Wszyscy jesteśmy jasnowidzami

Wyobraź sobie, że jesteś mózgiem. Bardzo kosztownym dla organizmu, bo pochłaniającym ogromne pokłady energii narządem. Nawet jeśli jesteś zdolny do abstrakcyjnego myślenia czy tworzenia dzieł sztuki, nie jest to wcale twoją podstawową funkcją. Biologiczną racją twojego istnienia jest sterowanie ruchem. Jeśli wszystko idzie dobrze, pozwalasz organizmowi, którego część stanowisz, unikać drapieżników oraz odnajdywać pożywienie i partnerów seksualnych.

Dla takiego zamkniętego w czaszce, niespełna półtorakilogramowego kawałka tkanki powyższe zadanie wydaje się jednak niebotycznie trudne. Kiedy wysyłasz komendy ruchowe do systemu mięśniowo-szkieletowego, musisz odczekać całe milisekundy (dla ciebie to niemal wieczność), zanim szlakami nerwowymi dotrze do ciebie zwrotna informacja o skutkach wykonanego ruchu. Gdybyś sterował ciałem, za każdym razem czekając na takie sygnały zwrotne, musiałbyś opierać swoje decyzje na bezużytecznej retransmisji z rzeczywistości.

Co więcej, aby odpowiednio sterować ruchem, musisz wiedzieć, z jakimi przedmiotami w otoczeniu masz do czynienia. Jako mózg nie masz jednak do nich bezpośrednio dostępu. Jak to ujmuje filozof Andy Clark, świat jest dla ciebie „czarną skrzynką”. Jedyne, czym dysponujesz, to skutki, które otoczenie wywołuje w receptorach zmysłowych rozmieszczonych na powierzchni organizmu. Ten surowy materiał jest jednak niepewny. Jeden i ten sam obiekt – w zależności od okoliczności – może wywoływać w zmysłach diametralnie różne reakcje fizyczne. Zarazem zasadniczo różniące się od siebie przedmioty – powiedzmy, lew i jego pluszowa imitacja – mogą pobudzać twój aparat zmysłowy w bardzo podobny sposób.

Stoisz zatem przed nie lada wyzwaniem: musisz odgadywać ukryte przyczyny, czyli przedmioty w środowisku, na podstawie ich obserwowalnych, ale niejednoznacznych skutków – aktywności zmysłów.

Czekając na neuronaukowego Einsteina

Według Karla Fristona, fizyka i neuronaukowca z University College w Londynie, tak właśnie brzmi odpowiedź na pytanie, jak sprowadzić całą aktywność mózgu do jednej funkcji: w świetle jego ambitnej, opartej na matematycznym modelu teorii, mózg jest systemem skazanym na nieustanne zmaganie się z niepewnością, z którą radzi sobie, przewidując przyszłość.

Friston należy do najbardziej kreatywnych i nietuzinkowych umysłów tworzących współczesną naukę. Począwszy od lat 90. XX wieku opracowywał podstawowe narzędzia statystyczne służące do analizy danych neuroobrazowych oraz modelowania organizacji mózgu. Jego koncepcja to próba zmierzenia się z zasadniczym problemem neuronauki: otóż każdego tygodnia laboratoria neuronaukowe na całym świecie dokonują wielu większych i mniejszych odkryć na temat funkcjonowania mózgu oraz jego związków z wyobraźnią, zapamiętywaniem, podejmowaniem decyzji czy świadomym doznawaniem. Jednak całość naszej wiedzy o mózgu przypomina nieco chaotyczną układankę. Neuronauka nie doczekała się jeszcze swojego Newtona, Einsteina czy Darwina, który wskazałby elegancką w swojej prostocie zasadę (lub zbiór takich zasad) działania mózgu. Taką, która za jednym zamachem wyjaśnia całe spektrum pozornie niezależnych zjawisk.

Tymczasem koncepcja Fristona mogłaby kandydować właśnie do miana neuronaukowej „teorii ostatecznej”. Jeśli wierzyć badaczowi, jako mózgi nie czekamy biernie, aż informacje dochodzące ze świata powiedzą nam, co począć. Wychodzimy światu naprzeciw. Jesteśmy aktywnymi systemami, próbującymi nieustannie przewidzieć strumień danych zmysłowych, które dopiero nadejdą.

