пропорционально величине параметра порядка, т. е.уменьшаться при увеличении параметра порядка. Таким образом, по проше-ствии некоторого времени восприятие образа «ваза» становится для мозга —или нашего компьютера — невозможным, тогда как вероятность восприя-тия альтернативного образа (в данном случае, профилей лиц), напротив,увеличивается. И вот наступает момент, когда наблюдатель вместо вазы на-чинает видеть лица, причем параметр порядка, соответствующий «лицам»,также подвержен воздействию эффекта насыщения внимания, что приво-дит, со всей очевидностью, к постоянной смене воспринимаемых образов.Результаты, показанные нашей компьютерной моделью, представлены нарис. 27.1. В верхней части рисунка помещен график, отражающий изме-нение величины параметра порядка при рассматривании рис. 26.2 (ваза ипрофили). Когда первый параметр порядка равен 1, воспринимается образ«ваза» (сплошная линия); пунктирная линия демонстрирует поведение па-

27. Восприятие двойных картинок в компьютерной модели 209

10,0 15,0время

Рис. 27.1. Осцилляции восприятия (компьютерная модель). Сверху: изменения па-раметров порядка при распознавании альтернативных образов «двойной картинки»(рис. 26.2); сплошной линией показан параметр порядка, соответствующий вазе,пунктирной — двум лицам. Внизу: соответствующие осцилляции параметров вни-мания

раметра порядка для образа «профили». В нижней части рисунка показаноизменение в ходе эксперимента параметра внимания. В обоих случаях ярковыражена осцилляция, соответствующая смене воспринимаемых образов.

Содержание восприятия при рассматривании двойственных изображе-ний непостоянно (что выражается в различном процентном соотношениимежду количествами испытуемых, распознавших первым тот или иной об-раз); эти различия учитываются в уравнениях для параметра порядка. На-глядно это довольно легко представить в виде потенциального холмистоголандшафта (рис. 19.1). В таком ландшафте каждому из воспринимаемыхобразов соответствует некая долина. Если у обоих образов имеются равныешансы быть распознанными в первую очередь, то долины симметричныотносительно разделяющего их холма. Если же — как в рассматриваемомслучае — шансы эти не равны, то расположение долин оказывается асиммет-ричным. Возникает естественный вопрос, насколько сильной может бытьтакая асимметрия? Предлагается следующий возможный образ действий:сначала, исходя из экспериментально установленного процентного выра-жения вероятности распознавания первым того или иного образ, следуетопределить положение потенциального холма. Определив его и вычисливс помощью соответствующих уравнений время переключения, мы сможемопределить величину временного интервала, на который время восприятия

210 Часть III

0.75

0,50

0,25

5,0 10,0 15,0 время

время

Рис. 27.2. То же, что и на рис. 27.1, но для случая, когда один из образов (сплошнаялиния) доминирует над другим (пунктирная линия)

время

Рис. 27.3. То же, что и на рис. 27.2, но для случая еще более выраженного предпо-чтения одного из образов (сплошная линия)

распознаваемого первым образа больше времени восприятия альтернатив-ного образа; отметим, что полученные нами результаты хорошо согласуют-ся с экспериментальными данными. Примеры таких удлиненных периодоввосприятия первого образа даны на рис. 27.2 и 27.3; приведены кривые из-менения как параметра порядка, так и параметра внимания. При большемнарушении симметрии холмистого ландшафта возможно возникновение та-кой ситуации, когда может быть распознан только один из образов. Можно

27. Восприятие двойных картинок в компьютерной модели 211

6,

0,50

0,25

0,900,800,700,600,50

1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 время

1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 время

Рис. 27.4. Моделирование эффекта гистерезиса на синергетическом компьютере (погоризонтальной оси отложено время, по вертикальной — значение параметра по-рядка). Сплошной линией показан параметр порядка, соответствующий мужскомулицу на рис. 2.18, пунктирной линией — параметр порядка, соответствующий изоб-ражению девушки. В определенный момент времени (6.00 в данном масштабе)происходит смена одного образа другим

fa

0,50

0,25

• А1 :

Л, А,

0,900,800,700,600,50

1.00 2.00 3.00 4,00 5,00 6,00 время

1,00 2,00 3,00 4,00 5.00 6.00 время

Рис. 27.5. То же, что и на рис. 27.4, но для обратного порядка рассмотрения изобра-жений (от девушки к мужчине)

сказать, что время восприятия такого образа бесконечно велико; у второго

же образа не остается ни единого шанса на распознавание.

Исходя из тех же соображений, можно рассмотреть и эффект гистере-

зиса. Величина сдвига потенциального холма определяется тем, какой из

образов двойственного изображения будет распознан первым — при этом

устанавливается так называемая предубежденность. Если на верхнем слева

212 Часть III

рисунке (рис. 2.18) мы видим мужчину, то этот вариант восприятия изоб-ражения получит преимущество перед альтернативным образом; и толькокогда существование этого второго образа (т. е. девушки) становится совер-шенно очевидным, упомянутая предубежденность до некоторой степениразрушается, и мы получаем возможность распознать в изображении «де-вушку». То же самое происходит и тогда, когда мы рассматриваем рис. 2.18,начиная с правого нижнего изображения: первым воспринятым образомоказывается в этом случае как раз образ «девушки», и замена этого образаальтернативным произойдет лишь значительно позднее. Результаты моде-лирования этих гистерезисных процессов представлены на рис. 27.4 и 27.5.Видно, что смена образа происходит в различные моменты времени, в за-висимости от того, с которого из образов начать.

28. Колебания периодов восприятии

Как это часто происходит с периодическими биологическими процес-сами, временные промежутки между соседними сменами образа не уста-новлены точно раз и навсегда, но подвержены флуктуациям. Такие флукту-ации весьма интересуют психологов, равно как и ответ на вопрос: от чего,собственно, могут зависеть эти отклонения? Особенно выделяется здесьэксперимент, проведенный А. Борзеллино и его коллегами. Испытуемымпредлагался к рассмотрению куб Некера (с этим кубом мы уже встречались,например, на рис. 26.7). Борзеллино изучал закономерности в измененияхвеличины периода между сменами образа (передней грани куба на заднюю).Испытуемым предъявлялись кубы различных размеров, при этом было сде-лано удивительное открытие: чем больше был куб, тем сильнее оказывалисьотклонения в продолжительности временных интервалов восприятия тогоили другого образа.

В рамках компьютерной модели интересующий нас вопрос можноуточнить: чем могут быть вызваны эти колебания во времени, если в каждомконкретном случае доминирует один и тот же параметр порядка? Ответ од-нозначен: колебания при восприятии обусловлены колебаниями параметравнимания. По всей видимости, на маленьком кубе внимание концентриру-ется лучше, нежели на большом; возможно, это объясняется тем, что привосприятии большого изображения глаз вынужден совершать большее коли-чество движений, вследствие чего параметр внимания оказывается подвер-жен значительным изменениям. Наша модель воспроизводит распределениедлин периодов восприятия, полученных в ходе экспериментов Борзелли-

29. Восприятие двойственных изображений как зеркало эмоций 213

но, и подтверждает тот факт, что существуют, если можно так выразиться,«быстрые» и «медленные» наблюдатели, т. е. люди, чье восприятие харак-теризуется, соответственно, краткими или долгими временными периодамимежду сменами образа.

29. Восприятие двойственных изображений как зеркалоэмоций

Нам кажется, было бы заблуждением считать занятия двойными кар-тинками просто игрой — скорее, это своего рода искусство, которое вполнеспособно помочь проникнуть в тайну восприятия нами окружающего мира.Мы все больше склоняемся к убеждению, что в этом процессе исключитель-но важную — можно даже сказать, центральную — роль играет внимание;это подтверждается и экспериментальными данными, полученными в ходеисследования процессов распознавания образов. Мы рассказывали об этомв главе 25, посвященной распознаванию сложных сцен, и в главах, опи-сывающих опыты с двойственными изображениями. Такие исследованияявляют собой широкое поле деятельности как для психологов (и, возможно,психиатров) — с одной стороны, так и для теоретиков, занятых в создании иотладке компьютерных моделей — с другой. Как известно, внимание оченьсильно зависит и от предшествующего опыта индивидуума, и от его эмоци-онального состояния в данный момент, и от многих других факторов. Естьнадежда, что на основании измерений периодов обращения при восприятиидвойственных изображений теми или иными испытуемыми можно судитьоб их эмоциональном состоянии или — как в тестах Роршаха — об их вну-тренних предубеждениях. Известный пример тому — картина, помещеннаяна рис. 29.1. При ее обсуждении мы будем говорить не столько о флукту-ациях собственно параметра внимания, сколько о нарушении симметрии ввосприятии данного изображения, вызванном изменениями эмоционально-го состояния личности.

