МОЗГ КАК ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА

(журнал ИНФО – информатика и образование №6 за ноябрь-декабрь 1987 г.)

В. СЕРГИН
доктор физ.-мат. наук

Механизм формирования высших функций мозга, таких как сознание, творчество и мышление в целом, представляют собой одну из фундаментальных тайн природы, которая давно привлекает внимание специалистов различных областей знания. В настоящее время широко распространено представление о том, что наш мозг функционирует подобно большой ЭВМ. Несмотря на то, что такое представление аргументировано, оно встречает обоснованные возражения, связанные с существованием некоторых важных свойств человеческого мышления, которые не находят удовлетворительного объяснения в рамках модели мозга как вычислительной системы. К ним относятся интуиция, подсознательные побуждения, управляющие поведением, эмоциональные оценки сложных явлений (такие, как чувство гармонии или красоты) и другие еще более таинственные свойства мозга, которые, возможно, простираются вплоть до гипноза и так называемого сверхчувствительного восприятия.

Все это побуждает многих специалистов рассматривать ЭВМ лишь в качестве модели простых (рутинных) свойств мозга. При этом наиболее глубокие и важные свойства человеческого мышления остаются необъясненными, что сохраняет почву для околонаучных спекуляций и всякого рода фантастических измышлений. Поэтому рациональное объяснение пока еще загадочных феноменов мышления и психики принципиально важно для науки вообще и для понимания природы человеческого интеллекта в частности.

Блок-схема модели интеллекта

Наши рассуждения начнем с, казалось бы, мало продуктивных представлений о том, что мозг — это машина мышления, которая перерабатывает информацию и функционирует подобно большой вычислительной системе. Это не означает предположения, что человеческий мозг устроен и работает как существующие ЭВМ. Просто вычислительная система представляет собой наиболее совершенную машину, предназначенную для обработки информации и в этом смысле является ближайшей аналогией машины мышления.

В качестве основы для дальнейших рассуждений введем предположения о макроструктуре интеллекта:

интеллект состоит из двух связанных, но функционально различных систем обработки данных (вычислительных систем) — сознания и подсознания;

объем памяти и производительность подсознания как вычислительной системы на много порядков больше, чем аналогичные характеристики сознания.

Предположение о том, что сознание функционально обособлено от подсознания и характеризуется определенными (необязательно фиксированными) границами локализации, имеет нейро-физиологические основания. Считается, что основным априорным условием сознательного состояния является способность обозревать свое внутреннее состояние посредством периодической передачи на вход имеющейся в памяти информации1. Повторный ввод хранящейся в памяти информации позволяет распознавать ее и сравнивать с содержимым памяти. Тем самым осуществляется просмотр формируемых внутри образов (моделей) в потоке внешней информации. Следовательно, процесс осознания представляет собой ассоциативное воспоминание с обновлением и требует периодического распознавания информации, представляющей внутреннее состояние (образ) и внешнюю среду (реальный мир).

В настоящее время неизвестно, на каких структурах мозга реализуется сознание. Тем не менее, можно утверждать, что области мозга, охваченные циклическими процедурами распознавания и отождествления собственного “я” и образа внешнего мира, представляют собой место локализации сознания. Циклическая прогонка хранящейся в памяти информации должна осуществляться с частотой, превышающей характерные скорости изменения внешней среды, что необходимо для слитного восприятия изменений. Столь частая прогонка содержимого памяти накладывает жесткие ограничения на ее объем. Кроме того, ресурсы сознания как вычислительной системы используются здесь не столько для выполнения полезной работы — обработки потока внешних сигналов и выработки поведенческих реакций, сколько для периодического распознавания и обновления модели собственного “я” и модели внешнего мира. Поэтому производительность сознания как системы обработки внешней информации и принятия решения должна быть небольшой.

На рисунке представлена блок-схема модели интеллекта, построенная в соответствии с высказанными предположениями. Ее компоненты и связи между ними можно охарактеризовать на основе данных психологии и нейрофизиологии.

В непосредственной памяти содержится почти вся информация, поступающая на органы чувств, но хранится она всего несколько сотен миллисекунд. При переводе информации из непосредственной памяти в оперативную (память сознания) происходит ее селекция в соответствии с содержанием решаемой задачи. Объем оперативной памяти (количество запоминаемых символов) ограничен магическим числом Миллера 7±2. Время хранения информации составляет в среднем несколько десятков секунд. Потеря информации происходит по мере того, как она перестает активно использоваться. Повторение является эффективным способом удержания информации в оперативной памяти и важным условием ее перевода в долговременную память.

