Глава 7. Взлом нейронного кода. Теория информации и эффективное кодирование
В то время как сердце перекачивает кровь, а легкие осуществляют газообмен, печень перерабатывает и накапливает химические вещества, а почки выводят их из крови, нервная система обрабатывает информацию.
Целью встречи 1968 года программы Neurosciences Researchбыло обсудить, как отдельные нейроны и группы нейронов обрабатывают информацию. Резюме встречи, написанное нейробиологами Теодором Баллоком и Дональдом Перкелем, не требует каких-либо жестких и быстрых выводов. Но оно описывает широкий мир возможностей для представления, преобразования, передачи и хранения информации в мозге, обобщая состояние дел в этой области.
Как следует из цитаты из их резюме, приписывать роль обработки информации мозгу кажется столь же естественным, как и говорить, что сердце перекачивает кровь. Еще до того, как в двадцатом веке слово "информация" вошло в повседневный лексикон, ученые неявно говорили об информации, которую передают нервы, часто на языке "сообщений" и "сигналов". Например, в лекции для сотрудников больницы, прочитанной в 1892 году, объясняется, что: "Существуют волокна, которые передают сообщения от различных частей тела к мозгу", и что некоторые из этих волокон "несут особые виды сообщений, как, например, нервы, связанные с органами особого чувства, которые были названы воротами знаний". В том же ключе в публикации 1870 года описывается срабатывание двигательных нейронов как "сообщение воли мышцам" и даже говорится о том, что нервная система приравнивается к доминирующей в то время технологии передачи информации - телеграфу.
Но исследования того, как нервная система представляет информацию, всерьез начались примерно за 40 лет до доклада Буллока и Перкела, с работ Эдгара Адриана в начале XX века.
Адриан во многих отношениях являл собой образ чопорного и правильного человека, занимающегося наукой. К моменту его рождения в Лондоне в 1889 году его семья проживала в Англии уже более 300 лет - в ее роду были хирург XVI века, несколько преподобных и членов правительства. Когда он был студентом, его блестящие способности регулярно отмечались его учителями. Помимо медицины во время учебы в университете, он проявлял способности к искусству, в частности к живописи и рисунку. Будучи преподавателем в Кембридже, он проводил долгие часы в лаборатории и в аудитории. В своей карьере физиолога он добился несомненного успеха. В возрасте 42 лет он стал лауреатом Нобелевской премии, а в 1955 году королева Елизавета II пожаловала ему титул, и он стал лордом Адрианом.
Но за этими официальными наградами и почестями скрывался беспокойный и хаотичный человек. Адриан был любителем острых ощущений, ему нравилось лазить по горам и гонять на быстрых машинах. Он с удовольствием проводил эксперименты над собой, в том числе, чтобы измерить мышечную активность. Известно, что он играл в замысловатые прятки с сокурсниками в долинах Озерного края Англии. Как профессор он был столь же неуловим. Он избегал незапланированных встреч, прячась в своей лаборатории, и заставлял всех любознательных студентов пытаться поймать его, когда он ехал домой на велосипеде. Он был темпераментным, и когда ему нужно было подумать, он устраивался на полке в темном шкафу. Его товарищи по лаборатории и семья описывали его движения как быстрые, отрывистые и почти постоянные. Его мысли были такими же стремительными. На протяжении своей карьеры он изучал множество различных вопросов у самых разных животных: зрение, боль, осязание и управление мышцами у лягушек, кошек, обезьян и многих других.
Эта неспособность сохранять неподвижность, физическую или умственную, возможно, стала залогом его успеха. Благодаря своим разнообразным исследованиям активности отдельных нервов он смог найти некоторые общие принципы, которые легли в основу нашего понимания нервной системы в целом. В своей книге 1928 года "Основа ощущений" Адриан объясняет свои выводы и эксперименты, которые позволили ему к ним прийти. Страницы книги пестрят разговорами о "сигналах", "сообщениях" и даже "информации", и все это вперемешку с анатомическими подробностями нервной системы и техническими проблемами, связанными с фиксацией ее активности. Это была смесь экспериментальных достижений и концептуальных идей, которые будут влиять на эту область в течение десятилетий.