Картина была изначально задумана так, чтобы две изображенные наней женщины выглядели по отношению одна к другой подчеркнуто индиф-ферентно. Интерпретация взаимоотношений этих женщин целиком зави-сит от внутренних установок испытуемого: так, например, старушка можетказаться «недоверчивой» или «озабоченной». Это приводит к нарушениюсимметрии — в синергетическом смысле; будучи в действительности ней-тральной, т. е. симметричной, картина оказывается в процессе восприятиянаделена неким эмоционально окрашенным содержанием. Наверняка было

214

Рис. 29.1. Нарушение симметрии при восприятии. Картина была изначально заду-мана так, чтобы две изображенные на ней женщины выглядели по отношению однак другой подчеркнуто нейтрально. Интерпретация взаимоотношений этих женщинцеликом зависит от внутренних установок испытуемого

бы интересно исследовать зависимость изменений в интерпретации вы-ражений лиц изображенных здесь женщин от эмоционального состоянияиспытуемого, как это было сделано в случае с «девушкой» и «старухой» срис. 26.4. Отсюда лишь один короткий шаг до концепции ментальных репре-зентаций или, возможно, точнее будет назвать их картинами, увиденнымивнутренним — мысленным — взглядом. Таким образом, мы снова возвра-щаемся к параметру внимания, благодаря которому становится возможнымсобственно процесс распознавания определенных образов, причем немно-гих исходных отличительных черт оказывается достаточно, чтобы воссо-здать все изображение целиком. Внимание выступает в роли, если можнотак выразиться, внутреннего прожектора, высвечивающего все новые и но-вые смыслы в том, что мы видим и осознаем.

30. Восприятие движения человеком и компьютером

Люди способны передвигаться множеством различных способов: ид-ти, бежать, прыгать, а кроме того, пританцовывать или, если они не совсемздоровы, ковылять. Лошади демонстрируют несколько различных аллюров:

30. Восприятие движения человеком и компьютером 215

шаг, рысь, галоп и т. д. В каждом из этих случаев движения конечностей ско-ординированы определенным особенным образом. Люди не только оказы-ваются способны к самым разнообразным движениям, они еще и развили всебе способность тонко различать многочисленные особенности движения:мы можем, например, уже издалека узнать человека по походке. Особеннонаглядное подтверждение этой способности дает эксперимент, проведен-ный в 40-х годах Г. Йоханссоном. Он укрепил на суставах испытуемогомаленькие лампочки, а затем снял на пленку различные движения испы-туемого в темном помещении. На диапозитивах, сделанных с этой пленки,были видны, естественно, лишь неподвижные светлые точки, глядя на ко-торые никто из участников эксперимента не мог определить их истинногосмысла. Однако при демонстрации самого фильма все сразу понимали, чтоже означают эти движущиеся светящиеся точки: вот кто-то идет, вот бежит,вот поднимает какой-то груз (кое-кто мог даже определить по одному лишьдвижению точек, насколько этот груз велик). По мнению известного пси-холога Михаэля Штадлера, таким способом можно узнать по походке дажепол человека, т. е. по движению снятых на пленку светящихся точек понять,мужчина идет или женщина. Каким же образом человеческому мозгу удает-ся не только распознать движение вообще, но и различить столь тонкие егоособенности? Возможно ли создать компьютер, который обладал бы такимиже способностями?

Попытаемся сначала ответить на первый вопрос. Рассматривая про-цесс зрительного восприятия, можно представить себе, что каждый участоквоспринимаемой картины прежде всего «проверяется» на наличие в немдвижущихся элементов. Очень тщательные исследования этого этапа вос-приятия были проведены Вернером Райхардтом. Эксперименты он прово-дил на существах, сильно уступающих человеку в сложности организации —проще говоря, на обычных мухах. Как показывают полученные Райхардтомрезультаты и их теоретические обоснования, у мух имеются специальныедетекторы движения, которые способны определить, насколько быстро ив каком направлении движется воспринимаемый объект. И хотя природааналогичных детекторов у человека еще не до конца разгадана, мы всеже можем предполагать, что наша зрительная система также располагаеттакого рода способностями.

При восприятии паттернов движения отдельные локальные двигатель-ные впечатления сводятся в единую целостную картину. У ученых пока нетоднозначного ответа на вопрос, как это происходит. Тем интереснее стано-вится выяснить, сможет ли наш компьютер распознать и отличить друг отдруга различные двигательные процессы.

216 Часть III

п

• I

в Е и И И

Рис. 30.1. Стробоскопическая Рис. 30.2. Стробоскопическая картинакартина движения лампочек движения другого типа

Как мы вскоре убедимся, синергетический компьютер действительноспособен и распознать объект в движении, и отличить друг от друга раз-личные объекты по характерным для каждого из них особенностям одно-типного движения; однако предварительное программирование оказывает-ся весьма и весьма трудоемким, что наталкивает нас на мысль о том, чточеловеческий мозг, по всей видимости, располагает каким-то более «остро-умным» способом решения подобных задач. Окончательной ясности в этомвопросе также нет, и новые идеи только приветствуются.

Остановимся пока что на решении, имеющемся в нашем распоряженииуже сейчас. При этом будем исходить из следующего начального условия:предположим, что люди с закрепленными на их суставах лампочками дви-жутся в одной плоскости, причем линия взгляда наблюдателя перпендику-лярна этой плоскости. Как вообще возможно только на основании видимыхдвижений лампочек сделать вывод, что перед нами движущийся человек?Единственное, что нам изначально доподлинно известно — это то, что све-тящиеся точки, соответствующие суставам одной конечности (например,плечевому и локтевому суставу), должны находиться на неизменном рас-стоянии друг от друга, ведь длина плеча или предплечья во время движенияне может измениться. Нет ничего сложного в том, чтобы велеть компьюте-

30. Восприятие движения человеком и компьютером 217

Рис. 30.3. Реконструкция услов-ной фигуры движущегося чело-века по стробоскопической кар-тине на рис. 30.1

Рис. 30.4. Реконструкция условной фи-гуры движущегося человека по стробо-скопической картине на рис. 30.2

ру рассортировать все светящиеся точки, исходя из их «принадлежности»к той или иной части тела. При этом, разумеется, предполагается, что от-дельные точки движутся, иначе будет невозможно определить, сохраняютли они постоянное расстояние между собой во время движения. Компьюте-ру довольно быстро удается «собрать» из отдельных точек, показанных нарис. 30.1 и 30.2, соответствующую условную фигурку (см. рис. 30.3 и 30.4).Следующим шагом компьютера стало определение углов при каждом су-ставе; результат можно видеть на рис. 30.5. Во время движения величинынекоторых углов, естественно, изменяются (например, углы при коленях,локтях, плечах). Для каждого типа поступательного движения характернаособая корреляция между этими углами: при ходьбе, скажем, мы размахи-ваем руками в противофазе с движением одноименных ног.

Тип движения, таким образом, можно определить через совокупностьвременных характеристик всех этих углов. Если рассматривать течение вре-мени как непрерывный процесс, то для описания каждого типа движенияпотребуется бесконечно большой набор данных. Каждому моменту време-ни мы должны поставить в соответствие определенный угол, а поскольку в

218 Часть III

Рис. 30.5. Определение углов при отдельных суста-вах

рассматриваемом случае нам придется иметь дело с бесконечным количе-ством моментов времени (поскольку течение времени непрерывно), в итогемы получим бесконечно большое количество данных (или бит). Очевидно,следует каким-то образом значительно уменьшить объем необходимой дляописания движения информации. Такое уменьшение вполне возможно, ес-ли применить тот же способ, что мы уже использовали при распознаваниисмещенных, деформированных и профильтрованных изображений. Пред-ставим кривую изменения угла в зависимости от времени в виде суммы от-дельных волновых составляющих, т. е. произведем анализ Фурье. При этомкаждая составляющая может быть полностью описана своей амплитудой ифазой. Для воспроизведения характера изменения угла, оказывается доста-точно задать амплитуды и фазы лишь нескольких волновых составляющихсоответствующего разложения.

