Нейрон – это клетка. Базовый элемент нервной системы. В вашем мозге около 100 млрд нейронов, и еще миллиарды находятся в остальных частях тела. Многие нейроны мозга соединены между собой обширными связями. В этом смысле ваш мозг представляет собой нейронную сеть.

Как и муравей (или отдельная птица в примере с мурмурацией из главы 1), нейрон обладает довольно ограниченным репертуаром действий. В частности, он посылает другим нейронам короткие электрические импульсы – потенциалы действия, или спайки. Их можно записать с помощью электродов, введенных в мозг, и передать на динамик, где каждый импульс звучит как тихий щелчок. Без внешней стимуляции типичный нейрон генерирует импульсы с низкой частотой. Назовем это его базовой частотой активации. При возбуждении нейрон генерирует потенциалы действия с частотой выше базовой. При торможении его частота активации падает ниже базового уровня.

Некоторые нейроны способны напрямую активироваться сигналами из внешнего мира – это особые нейроны сенсорных рецепторов. Большинство же нейронов получают входные сигналы от других нейронов, с которыми они связаны. Эти сигналы могут либо возбуждать нейрон (повышая частоту его активации), либо тормозить его (снижая эту частоту).

Как же такая активация может образовывать целое? Оказывается, еще как может.

Рассмотрим один из первых примеров нейронной сети, способной делать то, что не под силу ни одному из составляющих ее нейронов. Этот пример взят из работ нейробиологов Дэвида Хьюбела и Торстена Визеля, которые с помощью сети нейронов объяснили, как мы начинаем выстраивать картину окружающего мира. В основу их модели легли новаторские наблюдения за зрительной корой кошки, перед которой они демонстрировали слайды. За свой вклад в науку Хьюбел и Визель получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1981 г.

Когда в 1950-х годах Хьюбел и Визель начинали свои исследования, уже было известно, что многие нейроны глаза реагируют на свет генерацией потенциалов действия. Как и следовало ожидать, частота их активации значительно превышает базовую, если световое пятно попадает в центр их рецептивного поля (участка пространства, к которому нейрон наиболее чувствителен), и остается на базовом уровне, если пятно находится вне этого поля. Удивительная особенность этих клеток состоит в том, что, если световое пятно располагается чуть в стороне от центра рецептивного поля, они не активируются чуть выше базового уровня, как можно было бы предположить. Напротив, их активность падает ниже базовой частоты. Иными словами, активность нейрона сетчатки подавляется, если световой стимул находится в его рецептивном поле, но смещен от центра (рисунок 2.4).

Все это было известно и понятно. Загадка, которую пытались разрешить Хьюбел и Визель, заключалась в другом: как разум способен распознавать осмысленные формы, если нейроны реагируют лишь на точки света? Глядя на окружающий мир, мы видим предметы разных цветов и форм, расположенные в пространстве. Но нейроны глаза не реагируют на объекты как таковые. Они активируются в ответ на точечные световые стимулы – пятнышки или точки. Хьюбел и Визель заключили, что распознавание объектов вроде лиц или домов должно происходить в мозге. Но как именно? Они решили начать с поиска нейронов, которые активируются в ответ на целые объекты.

Рисунок 2.4: Хьюбел и Визель знали, что зрительные нейроны активируются выше базового уровня, когда световое пятно попадает в центр их рецептивного поля; остаются на базовом уровне, когда пятно находится вне поля; активируются ниже базового уровня, когда пятно смещено от центра, но все еще находится в пределах рецептивного поля

Они с энтузиазмом взялись за дело. Их научная работа напоминала приключения двух мальчишек, увлеченно собирающих робота в гараже. Зрительные стимулы для кошек они мастерили из картона, наклеивали на слайды и показывали через слайд-проектор. Вместо экрана натянули простыню на потолочные трубы, отчего лаборатория стала похожа на цирковой шатер. Когда они впервые обрабатывали кошку формальдегидом, то случайно устроили друг другу химический душ – и это показалось им безумно смешным.

План состоял в том, чтобы показывать кошке различные стимулы (от греческого stimulus – так нейробиологи называют входной сигнал), предварительно введя электрод в участок мозга, обрабатывающий зрительную информацию (рисунок 2.5). Электрод обладал достаточной чувствительностью для регистрации потенциалов действия отдельных нейронов. Если в мозге кошки найдется нейрон, реагирующий на конкретный стимул, рано или поздно электрод его обнаружит.

