С большим интересом прочитала свежую работу Виталия Ванчурина, Юрия Вольфа, Евгения Кунина и Михаила Кацнельсона Toward a theory of evolution as multilevel learning [1]. Одно только название публикации будоражит, а междисциплинарный характер работы возвращает нас к началам науки, что придает ей особую ценность. Статья написана специалистами в тех областях, к которым я не принадлежу, поэтому данная заметка — попытка постоять рядом и подышать общим воздухом.
Авторы говорят, что современная эволюционная теория дает подробное количественное описание микроэволюционных процессов, но большие эволюционные переходы и возникновение множественных уровней сложности изучены мало, и заявляют, что устанавливают соответствие между ключевыми особенностями эволюции, динамикой обучения и перенормируемостью физических теорий, чтобы наметить черты такой теории эволюции, которая сможет включить все эволюционные процессы в единую математическую структуру теории обучения. И как пример возможностей, которые предоставляет их теория, исследователи обсуждают, как репликация генетического материала и естественный отбор логично вытекают из динамики обучения. Они представляют семь фундаментальных принципов, обеспечивающих способность к развитию.
Мне показалось интересным взглянуть на эти принципы применительно к процессу формирования сложного навыка. Физиология процесса представляет фундаментальную нерешенную проблему, сформулированную в свое время психофизиологом Николаем Бернштейном: «…если бы упражнение или тренировка навыка сводились к проторению или продалбливанию чего бы то ни было на основе бесчисленных повторений, то это не могло бы привести ровно ни к чему хорошему, так как именно в начале развития навыка, когда движения неправильны и неловки, затверживать-то и нечего… Диалектика развития навыка как раз и состоит в том, что там, где есть развитие, там, значит, каждое следующее исполнение лучше предыдущего, т. е. не повторяет его; поэтому упражнение есть, в сущности, повторение без повторения… Правильно проводимое упражнение повторяет раз за разом не средство, используемое для решения данной двигательной задачи, а процесс решения этой задачи, от раза к разу изменяя и улучшая средства».
Легко предсказать, что параллели здесь найдутся, ведь речь в обоих случаях идет об обучении: машинном, с одной стороны, и двигательном — с другой. И первый принцип — минимизации функции потерь — безусловно применим к процессу выработки навыка: речь здесь может идти и о росте скорости и результативности действия, и о минимизации затрат на его совершение, и т. д. Однако с последующими принципами всё обстоит менее однозначно и поэтому более интересно.
Здесь хочется привести в пример один красивый во многих смыслах навык. Пение птиц не является врожденным, но в первоначальном виде оно возникает у птенцов спонтанно и постепенно модифицируется в результате научения, подобно речи людей. Как и при формировании других навыков, молодые певчие птицы начинают с простого, с довольно однообразных звуков, но тем не менее демонстрируют заметную изменчивость их длительности, частоты, амплитуды; этот период овладения навыком очень похож на стадию лепета при развитии речи у младенцев. Затем в последовательности их звуков появляется стереотипный слог, и в последующем новые слоги возникают в результате дифференциации этого слога на несколько типов слогов, пока звуковая последовательность не кристаллизуется в зрелую песню. Обычно образцом для этой песни является песня отца, которую птенцы запоминают на раннем этапе развития; став взрослыми, они воспроизводят довольно стереотипную по акустической структуре звуковую последовательность — практически точную имитацию песни своего родителя. Здесь интересно, что источником столь важной для развития этого навыка изменчивости является определенная система структур в мозге (базальные ганглии), которая почти не задействована в реализации вокального поведения взрослых птиц, и, вероятно, основной ее функцией является «инъекция» такой изменчивости в период научения. Интересно, что такой активный генератор изменчивости, очевидно, встроен в конструкцию базальных ганглиев для обеспечения адаптивного уровня стабильности поведения.
В этом примере довольно определенно проявляются принципы иерархии масштабов и разрыва частот (также отчасти очевидные в процессе научения, идущем с обязательным участием событий на молекулярном, клеточном, системном уровнях, каждый из которых имеет свою временную динамику): с частыми реализациями изменчивых попевок и с продолжительным периодом кристаллизации зрелой песни; ярким проявлением репликации здесь, вероятно, является передача песни от родителей к потомству; перенормируемость в этом примере обеспечивается удивительной конструкцией системы с внедренным источником случайности, и эта же конструкция, снабженная механизмами синаптической пластичности, обеспечивает закономерное для каждой стадии процесса направление потока информации. Важно, что данная поведенческая модель является значимой для прояснения механизмов формирования речи человека, и принцип расширения набора и исключения переменных также проявляется здесь очень наглядно.
Одной из сопутствующих изучению механизмов гибкого навыка проблем является темная тень ригидной привычки, и представленный авторами подход позволяет взглянуть на проблему с точки зрения фрустрации, многоуровневой иерархии, неполной оптимальности и многообразия решений; такой взгляд определенно способствует преодолению шаблонов, за что хочется поблагодарить авторов.
Применительно к определенным реальным процессам развития, возможно, было бы интересно рассмотреть в перспективе разные алгоритмы обучения (основанные или не основанные на модели: model-based, model-free); но, если я правильно понимаю, здесь исследователям был принципиально важен наиболее общий подход, который, однако, сопряжен с ситуацией, о которой говорит Пастернак:
Теперь из некоторой дали
Не видишь пошлых мелочей…
И время сгладило детали,
А мелочи преобладали.
(Забавно, что эти слова поэта как-то перекликаются с идеей перенормировки.)
Что осталось остро непонятным? Авторы настаивают на том, что их теория — физическая, однако в ключевых местах они говорят о «решении» организма (или иногда о выборе организма), и физический смыл таких «решений», вероятно, реализуется не на уровне выбора в китайском бильярде и остается неясным. Как-то снова остро встает вопрос о свободе, вопрос о происхождении человека…
Но Вселенная, принимающая решение, очень вдохновляет. И в такой Вселенной «мы вынуждены быть свободными. У нас нет выбора».
Наталья Ивлиева, нейрофизиолог
1. Vanchurin V., Wolf Y. I., Koonin E. V., Katsnelson M. I. Thermodynamics of evolution and the origin of life // Proceedings of the National Academy of Sciences. 2022. Vol. 119. No. 6. DOI: 10.1073/pnas.2120042119.