Итак, мысли – это паттерны активации. Но что определяет конкретный паттерн, соответствующий конкретной мысли?

Например, когда вы думаете о том, где оставили машину, в памяти обычно всплывает нужное место. То есть мысль о возвращении к машине запускает паттерн активации, содержащий информацию о конкретном парковочном месте. Как это происходит?

Исследователи памяти традиционно – и, казалось бы, логично – предполагали, что мозг хранит некую запись того паттерна активации, который возник при первоначальном переживании. Ключевая особенность нашего подхода, основанного на нейронных сетях, заключается в ином предположении: после переживания остаются не сам паттерн активации, а изменения в силе связей между нейронами, участвовавшими в этом паттерне. Сила связи – это степень влияния одного нейрона (или элемента) на другой. Как мы уже говорили, в мозге такие влияния осуществляются через синапсы между нейронами, которые могут иметь разную силу.

Посмотрим, как наш подход объясняет то, что произошло, когда вы вспомнили место парковки. Когда вы парковали машину, укрепились связи между нейронами, представляющими вашу машину, и нейронами, представляющими парковочное место. Благодаря этим связям представление о парковочном месте смогло активироваться заново, когда вы подумали о машине. Точно так же человек, идущий к холодильнику, чтобы утолить жажду, имеет связи между нейронами, чья активация соответствует жажде, и нейронами, отвечающими за действие «идти к холодильнику». Создавая нейросетевую модель такой ситуации, мы предполагали наличие связи между элементом «Жажда» и элементом «Идти к холодильнику». В реальном мозге такая связь – продукт опыта, ведь мы не рождаемся с готовой ассоциацией между жаждой и холодильниками.

Возьмем, к примеру, понятия об окружающем мире – скажем, о птицах. Когда кто-то произносит слово птица, мы сначала активируем нейронные паттерны, представляющие крылья, перья и клювы. Узнав о птицах больше, мы можем активировать и паттерны, связанные с высоким метаболизмом или происхождением от динозавров. Так наше представление о птицах развивается по мере накопления знаний. Согласно теории нейронных сетей, биологический след этого растущего знания – как и след памяти – хранится в связях между нейронами.

Это подводит нас ко второму фундаментальному свойству нейронных сетей: знание, заключенное в нейронной сети, – то, что позволяет нам распознавать предметы, помнить факты и воскрешать прошлый опыт, – хранится в связях между элементами сети. Мы называем это коннекционистским свойством нейронных сетей.

Важная особенность этого свойства в том, что соответствующие связи создают проторенные пути для потоков активации – подобно тому как текущая вода прокладывает русла на поверхности земли. Некоторые пути, например связь между лицом нового знакомого и его именем, могут быть слабыми и недолговечными – как ручеек, возникающий на усыпанной листьями дорожке после короткого дождя. Другие пути, например связывающие посадку в машину с пристегиванием ремня безопасности, становятся привычными и постоянными – как река Колорадо, пробившая себе путь через Гранд-Каньон. Чем больше воды протекает, тем глубже русло; чем чаще проходит активация по нейронной сети, тем крепче становятся связи.

Соблазнительно представлять память о событии как его запись – вроде дневниковой заметки или видеоролика. Но согласно коннекционистскому принципу после события остается не его точная копия, а набор изменений в связях, позволяющий приблизительно воссоздать пережитое. Новый опыт формирует новые связи между группами нейронов, и эти связи дают возможность активации одних нейронов (представляющих, например, лицо друга или мысль о припаркованной машине) влиять на активацию других (кодирующих имя друга или место парковки).

Способность мозга формировать новые связи в ответ на новый опыт подтверждается множеством разнообразных экспериментов и наблюдений. В одном из исследований молодые люди учились жонглировать и совершенствовали этот навык на протяжении трех месяцев. Сканирование их мозга показало увеличение объема серого вещества в областях, отвечающих за обработку и хранение информации о сложных визуальных движениях, – в отличие от контрольной группы, которая жонглированию не обучалась. Затем участники прекратили тренировки. Спустя три месяца размеры этих областей их мозга вернулись к исходному уровню. Поскольку известно, что в анализируемой области новые нейроны не образуются, чем же объясняются изменения серого вещества? Дальнейшие исследования подтвердили: когда участники осваивали жонглирование, а затем забрасывали его, в их мозге формировались, а потом распадались новые связи.

