Истории от разных полушарий мозга. Жизнь в нейронауке

Профессор Дойл – специалист по системам управления и динамическим системам. Эта область науки требует сложного математического аппарата для решения самых мудреных и интересных технических задач, от анализа турбулентности до проблем интернета. Как настоящий инженер, Дойл серьезно занимается архитектурой систем. Любых систем. Как они организованы, чтобы выполнять свои функции? Существует ли какая-то универсальная архитектура, общая для всех систем обработки информации – для мозга, бактерий, клеток и корпоративных структур? Рукотворные системы, разумеется, имеют свой дизайн и архитектуру. Возможно, в природе силы естественного отбора создали организмы с похожей логикой организации. Возможно, если общие функции обеспечиваются взаимодействием частей, то все такие системы должны иметь сходную архитектуру. В своих исследованиях Дойл исходил из предположения об ошибочности идеи эмерджентности, он считает ее мутной и нелепой. Как инженер, он стремился анализировать уровни объяснения с практических позиций, с точки зрения планирования и строительства какого-либо реального объекта. Часто ошибочно кажется, что построенные и работающие системы должны обладать эмерджентными свойствами, однако рассматривать такие системы следует с учетом их взаимодействующих частей.

Дойл ставит вопрос в терминах компьютерных наук: что потрясающие системы, созданные нами для обработки информации, позволяют нам узнать и как эти знания помогают нам понять хитрую механику мозговой деятельности? В информатике принято говорить о “многоуровневой архитектуре” систем, строящихся одна на другой, когда каждый уровень функционирования служит платформой для следующего. В компьютерном мире распространена семиуровневая конфигурация. Высший уровень – это приложение или пользовательская программа, вроде Фейсбука, а низший – собственно оборудование, например смартфон. Каждый уровень, хотя и задействует другие, функционирует практически независимо от них. Загвоздка в том, как разобраться в этой схеме. Можно ли применить инженерный подход к изучению проблем нейронауки? Я думаю, можно.

Уровни и мозг

Многоуровневая архитектура – одна из разновидностей архитектуры модульной. Каждый слой можно рассматривать как модуль. И как я уже говорил, множество фактов свидетельствует о том, что в процессе естественного отбора преимущество получила модульная система, поскольку она позволяет каждому отдельному модулю меняться и адаптироваться, не создавая помех прочим модулям. А многоуровневая конфигурация – это просто частный случай модульной, когда уровни (модули) выстроены в линию. Переходы совершаются от первого уровня ко второму, затем к третьему и так далее. Мы не знаем, действительно ли мозг использует такую схему. Быть может, в нем реализуется иерархическая модульная структура – с множеством модулей на каждом иерархическом уровне (например, на уровнях нейронов, нервных цепей, долей и других). Многоуровневая архитектура предполагает движение только в одном направлении – вверх или вниз по ступеням, тогда как иерархическая модульная допускает сложные сети взаимодействий между модулями в пределах одного уровня или между разными уровнями.

В чем ценность концепции многоуровневой системы

Если вы вскроете корпус механических часов и посмотрите, что там внутри, то увидите множество соединенных меж собой колесиков, шестеренок и пружинок. Все они безостановочно движутся, обеспечивая работу хронометра. Хронометру неведомо, что он делает, и его части ничего не знают о своих функциях. Точно так же отдельные нейроны мозга, безотказно обеспечивающие нас личным сознательным опытом, не знают, чем занимаются. Если вы начнете разбираться в устройстве разных частей часового механизма и попытаетесь просто проследить связь одного колесика с пружинкой, а пружинки с другим колесиком и так далее, то быстро поймете, что надо подойти к вопросу как-то иначе. Привычная логическая цепочка “А соединяется с Б, а Б с В” заведет вас в тупик.

А теперь рассмотрите часовой механизм с точки зрения многоуровневой системы – уровней будет пять. Сразу становится очевидной архитектура этой системы, как функционируют все механические часы. Выделяются уровни энергии, распределения, спускового механизма, управления и индикатора времени. Во-первых, часам для работы нужна энергия, поэтому надо завести пружину. Накопленная энергия будет постепенно расходоваться. Во-вторых, колесики распределяют энергию в часах. В-третьих, спусковой механизм не позволяет растратить всю энергию в один присест. В-четвертых, регулятор управляет работой спускового механизма. И наконец, все это вместе выходит на пятый уровень – на котором и показывается время. Обратите внимание, что при переходе с одного уровня на другой ни один из них никак не предсказывает функциональное значение следующего. Скажем, уровень энергии не имеет отношения к уровню спускового механизма.