В главе 3 Адриан рассказывает об эксперименте, в котором он добавляет вес к мышце лягушки, чтобы посмотреть, как отреагируют рецепторы "растяжения", отслеживающие положение мышцы. Адриан записывал показания нервов, по которым сигнал от рецепторов поступает в спинной мозг. Примение в различные грузы, Адриан подвел итог своим выводам: "Сенсорный сигнал, который поступает в центральную нервную систему при растяжении мышцы... состоит из последовательности импульсов знакомого типа. Частота повторения импульсов зависит от силы стимула, но размер каждого импульса не меняется". Этот вывод - что размер, форма или длительность потенциала действия, испускаемого этими сенсорными нейронами, не меняется, независимо от того, насколько тяжелым или легким является вес, приложенный к мышце, - Адриан назвал принципом "все или ничего".
Примеры "все или ничего" в природе нейронных импульсов повторяются на протяжении всей книги. У разных видов, для разных нервов, несущих разные сообщения, история всегда одна и та же. Потенциалы действия не меняются в зависимости от сигнала, который они передают, но их частота может меняться. Таким образом, импульсы нейрона похожи на армию муравьев - каждый из них максимально идентичен, а их сила обусловлена главным образом их численностью.
Если природа отдельного потенциала действия одинакова вне зависимости от силы или слабости вызвавшего его сенсорного стимула, то одно можно сказать наверняка: размер потенциала действия не несет информации. Благодаря вкладу Адриана физиологи теперь могли смело приступать к поиску того, где именно в нервах находится информация и как она передается.
Оставалась только одна проблема: что такое информация? Кровь, которую перекачивает сердце, и газы, которыми обмениваются легкие, - это реальные, физические субстанции. Они наблюдаемы, осязаемы и измеряемы. В то время как мы часто используем это слово, "информация" на самом деле является довольно расплывчатым и неуловимым понятием. Точное определение этого слова не так-то просто в голову большинству людей; к сожалению, оно относится к лагерю "узнаешь, когда увидишь". Не имея возможности взвесить информацию так же, как мы взвешиваем жидкости или газы, какие надежды могут быть у ученых на количественное понимание главной цели мозга?
Однако в период между выходом книги Адриана и докладом Перкела и Баллока было найдено количественное определение информации. Оно родилось в ходе научной борьбы во время Второй мировой войны и в дальнейшем неожиданно изменило мир. Его применение в изучении мозга порой было столь же трудновыполнимым, сколь и очевидным.
* * *
Клод Шеннон начал работать в Bell Labs по контракту, предоставленному американскими военными. Шел 1941 год, и Национальному комитету оборонных исследований требовались ученые, работающие над технологиями военного времени. Серьезность работы не заглушала игривых наклонностей Шеннона. Ему нравилось жонглировать, и во время работы в Bell Labs было известно, что он жонглирует по кампусу, катаясь на одноколесном велосипеде.
Шеннон родился в небольшом городке на американском Среднем Западе и рос, следуя за своим любопытством к науке, математике и инженерии, куда бы оно его ни привело. В детстве он играл с радиодеталями и любил решать числовые головоломки. Став взрослым, он создал математическую теорию жонглирования и фрисби, работающее на пламени. Ему нравилось играть в шахматы и строить машины, которые могли бы играть в шахматы. Постоянно занимаясь мастерингом, он создал множество гаджетов, некоторые из которых были более продуктивными, чем другие. Например на своем рабочем столе в Bell Labs,, он держал "Ultimate Machine": коробку с выключателем, который, если его включить, заставлял механическую руку протягиваться и выключать его.1
Для получения степени магистра Шеннон написал 72-страничную диссертацию под названием "Символический анализ релейных и коммутационных схем", которая произвела революцию в электротехнике. Для получения степени доктора философии он обратил свой математический взор к биологии, работая над "Алгеброй для теоретической генетики". Но его темой в Bell Labs была криптография. Как надежно закодировать сообщения, которые будут передаваться по земле, воздуху и воде, - естественная тема для военных. Bell Labs была центром исследований в области криптографии и даже принимала у себя знаменитого взломщика кодов Алана Тьюринга во время работы Шеннона.
Вся эта работа над кодами и сообщениями заставила Шеннона задуматься о концепции коммуникации в широком смысле. Во время войны он предложил метод математического понимания передачи сообщений. Однако из-за необходимой секретности исследований в области криптографии его идеи были засекречены. В 1948 году Шеннон наконец смог опубликовать свою работу, и "Математическая теория коммуникации" стала основополагающим документом новой области - теории информации.
В работе Шеннона описывается очень общая система связи, состоящая из пяти простых частей. Первая - это источник информации, который производит сообщение, которое будет отправлено. Далее следует передатчик, который отвечает за кодирование сообщения в форму, которая может быть передана по третьему компоненту каналу. На другом конце канала приемник декодирует информацию в исходную форму, и она отправляется в конечный пункт назначения (Рисунок 16).