В процессе эволюции всякий раз более совершенный мозг давал своему обладателю решающее преимущество. В схватке за ресурсы побеждали самые сообразительные представители животного мира37. Развитие разума произошло гораздо быстрее, чем эволюция центральной нервной системы на предыдущих этапах – всего лишь за миллионы лет. Очевидно, прогресс ускорился. Со времен первых млекопитающих самым значительным изменениям подвергся мозжечок. У современного человека мозжечок содержит больше нейронов, чем новая кора, которая отвечает за высшую умственную деятельность38. Мозжечок хранит и задействует множество шаблонов движений, например, то, как ваша рука ставит автограф. В обиходе эти шаблоны иногда называют «мышечной памятью». Но это свойство именно мозжечка, а не мышц как таковых. По мере того как мы снова и снова повторяем какое-то действие, мозг адаптируется таким образом, чтобы оно требовало все меньших усилий и доходило до автоматизма – примерно так колеса раз за разом накатывают колею39.

Чтобы поймать брошенный мяч, можно решить систему дифференциальных уравнений, которые описывают траекторию его полета, а также движения вашей руки, и занять положение в пространстве, соответствующее полученным решениям. К сожалению, наш мозг не предназначен для решения задач по дифференциальному и интегральному исчислению, так что приходится выбирать способ попроще: надо сообразить, как наиболее оптимально расположить перчатку между своим телом и мячом. Мозжечок предполагает, что в каждом броске ваша рука и мяч должны занять примерно одно и то же положение относительно друг друга. Так что, если мяч летит чересчур быстро, а рука движется слишком медленно, мозжечок заставит вашу руку ускориться, чтобы она успела занять знакомое положение поблизости от мяча.

Мозжечок пользуется простым приемом отображения сенсорной информации на мускульные движения, что соответствует математическому принципу «базовых функций» и позволяет нам ловить мяч, не решая сложных уравнений40. С помощью этого отдела мозга мы также можем представить, какие последствия будут иметь наши действия, не совершая их в действительности. Например, мозжечок подскажет вам, что у вас есть шансы поймать мяч, но, скорее всего, вы столкнетесь с другим игроком, поэтому, возможно, пытаться не стоит. Все это происходит неосознанно.

Аналогичным образом во время танца мозжечок управляет вашими движениями, над которыми вы даже не задумываетесь. Если же из-за травмы или болезни мозжечок оказался поврежден, человек все еще может совершать целенаправленные действия с помощью неокортекса, но для этого ему нужно сосредоточиться. При этом у него может наблюдаться нарушение координации, которое называют атаксией41.

В освоении любого навыка ключевую роль играет регулярное повторение составляющих его действий. Если выполнять их достаточно часто, будет формироваться соответствующая «мышечная память». Движения, которые поначалу требуют сосредоточенности и внимания, со временем доводятся до автоматизма. Это явление объясняется передачей управления от моторной коры к мозжечку. Неважно, что вы делаете – бросаете мяч, собираете кубик Рубика, играете на пианино, – чем меньше вам нужно обдумывать свои действия, тем лучше вы их выполняете. Ваши движения станут быстрыми и плавными, а внимание будет направлено на другие факторы, которые способствуют успеху. Когда музыканты достигают такого уровня владея инструментом, они могут воспроизвести любую ноту с такой же легкостью и точностью, как люди, поющие «С днем рождения тебя». Если бы вас спросили, как вы настраиваете свои голосовые связки, чтобы получилась именно нужная нота, а не какая-либо другая, вряд ли вы смогли бы описать этот процесс словами. Психологи и тренеры называют этот феномен «бессознательной компетентностью». Это означает, что вы «овладели навыком на более глубоком уровне, чем тот, на котором работает сознание»42.

