При восприятии мира большая часть информации поступает в мозг посредством зрения. Сетчатка улавливает и переводит на язык нервных импульсов множество поступивших сигналов, а мозгу как-то удается проанализировать и перевести уже на язык образов этот колоссальный массив информации. При попытке сконструировать робота, который познавал бы объективный мир подобно человеку, мы столкнемся с непреодолимыми трудностями. Именно неспособность нынешних информационных технологий точно имитировать процесс восприятия остается главным препятствием для создания искусственной сетчатки, которая позволила бы вернуть слепому стопроцентное зрение. Как известно, лучший результат на сегодняшний день – способность различить форму объекта.
Скорее всего, помочь решить эту проблему сможет лишь синергетика – наука, созданная немецким физиком-теоретиком Германом Хакеном. Синергетика изучает общие закономерности самоорганизации структур, которые образуются в сложных, открытых системах в процессе постоянного обмена веществом, энергией и информацией с окружающей средой в неравновесных условиях. Поскольку объектом изучения здесь могут быть любые системы, от атома до человека, синергетика сформировалась как междисциплинарное направление научных исследований. Идеи синергетики получили развитие в трудах самых разных ученых.
Синергетика становится модным словом, которым порой легко придать вес и наукообразие псевдонаучной, бесполезной или оторванной от практики теории. Точно так же к «нанотехнологиям» иногда относят хорошо известные и давно применявшиеся методы, по сути не имеющие отношения к современным материалам и устройствам, произведенным на наноуровне. Однако синергетика создавалась физиками и математиками, которые решали вполне конкретные задачи, и кроме красоты она обладает значительной прикладной ценностью. Одним из результатов применения законов синергетики уже стал разработанный Г.Хакеном и его коллегами новый тип компьютера, обладающий основными свойствами человеческого восприятия. А значит, до создания полноценной искусственной сетчатки остается не так уж много шагов!
Сетчатка: фотопленка или часть биокомпьютера?
Наша нервная система получает всю зрительную информацию об окружающем мире посредством глаз. С точки зрения оптики, глаз вполне можно сравнить с фотоаппаратом. Оба состоят из похожих «деталей», позволяющих получить четкую и контрастную картину трехмерного мира на двумерной поверхности – правда, уменьшенную, зеркальную и перевернутую. Однако для фотоаппарата работа на этом и заканчивается; остальное – дело фотолаборатории. С глазами же все обстоит иначе: получение изображения является лишь первым шагом в таинственном процессе восприятия. Проходя по зрительным трактам, сигналы, полученные каждым из глаз, соответствующим образом обрабатываются и преобразуются в зрительной области коры головного мозга в единое зрительное ощущение, к тому же обладающее пространственной глубиной.
В отличие от фотопленки, сетчатка является биологической структурой. Биологические процессы, конечно, тоже следуют всем химическим и физическим законам, но вдобавок биологические системы еще и чрезвычайно сложны. Сложность строения сетчатки до сих пор поражает исследователей и служит источником неожиданных открытий. Сетчатка является частью нервной системы, а в некотором смысле даже частью мозга: исследования эмбрионального развития показали, что глазные яблоки развиваются из так называемых мозговых пузырьков. Этим, собственно, и объясняется столь сложное строение сетчатки. Состоя, подобно любому другому органу, из отдельных клеток, сетчатка отличается сложнейшей структурой связей между этими клетками.
Основной процесс – химическая реакция в светочувствительном веществе – имеет место и на фотопленке, и в сетчатке. Однако развить эту аналогию дальше уже не получится. Сетчатка переводит получаемые ею сигналы от внешнего раздражителя (источника света) на язык, понятный нервной системе. Переведенная, или кодированная таким образом информация передается дальше в головной мозг. При этом уже в сетчатке внешние сигналы проходят существенную обработку.
Первый этап преобразования напоминает процесс, происходящий в фотопленке. Под воздействием света происходит расщепление родопсина, запускающее целую цепь реакций, результатом которых является изменение проводимости мембраны палочек для определенным образом заряженных частиц, вследствие чего изменяется и электрические потенциалы в палочках. Все эти изменения можно измерить с помощью электродов. В темноте, когда палочки находятся в состоянии покоя, между наружной и внутренней стороной каждой палочки существует разность потенциалов, причем внутренняя сторона заряжена по отношению к внешней отрицательно. Напряжение это чрезвычайно мало и составляет всего лишь 30–40 милливольт. Когда на палочку попадает свет, электрод фиксирует изменение напряжения – оно увеличивается.