Таким образом, нам удается получить необходимый и достаточный спо-соб кодировки двигательного процесса, который мы можем ввести в нашкомпьютер. Так же, как мы описывали изображение через распределениеуровней серого в отдельных его ячейках — пикселях, можно описать и про-цесс движения, задав совокупность амплитуд и фаз волновых составляю-щих, взятых нами для данного конкретного случая движения. Далее мыможем сохранить определенные прототипы (ходьба, бег и т.д.) в памятикомпьютера и предложить ему для распознавания какой-нибудь предвари-тельно обработанный образ. Пусть это будет, к примеру, мужчина, которыйхотя и бежит, но делает это иначе, чем этот тип движения описан в запомнен-

31. Нейрокомпьютер: традиционный путь 219

ных компьютером прототипах. Так мы сможем, с одной стороны, провестикатегоризацию различных типов движения, а с другой стороны, — аналогич-но тому, как мы вводили тонкие различия при распознавании компьютеромвыражений лица различных людей — определить характерные различия, наосновании которых компьютер сможет впоследствии различать людей попоходке (или, например, отличать прихрамывающего человека от здорово-го).

До сих пор мы исходили из условия, что человек с лампочками на суста-вах движется в плоскости, перпендикулярной линии взгляда наблюдателя.С помощью несложных геометрических соотношений можно научить ком-пьютер распознавать движения, совершающиеся в какой-либо другой плос-кости и даже в том случае, когда движущийся человек поворачивается. Таккак при этом не происходит ничего принципиально нового, мы, пожалуй,ограничимся простой констатацией возможности распознавания компьюте-ром такого движущихся объектов. Как продемонстрировали М. Штадлер иего коллеги (с помощью другой программы), компьютер также оказываетсяв состоянии отличить по походке мужчину от женщины.

Читатель, конечно же, обратил внимание на то, что применение си-нергетического компьютера требует целого ряда предварительных этаповобработки, которые нужно программировать. В то же время нам доподлин-но известно, что человеческий мозг ни в каких программистах не нуждаетсяи обходится при построении своих нервных связей собственными силами;как же быть с самоорганизацией восприятия паттернов движения? Этотвопрос, насколько нам известно, еще не решен, хотя мы недавно разрабо-тали концепцию новой нейронной сети в дополнение к синергетическомукомпьютеру. Если такой системе демонстрировать все новые и новые типыдвижения, она обучается самостоятельно осуществлять их предваритель-ную обработку и последующее распознавание. Однако все эти исследова-ния еще слишком далеки от завершения, и окончательные выводы делатьпока рано.

В этой и предыдущих главах мы говорили о синергетическом ком-пьютере и результатах его деятельности. Теперь же, для полноты картины,рассмотрим и другую концепцию — нейрокомпьютер.

31. Нейрокомпьютер: традиционный путь

Название говорит само за себя: нейрокомпьютер (т. е. нейронный ком-пьютер) — это конструкция, составленная из отдельных нейронов; приме-ром может служить человеческий мозг. Следует подчеркнуть, что при рас-

220 Часть III

смотрении подобного «устройства», нам придется смириться с огромнымколичеством упрощений — на что иные поклонники нейрокомпьютеров,конечно же, легко смогут закрыть глаза. В отличие от человеческого моз-га, насчитывающего почти сотней миллиардов нейронов, нейрокомпьютерырасполагают максимум несколькими тысячами — как в аппаратной реализа-ции, так и при программном моделировании на обычных последовательныхкомпьютерах. Нейроны человеческого мозга могут относиться к различнымтипам и сами по себе являются весьма сложными образованиями; «нейро-ны» же нейрокомпьютера представляют собой в высшей степени простыепереключательные элементы, наделенные все же некоторыми важнейши-ми свойствами, присущими настоящим нейронам. Что касается принципов,на которых основаны современные нейрокомпьютеры, то они заложеныв фундаментальной работе У. С. Мак-Каллока и У. Г. Питса, опубликованнойв 1943 году. Авторы выдвинули предположение, что нейронная сеть состоитиз отдельных связанных друг с другом элементов, способных обмениватьсясигналами. Каждый элемент должен иметь только два состояния: состояниепокоя и состояние возбуждения. В первом случае элемент не посылает ника-ких сигналов, во втором же — посылает сигналы определенной силы. Еслисумма входящих, принятых нейроном сигналов оказывается ниже некоторо-го порогового значения, то нейрон остается в состоянии покоя, в противномже случае он переходит в возбужденное состояние (рис. 31.1).

Рис. 31.1. Представление свойств модельного нейрона с двумя состояниями. Еслисумма поступающих слева сигналов меньше порогового значения, то нейрон остает-ся в исходном состоянии (слева). Как только сумма сигналов выходит за пороговоезначение, нейрон переходит в возбужденное состояние и может генерировать им-пульс (справа)

Мак-Каллок и 11итс смогли продемонстрировать, что такая сеть из свя-занных между собой модельных нейронов, обменивающихся сигналами,

31. Нейрокомпьютер: традиционный путь 221

вполне способна реализовать все логические операции, или связей (срединих, в частности, можно упомянуть такие операции, как «И» и «ИЛИ»), Дляспециалистов заметим, что в общем случае способности такой сети охва-тывают все операции булевой алгебры. Концепция Мак-Каллока и Питсалегла в основу модели, созданной Р. Розенблаттом и названной им «перцеп-троном». Розенблатт же и занимался обучением своей машины.

В США правит бал жесткая конкуренция, и научные круги не являют-ся исключением. В то время в рамках имеющегося спроса на проведениеисследований по искусственному интеллекту были изысканы средства —прежде всего из военного бюджета — которые и распределили между разра-ботчиками так называемых последовательного и параллельного компьюте-ров. В последовательных компьютерах, к которым можно отнести все меха-нические вычислительные машины, а также почти все существовавшие ужетогда и используемые в наши дни электронные компьютеры, все операциипроизводятся последовательно. И вот после того, как в 50-е годы выяс-нилось, что такие вычислительные машины могут обрабатывать не толькочисла, но и символы — на что способен любой современный «текстовыйредактор» — казалось, что наконец-то пробил час искусственного интеллек-та. Ведь ведущие представителей этой новой отрасли науки единодушноутверждали, что человеческое мышление представляет собой не что иное,как совокупность последовательных процессов обработки символов.

Другим путем пошли разработчики параллельного компьютера (в част-ности, прежде всего, нейрокомпьютера), обрабатывающего информацию непоследовательно, а одновременно, т. е. параллельно. В те времена было ещесложно предсказать, какая из компьютерных концепций имеет больше шан-сов на успех. Однако вскоре параллельному компьютеру в лице перцептронабыл нанесен сокрушительный удар, и нанес его Марвин Мински в своейкниге «Вычисление: конечные и бесконечные машины»2 (в сотрудничествес С. Пейпертом). В книге, в частности, говорилось о том, что перцептрон,среди прочего, оказывается не в состоянии выполнить некую логическуюоперацию (так называемую операцию исключающего «ИЛИ»), Операцияисключающего «ИЛИ» заключается в том, что если два входных сигналаимеют одинаковое значение, то на выходе должен получиться нуль, еди-ницу же на выходе получаем только тогда, когда одно из входных значе-ний равно единице, а другое — нулю. Дальнейшие разработки перцептронабыли в результате прекращены, и о нем позабыли все, кроме немногихэнтузиастов.

2Marvin L.Minsky. Computation: Finite and Infinite Machines, 1967.

