Как мы видим? Нейробиология зрительного восприятия

WE KNOW IT WHEN WE SEE IT
What the Neurobiology of Vision
Tells Us About How We Think

Richard Masland


























    BASIC BOOKS

New York

Ричард Маслэнд





                КАК МЫ ВИДИМ?




Нейробиология зрительного восприятия

Перевод с английского





Q альпина ПАБЛИШЕР
Москва
2022

УДК 617.7
ББК 56.7

М31

Переводчик Ирина Евстигнеева Научный редактор Оксана Агеенкова Редактор Любовь Любавина


    Маслэнд Р.
М31 Как мы видим? Нейробиология зрительного восприятия / Ричард Маслэнд ; Пер с англ. — М. : Альпина Паблишер, 2022. ----- 304 С.


        ISBN 978-5-9614-7248-6


        Мы легко узнаем близкого человека в толпе незнакомцев, и эта способность кажется элементарной. Но как на самом деле работает зрение? Как мы различаем лица, распознаем знакомые объекты и ориентируемся на местности? Как наш мозг перерабатывает и осмысляет визуальную информацию - пятна света, контуры и цвета? Гарвардский нейробиолог Ричард Маслэнд посвятил свою книгу зрению - от сетчатки глаза до зрительных центров в височной коре мозга. Он рассказывает обо всех аспектах зрения, устройстве наших глаз, процессах восприятия и осмысления сигналов. Читатели отправятся в научное путешествие по лабораториям нейробиологов, ознакомятся со сведениями о новейших экспериментах в области зрения и получат повод задуматься о том, как мы видим других людей и мир вокруг.


УДК 617.7
                                                                         ББК 56.7


                                                 Все права защищены. Никакая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами, включая размещение в сети интернет и в корпоративных сетях, а также запись в память ЭВМ для частного или публичного использования, без письменного разрешения владельца авторских прав. По вопросу организации доступа к электронной библиотеке издательства обращайтесь по адресу mylib@alpina.ru.


ISBN 978-5-9614-7248-6 (рус.)
ISBN 9781541618503 (англ.)

© 2020 by Richard Masland
© Издание на русском языке,

перевод, оформление.
ООО «Альпина Паблишер», 2022

        Содержание





         Введение ................................... 7

ЧАСТЬ I. ЗРЕНИЕ: ПЕРВЫЕ ШАГИ К ПОНИМАНИЮ
     1  | Чудо восприятия............................13
     2  | Нейроны, рассказывающие мозгу о внешнем мире.17
     3  | Микропроцессор в глазу.....................45
     4  | Нейроны-призраки ..........................67
     5  | Что глаз сообщает мозгу?...................93

ЧАСТЬ II. В ДЕБРЯХ МОЗГА
     6  | Зрительные сигналы поступают в мозг.......107
     7  | Что дальше: лоскутное одеяло зрительной коры.127
     8  | Пластичные чувства .....................  141
     9  | Формирование нейронной сети: нейроны соединяются, если вместе возбуждаются .155
    10  | Машинное обучение, компьютерное зрение и живой мозг.....................................181
    11 | Как работает зрение .......................... 205

ЧАСТЬ III. ДО САМОГО ГОРИЗОНТА И ДАЛЬШЕ

    12  | Почему эволюция так    любит нейронные сети.225
    13  | Прогресс есть, тайны остаются...............231
    14  | Зрение и сознание...........................247

         Глоссарий....................................259
         Благодарности................................265
         Примечания ................................. 267
         Библиография ............................... 279
         Источники иллюстраций ...................... 299
         Об авторе....................................301

        Введение







Это книга о том, как мы видим. Мыслители издавна пытались объяснить феномен зрения, но их представления, как показывают современные исследования, были наивными: ведь глаз — это не просто съемочный аппарат, а нечто гораздо большее. Наша способность узнавать лица друзей кажется элементарной и естественной — настолько, что древние даже не рассматривали ее как предмет исследования, — но на деле в ней нет ничего очевидного. Чтобы дать исчерпывающий ответ на вопрос, что такое зрение, надо понять не только то, как функционируют наши глаза. Необходимо также знать, как наш мозг воспринимает и осмысляет внешний мир.
   Как это ни парадоксально, мозг очень медлителен: нейроны и синаптические связи между ними функционируют в миллионы раз медленнее современных компьютеров. Однако он превосходит компьютеры в большинстве перцептивных задач. Мы можем за тысячные доли секунды узнать своего ребенка в толпе мальчиков и девочек на детской площадке. Как наш мозг это делает? Каким образом он перерабатывает и осмысляет потоки элементарных стимулов — пятен света, вибраций воздуха, давлений на кожу и т. п.? На сегодняшний день у нас есть только проблески понимания, но от того, что уже известно, захватывает дух.

