6.4. Голографическая метафора

Пытаясь понять, какой структурой должна обладать память, чтобы в ней могли создаваться схемы, подобные рассмотренным в двух последних разделах, мы убедимся в потенциальной полезности голографической метафоры, согласно которой память распределена по всей структуре, а не записана в виде отдельных слов в отдельных ячейках, как в вычислительных машинах. Рассмотрение этой метафоры мы начнем с того, что примем несколько утверждений относительно человеческой памяти.

1. Наша память динамична и соотнесена с естественной и определяемой потенциальными действиями системой пространственных координат. Именно благодаря этому мы вспоминаем обстановку в комнате как нечто единое, а не как последовательность несвязанных двумерных перспектив.

2. При некоторых тяжелых поражениях мозга не наблюдается потери памяти (по крайней мере судя по результатам весьма грубых тестов). В то же время локальные повреждения других участков мозга могут иметь весьма серьезные последствия; например, при повреждении гиппокампа человек теряет способность добавлять новую информацию к своей долговременной памяти.

3. В одной и той же области мозга могут фиксироваться сведения о многих разных событиях. (Последнее утверждение кажется правдоподобным, но как проверить его экспериментально?)

На основании всего этого у многих авторов, и в том числе у Прибрама [203], возникла мысль, что этими же свойствами (мы еще раз напоминаем, что для нас это не более чем метафора) обладают и голограммы - фотографии особого рода, обладающие рядом интересных свойств.

1. Изображение, получаемое с помощью голограмм, трехмерно, и его можно наблюдать с различных сторон.

2. Любая часть голограммы позволяет воспроизвести практически всю картину в отличие от обычной фотографии, на которой изображение строго локализовано, но чем меньше эта часть, тем ниже и разрешающая способность воспроизведения.

3. На одну и ту же голограмму можно записать несколько изображений, а затем воспроизводить их по отдельности.

Для того чтобы понять первые два свойства, представим себе, что мы смотрим через окно на какой-то предмет, находящийся в комнате. Голограмму можно представить как результат "замораживания" световых волн, идущих от этого предмета, в момент, когда они попали в плоскость окна. Мы можем рассматривать предмет под разными углами зрения с тем лишь ограничением, что мы должны находиться за окном. Если часть окна занавесить, то мы по-прежнему сможем видеть через него весь предмет в целом, хотя для того, чтобы сделать это, нам придется двигать глазами, причем тем больше, чем большая часть окна занавешена.

Для того чтобы понять третье свойство, нам понадобится дополнительная информация о технике "замораживания", используемой в голографии. В голографии в качестве освещения используется излучение лазера, а на фотопластинке фиксируется интерференционная картина взаимодействия двух лучей: 1) "эталонного" и 2) отраженного от фотографируемого предмета. После проявления зафиксированное изображение - голограмму - можно "воспроизвести", осветив ее эталонным лучом лазера, который как бы вновь вызывает к жизни световые волны оригинала. Главная же особенность третьего свойства голограмм состоит в том, что если сфотографировать на одну пластинку несколько голограмм, пользуясь для каждой из них разными эталонными лучами, то при освещении этой пластинки одним из таких лучей мы вызовем к жизни только соответствующий фронт волны и, следовательно, воспроизведем только то изображение, которое снималось при освещении этим эталонным лучем, а другие интерференционные картины не проявятся.

Если у нас два объекта, 1 и 2, и мы зафиксировали картину интерференции двух волн, пришедших от одного и от другого, то отраженная волна от каждого из них может служить эталонным лучем для другого. В этом случае отражение от одного предмета может использоваться для освещения голограммы и "воспроизведения" другого объекта, что эквивалентно примитивной ассоциативной памяти: если два объекта фотографировались вместе, то появление одного из них позволяет "вспомнить" другой. (А если воспользоваться так называемыми голограммами Фурье, то первый объект не обязательно располагать точно так, как при съемке. При этом второй объект будет всегда воспроизводиться в одном и том же положении относительно первого. Это свойство голограмм может оказаться очень важным для информационно-поисковых систем. Предположим, что первый объект - это появление какого-то интересующего нас слова, например слова "автомат", а второй объект - это просто световое пятнышко, так что освещение голограммы со словом "автомат" вызывает появление на нем определенным образом расположенного светового пятнышка. Тогда, если осветить голограмму, на которой отображена целая страница текста, световые метки укажут нам, в каких местах текста встречается слово "автомат".)

