Хаос является определяющей чертой нашей вселенной и существует во всех масштабах, от случайного рассеяния атомов до кружащихся стай птиц и спиральных галактик. Все эти системы объединены своей сложностью, и к ним можно подойти с помощью изучения сложных систем, за что итальянский физик Джорджио Паризи недавно был удостоен Нобелевской премии по физике. Новизна прорыва Паризи заключается в разработке математической модели для прогнозирования выравнивания атомов в специальных магнитных металлических сплавах. Однако работа таких физиков, как Паризи, дает нам возможность понять сложные системы во всем, от атмосферы до компьютерных чипов, и демонстрирует, как большая коллекция неупорядоченных, случайных вещей, собранных вместе, может создать нечто предсказуемое и полезное. Эта модель не ограничивается пониманием физики, но также распространяется на то, как наш мозг создает мысли и постигает мир.
Как выясняется, мозг полон беспорядка на молекулярном уровне - мы просто не можем создать модели, чтобы предсказать, когда сработает нейрон, не говоря уже о том, как миллионы этих событий объединяются в широту и глубину нашего познания. Однако это несоответствие может быть не таким уж проклятием - на самом деле, оно может быть даже существенным. Есть много ситуаций, когда принятие быстрых, казалось бы, случайных решений имеет решающее значение для успеха. Аналогичным образом, добавление случайности может сыграть важную роль в работе определенных нейронных сетей, и все большее количество доказательств свидетельствует о том, что это неотъемлемая часть человеческого сознания, которую должны учитывать те, кто пытается воспроизвести наше познание.
Является ли случайность целью?
Для меня одна из самых захватывающих частей просмотра футбола - это штрафной удар. Ожидание нарастает на несколько секунд, когда бьющий приближается к мячу, а затем внезапно все заканчивается. Мяч взрывом отлетает от земли, когда вратарь атакует, но в неправильном направлении. В ту долю секунды непредсказуемый выбор бьющего привел к победе. Возможно, в подобных ситуациях наши способности к принятию решений в какой-то степени зависят от случайности. Этот сценарий был отражен в исследовании, опубликованномCell в 2014 году, в ходе которого крыс награждали растворами Kool-Aid из отверстий в стене (о, да!). Крыс выставили против “конкурента”; компьютер, который пытался предсказать, какую дыру выберут крысы. Если компьютер предсказал правильно, крысы не получили никакого сока, как вратарь, успешно блокирующий удар. Когда компьютер был слаб в прогнозировании поведения крыс, крысы в основном следовали своему прошлому опыту. В отличие от надежного конкурента, который делал точные прогнозы, крысы быстро научились выбирать свои норы случайным образом.
Ваш мозг, запутанный навигатор
Другой аспект принятия решений, в котором случайность играет решающую роль, заключается в нарушении симметрии. Представьте, что вы едете по прямой дороге и натыкаетесь на перекресток. Оба перекрестка имеют одинаковую длину и доставят вас к месту назначения за одинаковое время. Если бы вы использовали GPS, алгоритм вычислил бы эту симметрию и, понимая, что один выбор не имеет существенного преимущества перед другим, сгенерировал случайное число, соответствующее одному соединению. Однако, если бы у вас не было GPS, и вы были достаточно знакомы с маршрутом, чтобы знать, что оба перекрестка эквивалентны, как бы ваш мозг узнал, какой выбрать, и в каком направлении сказать вашим рукам повернуть руль? Нет сенсорного ввода или когнитивного процесса, говорящего мозгу, что делать. Здесь в игру вступает случайность. Если бы ваш мозг был неспособен выбрать случайное соединение, парализованный вашей когнитивной неспособностью разбить двоичную систему, вы бы въехали прямо в дерево - результат, который, вероятно, не одобрил бы естественный отбор, когда мы эволюционировали.
Откуда берется наше случайное поведение?
Очевидно, что наша когнитивная способность превращать сенсорную информацию в действительно случайные результаты крайне важна для способности функционировать в ситуациях, требующих быстрого и эффективного принятия решений. Однако остается неясным, как мозг “создает” случайность на молекулярном уровне. Нейробиологи в целом согласны с тем, что это как—то связано с “шумом”, возникающим в результате случайных всплесков электрической активности нейронов, когда сигналы распространяются по клеточному телу нейронов - клеток, которые облегчают общение в мозге, - из которого мозг может извлекать случайность и использовать ее для принятия непредсказуемых решений и двигательных действий.
Исследователям удалось точно определить, где в анатомии мозга возникают эти всплески. В исследовании Cell, проведенном в 2014 году, исследователи обнаружили самые высокие колебания волновой активности мозга в передней поясной извилине коры головного мозга, части мозга, активно участвующей в контроле импульсов. Когда нейроны в этой области стимулировались нейротрансмиттером норадреналином, крыс заставляли вести себя случайным образом даже против слабого конкурента. С другой стороны, ингибирование норэпинефрина в этих нейронах привело к усилению зависимости от опыта.
В отдельной статье, опубликованной Neuron в 2017 году, исследователи из Центра Шампалимо в Лиссабоне, Португалия, продемонстрировали, что решения, принимаемые крысами, включают существенный фактор случайности. Наградив крыс за ожидание случайного звукового сигнала перед выполнением задания, они не только смогли показать, что количество времени, которое крысы ждали, не было предсказуемым, но и определили две области в их мозге, которые были наиболее активны при принятии случайных решений: медиальная префронтальнаякора головного мозга (mPFC) и вторичная моторная кора (M2).
