Ландшафты мозга. Об удивительных искаженных картах нашего мозга и о том, как они ведут нас по жизни: читать начало книги онлайн

Разнообразие способностей мозга у разных видов и родов возникло при участии естественного отбора. Генетические вариации вызывают изменения в структуре мозга, что, в свою очередь, создает основу для появления новых способностей или поведения. Мозг существ может различаться по целому ряду параметров. Конечно, он бывает большим или маленьким. Но он также может иметь разное количество нейронов и разную плотность их упаковки[9] – количество нейронов в единице объема. Например, слоны и киты имеют гигантский мозг с крупными, свободно упакованными нейронами, тогда как у человекообразных обезьян мозг меньшего размера с плотно упакованными более мелкими нейронами. Размер мозга и плотность упаковки нейронов определяют общее количество нейронов в мозге. Корова и шимпанзе имеют мозг примерно одинакового размера, но в мозге шимпанзе нейроны упакованы плотнее, так что общее количество нейронов у шимпанзе, по-видимому, намного больше. Это важно по той причине, что количество нейронов в мозге животного является ключевым фактором для выживания. Слишком много или слишком мало для реализации нужд организма – это вопрос жизни и смерти.

Снабжение мозга дополнительными нейронами имеет очевидные преимущества. Поскольку нейроны – это ячейки обработки информации, увеличение их числа повышает производительность мозга. Значительная часть мозга большинства животных отводится на обработку информации, поставляемой органами чувств: в нашем случае это зрение, слух, тактильные стимулы и т. д. Недостаточно иметь пару функциональных глаз, чтобы видеть; необходимо иметь в мозге такие области, как V1, которые отражают и обрабатывают поток собранной глазами информации. Чем больше нейронов, тем лучше мозг обеспечивает восприятие, усиливая способность организма обнаруживать пищу или хищника. Кроме того, дополнительные нейроны способствуют выполнению более сложных или точных движений, что также позволяет эффективнее добывать пищу или скрываться от хищников. Нейроны поддерживают и другие способности, такие как ориентирование, память, самоконтроль, планирование или рассудительность, – и каждая из них благоприятствует выживанию организма.

Но дополнительные нейроны достаются дорогой ценой. Прежде всего, нейроны активно потребляют энергию. В частности, головной мозг является третьим по счету человеческим органом, потребляющим максимальное количество энергии на единицу массы – после непрерывно бьющегося сердца и неутомимых почек. Но поскольку наш мозг крупнее и тяжелее этих органов, он потребляет максимальное количество энергии во всем теле. Этот комок ткани составляет лишь 2 % массы тела взрослого человека, но расходует около 22 % получаемой нами энергии[10]. У других видов другое соотношение, но во всем царстве животных нейроны являются активными потребителями энергии. Количество потребляемой нейронами энергии велико по той причине, что для производства каждого импульса они в буквальном смысле втягивают в себя одни молекулы и выделяют другие. Это перекачивание происходит постоянно во всех нейронах мозга. Чем больше у существа нейронов, тем больше ему нужно миниатюрных насосов, работающих день и ночь и нуждающихся в большом количестве топлива.

Поскольку нейроны обходятся так дорого, мозгу с большим количеством нейронов требуется больше калорий. Для удовлетворения этой потребности существо либо больше ест, либо ест более качественную пищу с более высоким содержанием калорий. Получить доступ к высококалорийной пище в современном индустриальном мире не трудно. Во многих развитых странах полки продовольственных магазинов забиты недорогими готовыми продуктами. Но это современное достижение – буквально один миг на шкале человеческой эволюции. Большую часть времени, пока наши предки бродили по земле, они сталкивались с суровой реальностью, с которой сегодня сталкиваются дикие животные. Не так уж много вокруг съедобных и питательных продуктов. Каждую калорию приходится добывать тяжким трудом. И если ваше тело и мозг требуют больше энергии, чем вы можете отыскать, добыть на охоте или украсть, вам недолго придется жить. Привет и прощай.

Кроме того, нейронам нужно много места. Каждый нейрон должен сообщаться с другими нейронами, и делают они это с помощью отростков, называемых дендритами и аксонами. Эти выросты, напоминающие щупальца, служат проводами, передающими информацию в форме электрических импульсов от одной клетки к другой. Эти провода выполняют специализированные функции. Дендриты нейронов принимают входные сигналы, а более длинные аксоны отправляют сигналы от нейронов дендритам других клеток. Можно сказать, что дендриты – уши нейрона, а аксон – его голос.