Сходство трех свойств памяти и трех свойств голограмм наводит на мысль, что подобный подход к изучению мозга, побуждающий нас рассматривать его работу как распространение волн нейронной активности, а не как последовательные вычисления, осуществляемые отдельными нейронами, позволяет далее выдвинуть гипотезу о "замораживании" фронтов волны нейронного возбуждения в "нейронных голограммах", дающих возможность восстановить эту активность каждый раз, когда требуется припомнить соответствующий опыт. "Теневые изображения", вызываемые пучками, близкими к эталонным, могли бы при этом служить чем-то вроде ассоциативной памяти.

Прибрам считает, что нейронные голограммы действительно существуют, и, следовательно, относится к изложенным аналогиям не как к метафоре. Он предполагает, что подобные голограммы возникают в результате интерференции на нейронах картины возбуждения, образовавшейся непосредственно (т. е. в результате возбуждения ближайших участков дендритов), и картины возбуждения, несколько сдвинутой во времени (образовавшейся в результате возбуждения дальних участков дендритов). Прибрам предлагает проверить эту гипотезу, проанализировав математические правила преобразования импульсов в непрерывные потенциалы и наоборот, и выяснив, являются ли эти преобразования голографическими (и, в частности, обратимыми). Он, по-видимому, считает также, что всякое осознанное мышление эквивалентно воспроизведению некоторой голограммы, а это по сути своей еще одна теория о гомункулусе, поскольку если память восстанавливает зрительный вход, то мы вновь вернулись к "объяснению" восприятия в терминах существования маленького человечка, сидящего у пульта управления в голове человека и следящего по приборам за нейронными сообщениями, приходящими с периферии, тем самым мы начнем бесконечную регрессию ко все меньшим и меньшим гомункулусам.

Однако для специалиста по теории мозга в первом свойстве голографии подлинный интерес представляет не трехмерность изображения как таковая, но то, что голография позволяет фиксировать фронт волны, а не статическое сечение, как в обычной фотографии. Второе свойство голографии не должно нас особенно воодушевлять, поскольку аналогичное свойство мозга можно было предвидеть из-за информационной избыточности, обусловленной конвергенцией и дивергенцией нервных путей. В самом деле, как показывает рассмотрение рецептивных полей (разд. 2.4), по мере центростремительного движения по системе входов каждая клетка контролирует все более широкий диапазон входов. При этом поток информации сначала разветвляется, а затем сходится вновь, в результате чего каждая периферическая точка оказывает влияние на активность многих центральных клеток и в то же время каждая центральная клетка контролирует работу многих рецепторов. Другими словами, входная информация оказывается одновременно и распределенной, и избыточной. И даже при отключении значительных участков центральных путей сохраняется по крайней мере частичная информация почти со всех участков периферии. Более того, наша способность перемещать рецепторы, например сканируя зрительную картину или проводя рукой по исследуемой поверхности, позволяет нам получать "мозаичное" представление обо всей исследуемой сцене даже тогда, когда рецептивные поля, связанные с данным нейронным путем, ограничены. Возможно, наиболее плодотворной окажется аналогия с голограммой по ее третьему свойству, а именно способности хранить в одном месте много различных данных. Во всяком случае, необходимо еще раз подчеркнуть, что любая метафора оказывается полезной только тогда, когда мы понимаем ее не слишком буквально.

