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

Возможно, вам потребуется некоторое время, чтобы все это осознать. То, что вы обнаруживаете и воспринимаете в своем поле зрения, отличается от того, что обнаруживает ваш лучший друг, ваша сестра или сосед. Более того, острота зрения в различных участках поля зрения определяется не состоянием наших глаз, а скорее уникальной структурой карт нашего мозга.

Научные открытия за последние сто с лишним лет позволили связать активность зрительной карты V1 с тем, что мы видим осознанно. Это не означает, что V1 самостоятельно создает наш осознанный зрительный опыт; многие данные указывают на то, что этот опыт возникает за счет координированной активности многих отделов мозга. И все же существует стабильная связь между тем, что происходит в области V1, и тем, что мы осознанно воспринимаем. Рассмотрим доказательства. Карта V1 дополняет изображение в области слепого пятна на основании информации из соседних участков, примером тому служит белый фон на странице с исчезающей птицей. Повреждения зрительной карты V1, как у пациентов Иноуэ, создают слепые зоны в осознанном зрительном восприятии. Оба эти наблюдения указывают на специфическую связь между картой мозга с одной стороны и осознанным восприятием с другой.

Подобные наблюдения бесценны, но самый прямой путь исследования этой связи заключается в том, чтобы намеренно воздействовать на зрительную карту V1 человека и выяснять, что он видит. Очевидно, что неэтично повреждать человеческий мозг для удовлетворения научного любопытства. К счастью, теперь нейробиологи получили возможность на время изменять активность человеческого мозга без его повреждения. При использовании метода транскраниальной магнитной стимуляции ученые посылают короткий, но мощный магнитный импульс в определенную точку на поверхности головы, чтобы повысить вероятность возбуждения находящихся ниже нейронов. Если бы я применила этот метод в задней части вашей головы, нацеливаясь на участок карты V1, вы бы увидели светящуюся точку, называемую фосфеном. Локализация фосфена в поле зрения соответствует локализации точки, которую я стимулирую. Иными словами, подключаясь на мгновение к карте вашего мозга, я заставляю вас осознанно увидеть свет, которого на самом деле нет.

Более инвазивный способ манипуляций с картой V1 заключается во вскрытии черепа и передаче электрических сигналов непосредственно нейронам. В 1968 году это попытался сделать доктор Джайлс Бриндли, работавший над созданием протезов для слепых[22]. Бриндли с коллегой накладывали матрицу из 80 радиоприемников и 80 электродов на поверхность карты V1 пятидесятидвухлетней пациентки, ослепшей на оба глаза. Когда ученые стимулировали части карты V1 с помощью электродов, слепая пациентка видела фосфены. Понятно, что, не имея видящих глаз, женщина не могла наблюдать реальные вспышки света. Однако путем манипуляций с картой V1 Бриндли позволил женщине увидеть несуществующий свет.

Пациенты доктора Иноуэ имели нормальные глаза, но тем не менее не осознавали происходящего в области скотомы. А пациентка Бриндли осознанно видела свет, хотя ее глаза не функционировали. Эти странные наблюдения приводят к еще более странному выводу: зрение в знакомой нам форме рождается в темноте заднего отдела черепа и в большей степени отражает то, что происходит на наших зрительных картах, чем то, что происходит в двух глазах.

Вот почему так важно понимать, как именно искажены карты нашего мозга: эти карты, в свою очередь, искажают наше осознанное восприятие. Этот удивительный факт составляет ядро данной книги и лежит в основе концепции ландшафтов мозга. Ландшафт мозга – это территория, описываемая картой мозга. Это искаженная версия реальности, нанесенная на карту внутри нашей головы. Если бы план бостонского метро был картой мозга, его ландшафтом был бы город Бостон – растянутый и искаженный в масштабе, соответствующем масштабу этой карты. Аналогичным образом ландшафт нашей карты V1 – это версия зрительной сцены у нас перед глазами, которая искажена в результате увеличения.