Чем сильнее попадающий на зрительные клетки свет, тем большую разность потенциалов фиксируют приборы, причем эта разность потенциалов сохраняется все то время, пока продолжается раздражение. Таким образом, сила попадающего в глаза света преобразуется непосредственно в электрическое возбуждение.
Зрительные клетки играют важнейшую роль при восприятии зрительной информации, будучи посредниками между сигналами, поступающими извне в виде светового раздражения, и возникающим в нервной системе возбуждением. С их участием отображаемая на сетчатке картина мира разбивается на отдельные точки – общий сигнал разделяется на крошечные порции.
Обработка световых сигналов в сетчатке
Итак, каждая палочка и каждая колбочка принимают лишь крошечную порцию этой информации – данные об одной-единственной точке. Вся поступающая в глаза информация оказывается разбита на мельчайшие сигналы, т. е. общая картина как бы дробится на крошечные осколки, которые в дальнейшем снова соединяются воедино и образуют целостное зрительное ощущение. Для этого сигнал, полученный каждой клеткой, должен быть передан «по этапу» и обработан. И этот процесс уже можно сравнить с работой компьютера: с целью получения конечного результата в него вводится огромное количество разрозненных данных, которые обрабатываются им в соответствии с определенной программой. Но применительно к человеческому зрению этот процесс еще не до конца понят и чрезвычайно сложен – как сама структура сетчатки (рис. 1). .jpg)
Рис. 1. Строение сетчатки: 1 – ганглиозная клетка; 2 – биполярная клетка; 3 – горизонтальная клетка; 4 – палочка; 5 – колбочка; 6 – сетчатка; 7 – амакриновая клетка; 8 – зрительный нерв.
При своей весьма незначительной толщине сетчатка состоит из нескольких слоев клеток разного типа, соединенных между собой связями высокого уровня сложности. Особую роль в этой системе играют фоторецепторные клетки, являющиеся своеобразными посредниками между внешним миром и нервной системой. Да и все остальные клетки сетчатки ни в коем случае нельзя считать просто проводниками возбуждения: все они принимают самое активное участие в сложнейших процессах, благодаря которым поступающая извне информация передается ганглиозными клетками в мозг не в «сыром» виде, а пройдя предварительную обработку.
С каждой ганглиозной клеткой связано множество биполярных клеток, каждая из которых, в свою очередь, соединена со множеством фоторецепторных клеток. Такая схема объясняет, каким образом становится возможной передача сигналов от относительно большого количества фоторецепторных клеток к одной ганглиозной. С другой стороны, она упрощена: каждая фоторецепторная клетка, в свою очередь, может быть связана с несколькими биполярными.
Сами фоторецепторные, биполярные, горизонтальные и амакриновые клетки еще не генерируют нервных импульсов, они лишь реагируют на возникающее при возбуждении или торможении изменение разности электрических потенциалов между внутренней и наружной поверхностью сетчатки. Совокупность фоторецепторных клеток, способных воздействовать на электрическую активность ганглиозной клетки, образует рецептивное поле этой клетки. Рецептивные поля сетчатки имеют округлую форму и состоят из центральной и периферийной зон, причем в этих зонах протекают противоположные процессы возбуждения и торможения. Рецептивные поля сильно перекрываются.
Нервные импульсы, передаваемые ганглиозными клетками в мозг, – конечный результат всех взаимодействий клеток сетчатки, которая осуществляет не только передачу зрительных сигналов, но и очень сложную их обработку. Мозг, в конечном счете, получает только ту информацию, которую передают ему ганглиозные клетки, а она, в свою очередь, является результатом обработки световых сигналов, принятых из внешнего мира фоторецепторными клетками сетчатки.
