Мозг и ошибки прогнозирования

Мозг постоянно имеет дело с неопределенностью. Он обучается моделям внешнего мира, основанным на ограниченной — и зачастую неоднозначной — информации, и применяет ее для предсказаний причин чувственных переживаний. Наше восприятие — лучшая догадка, найденная в закромах мозга, и сам он, сужая разрыв между предсказанием и действительными результатами, совершенствует свою модель мира.

Каждую секунду бодрствования мозг обрабатывает громадные объемы информации, получаемые от тела и окружающего мира. Большая часть этой информации засорена помехами, неоднозначна или неопределенна, и все же мозгу удается с ее помощью создавать точную внутреннюю модель личности и мира вокруг, и исходя из нее он управляет нашим поведением. Для этого он делает выводы-прогнозы, сравнивает их с действительными чувственными данными, поступающими извне, и определяет причины тех или иных телесных ощущений. Эти выводы составляют наше представление о мире, и оно дополняется, когда возникает разрыв между ожиданиями и результатами.

Понятие «ошибка прогноза» как раз описывает этот разрыв между предсказаниями мозга и входящей чувственной информацией. Согласно этому представлению, мозг учится на своих оплошностях, применяя ошибки прогноза в минимизации необъяснимых чувственных отклонений и оттачивании внутренней модели мира: чем меньше ошибка прогноза, тем точнее модель реальности.

Нейробиологи ныне применяют это представление как объединенную теорию функционирования мозга для объяснения совместной работы восприятия, мышления и деятельности по минимизации таких ошибок, а также в качестве иллюстрации к разладам в мыслительном процессе, обусловленным психическими расстройствами типа шизофрении.

Заполнение пробелов.
Зрительное восприятие — вероятно, лучший пример того, как мозг делает выводы, основываясь на недостаточной и неоднозначной информации. Восприятие часто называют процессом «снизу вверх»: чувственные данные поступают через глаза, и, проходя иерархические все более усложняющиеся стадии обработки, эти данные реконструируются до зрительной картинки, которую мы воспринимаем.

Вообще-то еще выдающийся экспериментальный психолог Герман фон Гельмгольц предположил аж в XIX веке, что наше восприятие работает и по механизмам «сверху вниз», т.е. требует изрядно прогнозов, а мозг, чтобы осмыслить неполную зрительную информацию, применяет имеющееся у него знание.

Глядя на мир вокруг, мы редко видим те или иные предметы целиком. Зачастую нам видна лишь их часть — мы смотрим на них под разными углами со случайных точек, и другие предметы могут частично заслонять их от нас. Тем не менее наши представления о зрительном восприятии достаточно точны, чтобы мы в основном безошибочно определяли разные предметы. Мы, к примеру, можем запросто идентифицировать стул, даже если он частично спрятан под столом, и нам ни разу прежде не доводилось видеть именно такую разновидность стульев. А все потому, что мозг дополняет пробелы в чувственных данных с помощью уже имеющегося знания о форме и функциях этого класса предметов и делает предположение о том, что за штука перед нами. Иными словами, несмотря на возможную неполноту чувственных данных, их, как правило, более чем достаточно, чтобы подтвердить наши ожидания.

Деятель и функция, я и другой.
Осуществление произвольных движений — одна из первичных функций мозга. Мы планируем движение, а мозг генерирует опережающую модель, предсказывающую чувственные и поведенческие последствия нашего действия. Затем он сравнивает свои предсказания с действительным результатом. Близкое совпадение прогноза и результата — сущностное качество свободы действия, т.е. нашего ощущения контроля собственных действий, что, в свою очередь, есть неотъемлемый компонент самосознания. Кроме того, мы симулируем действия других людей — чтобы делать прогнозы об их поведении и намерениях; эта способность называется теорией сознания.

Недавние томографические исследования показали, что ошибки прогноза наших решений и решений других людей кодируются в разных областях префронтальной коры.

Исследователи изучили мозг участников эксперимента во время выполнения простых оценочных задач на принятие решения и составления предположений о том, как с этой задачей справятся другие люди. Помимо предсказания чужих поступков, участников попросили еще и прикинуть, какое вознаграждение они получат за свои действия. Чем крупнее ошибка прогноза в симулируемых действиях, тем ярче она проявляется в дорсолатеральной и дорсомедиальной префронтальной коре. Аналогично, чем больше ошибка прогноза симулируемой награды, тем активнее вентромедиальная префронтальная кора.

Ошибка кодирования.
Люди, страдающие шизофренией, бывает, испытывают слуховые и зрительные галлюцинации: внутренне генерируемые раздражители ошибочно воспринимаются как сигналы, поступающие извне. У пациентов с таким расстройством случаются и нарушения свободы действия, что приводит к бреду воздействия — приписыванию своих мыслей и действий неким внешним силам. Все эти симптомы можно объяснить в понятиях кодирования и отклика мозга на ошибку прогноза.

Исследование, опубликованное в 2010 году, показывает, что пациентам с шизофренией трудно делать точные предсказания о чувственных последствиях своих действий, и чем менее точен прогноз, тем острее бред воздействия. Бред и галлюцинации — неоднозначные переживания, которые пациенты объясняют неправдоподобными представлениями. Шизофренику, бывает, слышатся голоса в голове, а он ошибочно приписывает их злым силам. Такой эффект может возникать потому, что пациенты слишком полагаются на внешние раздражители и никак не оценивают их подлинность. Их внутренние модели не подлежат уточнению в соответствии с чувственными переживаниями. Как следствие, их внутренние модели расходятся с действительностью, а невероятные убеждения поддерживаются.

Байесов мозг.
Математик XVIII века Томас Байес предложил статистическую теорему, которая описывает, как меняются представления людей в свете новых сведений. Этот процесс, именуемый байесовским выводом, оценивает степень истинности в понятиях вероятностей. Теорема Байеса объясняет, как новая информация меняет вероятность того, что исходное убеждение верно. Чаще всего теорема записывается в виде уравнения, определяющего соотношение между вероятностями (Р) двух событий А и В. Многие нейробиологи, занимающиеся математическими расчетами, называют мозг байесовой машиной вероятностей, которая делает выводы о внешнем мире, а затем уточняет их согласно поступающей чувственной информации. Мозг обращается с невнятными чувственными данными статистически: он оценивает вероятность истинности своих прогнозов. По мере поступления новой информации мозг корректирует вероятность истинности того или иного предсказания и приводит в соответствие внутренние модели мира.

Принцип свободной энергии.
В качестве меры непредсказуемых флуктуаций самоорганизующихся систем была предложена свободная энергия. В нервной системе она равна степени расхождения между ожиданиями и результатом. Принцип свободной энергии гласит, что мозг стремится к минимизации свободной энергии, чтобы кодировать информацию как можно эффективнее.