Как работает мозг

Вычислительная теория сознания незаметно закрепилась в качестве основы нейробиологии – науки, изучающей мозг и нервную систему. Ни один уголок этой науки не остался незатронутым идеей о том, что обработка информации – это основная деятельность мозга. Именно обработка информации заставляет нейробиологов больше интересоваться нейронами, чем глиальными клетками, несмотря на то, что глии занимают больше места в мозге. Аксон (длинный отросток) нейрона вплоть до молекулы специально предназначен для того, чтобы распространять информацию с высокой точностью на большое расстояние, а когда электрический сигнал преобразуется в химический в синапсе (месте соприкосновения нейронов), физический формат информации меняется, в то время как информация остается той же. Как мы увидим далее, дерево дендритов (подводящих волокон) на каждом нейроне, по-видимому, выполняет основные логические и статистические операции, лежащие в основе вычисления. Язык нейробиологии насыщен такими терминами теории информации, как «сигналы», «коды», «репрезентации», «трансформации», «обработка»79.

Обработка информации определяет и вполне закономерные вопросы, имеющие отношение к этой сфере. Если изображение на сетчатке перевернуто, как же получается, что мы видим мир правильной стороной кверху? Если зрительная зона коры располагается в задней части головного мозга, почему нам не кажется, что мы видим картинку в задней части головы? Как это возможно, что человек чувствует фантомную конечность на месте ампутированной? Как мы можем воспринимать зеленый кубик с помощью нейронов, которые не имеют форму кубика и не окрашены в зеленый цвет? Каждый нейробиолог знает, что это псевдовопросы, но почему? Потому что речь в них идет о свойствах мозга, которые не имеют никакого отношения к передаче и обработке информации.

Если ценность научной теории определяется ее способностью объяснять факты и вдохновлять ученых на открытия, то самый большой плюс вычислительной теории сознания – это то влияние, которое она оказала на психологию. Скиннер и другие бихевиористы утверждали, что все разговоры о ментальных событиях – бесплодные рассуждения; в лабораторных и полевых условиях можно изучать только стимул и реакцию. Оказалось, что справедливо все с точностью до наоборот. До того, как в 1950-1960-е годы Ньюэлл и Саймон и психологи Джордж Миллер и Дональд Бродбент привнесли в психологию идеи вычислительной теории, она была бесконечно скучной. В обязательную программу психологии входила физиологическая психология (рефлексы), восприятие (звуковые сигналы), обучение (крысы), память (бессмысленные слоги), интеллект (коэффициент интеллекта) и личность (тесты личности). За прошедшее время психологи привлекли в свои лаборатории вопросы, волновавшие лучших мыслителей в истории, сделали по каждому из аспектов мышления тысячи открытий, о которых несколько десятилетий назад нельзя было и мечтать.

Причиной этого расцвета стала главная задача, поставленная перед психологией вычислительной теорией: выявить форму ментальных репрезентаций (символических записей, используемых мозгом) и процессов (демонов), которые их оценивают. Платон сказал, что мы заперты в пещере и знаем мир только по теням, которые он отбрасывает на стене. Наша пещера – это череп, а тени – ментальные репрезентации. Информация во внутренней репрезентации – вот все, что мы знаем о мире. Рассмотрим в качестве аналогии то, как работают внешние репрезентации. В выписке из моего банковского счета каждый вклад указывается как единая сумма. Если я сделал вклад, состоящий из нескольких чеков и некоторой суммы наличности, я не могу проверить, есть ли среди них конкретный чек; эта информация в репрезентации утрачена. Более того, сама форма репрезентации определяет, какие выводы из нее можно сделать, потому что символы и их расположение – это единственное, на что может реагировать гомункул, который достаточно глуп, чтобы его могла заменить машина. Наша репрезентация чисел ценна потому, что она позволяет выполнять сложение, используя набор полуавтоматических операций: нам достаточно найти нужную отметку в таблице сложения и разряды переноса. Римские числа практически не используются (разве что в названиях и в декоративных целях), потому что с ними сложение становится значительно сложнее, а умножение и деление практически невозможны.

