Ловушки деталей образа

Описание

— Недавно перечитывал Павла Антокольского, — начал разговор Вадим Давыдович Глезер, — и запомнились строчки:



Красивая картина. Очень впечатляющая. В поэзии, конечно, можно все, на то она и поэзия. А в жизни... Многие и сейчас думают, что память — это нечто вроде запасника картинной галереи: стоят у стенки прислоненные друг к другу тысячи полотен, нужно вспомнить — вытащил, посмотрел...

Кто посмотрел? Древние отвечали: душа. Но мы-то знаем, что никакой отдельно живущей от тела души нет. Нет в мозгу у человека маленького «человечка», который смотрит этакий телевизор; чего, мол, там видит своими глазами человек, какие образы складывает в памяти? Десять миллиардов нервных клеток у нас в мозгу, идут от одной к другой электрические импульсы разной частоты и амплитуды, в клетках происходят всевозможные химические изменения, и кроме этого ничего — понимаете, ничего! — нет. А мы видим, и память существует, и картины прошлого мы с вами вспоминаем. Что же приходит из глаза в мозг?

В средние века считалось, что приходят идеи. Поступают по зрительным нервам и складываются в резервуаре памяти, который полагали находящимся где-то возле затылка. Но опять-таки слово «идеи» ничего не объясняло. Когда широко распространилось книгопечатание — стали учить, что в мозгу каким-то путем возникают отпечатки изображений. Даже в 50-е годы нашего века находились ученые, которые проповедовали почти такой же взгляд: зрительные ощущения — это своеобразные фотографические копии того, что представляется взору. В солидных книгах писали....

А в XIX в., когда физиологам стало более или менее известно строение сетчатки, большой популярностью пользовалось мнение, что от каждого светоощущающего рецептора идет в мозг одно нервное волокно. Это был очень серьезный шаг вперед. Кончились «идеи». Появился «рельеф возбуждения»: считалось, что клетки коры головного мозга отвечают на срабатывание фоторецепторов, и возникает этакая электрическая картина увиденного. Долгое время гипотеза представлялась единственно верной, ее защищали крупнейшие физиологи, в частности Сеченов. Но все-таки пришлось от нее, несмотря на заманчивую простоту и наглядность, отказаться, когда узнали, что чувствительных элементов сетчатки раз в полтораста больше, чем волокон.





Ведь если бы действительно передача образов из глаза в мозг шла по принципу «точка в точку», малейшие нарушения в работе зрительного нерва или зрительных отделов коры резко искажали бы картинку, препятствовали бы опознаванию. А в опытах (на кошках) животному перерезали чуть ли не три четверти волокон зрительного нерва, казалось бы, — конец, вся система выведена из строя. Но нет, опознает животное простые фигуры, как будто ничего не случилось. У крыс удаляли почти девяносто процентов зрительной коры, а на работу механизма опознавания это не влияло, по крайней мере в проводившихся после операции экспериментах. А ведь при таких жестоких вмешательствах вся «проекционная система», существуй она на самом деле, была бы безнадежно испорчена. Попробуйте в ЭВМ порвать не три четверти, а хотя бы только десятую часть соединительных проводов... Значит, зрительный аппарат действует как-то по-иному. Опять вопрос: как?

И снова призвали на помощь технику, стали искать в ней аналогию. Вот именно — технику. Она ведь гораздо проще живой природы, ее легче понять, и как модель на определенном этапе технические аналогии полезны. Вся история науки показывает: какие были при жизни исследователя-физиолога технические достижения, те он и привлекал для объяснения деятельности организма. А чтобы наоборот, от биологии к технике, — очень мало, очень редко...
[banner_centerrs] {banner_centerrs} [/banner_centerrs]

Смотрите: развилась механика — стали считать, что все в организме действует по ее законам. Камера-обскура изобретена — пожалуйста, вот вам работа глаза. Потом фотографию привлекли, даже пластинку со светочувствительным слоем обнаружили — бледнеющий на свету красный родопсин в палочках сетчатки. Потом развивался телеграф, телефония, и мозг уподобился в иных сочинениях телефонной станции, а нервы превратились в электрические провода. Дошла очередь в конце концов и до телевидения: передающая телевизионная камера — вот, мол, что такое глаз! Каждый фоторецептор — точка на передающем экране, в мозге — клетки «приемника», а память — запись этого «телесигнала» на нечто подобное магнитным коврам памяти ЭВМ. Наглядно, просто...