Увеличение количества нейронов в мозге повышает его способность думать, воспринимать и действовать, но лишь в том случае, если нейроны соединены друг с другом для передачи информации. Эту функцию поддерживает, главным образом, аксон, похожий на провод. Аксоны могут передавать сообщения либо между соседними нейронами, либо переносить импульсы через весь мозг. Чувствительные рецепторные клетки, такие как тактильные рецепторы нашей кожи, тоже представляют собой вид нейронов и имеют собственные аксоны, с помощью которых передают сигналы в мозг. Некоторые аксоны протянуты даже на длину всего тела; они передают тактильную информацию от пальцев ног до мозга, позволяя нам испытывать удовольствие от массажа стоп или боль от ушибленного пальца.

Аксоны играют важнейшую роль в осуществлении мозгом его многочисленных функций. Но они занимают уйму места. На самом деле, когда эволюция стала добавлять в мозг нейроны, новые связи, по сути, заняли больше места, чем сами новые нейроны[11]. Длинные провода занимают больший объем, чем короткие, и для их поддержания требуется больше усилий. Несколько десятилетий назад инженеры из Лаборатории Белла столкнулись с этой же проблемой: добавление к устройству новых элементов требует добавления многочисленных громоздких и дорогих проводов. То, что инженеры называли тиранией чисел, мы можем назвать тиранией нейронов. И если вам это не кажется серьезной проблемой, думайте дальше.

Нейроны бывают самых разных видов и имеют разные свойства, но каждый конкретный нейрон для выполнения своей функции должен быть напрямую связан с сотнями других нейронов мозга. Без разумного решения этой инженерной задачи дорогостоящие провода займут в мозге место и отнимут энергию, так что существо будет с трудом удерживать непомерно большую голову и удовлетворять потребности в калориях, и, следовательно, будет голодать. В человеческом мозге около 86 миллиардов нейронов. Если бы каждый из них соединялся со всеми остальными случайным образом, такой орган имел бы протяженность более 20 километров[12], хотя каждый аксон тоньше человеческого волоса. К счастью, каждый отдельный нейрон не должен быть связан со всеми остальными; он работает во взаимодействии лишь с небольшим количеством из этих 86 миллиардов нейронов мозга.

Но даже при этом любой мозг со случайным соединением нейронов был бы непомерно велик.

Электронные устройства показывают, как это работает. Конструкторы размещают как можно ближе друг к другу те элементы устройства, которые должны работать сообща и обмениваться информацией. Это позволяет экономить пространство за счет сокращения длины (и, следовательно, объема) проводов, соединяющих эти элементы. Такой же принцип реализуется в мозге. Если два нейрона совместно выполняют какую-то работу, они должны быть связаны между собой. И поэтому, если такие нейроны располагаются в мозге рядом друг с другом, это экономит энергию и позволяет использовать короткие провода.

Каждый нейрон в мозге должен переговариваться с другими нейронами. Но с какими? Вспомните о фрагментарной природе наших тактильных ощущений, которые начинаются как мозаика тактильных сигналов, воспринимаемых отдельными чувствительными рецепторами в коже. Я сравнила тактильный рецептор, спрятанный в коже вашего правого колена, с необщительным землевладельцем, интересующимся исключительно своим небольшим участком на поверхности земли (колена). Эта территория составляет его рецептивное поле. Если что-то касается кожи на этом участке, рецептор подает сигнал тревоги, создавая быстрый залп импульсов возбуждения. “На моей территории что-то происходит!” Эти сигналы отправляются в мозг к нейронам, у которых тоже есть рецептивные поля. В мозге есть нейроны, активность которых отражает давление на правое колено, хотя никакого реального колена в мозге нет. И с кем нейрон правого колена должен общаться в первую очередь? С другими нейронами, отражающими прикосновение к правому колену. А с кем еще? С нейронами, которые отражают прикосновение к верхней части правой голени или нижней части правого бедра. В целом нейроны в первую очередь должны сообщаться с теми клетками, которые отображают состояние тех же самых или соседних участков тела.