Wyobraź sobie teraźniejszość

Jak jednak mózgom udaje się sztuka przewidywania przyszłości? Wytwarzają one wewnętrzny, podlegający różnorakim manipulacjom model środowiska. Model ten stanowi swego rodzaju ruchomą makietę symulującą świat skrywający się za kurtyną zmysłów. Kiedy postrzegamy i działamy, model nieustannie wytwarza odgórnie strumień „wirtualnych” danych zmysłowych, fantazję na temat tego, jak świat zewnętrzny powinien obecnie wpływać na nasze zmysły.

Proces tworzenia tej wewnętrznej fantazji zmierza do realizacji jednej zasady, która brzmi: „spraw, by różnica pomiędzy przewidzianymi a rzeczywistymi stanami aparatu zmysłowego była jak najmniejsza”. Dane wytwarzane w trybie „wirtualnym” muszą jak najbardziej odpowiadać temu, co rzeczywiście dochodzi ze świata. Mózg radzi sobie zatem z niepewnością zmysłów, nieustannie reorganizując swój wewnętrzny model tak, by nie dać się zaskoczyć czy raczej – by dać się zaskoczyć w możliwie najmniejszym stopniu. Proces ten nazywa się technicznie „minimalizacją błędu predykcji”. To on ma właśnie stanowić fundamentalną zasadę działania mózgu.

Sama idea minimalizacji błędu predykcji ma swoje źródła w informatyce. Jednym z efektywnych sposobów kompresji informacji – przechowywania ich w sposób zajmujący jak najmniej pamięci – jest właśnie ich przewidywanie. Na przykład, zamiast przesłać komuś plik komputerowy z obrazem jako zbiór pojedynczych punktów (pikseli), można wykorzystać wiedzę o statystycznych prawidłowościach dystrybucji barw na obrazach. Dzięki temu można przewidzieć wartości poszczególnych pikseli. Jeśli tylko nasz odbiorca (tu: odpowiedni program komputerowy) dysponuje taką wiedzą, wysłany mu plik graficzny nie tyle musi określać wszystkie szczegóły, co jedynie wartości tych pikseli, które odbiegają od stanu oczekiwanego.

Zgodnie z teorią Fristona, przetwarzanie informacji w mózgu odbywa się wedle takiej samej reguły. Mózgi działają jednak w sposób dużo bardziej złożony i dynamiczny niż programy komputerowe. Zorganizowane są hierarchicznie, niczym zagnieżdżone w sobie matrioszki. Informacje płyną w dwie strony tej hierarchii: z pięter niższych do wyższych i na odwrót. W dół spływają kaskadą oczekiwania („fantazje”). Każde piętro zajmuje się przewidywaniem tego, co dzieje się na piętrze bezpośrednio niższym. W górę systemu, czyli „ze świata”, wspinają się jedynie sygnały dotyczące rozmiaru błędu. Informują one o rozbieżności pomiędzy stanem oczekiwanym na niższym piętrze a tym, co zachodzi w rzeczywistości. W idealnej, choć realnie nieosiągalnej sytuacji mózg przewiduje ten wstępujący strumień tak dobrze, że wszelkie sygnały dochodzące ze świata są po prostu wygaszane u zarania.

Percepcja polega zatem na nieustannym wyobrażaniu sobie przez mózg teraźniejszości. Wyobrażenia te nie są halucynacją, ponieważ natrafiają na twarde ograniczenia w postaci sygnału o błędzie. Kiedy postrzegamy, świat nie tyle wypełnia umysł treściami, co raczej zapewnia korektę wewnętrznych oczekiwań, powstałych przez symulowanie przez mózg rzeczywistości.

Organy racjonalne

Jak argumentuje Friston, unikające zaskoczenia mózgi okazują się, w pewnym ściśle określonym sensie, organami racjonalnymi. Wewnętrzny model stawia hipotezy na temat zewnętrznych przyczyn, które odpowiadają za pobudzenia aparatu zmysłowego. Proces doboru hipotez jest jednak daleki od przypadkowości. Przebiega on według reguły szacowania prawdopodobieństwa, sformułowanej w XVIII w. przez Thomasa Bayesa, angielskiego matematyka i duchownego. Reguła ta pokazuje, jak z szeregu alternatywnych hipotez wybrać tę, która cechuje się największym prawdopodobieństwem prawdziwości, biorąc pod uwagę zarówno dostępne dane empiryczne, jak i uprzednią (założoną) wiedzę.

Choć brzmi to nieco przewrotnie, idea mózgu jako systemu racjonalnie dobierającego hipotezy rzuca m.in. światło na naturę niektórych iluzji poznawczych, a nawet głębokich zaburzeń psychiatrycznych.