7

| Как мы видим?

   Я пришел в нейронауку в 25 лет — еще до того, как она стала самостоятельной официальной дисциплиной, — и сегодня увлечен ею так же страстно, как и тогда. Я наблюдал за развитием нейронауки и принимал в нем непосредственное участие. Эту книгу я написал, чтобы рассказать вам о том, как работает зрение — от сетчатки до зрительных центров в височной коре мозга. Но еще я хочу пригласить вас в научное путешествие, чтобы вы узнали, как работают нейробиологи, не из скучных научных статей или ток-шоу, а увидели это своими глазами — побывав в настоящих исследовательских лабораториях. Наконец, я познакомлю вас с несколькими ключевыми фигурами в этой области.
   Мы шаг за шагом рассмотрим процесс зрительного восприятия. Вы узнаете, что мы видим мир вовсе не таким, какой он есть на самом деле: наша сетчатка разбивает его на множество отдельных фрагментов (сигналов) и посылает их в мозг по отдельным каналам, каждый из которых несет информацию об одном небольшом аспекте изображения. Я объясню, как нейроны сетчатки выполняют это перекодирование и почему. Затем мы проследуем за этими сигналами в мозг и посмотрим, как из них формируется восприятие.
   В мозге по-прежнему еще множество тайн, но мы уже смогли прийти к важному выводу: большая часть мозга работает не как система фиксированных двухточечных соединений наподобие телефонной сети, а как паутина бесчисленных нейронных связей, то есть как нейронная сеть. В наши дни нейронные сети обычно ассоциируются с компьютерами, но их идея впервые была выдвинута более полувека назад прозорливым канадским нейробиологом Дональдом Хеббом. Несколько лет спустя эту теорию подхватили специалисты в области теории вычислительных систем. В последующие десятилетия нейронные сети то входили в моду, то теряли популярность, но более совершенные компьютеры в конечном итоге привели к рождению новой области искусственного

Введение | 9

интеллекта (ИИ), известной как машинное обучение. Разработчики ИИ показали, что компьютерные нейронные сети могут научиться впечатляющим вещам, и тем самым побудили нейробиологов вновь посмотреть на головной мозг сквозь призму нейронных сетей. Сегодня у нас есть замечательный альянс нейробиологии и компьютерных наук, в котором каждая дисциплина служит источником идей для другой.
   Действительно ли мозг использует нейронные сети для восприятия и осмысления мира? Функционирует ли он согласно принципам, применяющимся в «машинном обучении»? Ответ, судя по всему, да — и мозг делает это намного лучше компьютеров. Безусловно, компьютеры поражают нас некоторыми своими способностями — не только игрой в шахматы, но и выполнением других более сложных задач. Но по большому счету они как цирковые пони, умеющие делать только один трюк. И даже самые простые системы ИИ требуют большого количества оборудования и, как следствие, большого количества энергии. В отличие от них, наш скромный по размерам мозг способен выполнять огромное разнообразие задач, потребляя при этом меньше энергии, чем ночник для чтения. С этой точки зрения компьютеры очень примитивны, поэтому цель — сделать их хотя бы немного похожими на человеческий мозг.
   Как это давно понял Дональд Хебб, нейронная сеть с фиксированными соединениями неспособна учиться. Ключ к обучаемости нейронной сети (биологической или искусственной) — в способности синаптических связей между ее нейронами меняться под влиянием опыта. Такая пластичность — общее правило для всего мозга, а не только для сенсорных систем. Благодаря ей мозг может оправляться от повреждений и выделять дополнительные ресурсы под особенно важные задачи. В зрительной системе нейронные сети могут научиться заранее идентифицировать визуальный объект, дополняя сенсорную информацию, поступающую

| Как мы видим?

