Рис. 5.1. Великий клубок, который был распутан.
Нервные клетки – элементарные единицы, из которых состоит мозг. На этом рисунке Сантьяго Рамона-и-Кахаля показаны нервные клетки коры головного мозга, окрашенные по методике, разработанной Камилло Гольджи. Видны многочисленные нейроны разного типа и их отростки.
Но что же, собственно, делают нейроны, эти основные элементы мозга? В середине XIX века Эмиль Дюбуа-Реймон продемонстрировал электрическую природу нервных импульсов. А к концу XIX века Давид Феррье и другие исследователи показали, что электрическая стимуляция определенных участков мозга вызывает специфические движения и ощущения. Электрические импульсы, распространяющиеся по волокнам нейронов, переносят сигналы из одного участка мозга в другой, активируя там другие нейроны или подавляя их активность. Но как могут подобные процессы лежать в основе работы устройства, способного воспринимать объекты окружающего мира? Серьезный шаг в направлении решения этой проблемы был сделан даже не нейрофизиологами, а инженерами-проектировщиками телефонных линий. Телефонные линии похожи на нейроны: и по тем, и по другим распространяются электрические импульсы. В телефонной линии электрические импульсы активируют динамик на другом конце провода точно также, как импульсы моторных нейронов могут активировать мышцы, к которым ведут отростки этих нейронов. Но мы знаем, что телефонные линии нужны не для передачи энергии, а для передачи сообщений, будь то в форме речи или в форме точек и тире азбуки Морзе.
Инженеры корпорации Bell Telephone Laboratories занимались поисками наиболее эффективного способа передачи телефонных сообщений. В ходе их исследований возникла идея, что телефонные провода в действительности служат для передачи информации.
[112]
Весь смысл передачи сообщения состоит в том, чтобы после его получения мы знали больше, чем до него. Теория информации
[113]
дает нам метод, позволяющий измерять, насколько увеличились наши знания после получения определенного сообщения.
До начала игры в крикет мы еще не знаем, кому достанется первая подача, пока арбитр не бросит монетку. Перед бросанием монетки есть две возможности: или первая подача будет у англичан, или у австралийцев. После бросания монетки от этих двух возможностей останется одна определенность: теперь мы знаем, что первая подача у англичан. Подобное увеличение знаний, когда из двух возможностей выбирается что-то одно, называют одним битом информации. Когда мы бросаем игральную кость, а не монетку, у нас есть шесть возможностей, и мы получаем больше информации, потому что одно определенное сообщение выбирается из шести возможных. Количество информации, которую мы получаем в данном случае, составляет 2,58 бит.
[114]
Пользуясь этим определением, мы можем измерить, сколько информации передается по телефонной линии и с какой скоростью (измеряемой в битах в секунду, или бодах) она передается. При скорости в 300 бод по линии передается около 60 знаков в секунду, так как каждый знак (например, буква или цифра) несет в среднем около 5 бит информации.
При этом, разумеется, одни знаки несут меньше информации, чем другие. Например, буквы, которые встречаются часто, такие как E в английском, несут меньше информации, чем редкие буквы, такие как Z. Хуже всего обстоит дело с буквой U, идущей после Q.
[115]
В этом положении буква U вообще не несет никакой информации. Про такие знаки говорят, что они избыточны. Может быть, наши коммуникации с помощью языка стали бы намного эффективнее, если бы мы избавились от избыточных знаков и стали реже использовать такие знаки, как буква E?
На деле подобные усовершенствования ничего не дают, потому что реальный мир несовершенен: рукописные тексты всегда содержат описки и двусмысленности, наборщики делают опечатки, телефонные линии полны помех.
[116]
К тому времени, как сообщение достигнет другого конца линии, некоторые его фрагменты потеряются, а некоторые посторонние звуки окажутся добавлены. Для идеальных сообщений, в которых нет избыточных знаков, подобный шум губителен. Другого конца провода достигнет сообщение, отличное от исходного, и не будет никакой возможности узнать, что произошла ошибка.
Если же сообщение содержит избыточные биты информации, то ошибки можно отследить и восстановить исходное сообщение. Например, можно послать одно и то же сообщение дважды. Второе сообщение совершенно избыточно, но если между двумя полученными сообщениями есть разница, мы поймем, что произошли какие-то ошибки. Мы, конечно, по-прежнему не будем знать, какой вариант правильный. Но если мы пошлем то же сообщение в третий раз, мы можем отследить случаи, где два из полученных трех сообщений совпадают, и, исходя из этого, выбрать правильный вариант.
Я помню времена, когда у нас не было не только компьютеров, но и электронных калькуляторов. Сложные математические расчеты приходилось выполнять вручную, и при этом почти неизбежно возникали ошибки. Стандартная процедура отслеживания таких ошибок состояла в том, чтобы повторять выполняемые расчеты трижды. Если в двух случаях из трех получался один и тот же ответ, он, скорее всего, и был правильным, потому что маловероятно, чтобы в обоих расчетах была допущена одна и та же ошибка.
Наш мозг сталкивается с той же самой проблемой. Сообщения об окружающем мире, поступающие от наших глаз и ушей, содержат шум и полны ошибок, поэтому наш мозг не может уверенно сказать, где "правда", а где "ошибка". Чтобы избежать этого, наш мозг вовсю пользуется избыточностью поступающей информации. Когда мы разговариваем с другим человеком, мы обычно не только слушаем, что он говорит, но и внимательно смотрим за движением его губ. Сопоставляя эти две разновидности информации, наш мозг получает лучшее представление об исходном сообщении. Обычно мы не осознаём, что нам помогают в этом движения губ, но когда мы смотрим озвученный иностранный фильм (или фильм на нашем родном языке, в котором плохо смонтирована фонограмма), мы сразу чувствуем, что что-то не так, потому что движения губ не соответствуют звукам.