Но аналогия с телевидением только завела дело в тупик. Если в глазу картинка «раскладывается» в электрические импульсы подобно телевизионной, то за шестьдесят лет человеческой жизни каждый из десяти миллиардов нейронов мозга обязан был бы запомнить шесть миллионов бит информации — рот такой расчет сделал Дин Вулдридж из Калифорнийского технологического института в своей книге «Механизмы мозга». Нет оснований сомневаться в корректности его цифр. А запомнить на одном нейроне шесть миллионов бит — это вещь крайне сомнительная. Крайне. Так что и телевизионная гипотеза приказала долго жить.

Вообще обычное телевидение как способ передачи информации исключительно невыгодно. Огромные мощности телепередатчиков растрачиваются, по существу, вхолостую. Вот показывают героя на фоне пестрого ковра. Лицо человека для зрителя, конечно же, в этой сцене важнее предметов. А телекамера с равной тщательностью воспринимает и лицо, и фон, с равным старанием передает и то и другое в эфир. Подумайте только: пятьдесят раз в секунду с антенны передатчика уходит сигнал, несущий информацию о рисунке ковра — рисунке, в котором ровным счетом ничего не в состоянии измениться. Передать бы его один раз — и дело с концом, а все внимание сосредоточить на актере. Но современное телевидение на такое не способно. Оно очень неэкономично использует канал связи.

Иное дело — зрительная система. Она прежде всего очищает картинку от ненужной избыточности информации. Первые намеки на это обнаружил в 1932 г. американский физиолог X. Хартлайн, впоследствии Нобелевский лауреат. Он исследовал сетчатку лягушки и с удивлением увидел, что каждое волоконце в ее зрительном нерве представляет собой как бы телеграфную линию, по которой передаются сигналы не от одного фоторецептора, а от многих сразу. Уже одно это было непонятно: зачем природе устраивать такую смесь? Некоторые «линии связи» передавали сигналы, когда на подключенные к ним рецепторы падали лучи света, другие же линии — наоборот, «телеграфировали» лишь тогда, когда освещение сменялось тьмой. Первую ассоциацию рецепторов Хартлайн назвал «он» («включено» по-английски), вторую — «офф» («выключено»). Эти термины в наши дни стали общепринятыми.

Сигналы нервных клеток, прошедшие через усилитель, напоминают дробь на барабане. Такими вы услышите их в любой лаборатории, где исследуют работу нейронов и записывают их сигналы на магнитофон. Клетки «переговариваются» между собой наиболее устойчивым против помех способом — импульсами, которые хороши еще и тем, что равно пригодны для передачи информации от любых рецепторов: светочувствительных, обонятельных, воспринимающих звуковые колебания и так далее.

Природа не сразу нашла самый выгодный способ межклеточной связи. У моллюсков и других низших животных информация передается очень примитивно: изменением амплитуды электрических сигналов. Понятно, что любая помеха, складываясь или вычитаясь с таким полезным сигналом, способна исказить его, — четкости работы «исполнительных механизмов» тут не жди. У высших животных по нервам идут «пачки» импульсов. Амплитуда импульсов внутри «пачки» постоянна, а меняется только их количество. Оно зависит, скажем, от степени раздражения данной рецепторной клетки. Иными словами, рецептор преобразует внешние воздействия в числа.

А уж с числами можно дальше делать что угодно: складывать и вычитать хотя бы. Клетки способны не только преобразовывать воздействия в числа, но и логарифмировать при этом: число импульсов в «пачке» пропорционально, например, логарифму освещенности. После такой алгебраической операции клетки могут (по крайней мере в принципе) входные воздействия умножать, делить, возводить в степень и извлекать из них корни, с логарифмами все это делать проще простого. Так что параллель между мозгом и ЭВМ не лишена оснований, хотя, как и всякое сравнение, аналогия эта при некорректном обращении сильно хромает.