Рисунок 2.5. Случайно обнаружив детекторы границ, Хьюбел и Визель приступили к их систематическому изучению, записывая потенциалы действия нейронов зрительной коры кошек

План был смелым, но у них почти не было опыта в записи активности отдельных клеток. Они знали нейробиолога Вернона Маунткасла, на счету которого были сотни таких записей. «Мы понимали, что нам его не догнать, поэтому сразу завоевали уважение к себе, пронумеровав свою первую клетку как № 3000, и продолжили счет оттуда», – вспоминали они позже. План сработал. «Наша серия произвела впечатление на Вернона».

Единственная загвоздка заключалась в том, что, какие бы стимулы они ни предъявляли кошке, регистрируемые нейроны упорно молчали, оставаясь на базовом уровне активности. Они пробовали разные комбинации точек. Безрезультатно. Использовали изображения, которые могли бы заинтересовать кошку, – никакого ответа. В полном отчаянии они даже пытались танцевать перед животным. Бесполезно. Нейроны не проявляли ни малейшего интереса.

Но вот однажды, работая с очередным нейроном, они меняли слайд в проекторе – и все изменилось. Нейрон вдруг взорвался активностью: щелчок, щелчок, щелчок – один за другим! Реагировал он не на содержание слайда. Нейрон откликался на линию, образованную границей слайда. Свершилось знаменательное событие в истории науки: Хьюбел и Визель открыли нейрон, реагирующий на изображение прямой линии под определенным углом – тем самым углом, под которым проецировалась граница слайда. Они выбежали в коридор, крича от восторга.

Вопрос, разумеется, заключался в том, как же этот нейрон умудряется распознавать прямую линию. Он не реагировал на точку, не реагировал на линии под большинством углов, но стоило предъявить линию с его «любимой» ориентацией – и он отзывался с необузданным энтузиазмом. Откуда взялось это свойство?

Здесь нам поможет модель нейронной сети. Сеть, которую мы опишем, очень похожа на ту, что предложили Хьюбел и Визель, и отражает ее ключевые свойства.

Начнем с простого наблюдения: линию можно представить как набор точек. Для простоты представим, что линия l состоит из четырех точек: A, B, C и D. Допустим, эти четыре точки попадают в центры рецептивных полей четырех нейронов сетчатки кошачьего глаза – назовем их элемент A, элемент B, элемент C и элемент D. Как мы уже знаем, точка в центре рецептивного поля вызывает сильную активацию нейрона. Теперь предположим, что каждый из элементов A-D связан с элементом E, расположенным в мозге. Это значит, что каждый из элементов A-D при активации может передавать сигналы активации элементу E.

Рисунок 2.6. Нейронная сеть с выходным нейроном, элементом E, который активно реагирует, когда линия проходит через центры рецептивных полей входных элементов (A-D). При повороте линии ответ элемента E ослабевает

Как мы отмечали в главе 1, нейроны – базовые элементы обработки информации в мозге. У них сложная древовидная структура, но мы будем изображать их кружками и называть элементами, чтобы отличать компоненты нашей модели от реальных нейронов мозга. Мы используем минимальный набор элементов, достаточный для иллюстрации основной идеи. Получается рисунок 2.6a – наша первая настоящая нейронная сеть. Стрелки между элементами обозначают связи. Если от одного элемента идет стрелка к другому, активация первого элемента возбуждает (то есть усиливает активацию) второго.

А теперь самое интересное! Представим, чтó происходит в нашей нейронной сети, когда глаз видит четыре точки – A, B, C и D. Точка A находится в центре рецептивного поля элемента A, поэтому он начинает интенсивно генерировать импульсы (много спайков в секунду). То же происходит с остальными элементами – они тоже обнаруживают точки в центрах своих рецептивных полей. Все четыре элемента посылают мощные сигналы элементу E, и он активируется.

Удивительно то, что элемент E бурно реагирует на линию l, но гораздо слабее откликается на линии, хотя бы немного отличающиеся от l. Рассмотрим, например, линию, повернутую относительно линии l (рисунок 2.6b). Какую активацию получает элемент E в этом случае? Давайте разберемся. Элемент A активно генерирует импульсы, поскольку точка A по-прежнему в центре его рецептивного поля. Точка B слегка смещена от центра, поэтому элемент B активируется уже не так интенсивно. Элемент C работает ниже базового уровня, так как точка C попала в периферическую зону его рецептивного поля. Элемент D тоже активен на базовом уровне или ниже. В результате элемент E получает гораздо меньше возбуждающих сигналов, чем при предъявлении линии l, и его ответ на этот стимул будет значительно слабее.

Ни один из элементов A-D не способен самостоятельно распознать линию, да и элемент E тоже не реагирует на линию в стимуле напрямую. Однако, действуя сообща – подобно муравьям, – элементы этой небольшой нейронной сети обрели «интеллект», необходимый для распознавания линии. Произошла эмерджентность.