Емкость долговременной памяти, по-видимому, обеспечивает хранение всей информации, потенциально полезной для наилучшей адаптации вида к изменяющимся условиям окружающей среды. В долговременной памяти содержатся формы поведения, заложенные генетически и приобретенные в индивидуальном развитии; модели объектов и пространство образов, сформированные в процессе обучения; процедуры обнаружения и идентификации объектов; правила использования хранимой информации и многое другое, необходимое для организации поведения 2. В долговременной памяти подсознания содержатся глубоко усвоенные этические и социальные нормы, жизненный опыт, доведенные до автоматизма профессиональные и бытовые навыки3 и другие знания (процедурные и декларативные), выражающие личность и индивидуальность человека.

Время хранения информации в долговременной памяти, по-видимому, соответствует продолжительности жизни. Возможно поэтому нейроны, в отличие от большинства других клеток организма, никогда не обновляются, что обеспечивает сохранение информации и вычислительной структуры мозга на протяжении длительного времени без искажений. Долговременная память имеет, по-видимому, иерархическую организацию с различными временами выборки информации. В типичных случаях выборка информации осуществляется вне прямого контроля сознания в соответствии с целью и содержанием конкретной деятельности.

Органы восприятия несут в мозг большой поток информации. Сигналы отличаются по амплитуде, фазовым и частотным характеристикам, комбинациям поступления от различных органов, смысловой нагрузке и другим признакам. Ясно, что сознание должно быть защищено от избыточной информации, поток которой должен соответствовать его ограниченной производительности. Следовательно, в область сознания должна пропускаться лиши функционально необходимая и предварительно обработанная (селектированная, отфильтрованная, агрегированная) информация. Поток информации от органов чувств в подсознание не требует жестких ограничений, и его величина может быть на много порядков больше осознаваемого потока. Это значит, что внешний мир, постигаемый подсознанием, может быть гораздо более богатым, разнообразным и тонко структурированным, чем его упрощенное отражение в сознании.

Мотивы, побудительные импульсы, целевые установки и другие управляющие решения, вырабатываемые подсознанием, приходят в область сознания без какой-либо аргументации и трактуются как эмоциональные. На этом и основаны существующие в психологии представления об эмоциональном управлении мыслью. Однако, по нашей концепции, решение проблем и выработка управляющих стимулов осуществляются в подсознании на основе строгих процедур и являются результатом обработки громадного объема информации.

Рассматриваемая модель интеллекта вполне согласуется с нейробиологическими данными о структуре и клеточных механизмах головного мозга. По данным Маунткасла4, новая кора переднего мозга содержит 50 млрд. нейронов, организованных в 600 млн. вертикальных мини-колонок, функционирующих параллельно. Очевидно, что производительность матричного процессора столь высокой размерности должна быть чудовищной. По современным данным2, значительная часть новой коры используется для параллельной обработки различных видов сенсорной и моторной информации. Поскольку функции восприятия связаны с универсальными процедурами распознавания и запоминания информации, эти же матричные структуры, в принципе, могут использоваться и при выполнении других высших функций мозга. Вероятно, матричные структуры могут, в различные интервалы времени, использоваться для выполнения различных функций. Не подтверждает ли это предположение тот факт, что когда человек глубоко задумается, он не видит и не слышит, что делается вокруг. По-видимому, в это время соответствующие области коры лишь отчасти выполняют свои функции по обработке внешней информации, а их более глубокие слои участвуют в интенсивных процессах мышления. Каждому, вероятно, знакомо побуждение отключаться от внешней информации, чтобы поразмышлять в свое удовольствие.

Структура творческого процесса

Итак, в соответствии с высказанными представлениями, модель интеллекта представляет собой две взаимодействующие системы обработки данных. Одна из них (сознание) имеет сравнительно небольшую память и производительность, что ограничивает размерность задач, которые она способна решать. Объем памяти и производительность другой (подсознания) позволяет решать задачи высокой размерности. Если бы это было в самом деле так, то решения, полученные в подсознании, могли бы доставлять сознанию принципиально новые факты, которые сознание самостоятельно получить не может.