Такие возможности мозжечка обусловлены вовсе не сложностью его архитектуры. Хотя большая часть нейронов головного мозга взрослого человека, а также особей других видов, содержится именно в мозжечке, в геноме хранится не так уж много информации об устройстве этого отдела мозга – он состоит в основном из небольших простых модулей43. Хотя ученым еще предстоит раскрыть все секреты функционирования мозжечка, уже достоверно известно, что тысячи маленьких обрабатывающих модулей в нем собраны в однонаправленные структуры44. Это уже наводит на размышления о том, как должна быть организована нейронная сеть, выполняющая аналогичные функции. Будущие открытия наверняка подскажут разработчикам ИИ еще много полезного.

Большинство модулей в мозжечке имеют узкую специализацию. Те, что отвечают за движения одного из пальцев при игре на пианино, не участвуют в управлении ногами во время ходьбы. Хотя мозжечок оставался главным отделом мозга на протяжении сотен миллионов лет, современный человек полагается на него все меньше и меньше, поскольку более гибкая новая кора стала играть лидирующую роль для выживания в современном обществе45.

У животных, не относящихся к млекопитающим, отсутствует новая кора головного мозга, что лишает их ряда преимуществ. Однако в их мозжечке записаны точные шаблоны повадок, необходимых им для выживания. Эти управляемые мозжечком действия называются фиксированными моделями поведения. Они записаны в мозгу каждого представителя вида, в отличие от выученных вариантов действий, основанных на наблюдении и повторении. Даже у млекопитающих встречается довольно сложное рефлексоподобное поведение. Например, белоногие хомячки роют неглубокие норы, а береговые хомячки – длинные норы с выходным тоннелем46. Когда грызуны, выросшие в лабораторных условиях, оказались на природе, каждый из них вырыл нору, соответствовавшую его виду, хотя до этого не видел ни одной.

В основном рефлексы, хранящиеся в мозжечке, такие как способность лягушки поймать летящую муху языком, остаются у вида до тех пор, пока часть популяции с улучшенной версией не вытеснит всех остальных путем естественного отбора. Когда поведение определяется генетикой, а не обучением, адаптация к новым условиям происходит на несколько порядков медленнее. Способность к обучению позволяет живым существам целенаправленно менять свой образ действий в течение жизни одного поколения, в то время как врожденные рефлексы претерпевают постепенную модификацию в процессе смены многих поколений. В этой связи интересно, что разработчики компьютерных программ иногда используют имитацию эволюционного подхода – так называемые генетические алгоритмы 47. При этом они создают ряд версий программы со случайными значениями параметров, а затем оценивают, насколько хорошо каждая из них справляется с поставленной задачей. У тех, которые показали наилучшие результаты, берут некоторые значения параметров и комбинируют с другими, в точности как при половом размножении. Также можно вносить случайные «мутации», чтобы проверить, не приведут ли они к улучшению производительности. За много поколений таким образом можно найти оптимальный набор значений параметров, до которого программисты сами никогда бы не додумались.

В реальном мире этот процесс длится миллионы лет. Может показаться, что это слишком медленно, но стоит вспомнить о том, что до возникновения жизни эволюция в некотором виде шла сотни миллионов лет – столько, например, могло уйти на формирование химических элементов, необходимых для зарождения жизни, – и мозжечок в сравнении с этим покажется довольно гибкой структурой.

Неокортекс: пластичная иерархическая структура

Чтобы ускорить прогресс, мозгу в ходе эволюции пришлось найти способ создавать новые модели поведения, не дожидаясь, пока генетика модифицирует мозжечок. Этим способом стала новая кора. Она появилась 200 миллионов лет назад у нового класса животных – млекопитающих, и представляет собой буквально «внешнюю кожуру» мозга48. Первые млекопитающие, которые были похожи на грызунов, обладали новой корой размером с почтовую марку и такой же тонкой; она была обернута вокруг их мозга размером с лесной орех49. Внутренняя организация новой коры существенно отличалась от устройства мозжечка. Вместо набора разрозненных модулей, управлявших различными движениями, неокортекс работал как единая скоординированная система и мог поддерживать новый тип мышления, благодаря которому новые модели поведения появлялись в течение нескольких дней или даже часов. Мозгу стал доступен мощный инструмент – обучение.