Przyjrzyjmy się chociażby znanemu badaczom zjawisku rywalizacji obuocznej. Kiedy (w warunkach eksperymentalnych) do każdej z gałek ocznych dochodzą rozbieżne bodźce – powiedzmy, odpowiednio obraz kota oraz domu – nie doświadczamy zlepku obu obrazów, koto-domu. Zamiast tego nasz aparat wzrokowy działa tak, że na przemian widzimy to kota, to dom.

Z perspektywy Bayesowskiej teorii prawdopodobieństwa jest to racjonalna reakcja na niestandardowe dane wejściowe – bo na co dzień do obu gałek ocznych docierają te same, spójne bodźce. W miarę naszego życia nasz model świata wzbogaca się o założenie, że dwa różne obiekty nie mogą zajmować tego samego miejsca w czasie i przestrzeni. Nasze modele nie biorą też pod uwagę istnienia tak egzotycznych bytów jak koto-domy. Właśnie dlatego w sytuacji konfliktu mózg decyduje się zignorować część sygnałów zmysłowych, stawiając na jedną z dwóch dopuszczalnych hipotez („to jest dom” lub „to jest kot”). Kiedy jednak ta hipoteza przez pewien czas okazuje się nieskuteczna w wyjaśnianiu aż połowy dostępnych danych, mózg stawia na hipotezę alternatywną. Proces powtarza się, sprawiając, że widzimy kota, by zaraz zobaczyć dom, itd.

Łaskotki i urojenia

Spróbujmy teraz spojrzeć na sytuacje, w których sposób widzenia świata ulega dużo głębszym zaburzeniom. Osoby cierpiące na schizofrenię podlegają halucynacjom oraz wytwarzają w sobie stany urojeniowe. Potrafią słyszeć obce głosy nawiedzające ich własne myśli, a także odczuwać własne działania jako sterowane z zewnątrz, jakby przez lalkarza. Na przekór wszelkim argumentom uznają czasem, że są ofiarami kosmicznych spisków, albo że ich prywatne myśli są transmitowane do innych ludzi drogą radiową.

W mózgach osób niedoświadczających tego rodzaju problemów łatwo przewidywalne sygnały są w znacznym stopniu ignorowane kosztem tych, których przewidzenie wymaga większego wysiłku. Dlatego mamy taki kłopot chociażby z połaskotaniem samych siebie. Efekty tego rodzaju autostymulacji są przewidywalne, powstaje przy ich okazji co najwyżej minimalny błąd predykcji. Z tego powodu są w znacznym stopniu pomijane przy przetwarzaniu informacji.

Zgodnie z teorią Fristona w schizofrenii zaburzony jest mechanizm odpowiadający za szacowanie, jak bardzo zaskakujące są dochodzące ze świata informacje. Przewidywalne sygnały są fałszywie oceniane w mózgu jako zaskakujące, domagające się wyjaśnienia. To właśnie dlatego, jak się okazuje, osoby cierpiące na schizofrenię wykazują większą zdolność do połaskotania samych siebie.

Na tej samej zasadzie mają być jednak formowane halucynacje i urojenia, których doświadczają schizofrenicy. Obce głosy w głowie to dialogi wewnętrzne, które oceniane są jako nieprzewidywalne, a przez to przypisywane wpływom zewnętrznym. Za poczucie bycia marionetką odpowiada fakt, że konsekwencje własnych ruchów nie są odpowiednio wygaszane, wytwarzając fałszywe sygnały o błędzie predykcji. Takie fałszywe sygnały stopniowo „infekują” coraz wyższe piętra modelu rzeczywistości. Problem rozwiązywany jest dopiero na piętrach najwyższych – tych, które przechowują najbardziej abstrakcyjne założenia na temat świata. Dopiero rewizja hipotez na tych piętrach – skutkująca np. przekonaniem, że jest się ofiarą tajnego spisku Marsjan – przynosi ukojenie. Halucynacje i urojenia okazują się po prostu najbardziej racjonalną reakcją mózgu nękanego przez nieustającą niepewność.

Ciemny pokój i inne problemy

Młodość teorii naukowych o rozbuchanych ambicjach często nie jest łatwa. Także teoria mózgu jako systemu przewidującego przyszłość zmaga się z problemami oraz zdrowym sceptycyzmem części środowiska naukowego.

