Мозговой трест. 39 ведущих нейробиологов – о том, что мы знаем и чего не знаем о мозге

** На протяжении нескольких десятилетий число транзисторов в интегральной схеме удваивалось каждые полтора-два года; в последнее время рост производительности от увеличения числа транзисторов замедлился — его ограничивают факторы, связанные с энергопотреблением и теплоотдачей.

Источники: John von Neumann, The Computer and the Brain (New Haven: Yale University Press, 2012); D. A. Patterson and J. L. Hennessy, Computer Organization and Design (Amsterdam: Elsevier, 2012)

Компьютер намного превосходит мозг в скорости базовых операций[119]. Сегодня любой персональный компьютер способен выполнять элементарные арифметические действия, такие как сложение, со скоростью 10 миллиардов операций в секунду. Скорость базовых операций в мозге мы можем оценить по базовым процессам, с помощью которых нейроны передают информацию и связываются друг с другом. Например, нейроны «возбуждаются» и генерируют биопотенциалы — электрические сигнальные импульсы (спайки), которые вырабатываются в теле клетки и передаются по длинным выростам, или аксонам, связывающим клетку со следующим нейроном цепи. Информация кодируется частотой и продолжительностью этих спайков. Наивысшая частота возбуждения нейронов оставляет около тысячи импульсов в секунду. Другой пример: нейроны передают информацию соседним клеткам в основном путем выделения химических нейромедиаторов в специализированные структуры терминалей аксона — синапсы, а соседние нейроны преобразуют поступающие нейромедиаторы в электрические сигналы в процессе синаптической передачи. Самая быстрая синаптическая передача длится около одной миллисекунды. Таким образом, спайки и синаптические передачи позволяют мозгу выполнять приблизительно тысячу базовых операций в секунду — это в 10 миллионов раз медленнее компьютера[120].

Компьютер многократно превосходит мозг и в точности выполнения базовых операций. Компьютер может представлять количественные значения (числа) с любой заданной точностью в пределах, определяемых разрядностью числа (количеством двоичных нулей и единиц). Например, 32-разрядное число имеет погрешность 1 на 232, или 1 на 4,2 миллиарда. Эмпирические данные свидетельствуют, что большинство числовых параметров в нервной системе (например, частота возбуждения нейронов, которая указывает на интенсивность стимула) из-за биологического шума имеют погрешность в пределах нескольких процентов, в лучшем случае 1 на 100, что в миллионы раз больше, чем у компьютера[121].

Однако вычисления, выполняемые мозгом, нельзя назвать ни медленными, ни неточными. Например, профессиональный теннисист способен всего за несколько сотен миллисекунд проследить за траекторией теннисного мяча, летящего со скоростью 250 километров в час, переместиться в оптимальную точку на корте, замахнуться и отбить подачу. Более того, его мозг потратит на решение этих задач (с помощью тела, которым он управляет) в десять раз меньше энергии, чем понадобилось бы персональному компьютеру. Как же ему это удается?

Важное различие между компьютером и мозгом связано с режимом обработки информации в системе. Компьютер решает задачи по большей части путем последовательных шагов. Иллюстрацией этого процесса может служить компьютерная программа, состоящая из набора команд. Для таких последовательных операций необходима высокая точность на каждом этапе, иначе ошибки будут накапливаться и усугубляться. Мозг также использует последовательные шаги для обработки информации. Например, при приеме теннисной подачи информация поступает от глаз сначала в головной, а затем и в спинной мозг, чтобы вызвать нужные сокращения мышц ног, корпуса и рук.

Но мозг также применяет массовую параллельную обработку, пользуясь преимуществом огромного количества нейронов и их соединений. Например, летящий теннисный мяч активизирует множество клеток в сетчатке глаза, фоторецепторов, которые преобразуют свет в электрические сигналы. Затем эти сигналы параллельно передаются сразу нескольким типам нейронов сетчатки. К тому времени как сгенерированные клетками фоторецепторов сигналы пройдут через 2–3 синаптических соединения в сетчатке глаза, информация о положении, направлении движения и скорости мяча уже будет извлечена параллельными нейронными цепями и передана в мозг. Точно так же моторная кора (область коры головного мозга, отвечающая за сознательное управление движениями) одновременно посылает команды мышцам ног, корпуса и рук, так что теннисист занимает оптимальную позицию и отбивает летящий мяч.