Определение ментальных репрезентаций – это путь к точности в психологии. Многие определения поведения производят впечатление чего-то несерьезного, потому что в них психологические явления объясняются в терминах других, не менее загадочных психологических явлений. Почему людям это задание труднее выполнить, чем то? Потому что первое задание «более сложное». Почему люди распространяют информацию об одном объекте на другой объект? Потому что эти объекты «похожи». Почему люди замечают одно событие, но не замечают другое? Потому что первое событие «более заметно». Все эти объяснения – сплошное надувательство. Сложность, схожесть, важность – все это зависит от обладателя мышления, и как раз это мы и должны попытаться объяснить. Компьютеру сложнее запомнить сюжет «Красной Шапочки», чем двадцатиразрядное число; нам сложнее запомнить число, чем сюжет. Два комка из смятой газеты нам кажутся похожими, хотя по форме они могут быть совершенно разными, а лица двух людей – разными, хотя их форма почти одинакова. Для мигрирующих птиц, ориентирующихся по звездам на небе, положение созвездий в разные периоды ночи будет весьма примечательным; среднестатистический человек вообще едва ли заметит их положение.

Но если мы опускаемся на уровень репрезентаций, мы сталкиваемся с менее эфемерными сущностями, которые можно точно сосчитать и сравнить. Хорошая теория психологии должна предполагать, что репрезентации, требующиеся для более «сложной» задачи, содержат больше символов или запускают более длинную цепочку демонов, чем репрезентации, требующиеся для «легкой» задачи. Она должна предполагать, что репрезентации «похожих» объектов содержат больше общих символов и меньше различных символов, чем репрезентации «непохожих» объектов. «Примечательные» объекты должны иметь репрезентации, отличные от всех соседних объектов; «незаметные» объекты должны иметь одинаковые репрезентации.

Исследователи в русле когнитивной психологии пытались рассматривать под разными углами вопрос о внутренних ментальных репрезентациях, анализируя сообщения людей, время реакции и совершенные ошибки в то время, когда эти люди запоминали, решали задачи, узнавали объекты и делали выводы из опыта. То, как люди обобщают опыт, пожалуй, самое наглядное доказательство того, что мозг использует ментальные репрезентации, причем в огромном количестве.

Предположим, вам требуется некоторое время, чтобы научиться читать слова, написанные новым причудливым шрифтом, украшенным завитушками. Вы потренировались на нескольких словах и теперь читаете этот шрифт также быстро, как любой другой. Теперь вы видите знакомое вам слово, которого не было в вашем тренировочном упражнении, – скажем, слово elk («лось»). Придется ли вам заново узнавать, что это слово – существительное? Придется ли вам заново учиться произносить его? Узнавать, что референт этого слова – животное, как этот референт выглядит, что он обладает весом, дышит и кормит детенышей молоком? Конечно, нет. Но это тривиальное умение кое о чем говорит. Ваше знание о слове elk не привязано напрямую к физическим очертаниям напечатанных букв. Если бы это было так, то при использовании нового шрифта ваше знание не имело бы связи с буквами, написанными иначе, и было бы недоступно до тех пор, пока вы не выучите заново все связи. Значит, ваше знание должно быть связано с неким узлом, номером, адресом в памяти или статьей в ментальном словаре, представляющей абстрактное слово elk, причем эта статья должна быть нейтральна по отношению к тому, как это слово пишется и произносится. Запомнив новый шрифт, вы создали новый визуальный механизм запускания для букв алфавита, которые, в свою очередь, запускают старую статью, соответствующую слову elk; в результате все, что связано с этой статьей, моментально становится доступно для использования – вам не нужно заново привязывать по кусочку все, что вы знаете о лосях, к новой форме букв, составляющих это слово. Это доказывает, что наше мышление содержит ментальные репрезентации, привязанные к абстрактным статьям на каждое слово, а не к форме слов, напечатанных на бумаге80.