Распознавание сигнала в мозге
С точки зрения синергетики человеческий мозг является самоорганизующейся системой. Что это означает на практике? Вся наследственная информация передается молекулами ДНК. Исходя из этого можно предположить, что ДНК выступает в роли некоего проекта, по которому происходит «строительство» нейронных связей. Однако эксперименты, проводившиеся известными нейрологами, убедительно доказывают, что формирование синапсов, т.е. межнейронных связей, в значительной степени определяется влиянием окружающей среды. Наглядным примером в области офтальмологии является детская амблиопия. Мозг в процессе формирования синапсов выступает именно как самоорганизующаяся под влиянием различных воздействий система.
Размещение клеток в зрительной области коры головного мозга ни в коей мере не случайно: можно наблюдать строгую организацию основных элементов в так называемую колончатую структуру. Для каждого участка сетчатки каждого глаза в коре имеется свой комплект колонок, содержащий нейроны, реагирующие на всевозможные ориентации светового раздражителя в пространстве; такие комплекты Хьюбел и Визел назвали гиперколонками (англ. hypercolumn). Подобная колончатая структура наблюдается во многих областях коры головного мозга.
Клетки высших зрительных полей обладают еще более сложными свойствами, что находит отражение в их названии: гиперкомплексные. До сих пор эти клетки остаются в значительной степени менее изученными, нежели клетки первичного зрительного поля. Точечные световые раздражители вообще не оказывают на такую клетку никакого воздействия. Более эффективным раздражителем может стать световая полоса, движущаяся в рецептивном поле. Некоторые рецептивные поля реагируют на еще более сложные раздражения, чем движение световой полосы (например, движение в определенном направлении двух соединенных под углом световых полос). Иными словами, среди гиперкомплексных клеток существует некая иерархия: от клеток, реагирующих на самые простые раздражители, до таких, которые активизируются только очень сложными сочетаниями различных по форме раздражителей.
Обобщая все это, можно сказать, что зрительная кора представляет собой сложную иерархическую систему, объединяющую в одно целое все описанные элементы: начиная с клеток с круглыми рецептивными полями и заканчивая гиперкомплексными клетками, рецептивные поля которых обладают очень сложной структурой. На каждой следующей ступени иерархической лестницы происходит смена конфигурации раздражителя, способного воздействовать на нервные клетки; раздражители становятся все сложнее и специфичнее, т.е. постоянно повышается уровень абстракции. Можно представить себе, как наблюдаемый образ разлагается на отдельные составляющие, каждая из которых обладает определенным набором характеристик (граница между светлым и темным, контуры, движение), воспринимаемым совершенно определенными клетками зрительной коры. Главную роль в моделируемом процессе играют границы между светлыми и темными участками изображения. Распознавание определенных форм (даже при изменении их положения) обеспечивают прежде всего гиперкомплексные клетки с их относительно большими рецептивными полями.
Все рецептивные поля нервных клеток зрительной коры организованы в иерархическую структуру: от простейших, круглых полей к простым прямоугольным, и далее к комплексным и гиперкомплексным полям. Чем сложнее поле, тем более сложным и специфичным является световой раздражитель, вызывающий возбуждение в соответствующем нейроне. По всей видимости, поступающее в зрительную кору изображение подвергается при распознавании иерархическому анализу, т. е. разлагается на элементарные образы, которые далее и обрабатываются.
Восприятие целого как результат самоорганизации
Главный вопрос: что происходит после гиперкомплексных клеток? Каким образом мозг воспринимает сложные изображения? Открытие гиперкомплексных клеток осветило путь к окончательной разгадке тайн мозга. Оставалось лишь отыскать в высших слоях мозга клетки, реагирующие на еще более сложные объекты. Однако систематические поиски таких клеток до сих пор не дали никаких результатов.
Возможно, сигнал последовательно проходит все уровни иерархии от простых клеток к все более сложным, а в вершине этой пирамиды находится одна-единственная клетка, которая, в конце концов, и распознает лицо знакомого нам человека?
Согласно предположению Г.Хакена, это не так: обработка от начала и до конца осуществляется параллельно, и каждая отдельная клетка, участвующая в процессе, занята от начала и до конца обработкой лишь какой-либо отдельной детали, но не всей картины в целом. Целостное же восприятие, в соответствии с принципами синергетики, происходит благодаря организованному взаимодействию многих клеток разных типов. Распознавание объектов – не результат деятельности одного изолированного нейрона, а продукт работы всей нейронной сети.