Невысокая производительность сознания как вычислительной системы хорошо известна из повседневного опыта. В уме сравнительно успешно решаются задачи, включающие не более 2—3 влияющих факторов. Лучше всего нам удаются однофакторные задачи. Если необходимо быстро принять решение в условиях, когда одновременно возникает большое количество различных обстоятельств, мы можем почувствовать, что “голова пошла кругом”. Это означает функциональный отказ сознания как вычислительной системы. С математической точки зрения разумным выходом в этой ситуации может быть понижение размерности задачи. Обычно так и поступает человек, который не теряется в трудных ситуациях. Он последовательно перебирает в уме и оценивает различные обстоятельства, отбрасывает второстепенные, а затем принимает решение, руководствуясь главными факторами. Такой прием позволяет защитить рассудок от переполнения информацией, но, разумеется, не гарантирует достижения наилучшего решения.

Объем памяти и производительность подсознания много больше, что позволяет решать задачи высокой размерности, учитывая большое число влияющих факторов. В таком случае, в области сознания может формулироваться лишь постановка задачи. Процедура исследования осуществляется в подсознании и затем готовое решение выдается в область сознания. В этом, по-видимому, и состоит природа интуиции (озарений, внезапных открытий, догадок). В область сознания может выдаваться лишь окончательное решение задачи, которое воспринимается сознанием как “интуитивное”. Промежуточные операции отыскания решения не могут выводиться в сознание из-за его малой информационной емкости.

Интуиция характеризуется тем, что позволяет устанавливать новые связи и отношения в условиях видимого недостатка данных. В работе5 указывается, что в генезисе различных видов интуиции (интуиции — догадке, интуиции — прямом усмотрении истины) есть нечто принципиально общее, а именно дефицит сознаваемой информации, необходимой и достаточной для логически безупречного заключения. Другие важные свойства интуиции состоят в том, что она непредсказуема и в то же время неслучайна. Из предложенной выше схемы формирования интуитивного решения естественным образом вытекают перечисленные свойства интуиции. В самом деле, решения, полученные путем логически безупречных заключений, являются строгими результатами работы сознания. Строгие результаты работы подсознания, как системы обработки данных, обладающей громадным неосознаваемым объемом информации и высокой производительностью, позволяют устанавливать новые связи и отношения, непредсказуемые для сознания. Интуитивное решение непредсказуемо для сознания в том же смысле, в каком решение супер-ЭВМ непредсказуемо для мини-ЭВМ. В то же время интуитивное решение неслучайно, оно определяется объемом и специфичностью накопленных индивидуумом знаний, вычислительной структурой его интеллекта и сознательно сформулированной постановкой задачи (целью, вопросами).

Предложенная модель интеллекта вполне соответствует представлениям о творческом процессе, сложившемся в современной когнитивной психологии. Определение цели исследования, сбор данных и формулировка задачи являются сознательными процессами. Затем следует интуитивное решение проблемы. И лишь после того, как ответ (не обязательно правильный) стал известен, производится его аргументированное обоснование (или опровержение). Существенной стороной процесса мышления является то, что принципиально новые факты устанавливаются вне сферы сознательной деятельности, в подсознании. Модели окружающего мира строятся здесь на основе недоступной сознанию информации, имеют много более высокую размерность и могут описывать весьма тонкую структуру объектов и их взаимоотношений. Установленные с их помощью закономерности могут быть одновременно неожиданными для сознания и правильными по существу. Процедура доказательства интуитивного решения или его опровержения путем логического анализа или экспериментальной проверки являются функциями сознания.

Из того обстоятельства, что подсознание оперирует множеством факторов и информацией, недоступных сознанию, а промежуточные выкладки не могут выводиться в область сознания, следует, что строгое доказательство или аргументированное обоснование интуитивного решения требует специальной работы сознания. В некоторых случаях это должна быть громадная и нетривиальная работа, в процессе которой также необходимы творческие озарения. Поскольку такая работа не всегда завершается успешно, в науке неизбежно должны существовать представления (или утверждения), истинность которых подтверждается всеми известными фактами, но не имеет строгих доказательств. Примерами могут служить знаменитые математические теоремы, часть которых получила доказательства лишь через несколько десятилетий или столетие после публикации. Иногда “требуется построение новых разделов математики, чтобы ранее несвязанные или неуловимые для сознания факты стали компонентами стройных теорий, и только тогда доказательство давно сформулированных теорем становится доступным сознанию. Множество подобных примеров дают физические теории. Открытия Г. Галилеем относительности движения и независимости ускорения свободного падения от массы не имели строгих доказательств, а его идеи и доводы отвергались и оспаривались вплоть до работ И. Ньютона. Уравнения электродинамики были выписаны в окончательном виде без доказательства их адекватности реальным физическим процессам, а рассуждения Дж. Максвелла, будто бы поясняющие их вывод, никто всерьез не принимал. И такое перечисление можно продолжить.