Есть причина, почему нейроны должны в большей степени общаться со своими партнерами-единомышленниками, и у этой причины есть название: локальная обработка. Локальная обработка, по сути, заключается в сравнении ситуации в одной точке пространства с ситуацией в другой точке. Это могут быть точки в пространстве нашего тела в случае прикосновения или в нашем поле зрения в случае зрения. Важно, что локальная обработка связана с поисками ответа на следующие вопросы: происходит ли здесь что-то, что не происходит там? там, но не тут? где-то еще? или нигде? Такие специфические сравнения кажутся банальными, но они чрезвычайно важны. Они дают информацию о том, где именно что-то происходит, например, болезненное ощущение в области колена. Эти сравнения также обеспечивают важный контекст для обработки других сенсорных сигналов. В частности, поступление информации о боли в одном участке колена может помочь другим нейронам, отображающим состояние других участков кожи, также обнаружить боль. Этот тип коммуникации играет наиболее важную роль для нейронов, имеющих соседние рецептивные поля. На уровне нейронов, как и в нашей каждодневной жизни, те события, которые происходят по соседству, с большей вероятностью связаны с нашей текущей ситуацией. Если горит соседний дом, хорошо бы нам об этом знать. А если горит дом в другой точке планеты? Это не так важно. Часто сравнение нашей ситуации с ситуацией у соседей также доставляет важную информацию о том, какова наша собственная ситуация. Например, представьте себе, что в вашем доме или квартире отключилось электричество. Если это случилось только у вас, вам нужно вызвать электрика для наладки или проверить, оплатили ли вы последние счета. Но если у соседей тоже нет электричества, возможно, источник проблемы находится на расстоянии нескольких километров, и вам ничего другого не остается, как ждать городскую службу или представителей энергетической компании. И такая же ситуация с нейроном, отображающим прикосновение к правому колену. На колено действует давление, если на вас слишком узкие брюки или вы заснули на животе. Но в обоих случаях давление оказывается на многие части тела. Нет необходимости осознавать ощущение именно в колене. Однако сравните это ощущение с прикосновением к вашему колену чьей-то руки или с ударом о него мяча. Это давление действует только на колено и означает, что происходит нечто особенное, связанное только с коленом. Бросьте все и обратите внимание на колено! Если маленький коленный нейрон собирается помочь нам распознать разницу между этими событиями, он должен сообщаться с нейронами, отображающими давление на кожу выше коленной чашечки, под ней и с обеих сторон от нее.

А теперь представьте себе два нейрона, которые передают тактильную информацию в головной мозг: один имеет рецептивное поле в правом колене, а другой – в верхней части правой голени. Каждый из них должен знать, что происходит на соседней территории. Им необходимо обмениваться информацией и сравнивать ее, а это означает, что они должны быть связаны между собой. Если в мозге нейрон коленной чашечки расположен рядом с нейроном голени, они смогут болтать о своих сердечных делах по коротким проводам. Конечно же, коленные чашечки и голени – лишь две зоны на общем ландшафте кожи. Коленный нейрон должен также переговариваться с нейронами нижней части бедра, а нейрон голени – с нейронами икры и щиколотки. Чтобы провода были короткими, этим нейронам тоже нужно располагаться по соседству друг с другом. Этот же принцип распространяется на плечи, шею и лицо в одном направлении и на пальцы ног в другом. Соседние нейроны в головном мозге отображают соседние точки на ландшафте кожи. И каков результат? В наш мозг встроена изумительная, настоящая карта поверхности нашего тела.

В мозге много таких карт тела. Одна из самых известных называется первичной соматосенсорной корой, S1. Подобно тому, как V1 является первым участком поверхности мозга (коры мозга), получающим информацию от световых рецепторов глаз, участок коры S1 первым получает информацию от тактильных рецепторов. Он расположен в самой верхней части мозга. И его схема соответствует схеме поверхности нашей кожи, включая язык и губы, нос, два глаза, десять пальцев рук, десять пальцев ног, один живот и две коленные чашечки. Эта карта мозга позволяет использовать максимально возможное количество нейронов для обнаружения прикосновения при небольшом количестве соединительных проводов, иметь небольшой размер головы и скромный аппетит.

Это элегантное решение также объясняет строение зрительной карты, обнаруженной Иноуэ в мозге раненых солдат. Клетки мозга, отображающие свет, который попадает в соседние точки сетчатки, тоже должны располагаться по соседству друг с другом, что дает им возможность обмениваться информацией при минимальной длине соединительных проводов. Этот обмен информацией позволяет мозгу быстро и точно отслеживать важные контуры видимого пространства, в том числе границы линий или поверхностей. Эти контуры сообщают важную информацию, показывая, где начинаются и заканчиваются окружающие нас предметы и, по сути, что они собой представляют.