Аналогичные результаты получены в экспериментах с обезьянами. У обезьян, которых научили использовать грабли для доставания недосягаемой пищи, обнаружилась более высокая связность в определенных областях мозга по сравнению с необученными сородичами. Множество подобных экспериментов, а также наблюдения за пациентами после инсульта, которые теряли нейронные связи, а затем восстанавливали их – порой после серьезных повреждений мозга, – подтвердили важный вывод: память и обучение, связанные с новым опытом, усиливают связность нейронов в мозге, и именно эти связи служат хранилищем знаний и прошлого опыта.

Как же формируются эти связи? В 1940-х годах, задолго до появления экспериментальных доказательств, канадский психолог Дональд Хебб выдвинул идею, ставшую краеугольным камнем в понимании этого вопроса. Хебб стремился связать поведение и разум с работой мозга. В молодости он столкнулся с теориями разума, совершенно оторванными от мозговых процессов. Разум считался – да и сейчас многими считается – скорее областью философии, чем-то отделенным от физического мира. Хеббу такая идея казалась глубоко неприемлемой. Он был убежден, что разум следует понимать через призму мозга, и смело взялся за эту задачу. Он ставил масштабные вопросы и искал масштабные ответы, используя интегративный подход. В книге «Эссе о разуме» (Essays on Mind), оглядываясь на свой научный путь, он писал:

Психология и философия развелись давно, но, как у всех разведенных пар, у них остались общие проблемы.

Одной из фундаментальных проблем, которой занимался Хебб, было влияние опыта на мозг. Он предложил простую идею: когда один нейрон активирует соседний нейрон, связь между ними укрепляется. Вот его точная формулировка:

Когда аксон клетки А находится достаточно близко, чтобы возбуждать клетку В, и многократно или постоянно участвует в ее активации, происходит некий процесс роста или метаболические изменения в одной или обеих клетках, в результате чего эффективность А как активатора В возрастает.

Позднее эта идея была обобщена в запоминающейся формуле: «Нейроны, активирующиеся вместе, связываются вместе». Суть идеи Хебба: если два нейрона часто активны одновременно или почти одновременно, сила (возбуждающей) связи между ними возрастает. Важное дополнение: если один нейрон часто активен, когда другой молчит, или наоборот, – их взаимные связи ослабевают.

Этот принцип проявляется во многих сферах нашей жизни. Чем больше практикуешься – играешь на музыкальном инструменте, говоришь на новом языке или, как обезьяна в психологическом эксперименте, достаешь еду граблями, – тем лучше получается. По Хеббу, эти изменения происходят потому, что нейронные ансамбли, кодирующие стимул, все теснее связываются с ансамблями, кодирующими реакцию. В полном соответствии с пословицей «Повторенье – мать ученья» эти связи при многократной совместной активации становятся быстрее, прочнее и эффективнее. У привычных реакций на стимулы формируются прочные связи между появлением стимула и запуском привычного действия. Пристегивание ремня при посадке в машину – типичный пример.

В нейронных сетях более быстрая, прочная и эффективная связь между элементами обозначается более высокой силой связи, или весом. Чем больше вес связи, тем сильнее ее влияние.

Интерлюдия. Мозг в руках

Август 2023 г. Сан-Франциско, Калифорния. Эсекьель ведет курс нейробиологии для студентов. Он передает по кругу человеческий мозг, чтобы студенты могли подержать его и рассмотреть. Большинство воспринимают это спокойно, но одна студентка, Прия, выглядит особенно озадаченной и взволнованной.

Эсекьель. Все, чем был этот человек, все, что он знал, его надежды и печали, его стихи и планы, его любовь и утраты – все это сейчас у вас в руках.

Прия. Я правда не понимаю. Этот человек мертв. Мозг мертв. Как он может хранить знания?

Эсекьель. Его знания – в связях между нейронами. Таких связей сотни триллионов. В них его память и знания.

Прия. Теоретически, если активировать нейроны, отвечающие за слово «предложение» и имя его жены, можно пробудить воспоминание о том, где он делал предложение?

Эсекьель. Думаю, да. Хотя мы не знаем, как найти синапсы с конкретными воспоминаниями о жене. Эти синапсы рассеяны по всей коре – внешнему слою мозга.

Прия. А можно как-то оживить весь мозг?

Эсекьель. Есть серьезные ученые, которые считают это возможным. Они называют процедуру перфузией ex vivo. Пока удалось реанимировать лишь несколько нейронов в мозге свиньи.

Прия. Значит, теоретически этот мозг можно реанимировать, и он будет знать все, что знал человек при жизни?

Эсекьель. Полагаю, да, хотя это крайне сложно. Этот человек всю жизнь создавал синаптические связи, с которыми и умер. Они все еще здесь, как высохшее русло реки. Если бы удалось реанимировать нейроны, эти связи воссоздали бы паттерны активации, существовавшие при жизни. Все его знания – в связях.