Как же нейроны, к которым приходят сигналы от рецепторов, занимаются математикой? Для этого у каждой клетки, как и у любого активного элемента вычислительной машины, есть входы (туда поступают сигналы) и один выход, откуда импульсы отправляются к другим нейронам. Входов — дендритов — обычно много, а выход — аксон — один. Чтобы передать сигнал нескольким клеткам, он разветвляется. Дендриты нейрона не равнозначны по своим ролям. Одни способствуют возбуждению, как бы швыряя гирьку на чашку весов, другие тормозят активность клетки. Ученые так и называют вклад каждого дендрита в возбуждение — «вес».

Пока алгебраическая сумма сигналов на всех входах не превысила определенного уровня, нет импульсов и на выходе (строго говоря, это не совсем так: у многих нейронов существует «фоновая активность», то есть они без всякого входного возбуждения периодически посылают выходные импульсы по аксону, — не то проверяя, в порядке ли линия, не то «не давая спать» принимающей информацию клетке; но для простоты пренебрежем этой особенностью). А как только совместное действие входных сигналов превзошло некий порог, нейрон «выстреливает» пачку импульсов или совершенно прекращает фоновую активность. Будут входные сигналы поступать непрерывно — наш нейрон непрерывно будет или «телеграфировать» или молчать, как уж ему положено «по чину».

«Он» и «офф» ассоциации — поля, как принято их называть, — образуются потому, что фоторецепторы через промежуточные слои сетчатки подключены к ганглиозным клеткам. К каждой клетке — несколько десятков, а то и сотен рецепторов. От ганглиозной клетки идет в мозг волокно зрительного нерва. Промежуточные же слои выполняют сложную математическую обработку сигналов, полученных от светочувствительных клеток. Так что в мозг передается прямо результат, вернее, много результатов.

В 1959 г. американские физиологи И. Леттвин, Г. Матурана, В. Мак-Каллок и В. Питс обнаружили в сетчатке лягушки несколько типов совершенно неизвестных дотоле клеток — детекторов. Клетки эти срабатывают, воспринимая различные специфические свойства изображения. Одни реагируют на границу между темным и светлым участками, то есть на край предмета. Другие возбуждаются, когда граница эта находится в движении, но «молчат», когда она неподвижна. Третьи указывают, что в поле зрения лягушачьего глаза появилось нечто маленькое, темное и движущееся: добыча, по-видимому, — муха. Ибо едва «оно» приблизится, — а измерение расстояний, судя по всему, также функция специального детектора, — лягушка немедленно атакует это «нечто». Кстати, точно такую же муху, но лежащую без признаков жизни на земле, лягушка атаковывать не станет. Она с голоду может умереть, если кругом будут вполне съедобные, но неподвижные мухи. Такой уж высокоспециализизрованный и не очень умный аппарат — лягушачий глаз. Он передает в мозг данные о некоторых свойствах предметов и тем самым уже предписывает животному действия по принципу «маленькое — охоться», «большое — спасайся» и так далее...

Глаз более высокоорганизованных животных, а тем более глаз человека, никаких предписаний, в отличие от лягушачьего, не выдает. Он сообщает мозгу все сведения о картинке, которые только можно (в пределах физиологических способностей зрительного аппарата, конечно) передать. Он превосходная линия связи, но не командир. Вот почему лягушачий глаз больше поставил вопросов, чем разрешил. От него не удавалось перебросить мостика к зрительной системе млекопитающих. И действительно, первые же опыты продемонстрировали, что глаз кошки, этого хорошо ориентирующегося в пространстве хищника, устроен совсем иначе. Прежде всего, по-иному выглядят поля, связанные с ганглиозными клетками: не сплошные ассоциации одного знака, а «двухступенчатые». Каждое поле природа сконструировала как кружок с «он» или «офф» центром и наружным кольцом противоположного действия. Такие поля способны подчеркивать контуры изображения, усиливать контраст между участками картинки, незначительно отличающимися по яркости. Очень эффектно это продемонстрировал в 1959 г. все тот же X. Хартлайн. После его опытов стало ясно, почему возникают «полосы Маха» — темные каемки на границах между участками изображения различной яркости: каемки создает зрительный аппарат «из ничего», просто потому, что он так устроен.









