Охота на электроовец. Большая книга искусственного интеллекта

Иногда части тела гомункулуса располагают вдоль схематического изображения коры, что делает его ещё страшнее.
Рис. 103. Схематичное изображение коры мозга и соответствующих ей частей тела
Следующим важным шагом в изучении структуры и функций коры (вслед за открытием кортикальных карт) мы обязаны Рамону-и-Кахалю и его ученику Рафаэлю Лоренте де Но — им удалось установить, что операции, выполняемые корой над получаемой информацией, локальны. Чтобы понять это, можно взглянуть на схемы соединения нейронов в коре, построенные с использованием «чёрной реакции», и увидеть следующее: пучки нервных волокон (длинных отростков нейронов) приносят информацию в некоторую область коры, затем, пройдя через несколько синапсов, сигналы распространяются на всю её глубину, информация обрабатывается, и после этого другие пучки волокон передают модифицированную информацию за пределы данной области. Конкретные схемы связей между входами и выходами различаются между областями коры, но в пределах одной области они выглядят довольно похожими. Общим для всех областей коры является локальный характер связей: информация, передаваемая в кору одним волокном, может распространиться на всю глубину коры, пройдя всего три или четыре синапса, но боковое распространение сильно меньше (несколько миллиметров, небольшая часть обширной протяжённости коры) [1458].
Именно из этого наблюдения возникла идея создания искусственных нейронных сетей с несколькими слоями «локальных» нейронов. На ограничения именно таких сетей Минский и Пейперт указывали [1459] в своих «Перцептронах», получив [1460] в ответ на свою критику замечание Генри Блока, что человеческое зрение также не свободно от упомянутых ограничений.
В 1920-е гг. в работах Ивана Павлова была высказана гипотеза о том, что различные зоны коры больших полушарий головного мозга выполняют функции анализаторов: «Таким образом, после всех наших опытов мы можем сказать, что большие полушария представляют собой совокупность анализатора, с одной стороны, для анализа внешнего мира, как, например, глазной, ушной анализаторы, с другой стороны — для анализа внутренних явлений, как, например, двигательный анализатор». Основной функцией анализатора, по Павлову, является его способность «разлагать сложные явления на отдельные элементы» [1461]. Современный специалист по глубокому обучению сказал бы, что различные зоны коры являются по сути «экстракторами фичей» (т. е. отвечают за выделение признаков).
Гипотеза Павлова нашла подтверждение в исследованиях Хьюбела и Визеля, которые смогли детально разобраться в конкретных функциях, выполняемых первичной зрительной корой. Выяснилось, что её нейроны реагируют не просто на наличие или отсутствие света, падающего на сетчатку. В действительности их активация зависит от схемы освещения. Конкретные визуальные структуры являются необходимыми и достаточными стимулами для разных типов нейронов коры. Например, один из типов клеток избирательно реагирует на полосу света с определённой ориентацией (вертикальной, наклонной или горизонтальной), перемещающуюся в определённом направлении в определённой части поля зрения. На срабатывание этих клеток не влияет рассеянный свет, полоса неправильной ориентации или полоса, движущаяся в неправильном направлении. Следовательно, потенциалы действия клеток первичной зрительной коры передают высшим центрам мозга информацию о тех или иных структурах, выявленных в поле зрения.
  
Эксперименты Хьюбела и Визеля стали продолжением исследований Штефана Куффлера [1462], американского нейрофизиолога венгерского происхождения, которого иногда называют отцом современной нейрофизиологии [1463]. Именно Куффлер в 1953 г. провёл первый экспериментальный анализ зрительной системы млекопитающих, сосредоточившись на организации рецептивного поля и значении сигналов в зрительном нерве кошки.
Как и Куффлер, Хьюбел и Визель использовали единичные электроды для регистрации активности отдельных нейронов. Эта процедура может показаться весьма неплодотворным способом изучения функций, в которых участвует большое количество клеток. Какова вероятность того, что исследователи смогут понять сложные закономерности работы мозга, наблюдая активность безнадёжно малой доли общего числа нейронов? Однако упорядоченный характер структуры связей клеток зрительной коры существенно упростил задачу Хьюбела и Визеля: смежные точки сетчатки соответствуют смежным точкам поверхности коры. Первичная зрительная зона коры устроена таким образом, что каждому крошечному сегменту поля зрения соответствует идентичный набор нейронных анализаторов. Задача, с которой столкнулись Хьюбел и Визель в 1958 г., состояла в том, чтобы выяснить, как сигналы, обозначающие маленькие, яркие, тёмные или цветные пятна в сетчатке, преобразовываются в сигналы, которые передают информацию о форме, размере, цвете, движении и глубине объектов, в то время как современные методы нейровизуализации (пометка нейронов при помощи инъекции пероксидазы хрена, диффузная оптическая томография и другие) ещё не были созданы [1464].
И всё-таки исследователей ждал успех. Вот так Хьюбел описал в своей нобелевской речи эксперимент, который привёл к прорыву в понимании функций первичной зрительной коры:
Наше первое настоящее открытие случилось совершенно неожиданно. На протяжении двух или трёх часов у нас ничего не получалось. Затем постепенно мы начали различать какие-то смутные и непостоянные ответы при стимуляции где-то на границе между центром и периферией сетчатки. Мы как раз вставляли слайд на стекле в виде тёмного пятна в разъём офтальмоскопа, когда внезапно, через аудиомонитор (по сути обычный динамик — устройство, преобразующее электрические импульсы в звуковые сигналы. — С. М.), клетка зарядила как пулемёт. Спустя некоторое время, после небольшой паники, мы выяснили, что же случилось. Конечно, сигнал не имел никакого отношения к тёмному пятну. Во время того, как мы вставляли слайд на стекле, его край отбрасывал на сетчатку слабую, но чёткую тень в виде прямой тёмной линии на светлом фоне. Это было именно то, чего хотела клетка, и, более того, она хотела, чтобы эта линия имела строго определённую ориентацию. Это было неслыханно. Сейчас даже трудно подумать и представить себе, насколько далеко мы были от какой-либо идеи относительно того, какую роль могут играть клетки коры в обычной жизни животного [1465].
Статья Хьюбела и Визеля «Рецептивные поля отдельных нейронов в стриарной коре кошки» (Receptive fields of single neurons in the cat’s striate cortex) [1466] увидела свет в 1959 г., практически одновременно со статьёй Летвина и Матураны о глазе и мозге лягушки и за два года до «Принципов нейродинамики» Розенблатта. Производя обзор находок нейрофизиологов, Розенблатт отмечает, что высказанная им в статье 1958 г. идея об архитектуре сети, способной распознавать контуры объектов и основанной на нейронах A‑слоя с круговыми или эллиптическими распределениями входящих синапсов, вполне соотносится с данными Хьюбела и Визеля. Рассуждая о перспективных способах построения сложных искусственных нейронных сетей, Розенблатт среди прочего предлагает использовать «простые пространственные ограничения (градиенты, направленное смещение или распределения соединений, заданных небольшим количеством параметров)» [1467]. Это предложение, как и многие другие идеи Розенблатта, несмотря на свой общий характер, во многом опередило своё время. К сожалению, в работах Розенблатта эта мысль не получила дальнейшего развития, однако результаты, полученные Хьюбелом и Визелем, не были забыты коннекционистами.