Этот принцип “разговора по-соседски” также объясняет существование карт для других способностей, таких как слух и движение, причем он реализуется у всех представителей царства животных. Карты позволили эволюции увеличить мощность мозга с помощью дополнительных нейронов и при этом контролировать общий размер мозга и его энергетические потребности. Карты мозга полезны и для существ с меньшим количеством нейронов, поскольку позволяют им сохранять мозг минимально возможного объема и с минимальными энергетическими запросами. Благодаря картам эти животные извлекают максимальную пользу из имеющихся нейронов, остаются шустрыми и не страдают от голода. Короче говоря, природа нашла схему, одинаково удачную для сложного и простого, крупного и маленького мозга. Карты мозга позволяют преодолевать главное препятствие на пути к выживанию. В нашем мире с ограниченным запасом ресурсов и жесткой конкуренцией эти карты позволяют выжить пустынным муравьям, китам-убийцам и нам с вами.

Есть много причин быть благодарными нашим картам мозга. Альтернатива – голод, неподвижность и вымирание – не очень привлекательна. Можно благодарить карты за быстроту и четкость наших ощущений, не говоря уже о том, что в нашей голове есть место для пяти чувств, а не для одного или двух. Но карты дают и другие преимущества. Они идеально устроены для обнаружения и исправления неизбежных ошибок и упущений в информации, которую мозг получает от глаз, ушей и кожи.

Прекрасный пример того, как карты мозга корректируют восприятие, представил нам священник и ученый-самоучка XVII века Эдм Мариотт. Он был аббатом в небольшом городке Сен-Мартен-де-Бомон-сюр-Ванжанн неподалеку от Дижона во Франции[13]. И интересовался столь разными науками, как физиология растений и физика, астрономия и анатомия. Он организовал одно из первых в истории международное научное сообщество и был отмечен Ньютоном в знаменитом трактате “Математические начала натуральной философии”. Но самым важным вкладом Мариотта в науку было открытие, заключавшееся в том, что все мы слегка подслеповаты.

Мариотт многократно участвовал в анатомировании, изучая тела сельскохозяйственных животных, иногда экзотических животных и даже людей. Особенно его интересовала анатомия глаз. В задней части глазных яблок (как животных, так и человека) он обнаружил вдавленный внутрь овальный участок, отличающийся от остальной поверхности сетчатки. Он не первым обнаружил этот овал, который, как было известно, является местом выхода зрительного нерва, передающего информацию от глаза в головной мозг. Овал называли диском глаза, но его функция в зрении оставалась неизвестной. Большинство ученых того времени считало, что диск глаза является участком наиболее четкого зрения. Однако при анатомировании Мариотт обнаружил, что этот диск никогда не располагается в центре глазного дна (которое соответствует наиболее острому центральному зрению). У человека он располагается чуть выше и ближе к носу. Мариотта заинтересовало это несоответствие. И поэтому при помощи лишь нескольких бумажных контуров он принялся изучать природу зрения в области диска глаза.

Эксперименты Мариотта относятся к разряду самых простых. На рис. 6 показано, что он сделал. Мариотт прикреплял маленький кружок из белой бумаги на черном фоне на уровне глаза, а второй кружок диаметром около 10 сантиметров – чуть ниже и примерно на 60 сантиметров правее[14]. Он закрывал левый глаз и смотрел на первый кружок, а потом медленно отходил назад. Когда он отдалялся примерно на три метра, второй кружок исчезал. Заинтригованный этим наблюдением, Мариотт медленно переводил взгляд, и бумажный диск появлялся вновь. Но как только он фиксировал взгляд на первом кружке, второй опять немедленно исчезал.

Рис. 6. Схема эксперимента Мариотта. Художник Пол Ким.

Мариотт повторил тот же эксперимент с закрытым правым глазом и открытым левым, на разном расстоянии, каждый раз с соответствующим расположением и размером второго кружка. Слепое пятно появлялось всякий раз. Он повторил эксперимент со своим знакомым Реверендом Билли, а потом с другими французскими учеными. Оказалось, что все они в какой-то степени слепы и эта слепота всегда обнаруживается в двух точках пространства, с двух сторон, соответствующих дискам двух глаз. Теперь мы называем эту зону слепоты слепым пятном.