Медиальная префронтальная кора отвечает за интеграцию памяти с двигательной функцией; обычно известна как “мышечная память”. В мозге крысы эта область генерировала предсказуемые сигналы, основанные на предыдущем опыте. Однако активность вторичной моторной коры (М2) колебалась случайным образом между испытаниями, что приводило к случайному поведению крыс. Это открытие позволяет предположить, что какое бы непредсказуемое поведение ни генерировал мозг крысы, оно создавалось не во время повторного изучения задачи, а на самых последних этапах пути двигательных нейронов, которые непосредственно предшествовали выполнению их решений.
Основываясь на имеющихся данных, кажется, что случайность - это то, что находится в тех частях нашего мозга, которые обеспечивают выполнение самых сложных функций мозга, многие из которых, возможно, способствовали успеху нашего вида: навигация, стратегическое планирование в конкурентной борьбе и интуитивное принятие решений.
Помимо принятия решений
Непредсказуемость в нейробиологических сигналах способствует не только высшим когнитивным функциям человека; случайность также рассматривается в связи с нашим сознанием в рамках новой области психологии, известной как квантовое познание. Вместо того, чтобы интересоваться физическими деталями того, как возникает случайность, квантовое познание приближается к поведению, применяя математическую основу квантовой физики - обычно ограниченную умопомрачительными движениями субатомных частиц, атомов и молекул — к моделированию человеческого поведения.
Краткое изложение классической вероятности: решения или события рассматриваются как подмножества и могут управляться с помощью множеств и булевой логики (в которой все определяется либо “истинным”, либо “ложным” значением ”.). Эта стратегия использовалась, когда наблюдения “иррациональны”; когда они несовместимы с классическими теориями психологии. Каждое событие имеет определенную вероятность, и их вероятности следуют интуитивным правилам: например, вероятность объединения двух непересекающихся событий (события имеют пересечение, которое является пустым) является простой суммой вероятности каждого события.
Теперь краткое введение в квантовую теорию вероятностей. Он определяет события как нечто, известное как "подпространство" (декартова плоскость — пространство, в котором местоположение на сетке может быть определено положением вдоль каждой оси - является примером подпространства). События больше не гарантированно имеют определенное пересечение и объединение, и стандартные законы вероятности больше не применяются к комбинациям событий. Хотя это противоречит поведению рациональных, математических событий, это может быть лучшей моделью того, как люди взаимодействуют с миром - потому что мы, люди, очень иррациональны.
Одним из хорошо известных примеров того, что квантовое познание является лучшей моделью для аномалий в психологии, является “проблема Линды”. Когда участников исследования спрашивают, является ли либеральная студентка колледжа по имени Линда с большей вероятностью 1) “Банковским кассиром” или 2) ”Банковским кассиром, активным участником феминистского движения”, они указывают, что вариант 2) более вероятен. Нормальная вероятность не поддается этому; в конце концов, вариант 2) является подмножеством варианта 1).
Это явление, известное как ошибка конъюнкции, показывает, что мы не воспринимаем решения в рамках классической теории вероятностей. Конечно, социальная обусловленность и другие культурные факторы могут частично объяснить это; однако квантовое познание и “проблема Линды” показывают, что принятие быстрых решений иррациональным, а не шаблонным способом на самом деле является определяющей чертой того, что делает наш мозг уникальным.
Итак, почему случайность имеет значение в любом случае?
Колебания мозговых волн, непредсказуемое поведение: как они влияют на наше понимание познания и принятия решений? Во-первых, исследование случайности и квантового познания может дать ответы на вопрос, который часто называют “проблемой разума и тела”: как именно электрохимическая активность в отдельных нейронах мозга на самом деле создает наше, казалось бы, бесконечно сложное сознание?
Эта работа также чрезвычайно актуальна в наш век быстрого нейротехнологического развития. Исследователи и частные предприятия стремятся создать системы искусственного интеллекта (ИИ) и нейронные сети (вычислительные системы с искусственными "нейронами", функционирующими подобно человеческому мозгу), которые могут воспроизводить человеческие мысли, эмоции и процесс принятия решений. Использование этих технологий простирается от кибербезопасности до прогнозирования поведения. Однако, чтобы успешно использовать силу внешнего человеческого разума, необходимо принять осторожные меры для внедрения человеческого сознания в наши алгоритмы: в том числе его склонность действовать иррационально и игнорировать стандартную математику, на которую традиционно опираются вычисления. Поначалу это кажется нелогичным; в конце концов, разве предсказуемость и организация не являются наиболее полезными функциями любой вычислительной технологии? Вот почему квантовое познание и все более понятная роль случайности в функциях мозга, которые генерируют решения, настолько революционны; они бросают вызов нашему пониманию того, как работает наш мозг, и обладают потенциалом для создания более точных и реалистичных технологий, имитирующих мозг.
Человеческое познание настолько сложное и странное, что его никогда нельзя понять - и это может быть хорошо. Хотя иногда кажется, что было бы лучше, если бы мы могли вести себя “рационально”, это не так. По мере того, как физики, такие как Джорджио Паризи, продолжают открывать роль беспорядка в поддержании нашей вселенной, тем, кто изучает биологию мозга, становится все более ясно: случайно или по необходимости, случайность, возникшая в ходе нашей эволюции, была использована в наших интересах. Мы все — к счастью - немного иррациональны.