При последовательной обработке данных – т. е. когда за каждый отдельный такт обрабатывается некоторое определенное количество информации – нам не удастся в подлинном смысле распознать пространственный образ. При параллельной же обработке образ возникает у нас буквально перед глазами, и мы легко можем сопоставить этот образ с определенными паттернами возбуждения в нашем мозге. В этом заключается принципиальное различие между последовательным и параллельным способами обработки данных. Параллельная обработка, среди прочего, позволяет осуществлять локальный возврат к отдельным фрагментам воспринятого содержания. Именно на параллельной обработке данных основан принцип действия синергетического компьютера, который, в отличие от обычного, способен распознавать разные лица и эмоции, которые они выражают, даже в том случае, если изображение искажено.
Здесь можно провести аналогию с сохранением музыки на грампластинке, компакт-диске и магнитной ленте. Чтобы отыскать нужный фрагмент музыки на магнитной ленте, нам приходится ее перематывать, тогда как на грампластинке или компакт-диске в любой момент времени открыт доступ к любому фрагменту. Преимущество полной открытости доступа к данным при параллельной обработке заключается не только в сокращении времени обработки, но и в ее одновременности. С магнитной ленты два фрагмента можно прослушать только в разные промежутки времени, при параллельной же обработке мы можем одновременно отыскать в предложенном образе и обработать не только две, но и гораздо большее количество деталей. Мы даже можем обработать весь образ сразу, как единое целое.
Синергетика и распознавание образов
Что же это, в сущности, такое – распознавание? Чтобы разобраться в этом, Г.Хакен предлагает обратиться к понятию так называемой ассоциативной памяти, впервые математически описанной Карлом Штайнбухом. В качестве примера можно взять телефонный справочник. Допустим, мы хотим узнать номер телефона известного нам человека; мы находим в справочнике его имя и напротив него видим искомый номер телефона – т.е. справочник дополняет известные нам данные (имя) ранее неизвестными (номер телефона). Нечто подобное происходит и при узнавании нами людей: когда мы видим фрагмент лица некоего человека, наш мозг, обращаясь к ассоциативной памяти, дополняет недостающие детали, и если человек нам знаком, подтверждает это. Под ассоциативной памятью, таким образом, понимается дополнение неполного набора данных недостающими деталями. Яркой иллюстрацией может быть фигура, придуманная Г.Канижей (рис. 2): наш мозг автоматически дорисовывает отсутствующие на рисунке треугольники.
Рис. 2. Фигура Канижи: мозг автоматически дорисовывает геометрические фигуры.
Второй важный момент, который Г.Хакен из синергетики переносит в область восприятия, – это идея параметра порядка, поведение которого можно описать с помощью модели движения мяча по холмистой местности. Пример связи распознавания образов с динамикой параметра порядка представлен на рис. 3. 
Рис. 3. Ваза Рубина и динамика параметра порядка. В какой из ямок замрет мяч?
В правой части рисунка помещена одна из знаменитых «двойных» картинок, ваза Эдгара Рубина. Она воспринимается то как белая ваза на черном фоне, то как два черных профиля на белом фоне. Слева на рисунке изображен холмистый ландшафт, соответствующий такому двойному восприятию. Если мяч оказывается в левой долине, то это означает, что произошло «распознавание вазы», если же в правой – «распознавание лиц». Любое другое расположение мяча должно означать либо незавершенный процесс распознавания, либо отсутствие такового вообще.
Так, при первом взгляде на «двойную» картинку мы еще не видим ни вазы, ни лиц – этому состоянию соответствует положение мяча на «вершине холма». Небольшое начальное воздействие или некоторая дополнительная информация (например, фраза: «Назовите предмет, изображенный на черном фоне») оказываются решающими, т.е. определяют направление, в котором покатится мяч, а в итоге – конечное его положение, конечное состояние («ваза» или «лица») системы восприятия у нас в мозге. Именно так, по Хакену, и происходит различение разных объектов.
