Прямо сейчас ваш мозг совершает подвиг. Как человек научился читать и превращать слова на бумаге в миры и смыслы

Если следовать нашему простому эмпирическому правилу, то на каждом шаге размер рецептивного поля необходимо умножать на два или три. В таком случае логично ожидать, что нейроны, отвечающие за комбинации букв, должны кодировать группы из одной, двух или трех букв. Чем пары букв лучше? Чтобы ответить на этот вопрос, давайте разберемся, как нервная система решает проблему инвариантности, избирательности и максимизации информации, передаваемой каждым отдельным нейроном. Нейрон, реагирующий на триплет букв, сработает только тогда, как все три буквы окажутся в одном месте. Если так, то он сможет передавать лишь очень ограниченный фрагмент информации, непригодный для чего-либо, кроме нескольких слов (например, артикля «the» или отрицательной частицы «not»). Нейрон, который кодирует только одну букву в любой из трех возможных позиций, напротив, будет активироваться часто, но ничего не сообщит о ее положении в общей цепочке.

Исходя из этого, я и мои коллеги предположили, что оптимальной буквенной комбинацией, на которую должны реагировать нейроны, является биграмма – упорядоченная пара букв, например «Е» слева от «N». Настроить нейрон так, чтобы он избирательно откликался на эту пару букв, но мог допускать некоторый сдвиг в их расположении, относительно легко. Как показано на рис. 3.9, для этого нужно собрать активацию от нескольких частично пересекающихся детекторов букв «Е» и «N». При этом буквы «Е» должны появляться в основном слева, а «N» – справа. В этом случае полученный биграммный детектор «EN» будет характеризоваться большей инвариантностью относительно местоположения, чем любой из его базовых буквенных детекторов.

Если биграммные нейроны именно так и работают, они должны допускать присутствие нескольких промежуточных букв, вставленных между двумя предпочтительными буквами. Например, детектор биграммы «EN» должен реагировать не только на слова «enter», «rent» и «hen», но и на слова «mean» и «fern», в которых между «e» и «n» проскальзывает третья буква. Это свойство проистекает из самой структуры рецептивных полей биграммных нейронов. Чтобы приспособиться к сдвигам в линейке слов, эти нейроны должны собирать сигналы от целого ряда буквенных детекторов предыдущего уровня. Поскольку их рецептивные поля распределены по части сетчатки, они не способны обнаружить присутствие одной или двух промежуточных букв. Следовательно, биграммные нейроны должны реагировать на заданную пару букв даже в ее расширенной версии. Их реакцию лучше всего можно описать как предпочтение «открытой биграммы», или специфической пары букв, возможно, разделенной одной или двумя не связанными с ней буквами.

Никто никогда не видел биграммных нейронов. Их существование – это разумное предположение, основанное на наших знаниях о зрительной системе приматов. На сегодняшний день они представляют собой сугубо теоретическую конструкцию, которая не может быть проверена непосредственно, так как наши методы визуализации еще слишком примитивны. Таким образом, биграммные нейроны столь же гипотетичны, как нейтрино в 1930 году. Предположив существование этой частицы, Паули с грустью отметил, что в целом ее невозможно обнаружить (впервые ее наблюдали 26 лет спустя).

Почему серьезные ученые предлагают, казалось бы, безосновательные и спекулятивные теории, подобные этим? Хотя в настоящее время их нельзя ни доказать, ни опровергнуть, они играют двойственную роль: подготавливают почву для будущих исследований и обеспечивают связность уже проведенных экспериментов. Один из самых приятных моментов в научной деятельности – момент, когда ученый осознает, что из его теоретических конструкций вытекает конкретный прогноз, в точности соответствующий экспериментальным данным. Ничто так не укрепляет нашу уверенность, как модель, подтвержденная исследованиями разных направлений. В нашем случае оказалось, что Джонатан Грейнджер и Кэрол Уитни, работая с совершенно иными данными, выдвинули аналогичную гипотезу о кодировании письменных слов перечнем биграмм[254]. Они пришли к этому заключению, когда искали абстрактный код, объясняющий восприятие похожих слов. Их экспериментальные наблюдения на удивление хорошо согласуются с нашей гипотезой о биграммных нейронах. Как и в случае с нейтрино, хочется надеяться, что наше предположение не только прольет свет на ряд экспериментальных загадок, но и поможет преодолеть разрыв между двумя ранее не связанными дисциплинами – нейрофизиологией и психологией чтения.