Ландшафты мозга. Об удивительных искаженных картах нашего мозга и о том, как они ведут нас по жизни

Кожа непрерывна, и сетчатка, выстилающая заднюю часть глазного яблока, тоже представляет собой непрерывный слой. Сетчатка, как кожа, тоже характеризуется наличием топографии. В частности, в сетчатке есть заметное углубление – центральная ямка. Когда вы смотрите, скажем, на красный сигнал светофора, свет от этого источника попадает в глаз и встречается с чувствительным рецептором в центральной ямке. Поскольку свет распространяется по прямой, а рецепторы глаза зафиксированы на месте, рецептор центральной ямки улавливает и отображает только тот свет, который поступает из центра поля зрения – оттуда, куда вы смотрите в этот момент. Аналогичным образом рецептор, расположенный на отдалении от центральной ямки, обнаружит и отобразит только свет, идущий из другой точки пространства, удаленной от того места, куда направлены ваши глаза. Итак, рецепторы глаз, как и рецепторы кожи, имеют рецептивные поля, позволяющие сетчатке и в конечном итоге мозгу отображать информацию, собираемую глазами, – отображать то, что мы видим.

Но хотя кожа и сетчатка – непрерывные поверхности, наша способность чувствовать прикосновение кожей или свет глазом не является непрерывной. Она формируется как сумма маленьких сигналов, идущих от мельчайших участков. Как мозаика из цветных фрагментов, формирующих единую осмысленную картину, наши ощущения света и прикосновения составляются воедино из отдельных фрагментов информации. То же самое справедливо и в отношении слуха.

Как эти обрывки восприятия интегрируются, образуя более цельный тактильный, зрительный или звуковой опыт? Ученые пока не знают окончательного ответа на этот вопрос, но им известно, что интеграция происходит не единовременно. Мозаика информации, которую мы получаем от наших чувствительных рецепторов, складывается за несколько этапов (рис. 1). Эти этапы реализуются по мере перемещения информации об отображении из одной части мозга, имеющей свою карту, в другую часть. Возможно, кажется удивительным, что наше восприятие мира активно создается мозгом из тысяч точек, и странно представлять себе, как эти точки возникают и постепенно сливаются на нескольких картах, создавая знакомый нам опыт. Однако именно такова реальность восприятия и удивительная природа наших чувств.

Рис. 1. Схема превращения рецептивных полей в нейронные отображения в тактильной (вверху) и зрительной (внизу) системе. Художник Пол Ким.

В конце XIX века, незадолго до того, как Тацудзи Иноуэ начал изучать пулевые ранения и исследовать поля зрения, большинство ученых пришли к выводу, что зрительный образ формируется где-то в задней части мозга. Они уже знали, что отображение является пространственным и что схема образа в мозге отражает картину световых сигналов, попадающих в глаз. Однако не было известно точно, где и как располагается эта странная карта.

Шведский невропатолог Саломон Хеншен, обследовавший более сотни пациентов, правильно указал место в задней части мозга, где формируется зрительный образ[2]. Он даже предложил теорию формирования карты в этом участке, но его объяснение оказалось неверным. Повреждения мозга его пациентов были слишком разнообразными для проведения более тщательных наблюдений. Примерно через десять лет молодому Иноуэ удалось сделать то, чего не смог Хеншен, и в значительной степени его успех стал возможен благодаря жестокой эффективности новых русских винтовок. Чистые и четко очерченные отверстия от пуль, выпущенных из этих винтовок, и создаваемые ими небольшие скотомы позволили связать пулевые отверстия со слепотой и в результате обнаружить зрительные карты, спрятанные в мозге у солдат.

