Как мы видим? Нейробиология зрительного восприятия

Оказывается, при асинхронном срабатывании ничего особенного не происходит. Но, когда нейроны возбуждаются вместе, происходит кое-что замечательное: синаптическая связь между ними постепенно усиливается, так что в конце концов активизация одного нейрона начинает вызывать активизацию и другого. Студенты запоминают это правило так: «Нейроны соединяются, если вместе возбуждаются».

Такой вот простой кусочек нейробиологии, который я только что объяснил вам полутора сотней слов. Однако этот механизм – усиление синаптических связей при одновременной активизации нейронов – является самой базовой формой памяти, которая лежит в основе всего нашего восприятия, эмоций и действий. Эту и другие необычайно провидческие идеи о нервных сетях Дональд Хебб, один из основоположников современной нейробиологии, изложил в своей эпохальной работе «Организация поведения», опубликованной в 1949 г. Модифицируемая связь между двумя нейронами получила название синапса Хебба. Позже мы подробно поговорим о потомках этого синапса, используемых в современных нейронных сетях: на синапсах Хебба – вернее, на различных его кремниевых версиях – построено большинство современных форм искусственного интеллекта.

ОРИГИНАЛЬНАЯ НЕЙРОННАЯ СЕТЬ ХЕББА

В работе «Организация поведения» Дональд Хебб изложил очень широкое теоретическое ви́дение, охватывающее многие аспекты нейробиологии. Эта теория не только заложила фундамент того, что сегодня известно как машинное обучение, но и обеспечила понимание того, как животные выживают в естественном мире. Однако главным интересом Хебба, почвой, на которой выросла его теория, было восприятие.

Хебб начал с простейших видов восприятия. Возьмем элементарный рисунок – черный контурный квадрат на белом фоне. Мы видим квадрат как целостную фигуру, нарисованную непрерывной линией. Но в действительности наша сетчатка воспринимает черную линию как ряд точек, потому что изображение линии падает на множество отдельных светочувствительных нейронов – палочек и колбочек. Как бы плотно ни располагались друг к другу фоторецепторы и какой бы ровной ни казалась нам линия, сетчатка все равно регистрирует ее изображение как ряд точек.

Но мы, разумеется, этого не видим. Мы видим черный контурный квадрат на белом фоне, потому что наш мозг соединяет все точки в цельные линии. Более того, мы не воспринимаем каждую из четырех линий по отдельности: мы видим квадрат как единый объект. Однако поврежденный мозг может терять такую целостность восприятия. Нейропсихолог Ханс-Лукас Тойбер из Массачусетского технологического института описал случай, когда пациент вместо одного движущегося мотоцикла видел вереницу отдельных мотоциклов. Нормальный мозг, как правило, видит объекты как единое целое, а не как наборы отдельных компонентов. Но на самом деле ничто в видимом мире не говорит нам о том, что является объектом, а что нет; мы видим лишь массив пикселей, из которых мозг должен вычленить целостные объекты. В примере Тойбера мозг должен понять, что перед ним один движущийся мотоцикл, а не цепочка из неподвижных мотоциклов. Этот принцип, называемый завершенностью, подводит нас еще на шаг ближе к пониманию механизма восприятия, описанного Хеббом.

Еще в начале XX в. психологи предположили, что в основе восприятия объектов лежат их гештальты – целостные и обобщенные образы объектов, игнорирующие вариации в конкретных деталях. Чтобы проиллюстрировать это, обычно используется изображение знакомого предмета с недостающим фрагментом. Посмотрите на этот рисунок: вы мгновенно понимаете, что перед вами треугольник, несмотря на то что одна его сторона не дорисована до конца.

Хебб и его ученики первыми описали одно из интригующих проявлений этого феномена, которое они обнаружили с помощью так называемого метода стабилизации изображения на сетчатке. Хотя мы этого не осознаем, наши глаза постоянно совершают очень мелкие высокочастотные колебания, называемые «тремор глаз» (не путайте их с совсем другим явлением – скачкообразным движением глаз, когда мы сканируем визуальную сцену). Эти мелкие движения, которые мы даже не замечаем, играют важную роль в функционировании нашей зрительной системы. Чтобы стабилизировать изображение на сетчатке, Хебб и его команда сконструировали особые контактные линзы, из центра которых выходила тончайшая ножка с еще одной крошечной линзой на конце. Линза фокусировала тестовое изображение на сетчатке и таким образом устраняла эффект тремора глаз.