Следует заметить, что описанная структура творческого процесса является лишь грубой схемой. В реальном творчестве взаимодействие между сознанием и подсознанием протекает непрерывно, проявляясь в более тонкой структуре процесса исследования. Поэтому выделенные этапы рассудочной и интуитивной работы мозга весьма условны. Так, например, в науке широко распространено представление о том, что правильно поставить задачу, значит наполовину решить ее. Постановка задачи, будучи преимущественно сознательным процессом, содержит важные эвристические компоненты, что свидетельствует об участии подсознания в этой работе. В правильно поставленной задаче содержится “предчувствие” характера ее решения, что свидетельствует об уже выполненной (в подсознании) предварительной работе. С другой стороны, в решении проблемы, даже если оно имеет интуитивный характер, сознание может играть важную координирующую роль. Оценка и проверка истинности полученных результатов, в свою очередь, не являются чисто сознательными процессами. Например, при экспериментальной проверке суждение о достаточности экспериментальных данных является интуитивным. При оценке истинности теории иногда ссылаются на эстетические критерии, такие как чувство красоты. (Известно высказывание Р. Фейнмана: “Истину можно узнать по ее красоте”). Характерной особенностью критерия красоты является осознание совершенства как некоторого факта и, одновременно, невозможность четко сформулировать причины такого суждения. С точки зрения развиваемой концепции такой критерий истинности научной теории как чувство красоты представляет собой многоцелевой показатель, формируемый в подсознании.

Объяснение некоторых феноменов психической деятельности

Состояние сознания достигается дорогой ценой, за счет потери производительности, а природа обычно оптимизирует свои функции. Поэтому естественно предположить, что сознание постоянно реализуется лишь в сравнительно небольших областях головного мозга, которые расширяются только при интенсивной рассудочной деятельности. В зонах, которые в данный момент граничат с областями сознания, имеет место краевое сознание, а в остальных частях мозга идет более производительная подсознательная работа. Расширение области сознания может происходить только за счет подсознательной сферы.

Область сознания сокращается до минимума во время сна (чем, по крайней мере, отчасти, определяется его физиологическая необходимость) и мозг освобождается для более производительной работы. Это может быть внутренняя работа, которая необходима в любой системе обработки информации, например, упорядочивание массивов данных, доработка и перестройка моделей и др. Во сне могут решаться проблемы, которые были поставлены ранее в процессе взаимодействия сознания и подсознания. По данным нейрофизиологии, интенсивность работы мозга в целом постоянна днем и ночью. Но во время сна снижаются до минимума обработка внешней сенсорной информации, управление моторикой и процедуры осознания. Следовательно, во время сна интенсивность работы мозга как автономной вычислительной системы возрастает. Это подтверждается хорошо известными фактами, когда решение трудных проблем приходит в утреннюю пору без видимых усилий, как бы самопроизвольно: подсознание выдает результаты ночной работы. Пословица “утро вечера мудренее” отражает богатейший экспериментальный материал, накопленный в процессе разносторонней человеческой деятельности.

Состояние, при котором область сознания может сильно сокращаться, освобождая мозг для более продуктивной работы, бывает и во время беззаботного отдыха. В литературе описаны многочисленные случаи появления идей и спонтанного решения ключевых научных проблем во время отдыха, прогулки в лесу, в горах, и тому подобных обстоятельствах, когда их авторы, казалось бы, вообще не думали о работе.

Из относительной обособленности двух систем обработки данных, сознания и подсознания, следует возможность двойственности в мироощущении и поведении человека. В случае больших отклонений от нормы такая двойственность может приобретать черты феномена, известного в классической психологии как раздвоение личности (патологические состояния расщепления личности могут иметь несколько более сложную природу). Мы ограничимся примером нормального состояния, когда хорошо выраженная двойственность является естественным следствием относительной обособленности сознания и подсознания, и воспользуемся с этой целью фрагментом из рассказа А. И. Куприна “Лунной ночью”.

“Случалось вам видеть во сне, будто вы сдаете трудный экзамен? Вам задают вопрос, и вы на него никак не можете ответить. Вы усиленно думаете, ломаете голову, но ответ, как нарочно, не идет на ум. Тогда учитель обращается к одному из ваших товарищей, тот отвечает самым правильным и блестящим образом, и вам становится стыдно за ваше незнание. Случалось это с вами?

...Во сне на экзамене отвечает ваш товарищ. Но ведь товарища-то на самом деле нет, отвечаете вы же и вы же удивляетесь тому, что говорите. Видите какая двойственность?”