Иноуэ понимал, насколько важны доскональные измерения. Чтобы построить точную карту зрительного центра мозга, он должен был тщательно измерить как скотому, так и пулевое отверстие в голове каждого солдата. Измерения полей зрения уже проводились точно и регулярно, но Иноуэ нуждался в собственном методе измерения и сравнения повреждений мозга у раненых. Он придумал инструмент, названный краниокоординометром, который представлял собой набор линеек, соединенных с помощью регулируемых зажимов (рис. 2). Эта конструкция надевалась на голову человека, как шлем, и Иноуэ мог аккуратно измерять параметры разных голов. Он экстраполировал траекторию движения пули через голову и сопоставлял ее с локализацией и размером слепого участка в поле зрения каждого пациента.

В 1909 году Иноуэ опубликовал результаты осмотра 29 солдат. В его отчете содержалось подробное описание реальной карты зрительного пространства в человеческом мозге. В отличие от Хеншена, Иноуэ почти все детали установил правильно. Его карта распадается на две половины – каждая на одной стороне головы. И обе располагаются в самой задней части мозга – в области, которую теперь называют первичной зрительной корой, коротко – V1. Отображение в этой области перевернуто по сравнению с тем, что происходит в поле зрения, на котором оно основано: в тканях мозга изображение травы и земли находится над изображением неба и облаков. Изображение также перевернуто слева направо, так что правое поле зрения отображается слева, и наоборот. Более того, этот зрительный образ сильно искажен, как будто в то место, где на карту нанесена информация из центра поля зрения, положили сильное увеличительное стекло. Но открытия Иноуэ на этом не закончились. Он представил интригующие доказательства того, что карта V1 не единственная: в человеческом мозге спрятаны и другие зрительные карты.

Рис. 2. Фотография солдата, обследованного Иноуэ, на ней продемонстрировано применение краниокоординометра (слева) и показана траектория движения пули через тело солдата (справа). Источник: Die Sehstörungen bei Schussverletzungen der kortikalen Sehsphäre (Зрительные нарушения как результат пулевого ранения в зрительной области коры). Leipzig: W. Engelmann, 1909.

Карты каждого из нас

Прослеживая непосредственную связь между локализацией повреждения в мозге и местом расположения слепого пятна, Иноуэ обнаружил первую из известных зрительных карт мозга. Впрочем, утверждение, что в мозге существует зрительная карта (не говоря уже о том, что их несколько), может показаться нам абсурдным. Возможно, это связано с нашим привычным опытом обращения с географическими картами. Мы привыкли к таким зрительным указателям, как туристические планы или схемы линий метро. А эти карты состоят из материи – реальной физической материи, такой как краска на бумажном листе, изготовленном из древесной целлюлозы.

Конечно, сегодня мы часто видим карты на экранах, и это показывает, в какой степени несущественно, из чего сделана карта. Когда мы загружаем на экран компьютера маршрут передвижения, этот маршрут представлен в виде световых волн разной длины, исходящих от экрана. Если мы распечатаем этот план на бумаге, чтобы взять с собой в дорогу, мы воссоздаем его на бумаге, но изображение остается тем же самым. И в этом прелесть отображения: оно позволяет нам обмениваться информацией о сущностях и явлениях без необходимости их воспроизведения. Мне не нужно заново строить пирамиды, чтобы показать вам, как они расположены в Гизе. Мне нужны лишь ручка и лист бумаги, палец и запотевшее стекло или палочка на песчаном пляже. Короче говоря, совсем не важно, из чего сделана карта. Она может быть фактически из любого материала.

Карты мозга не нарисованы на бумаге и не отображены на экране; они сделаны из клеток. В мозге содержится несколько видов клеток, половину из которых составляют нейроны. Нейроны связаны между собой красивыми ветвистыми отростками, переносящими электрические и химические сигналы от одного нейрона к другому. Нейрон может производить электрические импульсы один за другим, и скорость испускания этих импульсов зависит от той информации, которую отображает нейрон.

