Как мы учимся. Почему мозг учится лучше, чем любая машина… пока - Станислас Деан

Иллюстрация 3

Как глубокая нейросеть учится распознавать рукописные цифры? Это сложная задача: любую цифру можно написать по-разному. На низшем уровне иерархии (внизу справа) искусственные нейроны путают цифры, которые выглядят похоже, например 9 и 4. Чем выше уровень иерархии, тем успешнее нейроны распознают и группируют вместе разные варианты написания одной и той же цифры.

Иллюстрация 4

Научение предполагает вывод общих правил и законов, действующих в той или иной сфере. Два программиста из Массачусетского технологического института изобрели алгоритм, способный обнаруживать скрытую структуру научных знаний. Система наделена сводом правил, комбинации которых генерируют самые разнообразные структуры: линии, плоскости, круги, цилиндры. Выбирая структуру, наилучшим образом отвечающую данным, алгоритм совершает открытия, на которые у ученых ушли годы: филогенетическое дерево животного мира (Дарвин, 1859), шарообразность Земли (Парменид, 600 г. до н. э.), цветовой круг (Ньютон, 1675).

Иллюстрация 5

Мозг младенца отнюдь не «чистый лист»: напротив, он содержит обширный набор базовых знаний и допущений об окружающей среде. В лабораторных условиях ученые изучают присущие младенцам интуитивные представления о мире, наблюдая за их реакцией на ситуации, нарушающие законы физики, арифметики, вероятности или геометрии.

Иллюстрация 6

С самого рождения мозг младенца перенаправляет устную речь в левое полушарие. Как показывает фМРТ, в мозге младенцев, слушающих предложения на родном языке, активны те же отделы, что и у взрослых. Активность возникает в первичной слуховой области, после чего постепенно распространяется на височную и лобную доли, в том же порядке, что и у любого взрослого человека. Эти данные опровергают теорию об изначально дезорганизованном мозге, «чистом листе», который приобретает свое содержание исключительно под влиянием окружающей среды.

Иллюстрация 7

Архитектура человеческого мозга имеет долгую эволюционную историю. Базовое строение многих специализированных участков (в частности, первичных сенсорных областей, представленных на рисунке) одинаково у человека и других видов животных. Они закладываются в период внутриутробного развития под влиянием многочисленных генов и активны уже во время третьего триместра беременности. Мозг приматов характеризуется сравнительно небольшими сенсорными областями, с одной стороны, а с другой – выраженной экспансией когнитивных зон теменной (показана серым), височной и особенно префронтальной коры. У Homo sapiens эти области невероятно пластичны: они отвечают за язык мышления и позволяют нам приобретать новые знания на протяжении всей жизни.

Иллюстрация 8

В первые недели беременности тело самоорганизуется под влиянием генов. Формирование пяти пальцев и их иннервация не требуют научения. Аналогичным образом закладывается фундаментальная архитектура головного мозга. При рождении кора уже организована; развиты складки и связи, присущие всем людям и отличающие нас от других приматов. Точная структура синаптических связей, однако, может варьировать в зависимости от окружающей среды. К третьему триместру беременности мозг плода начинает адаптироваться к информации, поступающей из внешнего мира.

Иллюстрация 9

Кора головного мозга человека подразделяется на несколько специализированных отделов. Еще в 1909 году немецкий невролог Корбиниан Бродман заметил, что с точки зрения размера и распределения нейронов кора неоднородна. Так, в зоне Брока, отвечающей за обработку речи, Бродман выделил три области (44, 45 и 47). Позже их существование было подтверждено с помощью методов молекулярной визуализации. На границах отделов наблюдаются скачкообразные вариации в плотности рецепторов нейтросмиттеров. В период внутриутробного развития определенные гены избирательно экспрессируются в разных участках коры и содействуют ее подразделению на специализированные зоны.

Иллюстрация 10

В процессе самоорганизации физической системы, будь то лава или пчелиный воск, часто образуются шестиугольники. Нервная система не исключение: в области энторинальной коры – встроенного навигатора мозга – нейроны самоорганизуются в «клетки решетки», накладывающие на физическое пространство воображаемую сеть треугольников и шестиугольников. Как только крыса, исследующая просторное помещение, оказывается в вершине одного из таких треугольников, срабатывает соответствующий нейрон. Клетки решетки появляются уже через день после того, как крысята начинают самостоятельно перемещаться; таким образом, можно утверждать, что чувство пространства основано на почти врожденной системе навигации.

Иллюстрация 11

Синаптическая пластичность позволяет мозгу частично реорганизовываться в случае обширных повреждений. Пациентка А. Г. (вверху) родилась только с одним полушарием: правое прекратило развиваться на седьмой неделе гестации. В нормальном мозге (внизу) первичные зрительные области левого полушария реагируют только на правую половину зрительного поля (на диске показана голубым и зеленым). Однако у А. Г. небольшие области левого полушария подверглись перестройке и начали реагировать на левую половину зрительного поля (обозначена белыми стрелками). Благодаря этому А. Г. способна различать слабый свет и движение в левой части зрительного поля, в отличие от взрослого, у которого правое полушарие было удалено в ходе хирургической операции. Тем не менее подобная реорганизация возможна только в очень узких пределах: в первичной зрительной коре генетический детерминизм превалирует над нейропластичностью.