Zastanówmy się chociażby nad stwierdzeniem, że jedynym, co interesuje mózgi, jest unikanie zaskoczenia. Jeśli tak rzeczywiście jest, dlaczego nie zamykamy się w prostym, łatwo przewidywalnym środowisku, np. całkowicie ciemnym i cichym pokoju?

Jak się jednak wydaje, ów tzw. „problem ciemnego pokoju” wynika ze zbyt ograniczonego rozumienia teorii, w którą ma uderzać. Przypomnijmy: mózgi są zasadniczo narzędziami do kontroli ruchu. Wedle rozwijanej przez Fristona teorii sterowanie ruchem jest, podobnie jak percepcja, formą przewidywania. Różnica polega na tym, że w przypadku działania mózg nie tyle dopasowuje swoje przewidywania do nadchodzących danych zmysłowych, co raczej wprawia ciało w ruch, by dopasować dane do przewidywań. Poruszanie się można zatem porównać do swoistej samospełniającej się przepowiedni.

Wśród najbardziej ogólnych przewidywań, jakie mózgi żywią na temat świata, jest zachowanie przez organizm homeostazy. Mózgi oczekują zatem, że ciała, którymi sterują, będą zdobywać pożywienie, unikać zagrożeń oraz – w przypadku niektórych gatunków – odnajdywać się w świecie społecznym. To prognozy, które ciężko zrealizować w ciemnym pokoju. Choć przebywanie w mroku i ciszy jest przewidywalne na krótszą metę, towarzyszące mu z czasem głód i samotność – już nie. Nic dziwnego, że przewidujące mózgi nie wytrzymują w ciemnych pokojach zbyt długo, a po spędzeniu pewnego czasu w takim zamknięciu same sobie wytwarzają halucynacje.

Istnieją jednak inne, dużo poważniejsze – choć, jak można mieć nadzieję, przejściowe – problemy teorii Fristona. Co prawda rzuca ona światło na znane wcześniej fakty dotyczące funkcjonowania umysłów, jednak nie doprowadziła jeszcze do przełomowych odkryć. Nadal nie jest też jasne, jak dokładnie mózgi realizują proces minimalizacji zaskoczenia. Jak stwierdza teoretyk sztucznej inteligencji Eliezer Yudkowsky, dowiedzieć się, że mózg działa według kryteriów racjonalności wywiedzionych z teorii prawdopodobieństwa, to jak usłyszeć od mechanika samochodowego, że silnik jest systemem wykorzystującym zasady termodynamiki, by przetworzyć energię cieplną w siłę mechaniczną. Poznajemy prawdę o naturze silników, lecz jest to prawda kompletnie abstrahująca od większości szczegółów dotyczących ich fizycznej budowy.

Na koniec wątpliwość natury ogólnej. Mózgi są produktami doboru naturalnego. Ewolucja jest majsterkowiczem, który nie kieruje się zasadami naukowego czy inżynierskiego piękna. Być może powinniśmy więc darować sobie oczekiwanie, że mózgi dysponują jednym eleganckim rozwiązaniem wszelkich problemów? Rozsądne jest przyjąć, że wyposażone są one w całą gamę rozwiązań cząstkowych, dalekich od optymalności – zaledwie wystarczających.

Jeśli tak by było, to być może jedność neuro- nauki jest – jak to ujmuje filozof i neuronaukowiec Carl Craver – jednością mozaiki, gdzie odkrycia i teorie o szczegółowych zastosowaniach rozwijają się równolegle, uzupełniając się i nakładając na siebie wzajemne ograniczenia. Poszukiwanie „teorii ostatecznej” – wskazującej pojedynczą zasadę działania mózgu i spajającej w ten sposób nauki o mózgi i poznaniu – jest z takiej perspektywy wyrazem zbędnej megalomanii.

Nie oznacza to, rzecz jasna, że mózgi nie są mechanizmami unikającymi zaskoczenia. Chodzi raczej o to, że traktując mózg jako system do przewidywania przyszłości, odpowiadamy na część pytań. Ale nie na wszystkie. ©

Autor jest filozofem umysłu. Adiunkt w Zakładzie Epistemologii i Kognitywistyki Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu. Autor książki „Wyjaśnianie za pomocą reprezentacji mentalnych: Perspektywa mechanistyczna”, która ukazała się w serii monografii Fundacji na Rzecz Nauki Polskiej oraz licznych artykułów naukowych opublikowanych w czasopismach, takich jak Biology & Philosophy, New Ideas of Psyychology czy Synthese.