Скорость мысли. Грандиозное путешествие сквозь мозг за 2,1 секунды - [33]

Но в мозгу есть и синапсы, которые не сбоят никогда. Каждый приходящий импульс вызывает реакцию на другой стороне [117]. Что еще удивительнее, разные синапсы одной и той же пары нейронов могут иметь разную частоту отказов [118]. Если бы отсутствие передачи сигнала было случайной ошибкой, этот показатель не мог бы различаться столь радикально. Тогда, возможно, неуспешная передача, сбой – это «фича, а не баг», особенность, а не ошибка.

Эта небольшая, но назойливая неприятность на самом деле – мощный вычислительный инструмент.

Неудача: чтобы эффективнее передавать информацию

Возможно, вы не так уж удивитесь, если я скажу, что теоретики обожают сбои в передаче импульсов. Это еще один из тех странных парадоксов, о которых мы уже говорили. Мозг использует импульсы для передачи информации между нейронами, но, допуская синаптические сбои, он намеренно препятствует этому. Почему мозг препятствует отправке информации? Теоретики в восторге потирали руки, обдумывая возможные причины.

Одна довольно простая идея состоит в том, что отказы в передаче необходимы для контроля интенсивности взаимодействия нейронов друг с другом. Вы, должно быть, помните, что у множества входов нейрона разная чувствительность: некоторые из них слабые, а некоторые – сильные. Попав на сбойный синапс, мы видим то, что называется силой синаптической связи, она состоит из двух частей. Во-первых, это величина всплеска напряжения; во-вторых, надежность передачи [119]. Синаптический контакт может давать мощный импульс, но если он делает это только для 10 % входящих импульсов, то этот вход слабо влияет на вероятность возбуждения целевого нейрона. Теоретики давно отмечают, что в результате мы получаем два варианта изменения силы связи одного нейрона с другим: мы можем изменить либо величину ответа, либо его надежность [120].

Изменить амплитуду ответа сложно – это означает увеличение количества пузырьков с молекулами нейромедиатора в синапсе аксона, увеличение количества рецепторов на другой стороне, у синапса дендрита, или и то и другое. А вот чтобы повлиять на надежность, просто потребуется сделать передающую сторону более или менее чувствительной к каждому импульсу. Действительно, в экспериментах на связях между нейронами гиппокампа Чарльз Стивенс и Яньянь Ван показали, что многократная стимуляция пары соединенных нейронов может укрепить их ненадежный контакт [121]. И, поскольку невозможно сделать абсолютно надежно срабатывающий синапс еще надежнее, большинство синапсов должны формироваться как ненадежные, чтобы оставить запас для изменений настройки. Все это означает нечто совершенно замечательное для понимания того, как происходит обучение. Поскольку считается, что многие формы обучения зависят от изменения силы связей между нейронами, эта теория подразумевает, что мозг намеренно полон помех, чтобы было к чему стремиться. Обучение превращается в маршрутизацию импульсов по надежным путям, передачу надежной информации между нейронами.

Уильям Леви и Роберт Бакстер ухватились за идею о том, что ненадежные синапсы в буквальном смысле теряют информацию, чтобы спросить: а что, если эта потеря является преднамеренной? [122] Они предполагали, что ненадежные синапсы на самом деле являются очень остроумным решением фундаментальной проблемы эффективности – передачи максимально возможного количества информации с минимумом затрат электрической энергии. Отправка каждого входящего сигнала в нейрон требует энергии. Много энергии. Втягивание высвободившихся молекул для повторного использования, упаковка их обратно в пузырьки и, конечно же, создание резкого скачка напряжения с открытием и закрытием каналов в мембране. Фактически синапсы и вся эта электрохимическая кухня расходуют около 56 % всей энергии, используемой нейронами головного мозга [123]. А поскольку сам мозг потребляет 20 % всей вашей энергии, сокращение расходов на эти дорогостоящие синапсы оставит вам больше энергии для других жизненно важных функций.

Леви и Бакстер утверждают, что аксон пирамидального нейрона имеет ограниченные возможности по передаче информации, которые определяются тем, сколько импульсов в секунду он в среднем способен отправлять. Для того чтобы нейрон был энергоэффективным, ему необходимо принимать определенное количество входящей информации, и не больше, – чтобы, по крайней мере, не тратить энергию впустую, не имея возможности ничего отправлять. Но мы уже знаем, что пирамидальный нейрон получает сигналы примерно на 7500 входов. Если бы всего 10 % этих входов передавали каждый пришедший через их синапс сигнал, общий объем информации, получаемой пирамидальным нейроном, значительно превышал бы способность его аксона проводить информационные импульсы. Нейрон был бы перегружен гораздо бóльшим количеством информации, чем мог бы использовать, поэтому большинство этих всплесков потенциала, проходящих через синапсы, были бы избыточной информацией, впустую расходующей энергию.

В теории «соответствия» Леви и Бакстера на помощь приходят синаптические сбои. Не позволяя входящим импульсам посылать информацию в целевой нейрон, сбои снижают частоту поступления информации к нейрону. При достаточно высокой частоте отказов это может снизить количество входящей информации до возможностей выходного аксона нейрона по передаче импульсов. И при этом количество используемой энергии будет идеально сбалансировано, позволяя задействовать всю способность аксона отправлять информацию, но не тратя ничего сверх нормы. Самое замечательное, что частота отказов в этой теории должна составлять около 75 %: именно такой показатель мы видим в коре головного мозга.