с сетчатки, знаниями об увиденных ранее аналогичных объектах. Это означает, что значительная часть нашего восприятия — не столько фиксированная, сколько приобретенная в результате обучения реакция на зримый объект. Нейронные сети распознают определенные комбинации признаков, когда они их видят.
   Куда это приведет нас в наших поисках понимания механизмов восприятия, мышления, эмоций? Конкретные детали нам неизвестны, но мы можем заглянуть в далекое будущее и попробовать увидеть ответ. Это будут фактологические, поддающиеся проверке научные знания в каждой точке. В этой книге мы с вами пройдем часть пути — до того места, где сенсорный опыт превращается в восприятие и мысль.
   Наконец, где во всем этом наше «я»? Легко говорить о мозге с позиции внешнего наблюдателя, но что представляет собой — и где обитает — тот «внутренний человек», который смотрит на мир нашими глазами? Задумываясь об этом, мы неизбежно наталкиваемся на вопрос о природе сознания, нашего «я», а на этом пути мы, люди, едва ли сделали первые шаги. Я затрону эту тему в конце книги, не давая ответов, но постаравшись чуть более четко обозначить проблему.

ЧАСТЬ I

ЗРЕНИЕ:
ПЕРВЫЕ ШАГИ К ПОНИМАНИЮ









В 1960-х гг. в Гарвардском университете уважаемый профессор Джейкоб Бек читал курс, незатейливо назвавшийся «Восприятие». Лекции проходили в небольшой аудитории, втиснутой в углу Мемориального холла — величественного готического здания из темно-красного кирпича, возведенного в XIX в. в память гарвардцев, погибших в Гражданской войне. Около сотни коричневых деревянных столов, покрытых за прошедшее столетие бесчисленными слоями пожелтевшего лака, ступенчато спускались к огромной черной доске, которая занимала всю переднюю стену. Через редкие окна, расположенные высоко на левой стене, виднелось холодное небо, но лампы накаливания заливали теплым желтым светом аудиторию, в которой находилось 30-40 студентов.
   Манера преподавания Бека была такой же простой и ясной, как и название его курса. Он придерживался классического стиля, считая, что его главная задача — четко и организованно изложить учебный материал, а не увлечь студентов. В ходе лекций он пользовался тщательно подготовленными

11

| Зрение: первые шаги к пониманию

конспектами и в начале каждого занятия обязательно уделял несколько минут тому, чтобы повторить основные моменты предыдущей лекции.
   Впрочем, Беку и не надо было вести себя как шоумен. Материал захватывал сам по себе. Разумеется, Бек преподавал нам основы: давление на кожу деформирует нервные окончания, которые посылают сигнал через спинной мозг в головной. Одни наши кожные рецепторы реагируют на прикосновения, другие — на тепло, третьи — на движение по коже, например, когда вы гуляете по лесу и вдруг чувствуете, что у вас по руке ползет неизвестное (и, возможно, ядовитое) насекомое. Такого рода факты любого могли заинтересовать. Но самой удивительной проблемой, которой Бек озадачил нас, 19-летних, была проблема распознавания объектов.
   С одной стороны, она непосредственно связана со зрительным восприятием: как работает глаз, как он подает сигнал в мозг. Но не только. Здесь играют роль куда более сложные феномены, такие как мышление, память, природа сознания. Сегодня мы более-менее представляем себе, как работает наша сенсорная система. Мы научились регистрировать прохождение электрических сигналов по чувствительным проводящим путям. Научились стимулировать нейроны, что позволяет нам все больше узнавать об их работе и функциях. Мы многое узнали о том, как обрабатываются сенсорные сигналы в головном мозге и как они передаются между различными его отделами. Таким образом, у нас появились надежные базовые знания, опираясь на которые мы можем двигаться дальше по пути, на котором мы только-только начинаем делать первые шаги, — по пути к пониманию того, как мыслит наш мозг. И изучение феномена нашего зрения обещает по крайней мере частично приподнять завесу над великими тайнами.

| Чудо восприятия


             Груши — не скрипки, Не обнаженные тела, не бутыли. Они ни на что не похожи.
             Они — желтые формы, Сотворенные из изгибов, Бочковатые книзу, Чуть тронутые красным.
УОЛЛЕС СТИВЕНС




Взгляните на эти три лица. Хотя фотографии несколько размыты и неконтрастны, вы легко можете распознать, кто на них изображен: справа — женщина (у нее более округлое лицо); в центре — мальчик (у него явно мужской подбородок). Будь они вашими сыном или дочерью, братом или матерью, другом или подругой или любым другим близким человеком, вы бы узнали их в любом виде и в любой ситуации, в профиль и анфас, при ярком свете и в сумерках,


13