Когда я говорю о скорости испускания импульсов, называемой скоростью возбуждения, я сразу представляю себе школьный класс, в котором младшие школьники стараются привлечь внимание учителя: “Меня, меня, спросите меня! А меня?!” Чем чаще они выкрикивают, тем настоятельнее звучит их призыв – будь то желание ответить на вопрос учителя или просьба отлучиться в туалет. Выкрики учеников в школьном классе, как импульсы, посланные разными нейронами мозга, могут иметь совершенно разный смысл. Но в любом случае частота испускаемых сигналов отражает срочность или важность сообщения. Когда скорость возбуждения нейрона возрастает и происходит быстрый залп импульсов, значит, в этот момент нейрон хочет передать важную информацию.

Представьте себе, что мы вскрываем чей-то череп и расправляем складки задней части мозга, так что область V1 предстает в плоском виде. Эта плоская поверхность мозга состоит из нейронов, как бумага – из древесной массы. Лист нейронов аналогичен листу бумаги, на которой печатают обычную карту. Но вместо красок разного цвета карты мозга представляют информацию через частоту возбуждения нейронов, из которых они состоят: одни возбуждаются активно, а другие почти совсем не возбуждаются. В техническом аспекте частота возбуждения нейрона – это число электрических сигналов, которые он посылает за определенный промежуток времени. Можно сказать, что в картах мозга электричество и время играют такую же роль, как краска на обычных картах.

Клетки, электричество и время. Это сырье, необходимое мозгу для создания карт.

Возможно, к концепции карт мозга нужно привыкнуть. Они не похожи на обычные карты. Однако карта в области V1 по своей сути не отличается от карты в бардачке автомобиля. Аналогично тому, как мы превращаем карту на экране компьютера в карту, распечатанную на бумаге, мы переносим эту же карту с листа бумаги в область V1, просто глядя на нее. Одна не хуже другой, и все они вполне реальные.

Еще одно отличие карт мозга от обычных географических заключается в том, что первые изменчивы. Географическая карта, начерченная на папирусе или выгравированная на панно, неподвижна и неизменна. И это нормально, поскольку ландшафтные ориентиры неподвижны, а географические изменения происходят медленно. Когда такие изменения случаются, печатные карты устаревают. Они не могут автоматически обновляться, чтобы соответствовать изменениям, происходящим в мире. Так что нам остается только выбросить старые карты и сделать другие.

Но некоторые карты могут обновляться. Представьте себе карту на приборном экране автомобиля или мобильного телефона. Компьютерные карты могут обновляться и включать в себя информацию о новых торговых центрах или закрытых на ремонт съездах с шоссе. В этих картах используется технология GPS, определяющая наше теперешнее положение в пространстве. Таким образом, наша динамическая компьютерная карта обновляется по мере передвижения. Когда мы движемся к северу, карта на экране тоже движется на север, и мы всегда видим ориентиры, находящиеся в непосредственной близости от нас. Такая карта полностью сбивала бы с толку вне контекста нашего путешествия и в отрыве от знакомой и важнейшей реперной точки – нас самих. Но хотя совмещенный с GPS экран постоянно изменяется или обновляется по мере передвижения, он по-прежнему остается картой. И поскольку на нем есть точка отсчета (наше теперешнее положение в пространстве), мы без труда понимаем эту динамическую карту.

Карта области V1 тоже динамическая. Когда мы перемещаемся из одной точки в другую, обводим глазами пространство или когда движутся окружающие нас предметы, информация на карте обновляется. Но, как и в случае с экраном навигатора, изменение информации, отображаемое в зоне V1, не дезориентирует нас, поскольку оно тоже привязано к знакомой и важной точке отсчета: положению нашего тела и направлению взгляда.

Каким бы странным это ни казалось, карты могут быть сделаны из клеток мозга и могут обновляться и изменяться. Но понять концепцию карт мозга непросто еще вот почему. Даже карту, нарисованную на запотевшем стекле или прочерченную на песке, можно увидеть. Но карта V1 не подсвечивается синим светом, когда мы любуемся океаном, и не разделяется на темные квадраты, когда мы смотрим на шахматную доску. Разве карта не должна быть такой, чтобы мы могли ее видеть?

