Сенсорная информация изобилует избыточностью. Проще всего понять это на примере временной избыточности. Состояние мира в момент времени t обычно не сильно отличается от такового в момент t — 1. Температура, к примеру, меняется, но меняется обычно медленно. Орган чувств, в данную секунду сигнализирующий “жарко”, будет зря тратить время, если станет передавать тот же самый сигнал в следующую секунду. Как правило, центральная нервная система может исходить из того, что если в любой данный момент жарко, то жарко будет до следующего момента внимания.
“Следующий момент внимания” дает подсказку, что должна делать хорошо сконструированная сенсорная система. Она не должна сигнализировать: “Жарко, жарко, жарко, жарко…”. Она должна сигнализировать только об изменении температуры. Тогда центральная нервная система может постулировать, что поддерживается статус-кво, до тех пор, пока не получает сигнал о следующем изменении. Физиологам издавна было известно, что большинство органов чувств ведет себя именно так. Этот феномен называется сенсорной адаптацией.
На рис. 1. продемонстрирован конкретный пример – угасание нервных импульсов от отдельного сенсорного волоска мухи, реагирующей на пиво. Когда он впервые улавливает пиво, нерв посылает серию быстрых импульсов. Пиво никуда не девается, но темп импульсов постепенно снижается до постоянного, низкого значения – “новостей нет”.
Аналогичная избыточность существует в сфере пространственного. Вверху на рис. 2 (на следующей странице) – изображение, на которое мы действительно смотрим. Если мы отобразим точки на сетчатке, куда попадает свет, в виде “+”, а темные точки в виде “—”, средняя картинка покажет, что здесь присутствует колоссальная избыточность: большинство плюсов соседствует с другими плюсами, минусов – с минусами. На нижней картинке избыточность устранена, плюсы и минусы остались только по краям. Только о краях и нужно сигнализировать. Избыточную внутреннюю часть нервная система сможет заполнить сама. Это проделывается с помощью механизма, известного как латеральное торможение. Если каждая клетка в банке фоторецепторов тормозит своих непосредственных соседок, максимальный импульс поступает от клеток, расположенных по краям, потому что они тормозятся только с одной стороны. Такое латеральное торможение часто встречается в глазах как позвоночных, так и беспозвоночных живых существ.
Прямизна многих линий составляет еще один вид избыточности. Если концы линии указаны, середину можно заполнить. В число наиболее важных нейронов, открытых в зрительной коре млекопитающих, входят так называемые детекторы линий – нейроны, которые выделяют линии или края, ориентированные в определенных направлениях. У каждого коркового детектора линий есть собственное предпочитаемое направление. По мнению Барлоу, дело обстоит следующим образом: если бы не детектор линий, все клетки вдоль прямого края посылали бы импульсы, так что нервная система поступает экономно, используя единственную клетку для сообщения об этом крае.
Движение в пространственном поле богато информацией, подобно тому, как богато ею изменение во времени. Так же, как и в примере с температурой, статическое зрительное поле не нуждается в непрерывном отчете. Но если часть зрительного поля внезапно отделяется от остального и начинает ползти по фону, как маленькая черная мушка, то это новость, и о ней следует сообщить. Физиологи зрения действительно открывали, и неоднократно, нейроны, которые молчат до тех пор, пока в их зрительном поле что-нибудь не начинает двигаться. Они не реагируют на движение всего поля – это соответствует тому виду движения, который видит животное, когда оно двигается само. Они реагируют только тогда, когда что-то движется относительно остального зрительного поля. Самые знаменитые из этих детекторов относительного движения – так называемые “детекторы насекомых” Летвина и Матураны в сетчатке лягушки.
Что касается видимых движений окружающего мира, возникающих, когда животное ходит или двигает глазами, они бедны информационным содержанием – им свойственна высокая избыточность – и потому должны отфильтровываться, прежде чем достигнут мозга. И, разумеется, когда вы ходите, вы воспринимаете мир как неподвижный, хотя изображение у вас на сетчатке перемещается. Однако попробуйте ткнуть себя в глаз – и, ручаюсь, вы увидите маленькое землетрясение. Но изображение на сетчатке в обоих случаях двигается одинаково. Различие, согласно известной теории реафференции фон Хольста и Миттельштедта, в следующем. Всякий раз, когда мозг посылает сообщение глазным мышцам, командуя им двигать глазом, он отправляет копию этого сообщения сенсорной части мозга, веля ей ожидать, что видимое положение мира соответственно сместится, и компенсировать это нужной степенью смещения. Мозг воспринимает движение только в том случае, если наблюдается несоответствие между ожидаемым движением и наблюдаемым движением. Это прекрасно демонстрирует следующий факт. Давно известно, что люди с парализованными глазными мышцами видят движение земли, когда пытаются двигать глазами (и в том же направлении, что и предполагаемое движение глаз). Мозг получает команду предвидеть движение и делает на это поправку. Но движение так и не возникает, поэтому наблюдается видимое движение модели мира.