222 Часть III

Триумфальное возвращение нейронных сетей состоялось только в на-чале 80-х, когда наши представления о составляющих их элементах (т. е.нейронах) претерпели некоторые изменения, вследствие чего проблема ис-ключающего «ИЛИ» оказалась весьма просто решаемой. Одно из измененийзаключалось в том, что ступенчатая зависимость от порогового значения,допускавшая только значения «1» и «0» (или «да» и «нет»), была замененагладкой S-образной кривой (рис. 31.2). Смысл такого изменения нагляднеевсего можно представить так: на месте прежнего жесткого «да» или «нет»появилось теперь более мягкое «возможно». Иными словами, нейрон можетгенерировать импульс и тогда, когда сумма входящих сигналов окажетсяниже порогового значения; когда же сумма входящих сигналов превыситпороговое значение, нейрон вовсе не обязательно немедленно перейдет ввозбужденное состояние. Кроме того, однослойная сеть перцептрона былазаменена трехслойной (см. рис. 31.3).

1 •

Рис. 31.2. Так называемая пороговая кривая. По горизонтали отложена величина по-ступающего сигнала 5; при этом So — пороговое значение. По вертикальной осиотложена вероятность, с какой нейрон при получении сигнала соответствующейсилы перейдет в возбужденное состояние. Слева: если S < So, то вероятность пе-рехода равна нулю; при S > So вероятность скачкообразно возрастает до единицы,т. е. нейрон обязательно переходит в возбужденное состояние. Справа: здесь скачоккривой отсутствует, а изменение происходит плавно. Уже при некотором S < Soнейрон может с ненулевой вероятностью перейти в возбужденное состояние. Когдаже сила сигнала превышает So, нейрон не обязательно переходит в возбужденноесостояние, хотя вероятность перехода очень высока

Особенно интересным примером такой сети является так называемыйадаптивный фильтр (рис. 31.3), состоящий из входного слоя, слоя с такназываемыми скрытыми переменными и выходного слоя. При этом ней-роны каждого из слоев, не связанные между собой внутри слоя, связаны

31. Нейрокомпьютер: традиционный путь

О. О „О

223

Рис. 31.3. Адаптивный фильтр, состоящий из трех слоев. Нейроны внутри каждогослоя не связаны между собой, но связаны с нейронами других слоев, причем пе-редача сигналов осуществляется только от вышележащего слоя к нижележащему.Модельные нейроны представленного здесь адаптивного фильтра обладают совер-шенно иными свойствами, нежели модельные нейроны синергетического компью-тера

с нейронами других слоев, причем передача осуществляется только от вы-шележащего слоя к нижележащему. Связи эти характеризуются некоторы-ми синаптическими силами и могут формироваться в процессе обучения.Смысл же такой конструкции заключается в следующем: на вход фильтраподаются определенные сигналы, при этом заранее задано, что должно по-лучиться на выходе. В каждой отдельной пробе фильтр выдает на выходенекоторое значение, которое затем сравнивается с ожидаемым значением.Если они не совпадают, синаптические силы изменяются до тех пор, покатребуемое совпадение не будет достигнуто. Перед нами, таким образом,сеть, способная к обучению, пусть это обучение и требует присутствиячеловека.

Одним из наиболее известных случаев такого обучения стал экспери-мент Терренса Сейновски, который обучал нейронную сеть чтению текстовна английском языке вслух. Сложность английского языка заключается втом, что произношение отдельных букв не жестко определено, а зависитот позиции, занимаемой буквой в слове и от окружающих ее букв. Так,например, буква «а» в слове «arm» произносится совершенно иначе, чем вслове «ash». Читатель очень легко сможет представить себе процесс такогообучения: на вход нейронной сети подавались все новые и новые напи-санные слова. По ходу дела определенные подаваемые на вход буквенныекомбинации объявлялись «недействительными», а синаптические связи с

224 Часть III

соответствующими им нейронами среднего слоя обнулялись; другие бук-венные комбинации признавались действительными, в результате чего ввыходной слой отправлялся определенный сигнал, который, пройдя черезпроцедуру фонетического кодирования, превращался затем в особом син-тезаторе в звуки речи. Поскольку неверное «произношение» исправляетсяздесь посредством обратной передачи сигнала от нижнего слоя к средне-му, и далее к верхнему, такой способ обучения называют также методомобратной передачи (англ. back propagation) — следует, впрочем, заметить,что этот принцип открывали уже несколько раз, из чего можно заключить,что он довольно-таки очевиден. Хотя упомянутый принцип сформулировандостаточно четко, его практическое применение связано с рядом неясно-стей. Каким должно быть количество элементов среднего слоя для решениястоящей перед нами задачи распознавания образов? Как долго продлитсяпроцесс обучения? Сколько образов следует сохранить в памяти такой сетидля успешного распознавания? Общих характеристик и средних значенийздесь недостаточно — для решения конкретных задач необходимы конкрет-ные исходные данные. Как показывают компьютерные испытания, попыткасохранить в такой сети новый образ в дополнение к уже существующимможет привести к уничтожению результатов всего предыдущего процессаобучения.

В физике концепция нейронных сетей вызвала особый интерес бла-годаря исследованиям Джона Хопфилда. В 1981 году Хопфилду удалосьпоказать, что нейронную сеть можно реализовать в модели так называемыхспиновых стекол. Небывалый резонанс, вызванный среди физиков работойХопфилда, интересен и с точки зрения теории науки. Еще до ХопфилдаУильям А. Литтл предложил модель нейронной сети, полностью аналогич-ную хопфилдовой, однако она осталась почти незамеченной из-за одногосвоего маленького «недостатка»: она не имела никакого отношения к те-ории спиновых стекол. Чрезвычайно сложными проблемами, связаннымисо спиновыми стеклами, занимались многие выдающиеся физики, однакоконкретных примеров практической реализации спиновых стекол насчи-тывалось, к сожалению, до обидного мало. И вот появляется работа Хоп-филда, обратившегося к моделированию деятельности мозга и открывшего,тем самым, перед теоретической физикой новые горизонты, связав процес-сы распознавания с долинами среди «энергетических холмов» — об этойконцепции мы, впрочем, уже говорили в 1977 году.

Что же собственно представляют собой эти загадочные спиновые стек-ла? И что общего у них может быть с нейронными сетями? Подобно тому,как модельные нейроны Мак-Каллока и Питса обладают двумя состояния-

31. Нейрокомпьютер: традиционный путь 225

ми, двумя состояниями характеризуется и спин (который представляет со-бой не что иное, как миниатюрный магнитик): эти состояния обозначаютсякак «вверх» и «вниз». В атомах твердого тела локализуются только спины,находящиеся в одинаковых состояниях и вступающие во взаимодействиепопарно. При взаимодействии одинаково направленных спинов их энергияувеличивается; то же самое происходит и в магнитах, где, как известно,одноименные полюса отталкиваются, а разноименные притягиваются. Ра-зумеется, в спиновом стекле спины могут находиться в различных состо-яниях. При этом сила взаимодействия (т. е. увеличение или уменьшениеэнергии) между двумя спинами (обозначим их через j и h) может изме-няться в очень широком диапазоне в зависимости от расположения этихспинов и расстояния между ними (см. рис. 31.4). Можно даже вообразить,что эта сила взаимодействия каким-то образом устанавливается извне, хо-тя на сегодняшний день осуществить такое воздействие не представляетсявозможным.

На что же годится сеть, состоящая из таких взаимодействующих спи-нов? Представим себе, что спины в спиновом стекле расположены так,что образуют в совокупности некий образ — например, прямоугольник, какна рис. 31.5. Взаимодействия между отдельными спинами выберем такимобразом, чтобы спиновое стекло находилось в состоянии с минимальнойэнергией тогда, когда все спины внутри центрального прямоугольника ока-зываются сориентированы в одном направлении, а все остальные спины —в другом. Теперь вообразим такое состояние спинового стекла, при которомтолько часть спинов центрального прямоугольника сориентирована в «пра-вильном» направлении — оказавшись в таком состоянии, спиновое стеклобудет стремиться достичь состояния с минимальной энергией, при этом все«неправильные» спины внутри прямоугольника развернутся и займут долж-ное положение. Обобщая эту идею, можно сохранить в спиновом стекленекоторое количество образов, выстроив соответствующие конфигурацииспинов. Приведя затем такую систему в состояние, соответствующее фраг-менту какого-либо образа, мы можем ожидать, что система устремится всамое энергетически выгодное состояние, попутно восстанавливая «предъ-явленный» фрагмент до полного образа. Можно сказать, что спиновое стек-ло функционирует как ассоциативная память.