Ответ на этот вопрос отрицательный. Чтобы понять, почему это так, давайте рассмотрим один короткий мысленный эксперимент из истории разведки. Хотя мы привыкли думать, что шифры и шпионские сообщения являются современным изобретением, невидимые чернила применяются для передачи секретной информации уже на протяжении сотен лет. Во время американской революции Джордж Вашингтон и его шпионы использовали невидимые чернила, изготовленные по специальному рецепту; такие чернила можно было увидеть только при контрастном окрашивании[3]. Написанные ими разведывательные данные, а также планы и, вполне возможно, карты, начерченные невидимыми чернилами, передавались незамеченными и изменили ход войны.

Представьте себе, что один из шпионов Вашингтона использовал такие чернила для зарисовки плана оккупированного Нью-Йорка, отметив места сосредоточения британских войск. Была ли такая невидимая карта настоящей картой? Конечно, да. И Джордж Вашингтон смог бы подтвердить это, обработав бумагу контрастной краской, чтобы чернила стали видимыми. Информация на карте при нанесении красителя не изменилась. Карта отражала план города Нью-Йорка до и после того, как стала видимой невооруженным глазом.

Эта сказка о невидимых чернилах Вашингтона вызывает интересный вопрос: нельзя ли нанести на карту V1 контрастную краску и сделать ее видимой? В 1988 году группа специалистов, занимающихся зрением, проделала именно это и продемонстрировала карту области V1 макаки[4]. Как человек и другие приматы, макаки в значительной степени ориентируются с помощью зрения и имеют карты V1, аналогичные нашим картам.

В этом эксперименте обезьяны смотрели на изображение, вспыхивающее на мониторе компьютера, а им в кровь в это время вводили похожее на сахар вещество, но только с радиоактивной меткой. Наиболее активные нейроны в области V1 захватывали радиоактивное вещество (по той причине, что активно возбуждающиеся нейроны требуют больше энергии). Далее обезьян усыпляли, так что у них переставало биться сердце, и после этого ученые вводили в ткани мозга консерванты, вынимали мозг из черепа и отделяли зрительную кору от остальных частей мозга. Они разравнивали V1, так что она превращалась в плоский лист, замораживали ее и делали срезы с помощью замороженного лезвия. Затем они клали на замороженные срезы рентгеновскую пленку и оставляли на срок от двух недель до трех месяцев, до проявления. Ученые обнаружили удивительные изображения того, что видели обезьяны за несколько недель или месяцев до смерти. Один пример показан на рис. 3: слева изображено то, на что смотрела обезьяна, а справа – картина активности на карте V1, которую удалось визуализировать на срезе мозга животного.

Рис. 3. Соответствие между изображением в правой части поля зрения (слева) и отображением этой информации в виде активности левой половины зоны V1 зрительной карты мозга (фотография среза мозга справа). Источник: The Journal of Neuroscience, vol. 8, no. 5. Copyright © 1988 by the Society for Neuroscience.

Подобно тому, как генерал Вашингтон использовал контрастный краситель, чтобы сделать видимыми полученные им письма и планы, ученые смогли сделать видимой карту V1 путем обработки, развертывания, замораживания и проявки мозга. Иными словами, да, мы можем открыть мозг и увидеть карту в области V1, но это сложно. Новые технологии дали нам более простые способы визуализации карт мозга. Вообще говоря, для этого подходит любой метод, который может превратить возбуждение нейронов в свет в видимом диапазоне длин волн.

Даже беглый взгляд на эти изображения позволяет выявить очевидное несоответствие: картинка в мозге достаточно сильно отличается от изображения на экране. И это не ошибка. Активность нейронов в области V1 мозга обезьяны не является некачественным отображением того, что видела обезьяна перед смертью. Карта области V1 очень сильно искажена. Маркерные точки на рис. 4 показывают, как именно. Вертикальная прямая линия в левой части исходного рисунка в мозге растягивается в широкую С-образную полосу, тогда как ровный полукруг в правой части исходного рисунка уплощается и даже слегка инвертируется. Рисунок переворачивается, так что верхняя часть экрана оказывается в нижней части карты V1. Но это еще не все: что-то не так с отображением концентрических окружностей, так что самый маленький полукруг занимает слишком много места. Именно эти аномалии обнаружил Иноуэ более ста лет назад.