Более 200 миллионов лет назад низкая скорость адаптации животных, не являвшихся млекопитающими, не составляла большой проблемы, поскольку окружающая среда менялась крайне медленно. Изменения в условиях жизни, требующие соответствующих модификаций в мозжечке, происходили в течение тысяч лет.

Для того чтобы неокортекс вышел на передний план в живом мире, требовалось потрясение. Катастрофа, которую мы сейчас называем мел-палеогеновым вымиранием, произошла 65 миллионов лет назад, через 135 миллионов лет после появления новой коры. Причиной послужило столкновение с астероидом и, вероятно, вулканическая активность. В результате условия обитания на всей планете изменились настолько резко, что 75 % видов растений и животных, в том числе динозавры, вымерли. (Хотя животные, которых мы называем динозаврами, исчезли в результате событий того времени, некоторые ученые считают птиц потомками одной из ветвей динозавров50.)

Именно тогда важнейшую роль стала играть новая кора, способная быстро находить новые решения. Млекопитающие увеличились в размерах, а их мозг рос опережающими темпами. Новая кора стремительно развивалась, в ней появились складки, позволившие увеличить площадь поверхности.

Если развернуть новую кору мозга человека, она будет иметь размеры и толщину, как большая столовая салфетка51. Благодаря ее невероятно сложной структуре в ней заключено 80 % массы всего человеческого мозга52.

В своей книге «Эволюция разума», вышедшей в 2012 году (на русском языке вышла в 2018-м), я подробно описал работу новой коры головного мозга. Здесь же мы вкратце остановимся на основных моментах. Неокортекс представляет собой систему, состоящую из простых повторяющихся модулей, каждый из которых включает около ста нейронов. Эти модули способны запоминать, распознавать и воспроизводить образы. В процессе обучения они организуются в иерархическую структуру, при этом модули на более высоких уровнях отвечают за более сложные концепции. Подобные повторяющиеся отделы получили название «миниколонок кортекса»53.

По современным оценкам в коре головного мозга содержатся от 21 до 26 миллиардов нейронов, и 90 % из них – в среднем 21 миллиард – в новой коре54. Это значит, что мы располагаем примерно 200 миллионами миниколонок по 100 нейронов каждая55. Исследования показывают, что, в отличие от компьютеров, которые обрабатывают данные в основном последовательно, распознающие модули неокортекса по максимуму используют параллелизм 56. Огромное количество операций происходит одновременно. Это делает мозг очень динамичной системой, которую сложно моделировать на компьютере.

Ученым еще предстоит выяснить множество деталей, но известные нам принципы организации и взаимодействия миниколонок уже помогают понять, как они работают. Подобно искусственным нейронным сетям, работающим на кремниевых процессорах, сети нейронов в мозге имеют иерархическую структуру, в которой одни слои принимают входные данные (например, сигналы от наших органов чувств), а другие отвечают за выдачу результатов (например, демонстрируемое человеком поведение). Промежуточные слои обрабатывают данные на различных уровнях абстракции, обеспечивая своим функционированием те тонкие формы мышления, которые мы воспринимаем как свойственные именно человеку.

Модуль самого нижнего уровня, который получает сигналы непосредственно от органов чувств, может быть обучен распознавать определенную форму линии. Более высокие уровни обрабатывают информацию, поступающую от низших, учитывая контекст и повышая уровень абстрагирования. Таким образом, модули, расположенные все дальше от органов чувств, узнают в изогнутой линии часть буквы, воспринимают ее как часть слова и связывают это слово с определенным понятием. На самом высоком уровне обрабатываются максимально абстрактные концепции, например, было ли высказывание забавной шуткой или же в нем содержался сарказм.