Разумеется, такое «дополнение образа» будет происходить не всякийраз. Существует множество энергетических минимумов, никак не связан-ных с сохраненными образами, но возможных для спинового стекла. Инымисловами, спиновое стекло «обнаруживает» при этом новые образы, которыенам совсем не нужны. Вместо того, чтобы в ответ на имя Алекс Мюллер

226 Часть III

0

0

о

о

о

о

о

О

О

О

О

О

о

о

о

о

о

о

О

О

О

О

о

о

о

0

О

0

О

О

о

о

о

О

О

о

о

о

о

X

X

X

О

О

О

О

О

О

X

X

X

0

0

О

0

0

о

X

X

X

О

О

о

О

О

о

X

X

X

о

О

о

о

0

о

О

о

о

о

о

о

0

0

О

О

0

О

0

0

о

О

О

о

О

О

о

0

0

о

О

О

о

о

О

о

о

о

о

Рис. 31.4. Сеть Хопфилда,между модельными ней-ронами (спинами) которойдействуют определенныеСИЛЫ СВЯЗИ (Jjh)

Рис. 31.5. Расположение спиновс сохранением образа централь-ного прямоугольника. Крестикамиобозначены спины, направленныевверх, а кружками — спины, на-правленные вниз

Е

Рис. 31.6. Проявление нежелательных минимумов в распределении энергии в нейро-компьютере. Горизонтальные координаты соответствуют различным конфигурациямспинов, по вертикали откладывается их энергия Е. Только самый глубокий мини-мум на кривой распределения энергии действительно соответствует сохраненномуобразу. Другие минимумы энергии соответствуют нежелательным конфигурациямспинов. Чтобы избежать влияния нежелательных минимумов, используют различ-ные методы, в особенности, так называемую имитацию нагрева, при которой шарикс помощью случайных колебаний в конце концов достигает самого глубокого ми-нимума. Описанный метод требует весьма значительных затрат времени и при этомне гарантирует полного успеха

31. Нейрокомпьютер: традиционный путь 227

сообщить нам его верный телефонный номер 8743, спиновое стекло выда-ет, например, номер 7643. Физиками был разработан целый ряд методов,обеспечивающих относительно надежный переход спиновой сети только вверные и желаемые состояния (например, имитация нагрева). При нагрева-нии кристаллических или аморфных твердых тел (в нашем случае, стекла)тепловое движение атомов становится интенсивнее, т. е. усиливаются слу-чайные колебания отдельных атомов. Такие колебания можно не толькомоделировать математически, но и «назначать» отдельным спинам компью-терной модели. Но так как энергия спина зависит от его положения (ко-торое, как известно, случайно), в результате случайных колебаний энергияспина может приобрести сколько угодно малое значение. Для решения этойпроблемы был разработан своего рода «отладочный» процесс, призванныйисключать из рассмотрения нежелательные спиновые конфигурации, соот-ветствующие ложным минимумам энергии, а желательные конфигурации,напротив, погружать в еще более глубокие энергетические ямы (рис. 31.6).Если случайные колебания оказываются слишком велики, может возник-нуть и обратный эффект, и поиски пойдут по ложному следу, т. е. системаустремится к энергетическому максимуму! Определение нужной величиныслучайных колебаний (которая, впрочем, еще не раз изменится в процес-се поиска энергетического минимума) требует от программиста большогоопыта и известной чуткости рук. Едва ли результатом долгой эволюциимозга мог оказаться столь трудоемкий и ненадежный способ.

Подведем итог. Рассмотрев сегодняшнее положение дел в области ней-рокомпьютерных исследований, мы обнаружили огромное количество все-возможных трудностей, которые ученым еще предстоит преодолеть. На дан-ный момент не существует общей теории обучения, способной дать отве-ты на поставленные нами вопросы относительно количества нейронов илискрытых переменных, необходимых нейрокомпьютеру для решения кон-кретных задач. Неизвестно также, как долго должен длиться процесс обу-чения и как добиться того, чтобы введение новых данных не разрушалоуже достигнутых в обучении результатов. До сих пор нейронные сети рас-полагали лишь относительно небольшим количеством нейронов и, еслиможно так выразиться, страдали «галлюцинациями» (т. е. нежелательнымиэнергетическими минимумами, о которых мы говорили выше). Наконец,нейрокомпьютеры могут работать только с образами, лишенными оттенковсерого (иначе говоря, с образами, состоящими лишь из черных и белыхпикселей). Ни одной из перечисленных проблем у синергетического ком-пьютера не возникает. Одно это могло бы стать достаточным основаниемдля разработки синергетического компьютера как модели мозга. Есть, од-

228 Часть III

нако, и более фундаментальная причина. Спиновое стекло представляетсобой замкнутую систему, для сохранения состояний которой не требуетсяни энергии, ни вещества — иными словами, типичный образчик мертвой ма-терии. Состояния синергетической системы остаются неизменными лишьпри условии постоянного притока энергии или вещества, так что она гораз-до ближе к системам, функционирующим в живой природе. Вернемся жек синергетическому компьютеру: до сей поры мы держали читателя в неве-дении относительно возможностей обучения синергетического компьютера,теперь пришло время наверстать упущенное.

32. Обучение синергетического компьютера

Как нам известно из главы 7, у людей и животных процессы обучениямогут быть сведены к закреплению определенных изменений, происходя-щих в синапсах. Как же выглядит процесс обучения в случае синергети-ческого компьютера? Для начала отметим, что синергетический компьютеризначально располагает некоторыми заранее установленными силами «си-наптических» связей, которые непосредственно определяются из заданныхпрототипных образов. Об этом мы уже говорили в главе 18. Нет никакого со-мнения в том, что в человеческом мозге ничего подобного нет; соединениямежду синапсами возникают самостоятельно посредством самоорганиза-ции.

Можно ли добиться от синергетического компьютера сколько-нибудьположительных результатов в обучении, поставив его в такие же условия?Принципиально это возможно, однако требует весьма и весьма объемистогоматематического обоснования, которое в рамках данной книги мы, разуме-ется, предоставить просто не в состоянии. Именно по этой причине мы издесь воспользуемся одним очень наглядным представлением, тесно свя-занным с тем, что мы описывали ранее, в главе 19. Там мы убедились, чтопринцип работы синергетического компьютера можно продемонстрироватьс помощью потенциального холмистого ландшафта, по которому катаетсямяч или шар. Положение мяча описывает «воспринимающее состояние»компьютера, а долины соответствуют сохраненным прототипам. Преждевсего подумаем, как же на основании предложенных прототипов сконстру-ировать такой ландшафт? Представим себе плоскую поверхность, котораябудет до некоторой степени олицетворять состояние человеческого мозга(или нашего синергетического компьютера) при отсутствии каких бы то нибыло воздействий извне. Каждой точке этой плоскости соответствует некийобраз. Представим также, что в действительности образ существует в неко-

32. Обучение синергетического компьютера 229

тором пространстве более высокой размерности, так что в данном случаеперед нами лишь двумерная проекция связей и отношений, имеющих местов упомянутом многомерном пространстве.

В таком представлении координаты х и у (т. е. значения, отложенные поосям х и у) соответствуют значениям серого в двух пикселях. Далее пред-ставим, что наша плоская поверхность сделана из некоей пластичной суб-станции, поддающейся деформации и сохраняющей приданную ей формудо следующего воздействия. Когда системе предлагается для запоминаниянекий образ, это означает, что в точку, соответствующую этому образу, мыпомещаем стальной шарик, который вдавливается в пластичный материалповерхности. Часто случается так, что из-за различных внешних помех (из-менение освещения или зашумленность) образы, относящиеся к одному итому же лицу или символу (например, букве), оставляют «след» не точнов той же точке; так в поверхности образуются скопления близко располо-женных углублений, т.е. каждому из прототипных образов соответствуетуже не одна-единственная точка, а некоторая совокупность точек, при этомрасстояния между отдельными скоплениями (или различия между разнымипрототипами) по-прежнему остаются относительно большими, при каждомновом предъявлении одного или нескольких образов наш стальной шарикоставляет в поверхности соответствующие углубления, формируя тем са-мым весьма наглядный ландшафт с холмами и долинами.

