Шанс есть! Наука удачи, случайности и вероятности

Во время Второй мировой войны летчики, которым приходилось рассчитывать маршруты полетов и траектории бомб, часто обнаруживали, что в воздухе их вычислительные приборы эффективнее, чем на земле. Авиационные инженеры вскоре выяснили, почему это так. При движении сквозь воздушные массы корпус самолета вибрирует в широком диапазоне частот. Благодаря случайности некоторые из этих частот совпадали с резонансными частотами для различных движущихся деталей приборов, тем самым как бы позволяя им двигаться свободнее. Не зная, какие именно частоты играют столь важную роль, конструкторы стали встраивать в приборы небольшие вибрирующие моторчики в надежде добиться нужного резонанса. Так практически впервые был использован «подмешиваемый псевдослучайный сигнал» – сознательное добавление случайного шума.

Но, оказывается, природа нас тут опередила. Эволюция уже давно научилась использовать преимущества случайных сигналов. При некоторых условиях введение небольшого количества шума увеличивает чувствительность организма по отношению к среде обитания. К примеру, речной рак лучше обнаруживает мелкие движения плавников хищных рыб, когда в воде есть турбулентные течения: в спокойной воде ему это удается хуже. Да и человек лучше распознает бледное изображение на экране при добавлении некоторого визуального шума.

В таких ситуациях источник шума является внешним по отношению к организму, но эти примеры наводят на интригующую мысль: а могла ли эволюция включить такой вот привнесенный шум в мозг? Одна группа нейробиологов уверяет, что именно это и обнаружила – в форме «изначально шумных» нейронных цепей. Если они правы, может оказаться, что подмешиваемый псевдослучайный шум – распространенная в природе особенность.

Согласно одному из рабочих определений, применяемых в таких исследованиях, шум – широкополосный сигнал, состоящий из большого набора неупорядоченных частот. К примеру, свист и шипение «белого шума» в динамиках – это полный диапазон слышимых нами частот, от самых низких до самых высоких, и смешаны они в равных долях. А вот осмысленные сигналы концентрируют свою энергию на сравнительно узкой полоске спектра.

Феномен улучшения детектируемости слабого сигнала благодаря шуму носит название стохастического резонанса. Это явление возникает лишь в нелинейных системах – таких, где сигнал на выходе не пропорционален сигналу на входе. Нейроны как раз представляют собой хороший пример нелинейной системы. Они активируются только в тех ситуациях, когда электрический потенциал на их мембранах достигает критического значения. В такой системе слабый сигнал на входе, не достигающий порогового значения, можно усилить, добавив шум: тогда сигнал сумеет преодолеть порог.

Многочисленные теоретические модели позволяют предположить, что стохастический резонанс улучшает процесс обработки сигналов нейронами. Получены убедительные экспериментальные свидетельства того, что добавление внешнего шума при определенных условиях положительно влияет на способности мозга. Именно стохастическим резонансом объясняется и то, что турбулентные потоки помогают клеткам чувствительных волосков речного рака улавливать шевеление плавника далекой рыбы, и то, что визуальный шум помогает человеческому глазу воспринимать бледное изображение. Внешний шум с тех пор научились обращать на пользу человеку. Скажем, кохлеарные импланты помогают слабослышащим улавливать тихие звуки, а вибрирующие стельки уменьшают покачивание у тех, кто перенес инсульт.

Однако долгое время никто не мог отыскать никаких свидетельств того, что мозг вырабатывает собственный внутренний шум с целью использовать явление стохастического резонанса. Но тут на сцену вышел оксфордский нейробиолог Геро Мизенбок. По его мнению, он обнаружил мозговую цепочку (часть обонятельной системы дрозофилы), существующую именно для того, чтобы генерировать шум и тем самым улучшать функционирование мозга. По мнению ученого, его находку можно приложить и к исследованиям человеческого мозга, ибо основы устройства обонятельной системы дрозофилы общие не только для всех насекомых, но и для всех позвоночных – то есть и для человека.

Впрочем, Мизенбок не стал пытаться установить источник шума. Он лишь хотел разгадать тайну, которая много лет тревожила умы исследователей обонятельной системы.

Обонятельная система дрозофилы представляет собой сложнейший комплекс нейронных путей. Начинается все с мушиных антенн, где имеется около 1200 обонятельных рецепторных нейронов (ОРН), каждый из которых несет на себе определенный тип рецепторных молекул. Существует около 60 различных рецепторных молекул, а значит, около 60 различных типов ОРН.

Далее эти ОРН сходятся в клубочки, именуемые гломерулами, где завязываются синаптические связи с клетками, которые называются проективными нейронами. Каждая гломерула получает сигналы лишь от одного типа ОРН, и долгое время нейробиологи полагали, что каждый проективный нейрон способен реагировать лишь на один конкретный запах.