Охота на электроовец. Большая книга искусственного интеллекта
Шрифт:
5.2.4.1 Роль котиков в развитии нейронных сетей
Хьюбел и Визель занимались изучением первичной зрительной коры (V1), также называемой «полем Бродмана 17» или же «стриарной корой». Последнее название происходит от латинского слова stria, то есть «полоса», и отражает тот факт, что здесь отчётливо видна полоска Дженнари (наружная полоска Байярже), образованная конечными отделами покрытых миелиновой оболочкой аксонов, отходящих от нейронов латерального коленчатого тела и заканчивающихся в IV слое серого вещества. Выучив все эти термины, вы сможете без особого труда подавлять в споре недостаточно уверенных в себе оппонентов.
Именно в зрительную зону V1 попадают нервные импульсы нейронов зрительного нерва, генерируемые сетчаткой. Все остальные чувствительные к зрительным сигналам участки мозга связаны с глазами строго через зону V1.
Но перед рассмотрением эксперимента Хьюбела и Визеля надо обсудить важные особенности строения коры головного мозга.
Кора головного мозга человека представляет собой плотно уложенный складками слой нервной ткани толщиной около двух — четырёх миллиметров [1453] . Если развернуть этот слой, то площадь коры одного полушария составит порядка 1000–1400 квадратных сантиметров [1454] . Под микроскопом в ткани коры можно разглядеть множество нейронов — примерно 100 000 на квадратный миллиметр.
1453
Roberts P. A. (1992). Neuroanatomy. Springer-Verlag, p. 86 // https://books.google.ru/books?id=7zywoAEACAAJ
1454
Toro R., Perron M., Pike B., Richer L., Veillette S., Pausova Z., Paus T. (2008). Brain Size and Folding of the Human Cerebral Cortex / Cerebral Cortex, Vol. 18, Iss. 10, pp. 2352—2357 // https://doi.org/10.1093/cercor/bhm261
Клеточные тела образуют несколько слоёв, в каждом из которых плотность их размещения практически постоянна, но более плотные слои перемежаются менее плотными. Ещё в конце XIX в. учёным удалось установить, что кора подразделяется на области, выполняющие различные функции (локализация функций). Обширным источником знаний о функциональных зонах коры стали клинические данные. Врачи неоднократно отмечали, что черепно-мозговые травмы, в зависимости от их локализации, могут вызвать слепоту, паралич, онемение или потерю речи, при этом слепота может быть как полной, так и ограниченной некоторой частью зрительного поля, а онемение может затрагивать как всю конечность, так и только несколько пальцев. Изучение взаимосвязей между местом повреждения коры и участком проявления на теле позволило со временем составить общую карту коры, выделив тем самым зрительную, слуховую, соматосенсорную (отвечающую за ощущения тела), речевую и моторную кору.
Тщательный анализ коры с помощью микроскопа и улучшенных способов окраски показал, что, несмотря на относительную однородность, в коре существуют структурные различия, хорошо коррелирующие с картой локализации функций. Дополнительные подтверждения этого были получены в ходе изучения электрической активности мозга, возникающей при стимуляции организма при помощи прикосновений, звуков или световых раздражителей. Сходным образом, наблюдая за движениями тела в ответ на электрическую стимуляцию коры, удалось также составить и карту двигательных зон. Это систематическое картирование коры вскоре привело к фундаментальному выводу: в большинстве случаев сенсорные и моторные зоны мозга представляли собой «проекции» соответствующих областей тела. Стало ясно, что тело сопоставлено соматосенсорной и моторной областям коры, при этом полю зрения соответствует первичная зрительная кора площадью около 15 квадратных сантиметров. В первичной зрительной коре карта достаточно проста, поскольку не содержит НИ ЕДИНОГО РАЗРЫВА, за исключением примечательного разделения поля зрения посередине, причём левая его половина проецируется на кору правого полушария головного мозга, а правая — на кору левого полушария.
Важной особенностью корковых (также говорят «кортикальных», от лат. corticalis — кора) карт является их переменный масштаб: одна и та же площадь поверхности тела, в зависимости от конкретного участка, может отображаться в различные по площади участки коры. Например, квадратному миллиметру поверхности пальцев, губ или языка соответствует бoльшая площадь коры, чем квадратному миллиметру поверхности ягодиц или спины, а квадратный миллиметр центральной части сетчатки глаза представлен в коре мозга примерно в 35 раз детальнее, чем квадратный миллиметр её периферической части.
Во многих учебниках по нейрофизиологии можно обнаружить изображение удивительного существа — соматосенсорного гомункулуса. В основу гомункулуса положена фигурка человека, но размеры разных анатомических областей его тела выполнены в масштабе, пропорциональном числу находящихся в них рецепторов и, соответственно, площади, приходящейся на эти анатомические области зоны соматосенсорной коры.
Эта особенность кортикальных карт была задокументирована в начале 1940 гг. — в пионерских исследованиях Клинтона Вулси [1455] и Эдгара Эдриана [1456] , в которых было отмечено, что частям тела, обладающим наибольшей чувствительностью, соответствуют наибольшие по площади зоны кортикальных проекций [1457] .
Иногда части тела гомункулуса располагают вдоль схематического изображения коры, что делает его ещё страшнее.
1455
Woolsey C. N., Marshall W. H., Bard P. (1942). Representation of cutaneous tactile sensibility in the cerebral cortex of the monkey as indicated by evoked potentials / Bulletin of the Johns Hopkins Hospital, Vol. 70, pp. 399—441.
1456
Adrian E. D. (1943). Afferent areas in the brain of ungulates / Brain, Vol. 66, Iss. 2, pp. 89—103 // https://doi.org/10.1093/brain/66.2.89
1457
Catania K. C. (2007). Evolution of the Somatosensory System — Clues from Specialized Species / Kaas J. S. (2007). Evolution of Nervous Systems: a comprehensive reference // https://books.google.ru/books?id=UX1PAQAAIAAJ
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] .
1458
Hubel D. H., Wiesel T. N. (1979). Brain Mechanisms of Vision / Scientific American, 241(3), pp. 150–162 // https://doi.org/10.1038/scientificamerican0979-150
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).
1459
Minsky M., Papert S. A. (1969). Perceptrons: An Introduction to Computational Geometry. MIT Press // https://books.google.ru/books?id=KhI-uwEACAAJ
1460
Block H. D. (1970). A review of 'Perceptrons' / Information and Control, Vol. 17, pp. 510—522 //90409-2
1461
Павлов И. П. (1923). Двадцатилетний опыт объективного изучения высшей нервной деятельности животных. Государственное издательство Москва—Петроград.