Такие неожиданные изменения и арсенал внутренних репрезентаций, о котором они свидетельствуют, представляют собой отличительную особенность когнитивной способности человека. Если бы вы узнали, что другое название лося – wapiti («вапити»), вы бы взяли все факты, привязанные к слову elk, и моментально перенесли их на слово wapiti вместо того, чтобы по одной переносить каждую связь на новое слово. Конечно, перенесенными оказались бы только ваши познания в области зоологии; вы же не станете произносить слово wapiti так же, как и слово elk. Это наводит на мысль, что мышление обладает уровнем репрезентации, специфичным для концептов, стоящих за словами, а не для самих слов. Наше знание фактов о лосях привязано к концепту; слова elk и wapiti тоже привязаны к концепту, а написание е-1-k и произношение [elk] привязаны к слову elk.

До сих пор мы двигались от шрифта вверх; теперь давайте попробуем двигаться вниз. Если вы научились распознавать этот шрифт написанным черными чернилами на белой бумаге, то вам не придется переучиваться, чтобы распознать его написанным белыми чернилами на красной бумаге. Здесь мы подходим к уровню визуальных границ. Любой цвет, стыкующийся с любым другим цветом, воспринимается как граница; границы определяют очертание штрихов; определенное расположение штрихов составляет буквенно-цифровой символ.

Разнообразные ментальные репрезентации, связанные с концептом «лось», могут быть представлены с помощью одной диаграммы, которую иногда называют семантической сетью, репрезентацией знаний или пропозициональной базой данных.

Это лишь фрагмент гигантского мультимедийного словаря, совмещенного с энциклопедией и инструкцией по применению, который содержится у нас в голове. Из таких же многослойных репрезентаций состоит все наше мышление. Скажем, я попросил вас написать слово elk любым шрифтом на ваш выбор, но только левой рукой (если вы правша), или написать его на песке большим пальцем ноги, или мини-фонариком, зажатым в зубах. Результат будет небрежным, но узнаваемым. Вероятно, вам придется потренироваться, чтобы движения выходили более плавными, но вам не придется заново переучиваться писать штрихи, из которых состоит каждая буква, не говоря уже про алфавит или написание каждого слова в английском языке. Этот перенос опыта основан на уровне репрезентации двигательного контроля, который определяет геометрическую траекторию, а не сокращения мышц или движения конечностей, которые ее образуют. Траектория будет преобразована в реальные движения управляющей программой низшего уровня для каждой конечности.

Вспомним историю Салли, выбежавшей из горящего здания, которую мы обсуждали в начале этой главы. Ее желание было сформулировано в виде абстрактной репрезентации «спасайся от опасности». Оно не могло быть сформулировано как «убегай от дыма», потому что желание спастись могло быть инициировано не только дымом, но и другими признаками (а бывают случаи, когда дым не инициирует это желание), а спастись из горящего дома она могла не только бегом, но и с помощью других действий. И все же ее поведенческая реакция была сформирована мгновенно и впервые. Значит, мышление Салли должно быть модульным: один его элемент оценил опасность, другой решил, нужно ли спасаться, а третий определил, каким образом это сделать.