Здесь процедура экзамена и собственное поведение моделируются в сознании (как это бывает и в бодрствующем состоянии). Усилие вспомнить забытый материал и вопросы обращены к подсознанию. Ответ относительно обособленной системы, подсознания, является внешней для сознания информацией и трактуется, в соответствии со сценарием экзамена, как ответ товарища. В бодрствующем состоянии ответы подсознания также иногда трактуются как подсказки со стороны или внушения свыше. Так, например, Сократ был уверен, что его идеи были ему продиктованы его личным демоном, а Помпилий часто “консультировался” у нимфы по имени Эгерия6. Таинственные голоса Жанны д'Арк и многих других подвижников имеют вполне материальную природу и их информационным источником является система обработки данных, именуемая подсознанием.

Поток информации от органов чувств в подсознание на много порядков превышает поток информации в область сознания. Их разница дает величину неосознаваемой информации, которая никак не регистрируется сознанием. Так называемое “внечувственное восприятие” отчасти объясняется в рамках рассматриваемой модели как часть потока неосознаваемой информации. Заметим, что рассматриваемой концепции не противоречит и возможность существования пока еще неизвестных науке органов восприятия, сигналы которых используются только в подсознательной сфере.

Явление гипноза можно объяснить в рамках рассматриваемой модели, если предположить существование способов воздействия, расстраивающих специфические процедуры осознания. Тогда область сознания может искусственно сокращаться до минимума или блокироваться внешними воздействиями. В этих условиях указания гипнотизера могут восприниматься непосредственно подсознанием гипнотизируемого как программа, подобная той, что обычно поступает от собственного сознания и потому выполняется. При гипнотическом внушении формируется интеллект-кентавр, состоящий из сознания гипнотизера и подсознания гипнотизируемого. Гипнотизер, не вызывая нарушений в основных свойствах функций мозга гипнотизируемого, получает доступ к внутренним структурам, причем все ассоциативные связи и все хранилища информации о прошлом опыте остаются незатронутыми, а контакт этих структур с внешним миром ограничивается только одним путем, который выбирает гипнотизер7. Т. е. сознание гипнотизера служит интерфейсом между подсознанием гипнотизируемого и внешним миром. Но хотя сознание гипнотизируемого подавлено (блокировано), его личность и индивидуальность сохраняются (поскольку носителем этих фундаментальных свойств является подсознание). Заставить гипнотизируемого совершить под влиянием внушения поступки, которые согласно его нормам поведения или представлениям о безопасности являются непристойными или опасными, удается лишь в очень небольшом числе случаев8.

Заключение

Главным результатом представленной здесь работы является то, что чисто человеческие черты творческого мышления и весьма загадочные феномены психической деятельности удается объяснить с точки зрения функционирования мозга как системы обработки данных (вычислительной системы). При этом не делается специальных допущений для каждого данного случая. Чрезвычайно широкий спектр феноменов мышления и психики объясняется с единых позиций, на основе предложенной модели интеллекта. Причем введенная макроструктура интеллекта не содержит каких-либо экзотических или рискованных допущений, элементарно проста и основана на хорошо известных эмпирических фактах психологии и нейрофизиологии. Однако, несмотря на свою простоту, предложенная модель позволяет по-новому взглянуть на природу человеческого мышления и высказать некоторые новые предположения о функционировании мозга, которые могут быть проверены экспериментально.

Система “сознание — подсознание” представляет собой оптимальную структуру, отработанную процессом эволюции. С одной стороны, сознание не перегружено информацией, что позволяет приближенно, но в темпе реального времени моделировать свое поведение в окружающем мире. С другой стороны, используется вся доступная информация, которая обрабатывается в подсознании и откуда готовые результаты передаются в область сознания. Представляется, что дальнейшая разработка этой схемы и детализации модели интеллекта могут привести к новым идеям в области построения эффективных систем обработки данных.

1 Эделмен Дж., Маунткаса В. Разумный мозг. М., 1981. 133 с.

2 Дудкин К. И. Зрительное восприятие и память. М., 1985. 206 с.

3 Симонов П. В. Мотивированный мозг. М., 1987. 237 с.

4 Эделмен Дж., Маунткаса В. Разумный мозг. М., 1981. 133 с.

5 Симонов П. В. Мотивированный мозг. М., 1987. 237 с.

6 Лдамар Ж. Исследование психологии процесса изобретения в области математики. М., 1970. 150 с.

7 Уолтер Г. Живой мозг. М., 1966. 300 с.

8 Уолтер Г. Живой мозг. М., 1966. 300 с.