В случае синергетического компьютера обучение означает «запечатле-ние» в самом буквальном смысле этого слова. Поверхность получаемоголандшафта в каждой отдельно взятой долине приобретает, разумеется, — всилу особенностей построения этого самого ландшафта — довольно непра-вильную форму, которую, впрочем, можно до некоторой степени сгладить.В результате возникает ландшафт, похожий на тот, что представлен нарис. 19.1. Применяя описанный метод можно «выучить» компьютер рас-познавать также зашумленные и деформированные изображения; для этогодостаточно раз за разом предъявлять ему эти изображения (например, фото-графии людей, которых компьютер должен опознавать), подвергшиеся темили иным модификациям. Именно таким образом и сглаживаются неровно-сти холмистого ландшафта. Пример такого сглаживания можно видеть нарис. 32.1. С той же целью можно предъявлять компьютеру и частично скры-тые прототипы, примеры которых показаны на рис. 32.2. Несмотря на то,что скрывающие изображение «заплатки» располагаются всегда в разныхместах прототипных образов, компьютеру удается реконструировать такиеизображения, отфильтровывая помехи и безошибочно воссоздавая идеаль-ные прототипы; этот процесс проиллюстрирован на рис. 32.3.

230 Часть 111

iJ a)

6)

Рис. 32.1. (а) Процесс обучения синергетического компьютера. Компьютеру после-довательно предлагаются изображения лиц: оригинальные (вверху) и зашумленные(внизу), (б) Компьютер оказывается способен не только воссоздавать оригинальныеизображения, но и формировать одновременно с этим новые синаптические связи

32. Обучение синергетического компьютера 231

Шы чЪ&З1'

Рис. 32.2. Процесс обучения синергетического компьютера. Компьютеру последова-тельно предлагаются частично скрытые изображения лиц

Рис. 32.3. Из предложенных изображений (рис. 32.2) компьютер оказывается спо-собен не только восстановить оригинальные изображения, но и реконструироватьодновременно с этим синаптические связи

232 Часть 111

ш!' Т/ «.

Рис. 32.4. Предложенные компьютеру изображения

i$№

,«*»

Рис. 32.5. Из предложенных портретов (рис. 32.4) компьютер должен был создатьобщий усредненный прототипный образ. Представленная последовательность отра-жает процесс создания этого «идеального» лица

mmmШтт

'+•1 -7,

щтт,

Рис. 32.6. Если компьютеру предложить еще один портрет и позволить создать наего основе новый прототипный образ, отличный от показанного на рис. 32.5, то прираспознавании компьютеру удастся восстановить оба прототипа

33. Мозг и идеал красоты 233

Таким образом, мы видим, что каждому холмистому ландшафту со-ответствует совершенно определенный рисунок сил синаптических связей.Построение ландшафта одновременно означает и формирование синапти-ческих связей; собственно говоря, построение ландшафта явилось для наслишь способом продемонстрировать процесс формирования синаптическихсвязей. Здесь, однако, имеется еще один подводный камень, который, впро-чем, очень быстро обнаруживается, если не пускать деформацию ландшаф-та на самотек. Если один из двух образов предъявляется чаще, чем другой,то его «долина», разумеется, становится значительно глубже, чем «доли-на», соответствующая второму образу. В человеческом мозге, однако, этотфеномен проявляется лишь в очень ограниченной степени: хотя буква «Е»встречается нам на письме гораздо чаще, чем, скажем, буква «X», мы всеже выучиваем букву «X» ничуть не хуже, чем букву «Е». По всей види-мости, нам следует ввести в нашу модель еще один механизм, которыйследил бы за тем, чтобы долины получались одинаковой глубины. Достичьэтого, очевидно, очень просто — нужно лишь «вдавливать» поглубже тедолины, которые оказываются недостаточно глубоки. Тот же эффект имеети соответствующая деформация синаптических сил; при этом можно даже«назначать» одной долине несколько прототипов, причем не обязательноодинаковых. Таким образом можно осуществлять категоризацию образов.

Мы можем, например, указать компьютеру, что лица, портреты кото-рых помещены на рис. 32.4, следует отнести к одной долине. Компьютерсоздаст на некотором участке поверхности долину, учитывающую макси-мальное количество общих черт указанных лиц. Сгенерированное такимискусственным образом лицо показано на рис. 32.5. Можно сделать и сле-дующий шаг: предложить компьютеру еще один портрет, указав при этом,что изображенному на нем лицу следует сопоставить другую долину, отлич-ную от уже созданной. Компьютер решит поставленную задачу без какихбы то ни было затруднений, создав при этом новые синаптические связи,которые сделают возможным различение между группой лиц с рис. 32.4и лицом с рис. 32.6, но не между лицами, принадлежащими первой группе(рис. 32.5).

33. Мозг и идеал красоты

В ходе проверки синергетического компьютера на предмет наличияспособности к различению выражений лиц, мы установили, что ему этоудается самым блестящим образом, если позаботиться прежде о том, чтобы

234 Часть 111

Рис. 33.1. «Идеальный рекрут» прусской армии. Изображение получено путемусреднения представленных здесь фотографий

в его памяти был сохранен для каждого выражения лица особый прототип,созданный путем наложения одна на другую фотографий многих людей.Разумеется, это вовсе не обязательно должны быть фотографии только от-дельных участков лиц (как в главе 21), можно брать за основу усредненногопрототипа и все лицо целиком. Если проделать такую операцию, не сор-тируя лица по мимике, обнаруживается нечто удивительное: полученное врезультате усредненное лицо оказывается не просто правильным (в смыс-ле расположения своих черт), но даже, возможно, красивым. Такого родаусредненные представления не новы. Например, в прусской армии был со-здан образ «идеального рекрута» (рис. 33.1). В замечательной книге ИнгоРенчлера и др.3 приведено полученное таким способом усредненное изоб-ражение женского лица (рис. 33.2). Это лицо, хотя и слегка «размазанное»

3I.Rcntschlcr. В. Hcrzbcrgcr. D. Epstein. Beauty and the Brain. 13ascl/13oston/13crlin. 1988.

33. Мозг и идеал красоты 235

Рис. 33.2. Лицо «идеальной жен-щины», созданное путем усредненияпредставленных слева фотографий

(особенно в области рта), все же кажется нам — должны признаться — поменьшей мере, привлекательнее иных лиц, внесших в него свой вклад.

В этой связи в новом и интересном свете предстает взаимосвязь междуэстетическим восприятием и целесообразностью. Для нашего компьютера,решающего задачу распознавания выражения лица, будет в высшей степе-ни целесообразным, если мы предоставим в его распоряжение необходимыеусредненные изображения. Аналогичным образом должно обстоять дело иу людей. В самом деле, процесс распознавания также происходит у насс меньшими затратами, когда мы запоминаем усредненные образы; при-рода же по своему обыкновению решила некогда совместить полезное сприятным, т. е. целесообразность с эстетическим удовольствием, благодарячему такое усредненное лицо представляется нам ко всему прочему еще икрасивым. Однако было ли это лицо заложено в нашем мозге изначально,или попало туда в детстве в процессе обучения? Принимая во внимание

236 Часть III

невероятную приспособляемость мозга, можно предположить, что верно,скорее всего, последнее — и подобным вещам мы все-таки обучаемся. Тогдавозникает очередной интересный вопрос: как такое обучение происходиту разных народов? Если принять наш случай за типичный, то приходитсяпредположить, что и у японцев, например, возникает свое представление окрасоте через усреднение их японских лиц. А если рассматривать все чело-вечество в целом — иными словами, что мы получим, если усредним всехмужчин и всех женщин всевозможных рас и народностей? Ответы на этивопросы, как нам думается, будут найдены в самом ближайшем будущем.