Не следует ожидать, что у нейронных голограмм преобразования сцены в воспоминание по своим математическим свойствам будут такими же, как и у обычных голограмм. Обычная голограмма - это по сути дела пространственный образ Фурье, в каждой точке которого записаны частоты для всего оригинала в целом, и притом таким образом, что этот образ можно инвертировать, восстановив по нему весь фронт волны. Однако создается впечатление, что для организма важно не столько иметь возможность воспроизвести весь зрительный вход как таковой, сколько уметь вспомнить жизненно важные черты прошлого опыта. В разд. 2.4 мы убедились в том, что на нижних уровнях переработки информации организмом основная задача как раз и состоит в извлечении из входного образа признаков, существенных для восприятия. Поэтому адекватным понятием для нейронных голограмм может быть не обратимое преобразование Фурье, а такое принципиально необратимое преобразование, при котором пространственное распределение интенсивностей заменяется пространственно распределенным набором признаков (следует подчеркнуть, что это относится к восприятию всех модальностей, а не только к зрению). Заметим, что при этом каждой точке в "пространстве признаков" может соответствовать обширное сенсорное поле, и поля, соответствующие разным точкам, могут в значительной мере перекрываться. Поэтому по ограниченному участку пространства признаков можно восстановить значительно более широкую картину оригинала; правда, некоторые детали, определяемые отброшенными признаками, в ней будут отсутствовать, хотя некоторые другие будут воспроизведены с исключительной точностью. И совершенно в духе разд. 4.1 и 6.1, где было высказано предположение, что одна из основных функций памяти состоит в пополнении текущего сенсорного входа недостающей информацией, необходимой для действия, нам кажется целесообразным, говоря о нейронных голограммах, заменять частотный спектр обычных голограмм спектром действий; таким образом, рассмотренные выше признаки - это те признаки, которые дают возможность организму реагировать на внешнее воздействие оперативно и адекватным образом. Мы считаем, что животное пользуется не каким-то обратимым способом представления информации, позволяющим однозначно восстановить первичный стимул, а редуцированным необратимым ее представлением, достаточным для того, чтобы сконструировать соответствующую реакцию.

Для того чтобы применить методы голографии к конструированию нейронных сетей, реализующих некоторые схемы из разд. 6.2, необходимо, чтобы и аналог эталонного пучка соответствовал воспоминаниям, которые он вызывает. Мы уже знаем, что различные эталонные пучки могут вызывать различные образы, но в обычных голограммах эти пучки выбираются произвольно. Нам кажется, что в нейронном аналоге голограммы (если таковой существует) роль эталонного пучка должна играть текущая нейронная активность, как периферическая (чтобы животное могло вспомнить, что происходило в аналогичной ситуации в прошлом), так и центральная (чтобы оно могло вспомнить о мыслях, связанных с его текущими мыслями).

При этом гипотеза Прибрама, согласно которой эталонным пучком служит просто несколько более ранний вариант текущего входа, объясняет частный случай наших общих представлений. Контур подобного рода позволяет идеально объяснить способность человека воспроизводить события в правильной временной последовательности, когда каждая новая порция информации следует за предыдущей во время запоминания, а каждое новое действие вызывается к жизни предыдущим во время воспоминания.

Хотелось бы также подчеркнуть, что запоминать всю информацию совсем не обязательно. Система эфферентного контроля может служить фильтром для поступающей информации; другими словами, эталонный пучок может обеспечивать не только сохранение информации, но и ее отсев. (Отметим еще, что в процессе приобретения навыков "входной" информацией для нейронной голограммы может быть как активность центральной нервной системы - "память на идеи", - так и активность проприоцепторов - "память на ощущения".) Активность нейронов может вызвать целый "спектр" воспоминаний и заставить организм заняться обобщениями, т. е. данный стимул может активизировать весь опыт, относящийся к определенным видам деятельности организма. И наоборот, если какой-то опыт относится к разряду "ординарных", то он сохранится при помощи такого эталонного пучка, что впоследствии будет воспроизводиться лишь в виде шума, а поведение организма будет определять текущий вход. (Но зачем вообще запоминать ординарное? Возможно, просто потому, что "запоминать" так, чтобы потом нельзя было вспомнить, проще, чем каждый раз проводить тщательные расчеты и определять, что следует запомнить, а что нет.)