Комбинаторный анализ мыслекода и других репрезентаций, состоящих из частей, позволяет объяснить неистощимый репертуар человеческих мыслей и действий. Используя несколько элементов и несколько правил их сочетаемости, можно получить неизмеримо огромное количество самых разных репрезентаций, поскольку количество возможных репрезентаций увеличивается в геометрической прогрессии относительно их размера. Очевидный пример – язык. Скажем, у вас есть десять вариантов слова, с которого вы начнете предложение, десять вариантов второго слова (а это уже сто вариантов начала предложения из двух слов), десять вариантов третьего слова (а это тысяча вариантов начала из трех слов), и т. д. (Кстати, десять – это среднее геометрическое значение количества вариантов слов, имеющихся в нашем распоряжении в каждый момент, когда мы составляем грамматически правильное и имеющее смысл предложение). Элементарная арифметика показывает, что количество предложений из двадцати и менее слов (это достаточно распространенная длина предложения) составляет примерно 1020, то есть единица и еще двадцать нолей, или сто миллионов триллионов, или в сто раз больше количества секунд, прошедших с момента рождения Вселенной. Я привел этот пример не для того, чтобы поразить вас богатством языка, а чтобы поразить вас богатством нашего мышления. Ведь язык, в конце концов, это не подражание голосом музыкальному инструменту в джазе: каждое предложение выражает ясную мысль. (Не существует совершенно синонимичных друг другу предложений.) Так что если у людей и есть мысли, которые сложно выразить словами, помимо них есть еще примерно сотня миллионов триллионов других, вполне выразимых81.

Комбинаторное богатство теоретически возможных структур мы находим во многих сферах человеческой деятельности. Юный Джон Стюарт Милль с тревогой обнаружил, что, поскольку количество музыкальных нот ограничено и максимальный размер музыкального произведения тоже не бесконечен, это означает, что запас мелодий в мире скоро истощится82. В то время, когда он грустил по этому поводу, Брамс, Чайковский, Рахманинов и Стравинский еще даже не родились, не говоря уже о целом ряде новых жанров – таких, как рэгтайм, джаз, бродвейские мюзиклы, электрик-блюз, кантри-энд-вестерн, рок-н-ролл, регги, панк. И запас мелодий в ближайшее время вряд ли истощится, потому что музыка по своей сути основана на комбинировании: если каждую ноту мелодии мы выбираем, скажем, в среднем из восьми нот, то получается 64 пар нот, 512 мотивов из трех нот, 4096 музыкальных фраз из четырех нот, и так далее – до множества триллионов музыкальных произведений.

То, с какой будничной легкостью мы обобщаем свои знания, – лишь одно из доказательств того, что в нашей голове есть несколько типов репрезентации данных. Ментальные репрезентации также можно выявить в психологической лаборатории83. Используя тонкие приемы, психологи способны поймать мозг в процессе перехода от одной репрезентации к другой. Прекрасным примером может служить эксперимент, который предлагает нашему вниманию психолог Майкл Познер и его коллеги. Испытуемые сидят перед видеоэкраном, на котором на короткое время появляются буквы: например, «АА». Испытуемых просят нажать одну кнопку, если это одинаковые буквы, и другую кнопку, если буквы разные (например, «АВ»). Иногда обе буквы на экране бывают верхнего регистра или нижнего регистра («АА» или «аа»), то есть они идентичны по физической форме. Иногда одна из букв бывает верхнего регистра, а вторая – нижнего («Аа» или «аА»); это одна и та же буква алфавита, но по физической форме буквы разные. Когда буквы физически идентичны, люди нажимают на кнопки быстрее и правильнее, чем когда они видят физически разные буквы – по-видимому, потому, что люди обрабатывают буквы как зрительные образы и могут сравнивать их по геометрической форме, как шаблоны. Когда одна буква – «А», а другая – «а», людям нужно еще преобразовать их в тот формат, в котором они окажутся эквивалентными, а именно – «буква “а”»; это преобразование добавляет еще около десятой доли секунды к тому времени, которое затрачивается на реакцию. Но вот если две буквы появляются на экране с перерывом в несколько секунд, то не имеет значения, были ли они идентичны по физической форме: последовательность из «А» и «А» обрабатывается так же медленно, как из «А» и «а». Быстрое сравнение с шаблоном уже невозможно. Очевидно, через несколько секунд мозг автоматически преобразует визуальную репрезентацию в алфавитную, не учитывая информацию о геометрической форме.