Вместе с тем прояснятся, вероятно, и еще более глубокие взаимосвязи,относящиеся к вопросу о том, как человеческий мозг в общем случае созда-ет категории. Наши примеры распознавания мимики указывают на то, чтов основе этого процесса лежит усреднение. С другой стороны, существу-ют такие категории, когда усреднение попросту невозможно. Попроситенескольких человек назвать не раздумывая какой-нибудь цветок — многиеназовут розу, попросите назвать инструмент — назовут молоток, а уж дикимживотным непременно окажется лев. В этих случая мозг, по всей види-мости, работает с представителями категории, а никак не с усредненными«величинами». А как же нам быть с такой категорией, как «человек»? Есливас попросят представить себе лицо человека, то появится ли перед ва-шим мысленным взором лицо какого-то определенного человека или жеэто будет некое «идеальное лицо», т. е. усредненная величина? Возможно,случится так, что и то, и другое сольются воедино — вспомните Мону Лизу.Так мы снова возвращаемся к вопросу о том, на чем основывается нашечувство прекрасного. Не кажется ли нам роза прекрасной лишь потому, чтопредставляет собой как раз такую «усредненную величину»? Усредненнуюот чего? Усредненный цветок, полученный наложением друг на друга изоб-ражений всевозможных цветов? Едва ли, ведь цветы различных растенийзачастую обладают и разной симметрией, и в результате наложения их всехмы не получим ничего, кроме более или менее гомогенной каши. Что жетакое есть в человеческом лице, что кажется нам столь очевидно связаннымс задачей распознавания и чего недостает розе?

34. Восприятие есть создание реальности

В главах с 16 по 32 мы попытались всесторонне рассмотреть вопрос,насколько воспроизводима посредством синергетического компьютера че-ловеческая способность восприятия зрительных впечатлений. При этом мы

34. Восприятие есть создание реальности 237

довольно широко пользовались одной далеко ведущей аналогией междураспознаванием образа и созданием такового, причем в последнем слу-чае мы могли опираться на фундаментальные основы синергетики. В на-стоящей главе мы делаем следующий шаг и утверждаем, что распозна-вание образов и есть создание образов. Разумеется, следует сразу опре-делить, какого рода образы мы имеем в виду, когда говорим о созда-нии образов. Как нам известно, нейронная сеть может не только сохра-нить целый набор всевозможных образов, но и «вспомнить» их впослед-ствии в результате воздействия определенного ключевого внешнего раздра-жителя. Таким образом, внутри распознающей системы может быть «со-здан» или — выражаясь осторожнее — воссоздан весь внешний мир, при-чем действительно или мнимо отсутствующий материал будет произведендля этой цели самой системой. Осуществляется этот процесс на основа-нии опытных и ожидаемых данных, тем или иным способом сохраненнымсистемой.

Такая интерпретация опирается не только на описанные нами меха-низмы функционирования нейронных сетей, но и подтверждается нашейреакцией на фигуры Канижи (см. рис. 5.9). Фундаментальные исследова-ния нейронов мозга обезьян, проведенные группой цюрихских ученых воглаве с Гюнтером Баумгартнером, показывают, что генерировать нервныеимпульсы могут не только нейроны, возбужденные поступившими извнепо зрительным нервам сигналами; их деятельность дополняется нервнымиимпульсами нейронов, не подвергшихся непосредственному раздражению,но участвующих в воссоздании (дополняя его на основе запомненного) то-го же образа, что и первые. Например, обезьяне показывают изображениеразорванной прямой; реагируют на это изображение не только те нейро-ны, что воспринимают два разделенных отрезка, но и те, что «обращаютвнимание» на необычную пустоту между этими отрезками.

Наши идеи ведут к новой интерпретации роли внутреннего вызовамысленных изображений к постановке некоей проблемы, которая, впрочем,широко и ожесточенно обсуждается сегодня представителями когнитивныхнаук. В нашей интерпретации различие между образами, вызванными чи-сто мыслительными процессами, и образами, вызванными раздражителямивнешнего мира, может быть весьма малым или вовсе отсутствовать. Вы-званные внешними раздражителями образы практически — по крайней ме-ре, в общем случае — не нуждаются в «дополнении». Хотя, конечно, можетстаться, что и они дополняются, и в гораздо большей степени, чем мы фак-тически воспринимаем и осознаем. В качестве примера можно привести

238 Часть III

чтение: зачастую всего по нескольким буквам мы воссоздаем слово цели-ком, не дав себе труда прочесть все буквы, и составляем из таких слов целыепредложения. Порой мы ловим себя на том, что буквы «дополнились» не вто слово, но только после того, как мы осознаем смысл всего предложения,мы понимаем, насколько сильно ошиблись при первом, беглом прочтении(т. е. прочтении с «дополнениями»).

Наши результаты проливают новый свет и на понятие «гештальта».Гештальт воспринимается нами двояко. С одной стороны, мозг способендополнять отсутствующий материал (как, например, в случае деформи-рованных, зашумленных или профильтрованных изображений). С другойстороны, образ может быть распознан независимо от его положения в про-странстве и упомянутых деформаций. Иными словами, концепция гешталь-та обладает свойством инвариантности.

Разумеется, многие вопросы так и остаются открытыми. Насколько,например, мыслительные способности человеческого мозга основаны на ге-нетической программе или какова роль самоорганизации в возникновенииэтих самых мыслительных способностей? Эти вопросы порождают следую-щие — скажем, такой: насколько мозг в своем морфогенезе (т. е. в созданиипаттернов активности) повторяет разрабатываемые нами структуры? Есте-ственно ответы на все вопросы можно найти только путем сотрудничестватеоретиков синергетики, нейрофизиологов и психологов, причем мы имеемоснования полагать, что синергетика со своей концепцией распознаванияобразов будет играть в этом сотрудничестве влиятельнейшую и постоянновозрастающую роль.

Из предыдущего изложения нам известно, что синергетический ком-пьютер может быть реализован различными способами, в том числе и пу-тем моделирования всего процесса на последовательном компьютере. Од-нако мы познакомились и с реализацией синергетического компьютера ввиде совершенно параллельной сети, причем возможна и альтернативнаяпараллельная реализация — основанная на так называемых «бабушкиныхклетках». На первый взгляд может показаться, что последовательные и па-раллельные реализации синергетического компьютера различаются лишьстепенью сложности, качественных же различий между ними нет. В стро-го математическом смысле это действительно так: обе могут быть сведенык одной и той же так называемой машине Тьюринга, а значит, полностьюэквивалентны. Однако с нашей точки зрения между последовательной и па-раллельной реализациями синергетического компьютера существует огром-ная разница.

34. Восприятие есть создание реальности 239

При последовательной обработке данных — т. е. когда за каждый от-дельный такт обрабатывается некоторое определенное количество инфор-мации — нам не удастся в подлинном смысле распознать пространственныйобраз. При параллельной же обработке образ возникает у нас буквальноперед глазами, и мы легко можем сопоставить этот образ с определен-ными паттернами возбуждения в нашем мозге. В этом заключается прин-ципиальное различие между последовательным и параллельным способа-ми обработки данных. Параллельная обработка, среди прочего, позволяетосуществлять локальный возврат к отдельным фрагментам воспринятогосодержания. Здесь можно провести аналогию с сохранением музыки награмпластинке или компакт-диске — с одной стороны, и на магнитной лен-т е — с другой. Чтобы отыскать нужный фрагмент музыки на магнитнойленте, нам приходится ее перематывать, тогда как на грампластинке иликомпакт-диске в любой момент времени открыт доступ к любому фраг-менту. Преимущество полной открытости доступа к данным при парал-лельной обработке заключается не столько в сокращении времени обра-ботки, сколько в ее одновременности. С магнитной ленты два фрагмен-та можно прослушать только в разные промежутки времени, при парал-лельной же обработке мы можем одновременно отыскать в предложен-ном образе и обработать на только две, но и гораздо большее количе-ство деталей. Мы даже можем обработать весь образ сразу, как единоецелое. Таким образом, обсуждаемый в иных книгах вопрос о том, явля-ется ли человеческий мозг своего рода машиной Тьюринга, просто невер-но поставлен. Даже если бы мозг в процессе своей деятельности моде-лировал машину Тьюринга, некоторые аспекты этой деятельности оказа-лись бы качественно совершенно иными. По некотором размышлении мыприходим также к тому, что процесс зрительного восприятия заключает-ся не в обработке некой последовательности сигналов (как утверждаютведущие теоретики от искусственного интеллекта); речь, скорее, может ид-ти о непрерывном создании паттернов возбуждения, которые как таковыене несут в себе отдельных символов. Для компьютера это возбуждениебудет только электрическим, для мозга же — как электрическим, так ихимическим.