Самое важное положение Г.Хакена заключается в том, что распознавание образа есть не что иное, как создание образа. Что же происходит при распознавании образа? Допустим, сначала мы видим только один фрагмент лица, который и узнаем по каким-то отличительным особенностям (например, по форме носа). Теперь представим себе, что в нашем мозге – или в сконструированном по его подобию синергетическом компьютере – эти уже опознанные черты порождают некий параметр порядка. Этот параметр порядка подчиняет себе другие возможные параметры порядка, соответствующие каким-то другим имеющимся в памяти лицам, в результате чего увиденный нами фрагмент однозначно сопоставляется с образом, соответствующим именно этому параметру порядка, и мы узнаем лицо знакомого нам человека.
В этом смысле восприятие есть создание реальности. Распознавание образов, согласно Хакену, и есть создание образов. Нейронная сеть может не только сохранить целый набор всевозможных образов, но и «вспомнить» их впоследствии в результате воздействия определенного ключевого внешнего раздражителя. Внутри распознающей системы может быть воссоздан весь внешний мир, причем отсутствующий материал будет произведен для этой цели самой системой. Осуществляется этот процесс на основании опытных и ожидаемых данных, тем или иным способом сохраненных системой.
Итак, процесс зрительного восприятия заключается не в обработке некой последовательности сигналов (как утверждают ведущие теоретики от искусственного интеллекта); речь, скорее, может идти о непрерывном создании паттернов возбуждения, которые как таковые не несут в себе отдельных символов. Для компьютера это возбуждение будет только электрическим, для мозга – как электрическим, так и химическим.
Мы знаем, что процесс зрительного восприятия совершенно не похож на запечатление картинки на фотопластинке – в мозге протекает огромное количество разнообразных и взаимосвязанных процессов: анализ и синтез образов и сцен, фильтрация и многие другие. Вся эта деятельность поддерживается с помощью несложных физиологических процессов. Так, известно, что глаз не направлен в одну точку, а совершает характерные прерывистые движения (саккады); при этом зрачок не фокусируется на отдельных объектах, а подвержен непрерывным колебаниям. В нашем распоряжении имеется в высшей степени тонко настроенная и пребывающая в постоянном движении система распознавания образов, механические детали которой теснейшим образом соотносятся с нервными возбуждениями в коре головного мозга. С помощью этой системы мы создаем картину внешнего мира, причем действительно скорее «создаем», нежели просто «воссоздаем». Многое мы привносим из собственного опыта.
Безусловно, важную роль в описанных процессах играет память – как краткосрочная, так и долговременная (а возможно, и среднесрочная). Очевидно, предстоит решить ряд очень непростых задач, чтобы действительно с помощью компьютера воспроизвести процессы зрительного восприятия в том же виде, в каком они протекают в мозге. С другой стороны, синергетика уже позволила сделать первый шаг в этом направлении, причем с опорой на строгие компьютерные результаты.
Последние исследования, проведенные в Институте теоретической физики и синергетики университета Штутгарта, показали, что синергетический компьютер уже способен даже на восприятие глубины пространства: из двух двумерных картинок ему удается реконструировать трехмерный образ. Именно синергетический подход впервые позволил компьютеру имитировать процессы восприятия. И, скорее всего, именно он приведет к очередному прорыву в области информационных технологий, на который надеются офтальмологи, сражающиеся со слабовидением и слепотой.
Отметим, что наиболее сложной проблемой остается наличие у восприятия качественного аспекта. Речь идет о цветах и их интенсивности. Человек может без труда определить, что он видит тот или иной цвет из своего спектрального диапазона, но он не в состоянии сказать, тот ли это самый цвет, что видят в этой области спектра другие люди. Г.Хакен полагает, что решить эту проблему можно только в том случае, если будет найден способ соотнести качественный аспект с количественным. Он считает, что способность ощущать качества объектов – такие, например, как цвет и запах – является типичным свойством биологических систем вообще. По-видимому, вряд ли удастся воспроизвести ее искусственным путем в ближайшем будущем.
Литература
1. Хакен Г., Хакен-Крелль М. Тайны восприятия. – Москва, 2002.
2. Хьюбел Д. Глаз, мозг, зрение. – М., 1990.
Источник: журнал "Глаз",
№2-2008