Подобные эксперименты свидетельствуют о том, что человеческий мозг использует как минимум четыре основных формата репрезентаций. Один из форматов – визуальный образ: это что-то вроде шаблона в виде двухмерной мозаики. (О визуальных образах будет подробнее рассказано в главе 4.) Второй – это фонологическая репрезентация, последовательность слогов, которые мы проигрываем в голове, как петлю магнитной ленты, планируя движения рта и представляя, как будут звучать слоги. Такая линейная репрезентация – важный компонент нашей краткосрочной памяти: например, найдя в справочнике нужный телефонный номер, мы повторяем его про себя, пока не наберем его на телефоне. Фонологическая краткосрочная память может удерживать от четырех до семи «кусков» информации в течение времени от одной до пяти секунд. (Краткосрочная память измеряется «кусками», а не звуками, потому что каждый из таких «кусков» может быть ярлыком, указывающим на более крупную структуру информации в долгосрочной памяти – такую, как содержание целой фразы или предложения.) Третий формат – это грамматическая репрезентация: существительные и глаголы, фразы и предложения, основы и корни, фонемы и слоги – все это образует иерархические структуры. В книге «Язык как инстинкт» я объясняю, каким образом эти репрезентации предопределяют, из чего будет состоять предложение, и как люди общаются и играют с языком84.

Четвертый формат – это мыслекод, язык мыслей, которым формулируются наши концептуальные знания. Отложив в сторону книгу, вы забываете практически все про то, какие в ней были фразы, каким шрифтом были напечатаны предложения и как они были расположены на странице, а запоминаете только их содержание, основную суть. (Участники тестов на память уверенно «узнают» предложения, которые они никогда не видели, если они представляют собой перифразы предложений, которые они действительно видели.) Мыслекод – это язык-посредник, которым выражается содержание или суть; некоторые элементы мыслекода я уже приводил, когда говорил о «доске объявлений» продукционной системы и об уровнях «знания» и «концептах» в семантической сети (см. схему на с. 102). Мыслекод – это лингва-франка нашего мышления, поток информации между ментальными модулями, позволяющий нам описывать то, что мы видим, представлять то, что нам рассказывают, выполнять указания, и т. д.85 Этот информационный поток отражает и анатомия мозга. Гиппокамп и связанные с ним структуры, помещающие наши воспоминания в долгосрочную память, и лобные доли мозга, в которых размещаются зоны принятия решений, не связаны напрямую с зонами мозга, обрабатывающими входные сигналы от органов чувств (мозаику цветов и цветовых переходов, ленту изменения высоты звука). По большинству подводящих волокон к ним подается то, что нейробиологи называют данными «с высокой степенью переработки»; он поступает из областей, расположенных на один-два уровня ниже зон первоначального сенсорного восприятия. Эта входная информация состоит из кодов, соответствующих объектам, словам и другим сложным концептам86.

Зачем нам столько разных видов репрезентаций? Не проще было бы мозгу оперировать чем-то вроде языка эсперанто? На самом деле, это было бы ужасно сложно. Модульная организация ментального «программного обеспечения», предусматривающая пакетирование разных типов данных в отдельные форматы, – отличный пример того, как эволюция и инженерная мысль приходят к одинаковым решениям. Брайан Керниган, настоящий знаток программирования, написал в соавторстве с П.Ж.Плоджером книгу под названием «Элементы стиля программирования», в названии которой обыгрывается заголовок известного учебника Странка и Уайта по писательскому мастерству «Элементы стиля»87. Авторы дают советы относительно того, что нужно, чтобы программа отличалась высокой производительностью, эффективностью работы и способностью правильно развиваться. Один из их главных принципов – «Заменяйте повторяющиеся выражения обращениями к функциям». К примеру, если программа должна вычислить площадь трех треугольников, для этого ей не нужно иметь три разные команды, в каждой из которых содержится отдельная копия формулы вычисления площади треугольника с координатами одного из треугольников. Вместо этого формула должна быть указана в программе один раз. Должна быть функция «вычисление площади треугольника» и слоты X, Y и Z, которые могут заполняться любъини координатами треугольника. Эта функция может использоваться трижды, при этом слоты X, Y и Z будут заполняться координатами, полученными из вводных данных. Описанный принцип устройства приобретает еще большую значимость, когда функция превращается из линейной формулы в многоступенчатую подпрограмму; на этом принципе основаны следующие ниже взаимосвязанные максимы, которым, кажется, следовал и естественный отбор, когда создавал наше модульное, многоформатное мышление:

Разбивайте программу на модули.