Протекающие в синергетическом компьютере абстрактные процессыможно описать через изменение с течением времени его состояния, кото-рое наглядно представляется как положение шарика среди потенциальныххолмов; после всех своих метаний шарик наконец находит покой на днеодной из долин, что и означает окончание процесса распознавания обра-

240 Часть III

за. Как только шарик достигает нужной долины, задача системы оказыва-ется выполненной, т.е. образ распознан. Следует, однако, упомянуть и отом — весьма фундаментальном, на наш взгляд — обстоятельстве, что, какпоказывают наши эксперименты с синергетическим компьютером, целыйряд непосредственно связанных с восприятием процессов нельзя описатьс помощью этой простой картины; к таким процессам относится, напри-мер, анализ сложных сцен. Компьютер справляется с подобными задачамитолько в том случае, если долины обладают собственной динамикой, т. е.,проще говоря, самостоятельно приподнимаются по распознании соответ-ствующего образа, выравниваются в плоскость или даже перерождаютсяв холмы. Ландшафт в этом случае постоянно изменяется под воздействи-ем предлагаемых конкретных сцен по мере распознавания составляющихих объектов. Картина соединенных друг с другом нейронов или синапсовс постоянными силами связи здесь уже не подходит. Свою непременнуюроль в этом процессе играет и эффект насыщения внимания, особенновыразительно проявляющийся в осцилляциях при восприятии «двойныхкартинок».

Можно, таким образом, утверждать, что наша холмистая местностьсо всеми ее долинами и их аттракторными состояниями оказывается лишьпервым приближением к решению проблемы восприятия: потенциальныйландшафт оказывается подвержен постоянным изменениям под воздействи-ем самых различных факторов. Факторы эти могут быть, с одной стороны,внешними: так распознанный объект влияет на параметр внимания и, какследствие, на силу синаптической связи; с другой стороны, этот же параметрвнимания формируется и изменяется изнутри. Параметр внимания оказы-вается, таким образом, обусловлен не только воспринимаемыми реалиями,но и эмоциями и многими другими, не менее влиятельными факторами.Мы знаем, что процесс зрительного восприятия совершенно не похож назапечатление картинки на фотопластинке — в мозге протекает огромноеколичество разнообразных и взаимосвязанных процессов: анализ и синтезобразов и сцен, фильтрация и многие другие.

Вся эта деятельность поддерживается с помощью несложных физио-логических процессов. Так, известно, что глаз не направлен в одну точку,а совершает характерные прерывистые движения; при этом зрачок не фо-кусируется на отдельных объектах, а подвержен непрерывным колебани-ям. В нашем распоряжении имеется в высшей степени тонко настроеннаяи пребывающая в постоянном движении система распознавания образов,механические детали которой теснейшим образом скоррелированы с нерв-

35. Другие вопросы, связанные со зрительным восприятием 241

ными возбуждениями в коре головного мозга. С помощью этой системымы создаем картину внешнего мира, причем действительно скорее «созда-ем», нежели просто «воссоздаем». Многое мы привносим из собственно-го опыта. Допустим, вам особенно понравилась какая-то местность, и вырешили сфотографировать ее; а разглядывая затем готовые фотографии,вдруг обнаруживаете, что местность кажется вам уже иной, не той, что высохранили в памяти, не той, какую вы в действительности видели. Нашмозг синтезирует внутри себя свои собственные ландшафты, причем за-коны перспективы в этом процессе иногда принимают весьма необычныеформы.

Многих вопросов мы здесь не касались совсем. Безусловно, важнуюроль в описанных процессах играет память — как краткосрочная, так и дол-говременная (а возможно, и среднесрочная). Совершенно очевидно, что намеще предстоит решить ряд очень непростых задач, если мы действительнохотим с помощью компьютера воспроизвести процессы зрительного вос-приятия в том же виде, в каком они протекают в мозге. С другой стороны,первый шаг в этом направлении мы уже сделали, и — как нам представля-ется — этот шаг помог нам обрести новое видение проблемы, опирающеесяна строгие компьютерные результаты.

35. Другие вопросы, связанные со зрительнымвосприятием

В третьей, «теоретической», части нашей книги нам удалось осветитьдалеко не все важные аспекты, касающиеся даже самых простых зритель-ных процессов. К таковым относится, например, пространственное вос-приятие. Глубину пространства мы воспринимаем благодаря тому, что унас два глаза, видящие мир несколько по-разному. Основываясь на этойразнице (на профессиональном жаргоне именуемой диспропорцией), мозгможет воспринимать глубину и оценивать расстояние до различных объ-ектов. Последние исследования, проведенные в нашем (Г. X.) институте,показывают, что такое восприятие глубины пространства способен проде-монстрировать и синергетический компьютер: из двух двумерных картинокему удается реконструировать трехмерный образ. Незатронутыми осталисьтакже важные аспекты цветового зрения. Как отмечал Эдвин Лэнд, созда-тель «полароида», цвет мы воспринимаем как угодно, но только не осно-вываясь на физической длине волны. Гораздо важнее для восприятия цвета

242 Часть III

оказываются цветовые пятна или многоцветные изображения, позволяю-щие мозгу скомпенсировать влияние освещения. Лэнд обнаружил, что мозгсначала определенным образом собирает сообщения о цвете всех точеккакого-либо цветного участка изображения, а затем присваивает всему рас-сматриваемому участку усредненное по всем этим точкам значение цвета.Вследствие этого даже при совершенно иной освещенности нам кажется,что цвет виденного нами ранее участка изображения остается неизменным,хотя воспринимаемый нашими глазами отраженный свет имеет совсем дру-гой спектральный состав. Представляется весьма интересным попытатьсявстроить такой эффект в концепцию синергетического компьютера. Длянейрокомпьютера эта задача уже решена в работах Жанны Рубнер и КлаусаШультена.

В главе 34 мы уже упоминали о внутренних представлениях. Доба-вим к сказанному еще несколько слов, имея в виду будущие исследованияв этой области. Прежде всего стоит рассказать об экспериментах, прове-денных Р. Н. Шепардом и Т. Метцлером. В ходе этих экспериментов испы-туемым предлагались изображения, подобные помещенным на рис. 35.1.Все фигуры были самым очевидным образом развернуты по отношениюк своему «нормальному» положению. Результаты экспериментов показы-вают, что время, необходимое испытуемым для того, чтобы мысленно по-вернуть изображенную фигуру в ее исходное положение, зависит от углаповорота фигуры. Чем больше угол поворота, тем больше времени зани-мает у испытуемых ее мысленный обратный разворот. Согласно некоторымнедавним разработкам нашего (Г. X.) института, аналогичные результаты де-монстрирует и синергетический компьютер. Это, конечно же, не означает,что наблюдаемую разницу во времени компьютер использует для рисованиянеких мысленных картин перед своим собственным «внутренним взором».Это указывает лишь на то, что на основании компьютерных результатовмы можем просчитать зависимость времени, необходимого на возвращениеразвернутой фигуры в исходное положение, от того, насколько сильно ееразвернули.

Следующая важная область, на которую синергетика окажет суще-ственное влияние, это изучение управления сенсорно-моторными функци-ями. Как мы уже видели, нейронная сеть способна дополнять неполныйобраз недостающими данными, насколько это позволяет тот исходный на-бор прототипов, которым она располагает. До сих пор мы исходили из того,что поступившие извне и «добавленные» данные имеют одну и ту же приро-ду, т. е. в рассмотренных случаях, содержат информацию об изображениях.

35. Другие вопросы, связанные со зрительным восприятием 243

Рис. 35.1. Фигуры, использовавшиеся в экспериментах PH. Шепарда и Т.Метцлера

Однако так бывает далеко не всегда: данные на входе могут и в самомделе содержать информацию об изображении, тогда как недостающие дан-ные могут относиться, например, к осуществлению каких-либо действий(таких, как речевые действия или движение). В этом случае дополнениеполученных данных на основании исходного прототипа приводит к фор-мированию целостного перцептивно-моторного паттерна. Впрочем, такиеперцептивно-моторные паттерны управляются теми же немногими пара-метрами порядка, что и было показано в фундаментальной работе ГерманаХакена, Скотта Келсо и Герберта Бунца (см. главу 3). И хотя это и не входит

244 Часть III

в з