Одно из представлений о нейронной голограмме, которое может служить полезной метафорой, способной направлять некоторые исследования деятельности мозга, схематически представлено на рис. 109. К этой схеме следует относиться как к рабочей гипотезе, а не как к завершенной научной теории, что станет ясным из ее беглого рассмотрения. Обратная связь играет для этой схемы исключительно важную роль, поскольку пробудившиеся воспоминания помогают сформировать эталонный пучок, создавая возможность систематического обследования памяти и сохранения в КП той информации, которая не связана непосредственно с управлениями, непрерывно генерируемыми в ответ на текущую последовательность входных воздействий. С таких позиций сны - это особая форма активности, почти полностью зависящая от воспоминаний, уже извлеченных из памяти, она совершенно свободна от диктата "реальности" и все же обладает локальной связностью. Во время бодрствования слишком большое рассогласование между входными воздействиями и текущим содержанием кратковременной памяти приводит к решительной переоценке ситуации, механизм которой бездействует во время сна.

Рис. 109. Модификация схемы 103 на основе голографической метафоры с целью показать, как можно использовать долговременную память для ассоциативной корректировки кратковременной модели

Системы ввода информации извлекают важные для предполагаемых действий признаки внешней ситуации и под действием эфферентного контроля занимаются получением данных, необходимых для нашего текущего хода мыслей. Среди прочего эти данные могут использоваться для обращения к той информации, которая необходима для уменьшения рассогласования между содержимым кратковременной памяти и тем, что нужно для взаимодействия с окружающей нас в данный момент средой. Что же касается эталонных пучков, то они могут служить как для извлечения из памяти необходимой информации, так и для запоминания новой.

Наши представления о концентрировании внимания или о попытках сосредоточиться для того, чтобы вспомнить что-то, находят свое отражение в нижнем блоке на рис. 109, который в состоянии при формировании эталонного луча предусмотреть у него несколько специфических черт, способствующих получению новой информации. Таким образом, мы попадаем в круг все более и более "пристрастного допроса" и в конце концов получаем нужную информацию. В простейшем случае контур формирования эталонного пучка - это просто временная задержка, позволяющая вспоминать события в их правильной временной последовательности, поскольку в этом случае события, происходившие в момент времени n, использовались для кодирования событий в момент времени n+1 и т. д.

С точки зрения намеченной схемы кратковременная память может соответствовать текущей активности в таких контурах, тогда как долговременная память соответствует изменению взаимосвязей в блоке нейронной голограммы. При некоторых повреждениях гиппокампа люди не способны переводить информацию из кратковременной памяти в долговременную; возможно, что гиппокамп занимается "установкой выдержки" для блока нейронных голограмм. Однако, поскольку математика комплексных волн, необходимая для объяснения оптической голографии, существенно отличается от математики, необходимой для описания последовательностей нейронных спайков, вероятно, нам будет далеко не просто описать даже интерференцию волн таких последовательностей, не говоря уже о моделировании процессов, аналогичных проявлению фотопленки.

Независимо от тех предположений, которые мы можем сделать относительно функциональной схемы для человеческой памяти, нейронная голография будет служить полезной метафорой при условии, конечно, что мы не поддадимся соблазну и не будем понимать ее слишком буквально (например, в смысле воспроизведения зрительного входа), а постараемся использовать идею о возможности восстановить весь фронт волны по ограниченному ее участку, объясняя возможность хранения разной информации в одном и том же участке мозговой ткани существованием различных волновых "паролей". Эти идеи должны служить антиподом тех основанных на пословном запоминании представлений о памяти, которые навеяны нам цифровыми вычислительными машинами или лингвистическими возможностями человека. Они должны помочь нам найти адекватные понятия, позволяющие моделировать процессы адаптивных модификаций деенаправленных пространственно распределенных вычислений в многослойном соматотопически организованном вычислительном устройстве.