Иногда модули образуют иерархическую систему – они состоят из субмодулей, которые и сами в свою очередь складываются из субсубмодулей[16]. Тем не менее при множестве независимо функционирующих модулей возникает нужда в эффективной коммуникации между ними и координации их работы. Получаем третье условие связанности – не все связи должны быть минимизированы, кое-какие длинные связи, которые сокращают путь между удаленными узлами, сохраняются
[9].
Общая архитектура, выстроенная по таким правилам соединения, называется архитектурой «малого мира». Для подобного типа архитектуры характерна высокая степень модульности, однако передача информации между любыми двумя модулями всегда происходит в несколько стадий. Архитектура «малого мира» характерна для многих многокомпонентных систем, например для энергосистемы западных штатов США и социальных сетей. Кластерная организация мозга – система функционально взаимосвязанных областей – подтверждена многими исследованиями[17].
Преимущества модульного мозга
Рассмотрев эту конфигурацию, мы увидим, что преимущества модульного мозга перед мозгом, функционирующим целиком, обоснованы массой причин. Начать с того, что модульный мозг существенно снижает расход энергии. Поскольку он разделен на отдельные узлы, для выполнения конкретной задачи необходимо активировать лишь некоторые участки в составе данного модуля. Если бы вы по каждому поводу задействовали весь мозг целиком, вам пришлось бы платить по счету за электричество для всей черепной коробки. Это можно сравнить с летом в Фениксе. Гораздо дешевле включать ночью кондиционеры не во всем доме, а только в спальне. Но хотя модульность и позволяет беречь энергию, так ли уж велика экономия, если учесть, что на питание мозга уходит пятая часть вашего рациона?
Оказывается, несмотря на всю свою энергоемкость, мозг действительно работает рационально в плане потребления энергии. Нейроны передают электрические импульсы по «проводам» мозга – аксонам и дендритам. Хотя нейронная «проводка» заметно отличается от электросхем современных приборов, базовая идея та же – информацию от одного узла к другому несет электрический ток, и на это нужна энергия. Чем длиннее путь, тем больше потребляется энергии, и чем толще аксон, тем выше его сопротивление и, следовательно, больше энергии уходит на его преодоление. Когда в работу включаются локальные модули, мозг экономит энергию при передаче информации между ними за счет использования более тонких «проводов» на коротких расстояниях с меньшим временем проведения сигнала. Кроме того, с учетом динамики нервных систем, доля проводящих путей в мозге – 60 процентов (отношение суммарного объема аксонов к объему серого вещества) – согласуется с той, что и предполагалась при минимальных длине путей и связанном с ней замедлении проводимости. В проводящих системах многих мозговых структур почти выдерживается этот оптимальный параметр[18]. В противном случае, если бы мозг функционировал как унитарный орган, в каждом его отделе содержалось бы примерно равное количество коротких и длинных связей, а более длинная связь подразумевает больше «проводов», то есть больше «затрат». Модульный мозг сокращает затраты, поддерживая для путей передачи сигналов относительно низкое соотношение 3:5 (те самые отведенные им 60 %) и таким образом ограничивая объем передачи электрических сигналов по длинным связям. По-видимому, благодаря модульному режиму работы мозгу удается в целом максимально повышать эффективность расходования энергии.
Модульный мозг эффективен еще и потому, что сразу много модулей могут одновременно обрабатывать разную информацию. Если вместо одной системы, которая пытается скоординировать все действия, несколько систем функционируют независимо друг от друга, говорить на ходу, жуя резинку, гораздо проще. Кроме того, чтобы работать как единый центр и хорошо справляться со всеми повседневными обязанностями, мозг должен был бы стать «мастером на все руки». Более выгодно иметь «специалистов», каждый из которых занимается своим делом. Для сложных систем характерно разделение функций. Скажем, в экономике наблюдается подъем, когда сельским хозяйством занимаются лучшие фермеры, образованием – лучшие учителя, а управлением – лучшие администраторы. Неумные менеджеры способны загубить бизнес, неумелые фермеры разорятся, а плохие учителя… да что там говорить, все мы хотя бы раз пострадали из-за них и знаем, чем это может кончиться. Люди становятся экспертами тогда, когда выбирают свое дело и сосредотачиваются на своей работе, не углубляясь во все направления, необходимые для поддержания экономики. Труд специалистов более производителен. Экономический эффект возрастает не тогда, когда все пытаются внести свою лепту в каждую область, а когда узкие специалисты одновременно заняты в своих областях. Таким образом, логично предположить, что наш мозг эволюционировал по пути модульной организации ради параллельной и эффективной обработки информации.
Пожалуй, самое главное – это то, что модульная организация, помимо всего прочего, позволяет мозгу быстрее адаптироваться и эволюционировать в изменчивой окружающей среде: поскольку один модуль способен меняться и воспроизводиться независимо от остальных, нет риска изменить или потерять по ходу дела другие, уже хорошо приспособленные. Поэтому дальнейшие преобразования одной части не угрожают надежной работе всей системы.
Даже если не принимать во внимание эволюцию, модульность полезна в плане приобретения новых навыков. Как выяснили исследователи, в процессе отработки двигательных навыков меняется архитектура отдельных нейронных сетей[19]. Хотя на повышение квалификации часто уходит немало времени, мы можем учиться на практике. Если бы каждый раз, когда мы осваивали новые умения, менялся режим функционирования всего мозга, мы разучились бы выполнять то, что уже умеем. Модульный мозг хорош тем, что экономит энергию при скудных источниках, обеспечивает параллельное выполнение разных когнитивных задач при ограниченности во времени, облегчает переход к новым функциям при появлении новых угроз выживанию и позволяет нам приобрести практический опыт в различных областях. Но если от всего этого отвлечься, какие еще возможны варианты организации мозга?
Путь к модульности
Человеческий мозг – не единственный мозг с модульной организацией и не единственная модульная биологическая система. Из модулей состоят мозги червя, мухи и кошки, а также сосудистая система, сети межбелковых взаимодействий и регуляции экспрессии генов, метаболическая система и даже наши социальные сети[20]. Как развивалась модульность? Какие факторы естественного отбора стимулируют образование модульной системы? Трое специалистов по информатике озадачились этим вопросом и, хорошенько пораскинув мозгами, решили проверить гипотезу Стридтера о том, что модульность стала побочным продуктом при минимизации затрат на соединение, вызванной естественным отбором[21].
Затраты на соединения в сети складываются из затрат на установление и поддержание связей, энергозатрат на передачу информации по каналам связи и на запаздывание сигнала. Чем больше связей и чем они длиннее, тем дороже выстроить и затем обслуживать сеть[22]. Кроме того, добавление связей и удлинение сигнальных путей может привести к увеличению критического времени запаздывания реакции – не очень здорово для выживания в конкурентной среде, когда хищник, завидев вас, обнажает клыки и выпускает когти, а его пасть наполняется голодной слюной.
