Философия запаха. О чем нос рассказывает мозгу - Энн-Софи Барвич

обратиться к вопросам обработки сигнала в центральной нервной системе: как мозг учится отслеживать и запоминать внешние закономерности в поведении стимулов?

Глава 8. Измеряем запахи не по карте

Подумайте о том, что наш мозг постоянно находится в состоянии разногласий с самим собой. Его «желания» и «нужды», по-видимому, не совпадают. Как идущая по следу собака, он все время находится в поиске информации. Отыскивая в окружающей среде нужные или новые фрагменты информации, мозг постоянно подстраивается под изменчивое состояние тела и психики (мир кажется другим, когда мы голодны или угрюмы). В то же время мозг ищет стабильности. Он хочет знать, что происходит, точнее, какой порядок вещей определяет весь этот информационный хаос внешнего мира, с которым он постоянно сталкивается. Мозг справляется со множеством данных, делая предсказания на основе известных ему законов. В этом процессе нисходящие сигналы (основанные на предыдущем опыте) являются важнейшим условием для заучивания и запоминания специфических сенсорных признаков и их распределения по перцептивным категориям[338].

Джон МакГанн уверен, что мозг работает именно так. «Мозг делает разумные выводы о том, что происходит. Он только быстро поглядывает на входные сигналы, чтобы проверить, все ли так. Я думаю, нет смысла искать независимый, точный и исключительно восходящий сигнал. Скорее, модель такова: “Есть догадка. Она соответствует ситуации? Если нет, нужно подкорректировать”».

Представление о мозге как о предсказательном устройстве, не ново. Герман фон Гельмгольц в XIX веке выдвигал похожую идею. Эрик фон Хольст и Хорст Миттельштадт одновременно с Роджером Сперри описывали предсказательную функцию «эфферентной копии» (или сопутствующих разрядов) в зрительной системе в 1950 году[339].

Эту идею можно проиллюстрировать простым экспериментом. Выставьте перед собой указательный палец и посмотрите на него. Затем начните двигать палец влево и вправо, влево и вправо, еще и еще. Следите за пальцем глазами. На определенной скорости становится трудно следить за пальцем, зрительное изображение движущегося пальца расплывается. Теперь не двигайте пальцем, но начните качать головой влево и вправо, влево и вправо. Следите глазами за пальцем. В этом случае зрительное изображение пальца не расплывается, а остается сравнительно четким.

Дело в том, что мозг создает внутреннюю копию ожидаемого двигательного поведения, что необходимо зрительной системе. В этом процессе задействованы два предсказательных механизма. Во-первых, когда глаза следят за движущимся пальцем, сетчатка следует за движениями внешнего предмета (экзафферентный сигнал[340]). В какой-то момент движения сетчатки становятся недостаточно быстрыми, чтобы уследить за движениями пальца, и в результате зрительный образ пальца расплывается. Напротив, когда вы качаете головой, глядя на палец, мозг предсказывает соответствующее движение глаз для наблюдения за неподвижным пальцем (реафферентный сигнал). В результате в процессе восприятия движение сетчатки соответствует по скорости движениям головы. Эта функция памяти сопрягает двигательную систему с сенсорными закономерностями – заученный прием, указывающий правильное положение глаз (а не определение того, где они находятся). Терри Экри замечает: «Помните, что это мозг эволюционировал в теле, а не наоборот».

Упреждающие модели позволяют мозгу посылать глазам двигательные сигналы и компенсировать движения по отношению к неподвижному окружению. Это компромисс между точностью и скоростью. Создавая упрощенную модель (она не должна быть точной, просто «достаточно хорошей»), мозг сокращает количество сигналов, с которыми ему приходится иметь дело. Индуцированные мозгом сигналы отличаются от сигналов из внешнего мира. Мозг снижает собственную «когнитивную нагрузку», снижая помехи стимулов и стабилизируя обработку входящей информации от собственных сигналов (этим механизмом пользуются не только люди: так действуют мухи, рыбы, тараканы и сверчки).

Эта идея была подхвачена в недавних исследованиях в области когнитивной нейробиологии и философии. Ученые анализировали механизмы предвидения, главным образом в системе зрения, но также в системе слуха. Однако в большинстве моделей предсказательный мозг рассматривается в рамках компьютерного подхода, без достаточной связи с экспериментальными данными о клеточных механизмах.

Обоняние может восполнить этот пробел[341].

Открытая хаотическая система

Лишь небольшое число исследований было посвящено изучению предсказательных возможностей носа. Одно из ранних исключений – работа Уолтера Фримана из Беркли. В 1980-х годах он предложил нелинейную динамическую модель обработки обонятельных сигналов, которая напоминает современные идеи о предсказательном мозге[342]. Фриман предположил, что такие участки мозга, как луковица, принимают ряд устойчивых состояний с равновесной активностью нейронов, предпочитая так называемые «аттракторные состояния», или «аттракторы». В обонятельной системе вдох и выдох определяют восприимчивость этих равновесных состояний в отношении информации от внешних стимулов (в конце выдоха и начале вдоха) или интеграции информации во внутреннюю активность нейронов (при выдохе). На фоне этой постоянной активности обонятельные стимулы могут распознаваться как уже знакомые или усваиваться как новые. Знакомые запахи вызывают сложившуюся пространственно-временную картину активности. Незнакомые запахи сначала вызывают хаотическую активность, а затем формируют собственную пространственно-временную картину на будущее. В данном случае хаос – это условие для обучения, так что мозг не может спутать картину нового запаха с картиной уже знакомого.

Модель Фримана опередила время в изучении представления запахов на уровне нейронов. Фриман предполагал, что для распознавания запаха важна активность всей луковицы.

Пространственно-временные картины не были «отображением запаха», поскольку один и тот же запах может вызывать разные картины активности. Эти картины определяются не только специфическим фоновым состоянием животного (Фриман работал с кроликами), но также поведением, вызванным обонятельным стимулом. Когнитивист Энтони Чемеро приводит пример: «Если кролик научился связывать определенное поведение (скажем, выделение слюны) с определенным запахом (скажем, моркови), в его обонятельной луковице воспроизводимо повторяется характерная картина активации. Но если кролик научился другому поведению (скажем, съеживаться) при появлении запаха моркови, в луковице будет появляться другая картина активации. И поэтому [Фриман и его коллега Кристин Скарда] заявляли, что картина активации не может быть отображением запаха моркови»[343].

Фриман отвергал идею того, что отображение запаха – корреляция активности нейронов в соответствии с фиксированными схемами или матрицами. Он понимал характерные картины активации нейронов как способ, с помощью которого мозг заучивает связь между стимулом и ответом. Один и тот же стимул может вызывать разные картины активации в зависимости от контекста принятия решения (разное поведение или сочетание сигналов с разной модальностью).

Бывшая студентка Фримана Лесли Кей комментирует идею нелинейной динамики: «Это, очевидно, хорошая метафора. Система действует так, как если бы была хаотичной… Но система не закрытая, так что доказать это невозможно». Но изучить ее эффекты можно: «Уолтер показал, что картина изменяется при изменении ассоциаций с запахом. Изменяется не только эта картина, но и другие картины для других запахов тоже изменяются. Каждый раз, когда вы чему-то учитесь, организация луковицы перестраивается». В своих исследованиях она тоже обнаружила эти эффекты