Вы сами можете обнаружить у себя слепое пятно, пользуясь рис. 7. Начните с верхнего изображения креста и цыпленка. Закройте левый глаз и смотрите на крест, поместив страницу книги примерно в 30 сантиметрах от лица. Если нужно, подвиньте книгу ближе или дальше, но при этом смотрите на крест; на определенном расстоянии цыпленок исчезнет. Проделайте то же самое с нижним рисунком. В этот раз, когда птица попадает в зону слепого пятна правого глаза, она исчезает, а клетка останется на месте – но пустая. Если хотите повторить это с левым глазом, просто переверните книгу вверх ногами, закройте правый глаз и повторите эксперимент.

Рис. 7. Слепое пятно. Используйте эти рисунки и объяснение в тексте, чтобы обнаружить слепые пятна у себя в глазах. Художник Пол Ким.

Теперь мы знаем, что зрительный нерв – это пучок аксонов, переносящих сигналы от сетчатки в головной мозг. Эти аксоны занимают место на выходе из глаза, так что там негде расположиться рецепторам, собирающим информацию о поступающих фотонах света. В глазах у всех людей есть зрительный диск, и каждый диск создает овал слепоты.

Простой эксперимент Мариотта заставил всю Европу говорить о слепом пятне и вызвал новый всплеск научных дебатов о зрении и глазах. Кроме того, возник интересный вопрос: почему мы не осознаем, что у нас есть эти слепые пятна? Почему мы не замечаем их в обычной жизни? Мариотт предложил несколько веских гипотез. Обычно мы смотрим на мир одновременно двумя глазами, так что тот участок пространства, который мы не видим одним глазом, мы видим другим. Кроме того, мы достаточно быстро переводим взгляд, и в результате никакие участки видимого пространства не закрыты слепым пятном на долгое время.

Оба эти довода справедливы, но ни один из них не объясняет, почему слепое пятно оставалось невидимым, когда один глаз Мариотта был закрыт, а другой неподвижен. Они не объясняют, почему второй кружок Мариотта исчезал, попадая в слепое пятно, и заменялся черным фоном, а при исчезновении птицы сохранялась птичья клетка. Когда птица исчезала, она не погружалась в темноту. Она заменялась чем-то другим – белым фоном страницы или прутьями клетки. Почему это так? Этот вопрос оставался без ответа на протяжении столетий, даже тогда, когда люди открыли электричество, рецептивные поля и карты мозга. В конце концов ответ был найден в картах V1 живого мозга.

Вспомните, что карта V1 соответствует организации сетчатки двух глаз. Хотя каждый глаз собирает поступающую световую информацию независимым образом, в области V1 эта информация от двух глаз соединяется на одной общей карте. Зрительная карта области V1 разделена между правым и левым полушариями мозга; находящаяся в левом полушарии половина карты V1 отражает информацию из правой половины поля зрения, и наоборот. На рис. 8 представлены фотографии срезов человеческого мозга[15], демонстрирующие левую и правую половины карты V1. Из мозга умершего человека выделили соответствующую ткань, расправили ее и окрасили с помощью вещества, позволяющего видеть некоторые детали карты, включая ее границы. На этих окрашенных срезах также видны участки карты, соответствующие слепым пятнам обоих глаз. Для ясности под срезами представлены их очертания. Крупный фрагмент в левом полушарии, обозначенный стрелкой, соответствует участку поля зрения, попадающему в слепое пятно правого глаза. Аналогичный фрагмент правого полушария, обозначенный стрелкой, соответствует участку поля зрения, попадающему в слепое пятно левого глаза.

[9] Herculano-Houzel S. The Remarkable, Yet Not Extraordinary, Human Brain as a Scaled-up Primate Brain and Its Associated Cost. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 109 (2012): 10661–68.

[10] Kuzawa C. et al. Metabolic Costs and Evolutionary Implications of Human Brain Development. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 111 (2014): 13010– 15.

[11] Zhang K., Sejnowski T. A Universal Scaling Law Between Gray Matter and White Matter of Cerebral Cortex. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 97 (2000): 5621–26.

[12] Nelson M., Bower J. Brain Maps and Parallel Computers. Trends in Neurosciences. 13 (1990): 403–8.

[13] Grzybowski A., Aydin P. Edme Mariotte (1620–1684): Pioneer of Neurophysiology. Survey of Ophthalmology. 52 (2007): 443–51.

[14] Mariotte E. Nouvelle découverte touchant la vue / Œuvres de M. Mariotte. The Hague: Jean Neaulme, 1740, 495–34.

[15] Adams D.L. et al. Complete Pattern of Ocular Dominance Columns in Human Primary Visual Cortex. Journal of Neuroscience. 27 (2007): 10391–403.