Рис. 4. Маркерные точки на видимом изображении (слева) и на соответствующей карте активности в зрительной области V1 в мозге обезьяны (справа) показывают, каким образом инвертировано и искривлено изображение на карте V1. Источник: Paul Kim, The Journal of Neuroscience, vol. 8, no. 5. (с модификациями). Copyright © 1988 by the Society for Neuroscience.

Благодаря работам Иноуэ и нескольких других ученых до и после него было обнаружено неизвестное ранее место, где происходит зрительное восприятие. Этот участок спрятан в складках задней части нашего мозга. Он содержит нейронную карту, которая отображает зрительную информацию при помощи электричества и времени. На рис. 5 показано, где спрятана область V1 и как выглядит на ней зрительное изображение. Именно эту карту продырявили пули у пациентов Иноуэ, оставив прорехи в поле зрения, хотя оба глаза у них функционировали нормально.

Существование такой карты в нашем мозге может показаться странным и неправдоподобным. Однако такие карты, как V1, являются не исключением, а правилом. Мозг больших и маленьких существ переполнен подобными картами. В последующих главах мы поговорим об их замечательном разнообразии и о том, как их особенности и искривления формируют наши мысли и опыт. Но сначала нужно ответить на важнейший вопрос: зачем мозгу столько карт? Ответ можно найти в устройстве электронных приборов и в эволюции, и связан он со столь разными темами, как голодный мозг и фантастическая способность примитивного пустынного муравья ориентироваться в пространстве. Вы увидите, что на самом деле невероятной является наша способность вообще что-либо видеть. Такие зрительные карты, как в области V1, являются решением проблемы, о существовании которой вы никогда даже не подозревали. Они уникальным образом обеспечивают нас зрением и другими чувствами в мире голода, дефицита и хищничества.

Рис. 5. Отображение зрительной информации в левой и правой частях зрительной карты V1 у человека. Художник Пол Ким.

2

Тирания чисел: зачем нужны карты мозга?

Инженеров из Лаборатории Белла не интересовал мозг. Их интересовало создание полезных устройств. Однако в конце 1950-х годов Лаборатория Белла и зарождавшаяся электронная промышленность столкнулись с той же проблемой, которая на миллионы лет затормозила эволюцию мозга и сделала карты мозга биологическим императивом.

Тогдашний вице-президент Лаборатории Белла дал проблеме название: тирания чисел[5]. Электрические устройства функционируют благодаря внутренним электрическим компонентам, которые обеспечивают их главные функции. Потребители хотели иметь более мощные и многофункциональные устройства, чтобы один и тот же аппарат мог выполнять несколько функций. И поэтому инженеры пытались создавать новые устройства, состоящие из огромного количества деталей. Непросто придумать, как упаковать миллион деталей внутри устройства разумного размера. Но добавление деталей влечет за собой и еще более сложную проблему: при присоединении каждого нового элемента инженер должен встроить массу новых проводов, соединяющих его с другими элементами устройства. Эту проблему и назвали тиранией чисел. Повышение мощности и функциональности устройства требовало дополнительных элементов, но чем больше элементов, тем больше проводов, а это повышало стоимость производства и увеличивало размер устройства.

Результат? Неуклюжие машины из чудовищного набора деталей.

Решение проблемы тирании чисел пришло из другой сферы. Его предложил Джек Килби из компании “Тексас инструментс”: он придумал интегральную схему, позволявшую инженерам включить множество элементов в единственную деталь из германия, что очень сильно сократило количество проводов. Роберт Нойс из компании “Фэйрчайлд семикондактор” в Маунтин-Вью в Калифорнии изобрел кремниевую версию интегральной схемы, которая заложила основы и дала название Силиконовой долине в том виде, в котором мы знаем ее сегодня. Интегральные схемы позволили включать в устройство больше элементов. Эти инновации положили начало современной эре электроники и позволили создавать мощные многофункциональные мобильные устройства, определяющие нашу современную жизнь.

