Антология машинного обучения. Важнейшие исследования в области ИИ за последние 60 лет

Нейроны, найденные командой ученых, которую возглавляли Ицхак Фрид и Кристоф Кох, были предсказаны пятьдесят лет назад, когда впервые стало возможным получать отклик из одиночных нейронов мозга кошек и обезьян. Исследователи полагали, что в иерархии зрительных областей коры головного мозга свойства отклика нейронов становятся все более и более специфичными, чем выше нейрон в иерархии. Возможно, настолько специфическими, что единственный нейрон на вершине иерархии будет реагировать только на изображения одного человека. Это известно как гипотеза «бабушкиной клетки», в честь предполагаемого нейрона в вашем мозгу, который «узнает» вашу бабушку.

Еще более впечатляющими были эксперименты, в которых пациентам показывали два наложенных друг на друга портрета знакомых им людей и просили представить одного человека в ущерб другому, при этом велась запись данных из нейронов, которые предпочитали тот или иной образ. Испытуемые смогли увеличить частоту срабатывания нейрона, который «представлял» выбранное лицо на смешанном изображении, одновременно уменьшая скорость других нейронов, которые предпочитали лицо «конкурента», хотя визуальный стимул не менялся. Затем экспериментаторы замкнули цикл, управляя соотношением двух наложенных изображений в соответствии с частотой срабатывания нейронов, предпочитающих разные изображения, поэтому испытуемые могли контролировать вход — соотношение двух лиц, — представляя то или иное изображение. Это показывает, что распознавание — не пассивный процесс, а зависящий от активного вовлечения памяти и внутреннего контроля внимания.

Несмотря на такое поразительное доказательство, гипотеза «бабушкиной клетки» вряд ли ответит на все вопросы. Согласно ей, вы узнаете бабушку, когда клетка активна, поэтому она не должна срабатывать ни на какой другой стимул. Во-первых, в тесте использовали всего несколько сотен фотографий, поэтому мы не знаем наверняка, как избирательна «клетка Холли Берри». Во-вторых, вероятность того, что электрод считывал запись от единственного в головном мозге «нейрона Холли Берри», низкая — куда вероятнее, что таких клеток тысячи. Должно быть множество копий нейрона, которые реагируют на другие известные лица, и множество копий для всех, кого вы знаете, и для каждого объекта, который вы можете распознать. Хотя в вашем мозгу миллиарды нейронов, вам будет непросто, если вы попытаетесь представить каждый объект и каждое имя, которое вы знаете, выделенной популяцией нейронов. Наконец, отклик только связан с сенсорным стимулом, он может и не быть его причиной. Не менее важен выходной сигнал нейрона и его влияние на поведение нейронов, стоящих ниже в иерархии.

Записи одновременно из сотен клеток мышей, обезьян и людей приводят к альтернативной теории о том, как нейроны воспринимают сигнал и принимают решения коллективно[425]. На записях, полученных из мозга обезьян, стимулы и сигналы, зависящие от выполняемой задачи, широко распределены по большим популяциям нейронов, каждый из которых настроен на различную комбинацию характеристик стимулов и деталей задачи[426]. К 2025 году можно будет записывать данные с миллионов нейронов и управлять скоростью их активации. Кроме того, разрабатываются новые методы, позволяющие определять типы нейронов и то, как они связаны друг с другом[427]. Это может породить более широкие теории, чем теория «бабушкиной клетки», и привести к более глубокому пониманию того, как активность в популяциях нейронов порождает мысли, эмоции, планы и решения. Конечно, нейроны могут представлять лица и объекты несколькими способами. С появлением новых технологий мы, вполне вероятно, скоро получим ответ.

С 1980-х годов мы знаем, что в обученных сетевых моделях с одним слоем скрытых единиц, а в последнее время и в глубоких сетях, модели активности для каждого входа распределены так, что становятся схожи с разнообразными реакциями в популяциях корковых нейронов[428]. Распределенное представление может использоваться для распознавания нескольких версий одного и того же объекта — и один и тот же набор нейронов может распознавать разные объекты, присваивая различный вес их выходным данным. Когда отдельные скрытые единицы проверяются так же, как нейрофизиологи записывают данные от нейронов зрительной коры, иногда выясняется, что у единичного смоделированного нейрона на вершине иерархии развилось определенное предпочтение для одного из объектов. Тем не менее производительность нейронной сети существенно не меняется, если такую единицу из нее вырезать, потому что оставшиеся нейроны несут дублирующие сигналы, представляющие объект. Устойчивость сетей к повреждениям — главное отличие архитектуры мозга от архитектуры цифровых компьютеров.