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

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

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

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

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

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

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

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

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