Книги украшают жизнь. Как писать и читать о науке - Ричард Докинз

из жаргона теории информации. Он характеризует сообщения или части сообщений, которые неинформативны, потому что получателю уже известна эта информация. В газетах не помещают заголовки типа “Этим утром взошло солнце”. Но если бы внезапно настало утро, когда солнце не взошло, сочинители заголовков – если бы кто-то из них выжил, – отметили бы это происшествие. Технически, сообщение содержит избыточность в той мере, в какой из репертуара возможных сигналов одни встречаются чаще других.

Сенсорная информация изобилует избыточностью. Проще всего понять это на примере временной избыточности. Состояние мира в момент времени t обычно не сильно отличается от такового в момент t — 1. Температура, к примеру, меняется, но меняется обычно медленно. Орган чувств, в данную секунду сигнализирующий “жарко”, будет зря тратить время, если станет передавать тот же самый сигнал в следующую секунду. Как правило, центральная нервная система может исходить из того, что если в любой данный момент жарко, то жарко будет до следующего момента внимания.

“Следующий момент внимания” дает подсказку, что должна делать хорошо сконструированная сенсорная система. Она не должна сигнализировать: “Жарко, жарко, жарко, жарко…”. Она должна сигнализировать только об изменении температуры. Тогда центральная нервная система может постулировать, что поддерживается статус-кво, до тех пор, пока не получает сигнал о следующем изменении. Физиологам издавна было известно, что большинство органов чувств ведет себя именно так. Этот феномен называется сенсорной адаптацией.

На рис. 1. продемонстрирован конкретный пример – угасание нервных импульсов от отдельного сенсорного волоска мухи, реагирующей на пиво. Когда он впервые улавливает пиво, нерв посылает серию быстрых импульсов. Пиво никуда не девается, но темп импульсов постепенно снижается до постоянного, низкого значения – “новостей нет”.

Аналогичная избыточность существует в сфере пространственного. Вверху на рис. 2 (на следующей странице) – изображение, на которое мы действительно смотрим. Если мы отобразим точки на сетчатке, куда попадает свет, в виде “+”, а темные точки в виде “—”, средняя картинка покажет, что здесь присутствует колоссальная избыточность: большинство плюсов соседствует с другими плюсами, минусов – с минусами. На нижней картинке избыточность устранена, плюсы и минусы остались только по краям. Только о краях и нужно сигнализировать. Избыточную внутреннюю часть нервная система сможет заполнить сама. Это проделывается с помощью механизма, известного как латеральное торможение. Если каждая клетка в банке фоторецепторов тормозит своих непосредственных соседок, максимальный импульс поступает от клеток, расположенных по краям, потому что они тормозятся только с одной стороны. Такое латеральное торможение часто встречается в глазах как позвоночных, так и беспозвоночных живых существ.

Прямизна многих линий составляет еще один вид избыточности. Если концы линии указаны, середину можно заполнить. В число наиболее важных нейронов, открытых в зрительной коре млекопитающих, входят так называемые детекторы линий – нейроны, которые выделяют линии или края, ориентированные в определенных направлениях. У каждого коркового детектора линий есть собственное предпочитаемое направление. По мнению Барлоу, дело обстоит следующим образом: если бы не детектор линий, все клетки вдоль прямого края посылали бы импульсы, так что нервная система поступает экономно, используя единственную клетку для сообщения об этом крае.

Движение в пространственном поле богато информацией, подобно тому, как богато ею изменение во времени. Так же, как и в примере с температурой, статическое зрительное поле не нуждается в непрерывном отчете. Но если часть зрительного поля внезапно отделяется от остального и начинает ползти по фону, как маленькая черная мушка, то это новость, и о ней следует сообщить. Физиологи зрения действительно открывали, и неоднократно, нейроны, которые молчат до тех пор, пока в их зрительном поле что-нибудь не начинает двигаться. Они не реагируют на движение всего поля – это соответствует тому виду движения, который видит животное, когда оно двигается само. Они реагируют только тогда, когда что-то движется относительно остального зрительного поля. Самые знаменитые из этих детекторов относительного движения – так называемые “детекторы насекомых” Летвина и Матураны в сетчатке лягушки.

Что касается видимых движений окружающего мира, возникающих, когда животное ходит или двигает глазами, они бедны информационным содержанием – им свойственна высокая избыточность – и потому должны отфильтровываться, прежде чем достигнут мозга. И, разумеется, когда вы ходите, вы воспринимаете мир как неподвижный, хотя изображение у вас на сетчатке перемещается. Однако попробуйте ткнуть себя в глаз – и, ручаюсь, вы увидите маленькое землетрясение. Но изображение на сетчатке в обоих случаях двигается одинаково. Различие, согласно известной теории реафференции фон Хольста и Миттельштедта, в следующем. Всякий раз, когда мозг посылает сообщение глазным мышцам, командуя им двигать глазом, он отправляет копию этого сообщения сенсорной части мозга, веля ей ожидать, что видимое положение мира соответственно сместится, и компенсировать это нужной степенью смещения. Мозг воспринимает движение только в том случае, если наблюдается несоответствие между ожидаемым движением и наблюдаемым движением. Это прекрасно демонстрирует следующий факт. Давно известно, что люди с парализованными глазными мышцами видят движение земли, когда пытаются двигать глазами (и в том же направлении, что и предполагаемое движение глаз). Мозг получает команду предвидеть движение и делает на это поправку. Но движение так и не возникает, поэтому наблюдается видимое движение модели мира.

Возвращаясь к информационно насыщенному движению относительно остального мира: Летвин и его коллеги обнаружили удивительные вариации на базовую тему “детектора насекомых” в зрительной доле мозга лягушки. Интереснее всего (с нашей нынешней точки зрения) так называемые нейроны “тождества”. Цитирую:

Начнем с того, что представим зрительное поле как пустую серую полусферу. Клетка обычно не реагирует на включение и выключение освещения. Она молчит. Мы добавляем маленький темный объект, скажем, 1–2 градуса в диаметре, и в определенный момент его движения, фактически в любом месте поля, клетка внезапно “замечает” его. После этого в любой момент, когда объект двигается, клетка его отслеживает. Всякий раз, когда он двигается, даже если он лишь слегка подергивается, возникает вспышка импульсов, которая затем стихает до “шепота”, длящегося до тех пор, пока виден объект. Если объект продолжает двигаться, вспышки сигнализируют о нарушениях непрерывности движения, таких как поворот углов, инверсия и т. д., и эти вспышки имеют место на фоне непрерывного “шепота”, сообщающего нам о том, что объект виден клетке.

Нервная система как будто бы настроена на последовательных иерархических уровнях сильно реагировать на неожиданное и слабо реагировать или не реагировать вовсе – на ожидаемое. Переходя вновь на язык Барлоу, заимствованный из теории кодов, мы могли бы сказать, что нервная система использует короткие, экономные слова для частотных, ожидаемых сообщений,