Возвращаясь к информационно насыщенному движению относительно остального мира: Летвин и его коллеги обнаружили удивительные вариации на базовую тему “детектора насекомых” в зрительной доле мозга лягушки. Интереснее всего (с нашей нынешней точки зрения) так называемые нейроны “тождества”. Цитирую:
Начнем с того, что представим зрительное поле как пустую серую полусферу. Клетка обычно не реагирует на включение и выключение освещения. Она молчит. Мы добавляем маленький темный объект, скажем, 1–2 градуса в диаметре, и в определенный момент его движения, фактически в любом месте поля, клетка внезапно “замечает” его. После этого в любой момент, когда объект двигается, клетка его отслеживает. Всякий раз, когда он двигается, даже если он лишь слегка подергивается, возникает вспышка импульсов, которая затем стихает до “шепота”, длящегося до тех пор, пока виден объект. Если объект продолжает двигаться, вспышки сигнализируют о нарушениях непрерывности движения, таких как поворот углов, инверсия и т. д., и эти вспышки имеют место на фоне непрерывного “шепота”, сообщающего нам о том, что объект виден клетке.
Нервная система как будто бы настроена на последовательных иерархических уровнях сильно реагировать на неожиданное и слабо реагировать или не реагировать вовсе – на ожидаемое. Переходя вновь на язык Барлоу, заимствованный из теории кодов, мы могли бы сказать, что нервная система использует короткие, экономные слова для частотных, ожидаемых сообщений, а длинные, менее экономные слова для сообщений, которые имеют место редко и неожиданны. Другой способ сформулировать это – что возвращает нас к моей основной теме, – сказать, что хорошо настроенная нервная система воплощает, в своем словаре символов кода, статистическую модель мира, в котором обитает животное. Барлоу формулирует это так:
Эффект кодирования для снижения избыточности состоит не только в устранении расточительной нейронной активности. Кодирование являет собой способ организовать сенсорную информацию так, что, с одной стороны, строится внутренняя модель среды, порождающей предыдущие входящие сенсорные данные, с другой стороны, текущая сенсорная ситуация отображается компактно, что упрощает задачу тем частям нервной системы, которые отвечают за обучение и обуславливание.
Когда я гляжу на любой объект, например, на деревянную шкатулку на столе, у меня возникает сильное впечатление, что предмет, на который я смотрю, – действительно сама шкатулка и что она находится вне меня. Древние греки считали, что из глаз исходят невидимые лучи, ощупывающие объект, на который мы смотрим, и для моего субъективного сознания в этой идее есть доля истины. Хотя мне известно, что на самом деле шкатулка отражает лучи от солнца, которые затем преломляются хрусталиком и глазными жидкостями так, что на сетчатке каждого из моих двух глаз появляется крошечное перевернутое изображение шкатулки, я не могу ничего поделать с чувством, что воспринимаемый мною образ шкатулки действительно существует “где-то там” и дожидается, когда его ощупают мои глаза. Шкатулка, в конце концов, выглядит объемной; у нее есть глубина. Ее объемный образ не соответствует ни одному из двух плоских изображений на двух моих сетчатках. Это композит, и он выглядит объемным потому, что мозг провел некоторые сложные расчеты, основанные на расхождении двух изображений на сетчатках. Шкатулка, которую я фактически воспринимаю, вовсе не “где-то там” и не на какой-либо из двух сетчаток. Если она где-то и находится, то в мозгу – это компьютерная модель шкатулки. Если теперь кто-нибудь повернет шкатулку, двумерные изображения на двух моих сетчатках изменятся сложным образом, но объемная, трехмерная модель в моем мозгу останется без изменений. Я как будто вижу другую плоскость шкатулки, когда она поворачивается, и сама шкатулка может казаться больше или меньше, если ее пододвигают ко мне или отодвигают от меня. Даже когда она поворачивается, увеличивается или уменьшается, она обладает непрерывностью тождества. Дело в том, что видимое мною – действительно один и тот же “предмет”; это одна и та же компьютерная модель в мозгу, на которую я “смотрю”, пока шкатулка вращается, а изображения на моей сетчатке меняются.
Этот анализ с точки зрения “модели в голове” помогает нам “проникать” в умы, живущие в чуждых мирах. Летучие мыши не видят мир, они его слышат, зачастую в кромешной тьме. Но я уже предполагал в других своих работах, что субъективные ощущения летучей мыши могут очень напоминать ощущения зрячего животного, например, птицы, летающей днем. Причина в том, что и летучая мышь, и птица “видят” модель, которую они конструируют у себя в мозгу. Тип сконструированной (естественным отбором) модели будет тем типом модели, который необходим для навигации на высокой скорости в воздухе в трех измерениях. Тот факт, что внешняя информация, используемая для обновления модели, в случае птицы исходит от лучей света, а в случае летучей мыши от звукового эха, не имеет значения для функциональных свойств самой модели. Я даже предполагал, что летучие мыши могут воспринимать цвет. Наше субъективное переживание цвета не обязательно должно быть связано с определенной длиной световых волн. Цвета – элементы нашей внутренне сконструированной модели, используемые как произвольные обозначения длин волны. Почему бы летучим мышам не использовать такие же произвольные обозначения неких аспектов отражения звука различными текстурами? Возможно, ушам самки летучей мыши самец представляется столь же великолепно раскрашенным, как нашим глазам хвост павлина.