Используйте подпрограммы.

Каждый модуль должен выполнять одну функцию, но хорошо.

Убедитесь в том, что в каждом модуле что-то локализовано.

Ввод и вывод выделяйте в подпрограммы.

Второй принцип отражен в следующей максиме:

Выбирайте такое представление данных, которое упрощает программу[9].

Керниган и Плоджер приводят пример программы, которая считывает строку текста, а потом должна распечатать ее с выравниванием по центру. Строка текста может храниться в разных форматах (как последовательность знаков, как список координат и т. д.), но только один из форматов делает центрирование по-настоящему простой задачей: выделение в памяти восьмидесяти последовательных слотов, отражающих восемьдесят возможных положений символа на дисплее ввода-вывода. В этом случае центрирование может быть безошибочно выполнено в несколько шагов для входных данных любого объема; при использовании любого другого формата потребуется гораздо более сложная программа. Предположительно, разные форматы репрезентации, используемые человеческим мозгом, – изображения, фонологические петли, иерархические структуры, мыслекод – сформировались в процессе эволюции потому, что они позволяют простым программам (глупым демонам или гомункулам) получать полезные для них результаты.

А если вас привлекает интеллектуальная стратосфера, в которой объединены «сложные системы» всех типов, вас, вероятно, заинтересует аргумент Герберта Саймона о том, что модульная структура компьютера и мозга – это лишь частный случай модульной, иерархической организации всех сложных систем. Тела состоят из тканей, сделанных из клеток, состоящих из органелл; вооруженные силы включают в себя армии, каждая из которых состоит из дивизий, разделенных на батальоны, состоящие из взводов; книги состоят из глав, разделенных на части, разделы, абзацы и предложения; империи состоят из стран, областей и территорий. Эти «почти разложимые» системы определяются масштабными взаимодействиями между элементами одного и того же компонента и менее многочисленными взаимодействиями между элементами разных компонентов. Сложные системы представляют собой иерархии модулей, потому что только элементы, увязанные друг с другом в пределах одного модуля, могут оставаться стабильными достаточно долго, чтобы монтироваться в более крупные и еще более крупные модули88. Саймон приводит аналогию с двумя часовщиками, которых звали Хора и Темпус:

Каждые часы, изготовленные мастерами, состояли примерно из 1000 деталей. Темпус сконструировал свои таким образом, что если одни часы были частично собраны и ему приходилось отложить их – скажем, чтобы ответить на звонок, – они тут же рассыпались на части, и приходилось собирать их сначала…

Часы, которые изготавливал Хора, были не менее сложными, чем у Темпуса. Но он спроектировал их таким образом, что мог собирать узлы, состоящие примерно из десяти элементов каждый. Десять таких узлов, опять же, можно было объединить в более крупный узел, а система из десяти больших узлов составляла готовые часы. Таким образом, когда Хора был вынужден отложить незаконченные часы, чтобы ответить на телефонный звонок, он терял лишь малую часть своей работы, и на сборку у него уходила лишь часть того времени, которое затрачивал Темпус89.

Наша сложная умственная деятельность подобна мудрости Хоры. Проживая свою жизнь, нам совсем не нужно продумывать каждую закорючку и планировать каждое сокращение мышц. Благодаря словесным символам, любой шрифт может пробудить в сознании какой угодно элемент знаний. Благодаря символам целей, любой признак опасности может активизировать любой способ защиты.