8×8 на кортикальной поверхности во время веретен сна, которые участвуют в закреплении воспоминаний. Слева: веретена (сигма-ритм) – круговые волны, которые, если смотреть сбоку, проходят в коре головного мозга в направлении, указанном стрелкой, совершая цикл каждые 80 миллисекунд. Цикл многократно повторяется в течение ночи. Справа: маленькие стрелки показывают направление максимального нарастания фазы бегущей волны на 64 участках записи на поверхности коры
Между фазами медленного восстановительного сна и быстрого сна, сопровождающегося сновидениями, есть промежуточная стадия, когда в кортикальной активности преобладают высокосинхронизированные пространственно-временные колебания, называемые веретенами сна. Эти колебания частотой 10–14 Гц длятся несколько секунд и повторяются тысячи раз в течение ночи. Экспериментально доказано, что веретена сна участвуют в консолидации памяти, пока вы спите. На записях биотоков коры мозга мы с Лайлом Мюллером, Эриком Халгреном и Сидом Кэшем обнаружили, что веретена сна – это единые круговые волны электрической активности, которые проносятся через все секторы коры (рис. 15.7). Мы назвали их волнами принцессы Леи, потому что они выглядят как ее прическа (рис. 15.8). Мы предположили, что веретена сна могут быть способом, которым кора объединяет новую информацию, полученную в течение дня, с распределенными в ней предыдущими воспоминаниями через укрепление длинных связей между ними. Это один из многих проектов из области системной нейробиологии, реализованный в рамках правительственной программы BRAIN.
Рис. 15.8. Кэрри Фишер в роли принцессы Леи. Ее волосы, собранные в два пучка, напоминают круговое течение полей, циркулирующих в коре во время сна
Операционные системы
Архитектура в нейронных сетях иная, чем в цифровых компьютерах. В цифровом компьютере память и центральный процессор (ЦП) разделены пространственно, и данные в памяти должны перемещаться в ЦП последовательно. В нейронных сетях обработка данных происходит в памяти параллельно, что решает проблему «бутылочного горлышка», а также позволяет выполнять массовую параллельную обработку, так как все блоки сети работают одновременно. Кроме того, в нейронных сетях нет различия между программным и аппаратным обеспечением. Обучение происходит путем внесения изменений в оборудование.
Блок 9. Операционные системы
Операционная система цифрового компьютера. Операционная система контролирует программы, которые выполняются на оборудовании. Для ПК чаще используют Windows, iPhone управляется iOS, а большинство серверов работают на одной из версии UNIX. Операционная система выделяет память, когда это необходимо программам. Она также работает «за кулисами», используя фоновые процессы, называемые демонами, чтобы отслеживать программы и внешние устройства, такие как принтеры и дисплеи. Операционная система предназначена для работы на любом оборудовании, позволяя запускать ваши приложения на разных компьютерах.
Цифровые компьютеры также становятся массивно-параллельными. Это началось в 1980-х годах, когда кластеры компьютеров были собраны в единый блок. Одним из ранних параллельных компьютеров был разработанный Дэнни Хиллисом Connection Machine[414], который выпускала компания Thinking Machines. Инженер и изобретатель Хиллис учился в МТИ, когда стало ясно, что для решения чрезвычайно сложных проблем реального мира потребуется гораздо бо́льшие вычислительные мощности. Поскольку в 1990-х годах количество транзисторов на микросхемах продолжало расти согласно закону Мура, стало возможным установить много обрабатывающих модулей на одной микросхеме, много микросхем на одной плате, много плат в одном системном блоке и много системных блоков в комнате, поэтому сегодня самые быстрые компьютеры на планете имеют миллионы ядер и могут выполнять биллиарды[415] операций в секунду. Скоро нам будут доступны экзафлопсные вычисления.
Моделирование нейронных сетей будет максимально использовать преимущества массово-параллельного оборудования. Многочисленные ядра можно настроить для одновременной работы в единой сети, которая значительно ускоряет обработку, но затрудняет обмен данными между процессорами. Чтобы уменьшить задержки связи, компании строят специальные цифровые сопроцессоры, которые значительно ускорят моделирование сети, так что когнитивные задачи, такие как речь и зрение, получат единую мощную программу действий. Ваш смартфон станет намного умнее, когда сети глубокого обучения превратятся лишь в одну из его микросхем.
Цифровые компьютеры работают под управлением операционных систем, которые отделяют вас от оборудования (блок 9). Когда вы запускаете текстовый редактор на своем ноутбуке или приложение на смартфоне, операционная система заботится обо всех нюансах: в какую область памяти поместить нажатия клавиш и как отобразить вывод на экран. Ваш разум выполняет роль приложений в операционной системе вашего мозга, которая отделяет вас от того, где, как и в каком виде лежит информация. Вы не знаете, как ваш мозг хранит обширные базы данных опыта, накопленного вами в течение жизни, или как этот опыт формирует ваше поведение. Можно проследить связь с отдельными переживаниями, но вы осознаете лишь малую часть. То, как ваш мозг управляет всем, остается тайной. Поняв, как работает операционная система мозга, мы организовали бы большие данные на основе тех же общих принципов. Тогда сознание можно было бы представить как приложение, работающее в операционной системе мозга.
Информация на всех уровнях
Информационный взрыв превратил биологию в количественную науку. Традиционно биологам не требовалось больше математической подготовки, чем вводный курс по статистике для анализа данных – невеликих и полученных с большим трудом. В 2002 году меня пригласили на конференцию в лабораторию Колд Спринг Харбор на Лонг-Айленде. Собрание было посвящено молекулярной генетике, и я чувствовал себя не в своей тарелке, потому что был единственным, кто читал лекцию о вычислениях. Передо мной выступал Ли Худ – молекулярный генетик, много лет проработавший в Калтехе. Когда я был там в творческом отпуске, меня поразило, что лаборатория Худа занимала целое здание. С тех пор он переехал в Сиэтл и основал Институт системной биологии. Системная биология – новая область науки, которая пытается раскрыть сложность всех молекулярных взаимодействий внутри клетки.
В своем выступлении Худ рассказал, как однажды спросил себя, почему в его лаборатории специалистов по вычислениям больше, чем биологов? Он пришел к выводу, что биология стала информационной наукой и данные, полученные с помощью современных методов, таких как секвенирование генов, превосходят аналитические возможности биологов. Специалисты по вычислениям знают об информации больше, чем биологи. Я не мог и мечтать о лучшем предисловии к моему докладу, посвященному тому, как информация хранится в синапсах нейронов головного мозга.
Сегодня системная биология привлекает много физиков и инженеров в области вычислительных систем для анализа и расшифровки информации, полученной при секвенировании ДНК, и сигналов в клетках, которые контролируются РНК и белками. ДНК в организме человека – цепочка из трех миллиардов пар оснований с информацией, необходимой для поддержания жизни клеток, их репликации и специализации. Некоторые пары оснований являются шаблонами для создания белков, но другие