То, что сетчатка умеет выделять контуры, очень важно. Ведь в контуре содержатся самые существенные сведения о предмете, и мы способны восстановить своим «внутренним взором» даже объемность изображений, в особенности хорошо знакомых. Конструкторы телевизионных систем уже давно используют это свойство человеческого глаза для того, чтобы с меньшими затратами энергии передавать телесигнал, сделать его менее уязвимым для помех. Немало способов подчеркивания контуров изобрели советские инженеры и ученые — Ю. М. Брауде-Золотарев, И. И. Цуккерман, С. А. Шерман и другие. Например, в 1957 г. получил авторское свидетельство Ю. М. Брауде-Золотарев на такой метод: берутся две передающие телевизионные камеры и одну наводят на резкость, а объектив другой слегка расфокусировывают. Далее, из четкого изображения вычитают смазанное: контуры сразу же резко выступают, словно их провели рейсфедером... В последние годы, с развитием цифровых электронных вычислительных машин, резкие перепады яркости — а контур как раз и выглядит таким перепадом — обнаруживают, используя всевозможные математические методы обработки изображения. Так, например, поступала американская космическая станция, опустившаяся на Марс: она в первую очередь выделяла контуры того, что видел ее телеглаз. И промышленные роботы, которыми усиленно занимаются сейчас во многих странах, в том числе и в СССР, рассматривают мир своими «глазами», непременно выделяя контуры.

Впрочем, телевизионные системы, о которых шла речь, пытаются подражать работе только сетчатки, а ею живая зрительная система лишь начинается. Чтобы понять, как работает глаз, нужно изучать мозг. И действительно, самое интересное началось, когда в 1959—1961 годах американские физиологи Д. Хьюбел и Т. Визел ввели в зрительные области головного мозга кошки микроэлектрод — изолированную проволочку с оголенным кончиком диаметром около одной десятитысячной доли миллиметра. Микроэлектрод проникает в нейрон, и экспериментатор записывает на магнитофон сигналы клетки. Какими они будут — дело случая. И случай помог обнаружить в коре нейроны, к которым сходилась информация уже не от нескольких сотен фоторецепторов, как к ганглиозным клеткам сетчатки, а сразу от многих тысяч. Это выдающееся открытие было следствием новой техники эксперимента.

Раньше, чтобы обнаружить поле, связанное с ганглиозной клеткой, требовался простой сигнал: тонкий, словно спица, луч. Яркая точка на экране — вот что возбуждает «он» и «офф» поля. Переходя к клеткам коры, мы должны показать животному более сложные изображения-стимулы: прямые линии и прямоугольники. Но не всякий стимул заставит клетку отозваться. «Нередко требуются многочасовые поиски, чтобы обнаружить отдел сетчатки, связанный с определенной клеткой коры, и подобрать оптимальные для этой клетки раздражители», — пишет Хьюбел. Слова насчет раздражителей для клетки не нужно, конечно, понимать буквально. Речь идет о том, что рецепторы сетчатки подключены к клетке более высокого отдела мозга через множество промежуточных нейронов. Благодаря такому соединению клетка реагирует на тот или иной элемент изображения — выделяет его. Ученые условились называть зрительные поля по имени тех отделов зрительного тракта, куда для исследования этих полей вводятся микроэлектроды. Мы уже говорили о полях ганглиозных клеток сетчатки, теперь пришла очередь полей коры, в дальнейшем встретимся с полями клеток наружного коленчатого тела...

Хьюбел и Визел обнаружили в коре простые, сложные и сверхсложные поля.

Простые «настроены» на выделение прямых тонких линий. Едва такая линия попадает в область сетчатки, где дислоцировано поле, как нейрон коры буквально «кричит»: «Вижу, вижу!» Убрали линию с экрана — замолкла и клетка, словно погасла сигнальная лампочка.