Однако тирания чисел не исчезла полностью. Перенеситесь в сегодняшний день и подумайте о мобильном телефоне, который наверняка сопровождает вас повсюду. Многие мобильные телефоны являются многофункциональными: это одновременно телефон, фотокамера и плейер, на нем можно слушать музыку, смотреть фильмы и играть в видеоигры. Чипы современных мобильных телефонов содержат миллиарды транзисторов и многочисленные элементы, позволяющие им осуществлять столь разные функции. Но при этом мобильные телефоны должны быть легкими и достаточно компактными, чтобы помещаться в карман или сумочку. Эти конфликтующие факторы – больше функций в меньшем объеме – будут оставаться источником головной боли (и рабочих мест) для инженеров еще долгое время.

Многие аспекты процесса создания современных мобильных телефонов связаны с вопросами, в равной степени относящимися и к головному мозгу. Какими свойствами должен обладать конечный продукт, чтобы быть функциональным, обрабатывать большие объемы информации и быстро решать задачи? Для чего служит каждая деталь устройства и как эти детали должны быть связаны друг с другом? Сколько будет стоить создание такого аппарата? Насколько компактным и легким должен быть конечный продукт?

В отличие от устройств, тщательно разработанных инженерами, структура мозга и его функции формировались на протяжении многих поколений за счет естественного отбора. Никто сознательно не подбирал критерии для построения мозга; на протяжении многих поколений генетические мутации, воспроизведение и смерть совместными усилиями оптимизировали структуру мозга живых существ методом проб и ошибок. И все же проще понять компромиссы в эволюции мозга, если рассматривать этот процесс как инженерную задачу. Что нужно, чтобы сконструировать мозг? Ответ зависит от того, что этот мозг должен уметь делать.

Когда люди рассуждают о способностях мозга (о способности обрабатывать информацию и поддерживать разумное поведение), они обычно делают это в терминах плохо и хорошо. В целом считается, что любого человека и любое существо можно расположить на определенной ступени интеллектуальной лестницы, так что простенькие оказываются у земли, а превосходные – в поднебесье. Однако более детальное и менее предвзятое исследование способностей животных показывает, насколько ошибочна такая позиция.

Рассмотрим в качестве примера пустынного муравья, который постоянно перемещается по суровой Сахаре в поисках чего-нибудь съедобного. По отношению к собственному размеру эти муравьи за день проделывают путь, который для нас составлял бы несколько километров, а затем находят дорогу домой по совершенно безликой пустыне точно в то место, где живет их колония. Другой пример – киты-убийцы, которые держатся группами (стадами) и общаются на диалекте, уникальном для каждого конкретного стада[6]. Когда стадо рассеивается и члены группы оказываются в нескольких километрах друг от друга, они должны “настроиться” на сигналы других китов, общающихся на этом диалекте, и игнорировать сообщения всех остальных. Это позволяет им отслеживать месторасположение собратьев и вновь объединяться. А птица, называемая щелкунчиком Кларка, каждую осень собирает сосновые семена и закапывает их в небольших норках[7]. Птица запоминает более трех тысяч таких тайников и проверяет их за зиму и весну, добывая пропитание для себя и своих птенцов.

Эти животные обладают мозгом с массой от 0,001 грамма (муравей) примерно до 3650 граммов (кит-убийца)[8], но способны на такие когнитивные подвиги, которые трудны или вовсе невозможны для нас с нашим мозгом массой около 1500 граммов. На удивление, многих живых существ можно назвать разумными, но они разумны только в каких-то определенных аспектах, необходимых для преодоления специфических трудностей. Разнообразие способностей, обеспечиваемых мозгом, у обитателей нашей планеты чрезвычайно велико, и поэтому этих существ нельзя сравнивать по какому-то одному показателю.