Сложные поля выделяют перепады яркостей типа «прямой край», «угол», «дуга». Они срабатывают и тогда, когда в поле зрения появляется движущийся предмет, и тем самым напоминают лягушачьи детекторы. Но только напоминают. Клетки-сигнализаторы находятся не в сетчатке, а в коре мозга, и это говорит о куда большей сложности и гибкости зрительного аппарата кошки. Нашлись поля, ощущающие наклон линий примерно через каждые шесть градусов во всем диапазоне углов от нуля до ста восьмидесяти. Есть поля, которые видят только, скажем, горизонтальную линию, движущуюся сверху вниз, а на вертикальную, гуляющую вправо-влево, внимания не обращают. (Кстати, в тот год, когда Хьюбел и Визел опубликовали результаты своих работ, академик В. М. Глушков рассмотрелтеорию действия электронной системы, опознающей простые геометрические фигуры независимо от поворота их относительно осей координат. Ученый пришел к выводу, что для этого «электронный глаз» обязан прежде всего выделять прямые линии и дуги!)





Самые же интересные сверхсложные поля выделяют не просто линии, а линии вполне определенной длины. Небольшое отклонение размера в ту или иную сторону — и реакцию нейрона уже не обнаружишь, «лампочка» не вспыхивает. А то вдруг микроэлектрод натыкается на сверхсложную клетку, которой природа поставила задачу реагировать только на информацию, поступающую сразу от обоих глаз, и молчать, если один из них не видит стимула на экране. Сдвинули микроэлектрод чуть глубже или чуть в сторону — здесь нейрон, острее воспринимающий сигналы от правого глаза, чем от левого, а рядом — острее от левого, чем от правого: «лампочки», свидетельствующие о том, что предмет находится не прямо впереди, а в стороне...

Проникая микроэлектродом в кору, Хьюбел и Визел подметили еще одну интересную особенность. Оказалось, что поля, реагирующие на линии и перепады яркости типа «прямолинейный край», представлены в коре своеобразными «столбиками» клеток. К каждому столбику сходятся сигналы от полей, занимающих на сетчатке примерно одно и то же место и одинаково ориентированных: скажем, выделяющих только вертикальные линии и края. Рядом — столбик, куда сходятся сигналы от полей чуть иного наклона, и так далее, и так далее.





Полей коры — тысячи, сотни тысяч и миллионы. Перекрывая друг друга, они позволяют зрительному аппарату с помощью одних и тех же рецепторов оценивать, улавливать и движение предмета, и элементы его контура, и яркость, и цвет. И делать это по всему полю зрения одновременно. В области наиболее четкой видимости — центральной ямке сетчатки — сосредоточены поля формы. Ближе к краям — поля яркости и движения, так что даже боковым зрением удается заметить мчащийся автомобиль или вспыхнувший фонарик; эти специфические поля обнаружены у всех млекопитающих, у кого только их искали.

Поля — врожденные структуры. Их клетки — «лампочки» обнаружены в коре головного мозга еще не прозревших котят. Однако перед исследователями встала принципиально важная проблема: как они организованы, эти поля? Результат ли они работы слоев сетчатки или тут вступают в игру промежуточные между ней и корой отделы зрительного аппарата? Имеют ли поля какое-то отношение к опознанию образов? Многие ученые, например П. Линдсей и Д. Норман, написавшие очень интересную книгу «Переработка информации у человека» (на русском языке она была издана в 1974г.), считают, что именно так и обстоит дело: картина анализируется последовательно в простых, сложных и сверхсложных полях, после чего мозг делает вывод о том, какой предмет находится перед глазами. Доказательств реальности такой схемы, однако, они не приводят, и проблема остается нерешенной.

В Лаборатории физиологии зрения в Колтушах получены результаты, которые складываются в весьма стройную и многообещающую теорию работы зрительной системы. Да, поля нужны, но не только те, о которых шла речь. Нужны также и иные поля, еще более важные, занятые еще более интересной и сложной обработкой изображения. Разговор о них неизбежен, и он состоится.

----

Статья из книги: Как мы видим то, что видим | Демидов В.