На рис. 10 отражена попытка визуализировать ландшафт на карте V1. Вообразите, что разглядываете знаменитую “Мону Лизу”. Когда вы на нее смотрите, то, что вы видите в конечном итоге, искажено картами вашего мозга. Воображаемый пузырь на рисунке показывает, что наблюдатель воспринимает больше информации и подробностей в центре той части полотна, на которую направлен его взгляд.

По этой причине Мона Лиза в мысленном пузыре может показаться вам искаженной: естественно, каждый раз, глядя кому-то прямо в лицо, вы не воспринимаете его нос или губы слишком объемными. Но вы получаете большой объем информации о носе или губах – а это важнейшая информация для узнавания человека или определения его эмоционального состояния. К счастью, наша зрительная система умеет корректировать эффект увеличения в соответствии с воспринимаемым размером предметов. Представьте себе, как бы мы занимались спортом или пользовались инструментами, не делая подобных поправок. Предметы казались бы крохотными, пока мы не переводили бы взгляд прямо на них – тогда они внезапно увеличивались бы в размере в сотни раз. Как в таком мире можно взять в руки чашку с кофе или поймать мяч? Другие области мозга помогают скорректировать наше восприятие размера предметов, так что каждый раз при перемещении взгляда предметы не раздуваются и не сжимаются из-за увеличения на карте V1. Такой механизм позволяет видеть тончайшие детали легкой улыбки Моны Лизы и не воспринимать ее губы размером с комнату.

Рис. 10. Концептуальное представление искаженного зрительного ландшафта, который отражен на карте V1. Воспринимаемые зрительные подробности зависят от особенностей искажения карты мозга, прежде всего от увеличения деталей, находящихся в центре поля зрения. Художник Пол Ким.

Несмотря на такое полезное устройство, мы все же иногда ошибаемся в оценках размера, что, по-видимому, связано с увеличением на картах мозга. Когда психологи анализируют мнения людей о размерах предметов, находящихся в разных точках их поля зрения, выясняется, что восприятие размеров предметов действительно в некоторой степени зависит от того, в каком участке поля зрения они находятся[23]. Мы достаточно хорошо оцениваем размеры предметов, находящихся в центре того пространства, куда направлен наш взгляд, но мы систематически недооцениваем размеры предметов на периферии поля зрения. Чем дальше на периферии зрения находится предмет, тем меньшим по размеру он нам кажется. Короче говоря, увеличение на карте V1 оказывает значительное влияние на восприятие деталей и также в некоторой степени сказывается на восприятии размеров предметов.

Уайлдер Пенфилд был новатором в области нейрохирургии и нейробиологии начала XX века. Он заложил основы лечения пациентов, страдавших от разрушительных эпилептических припадков, и в процессе этой работы он первым очертил в живом человеческом мозге соматосенсорную карту S1.

Для купирования приступов эпилепсии Пенфилд направлял свой скальпель прямо на источник болезни – на мозг[24]. Пациентам обеспечивали местную анестезию, вызывавшую онемение черепа, что позволяло Пенфилду и его коллегам открыть череп и разглядеть внутри змеевидные складки коры головного мозга[25]. Прежде чем удалить опухолевую или поврежденную ткань, ставшую причиной приступов, Пенфилд должен был эту ткань найти. Ему также необходимо было понять функцию соседних участков коры, чтобы отделить скальпелем важные ткани, так чтобы в дальнейшем человек продолжал чувствовать, говорить и двигаться. Для этого Пенфилд подводил электрод непосредственно к поверхности мозга пациента. Мозг не имеет собственных болевых рецепторов, так что пациенты не испытывали от электрода никакого дискомфорта.

С помощью электрода Пенфилд посылал в каждую выбранную точку мозга слабый электрический импульс. Этот импульс нарушал естественную активность нейронов, так что становилось понятно, что они делают. Когда Пенфилд стимулировал участки карты S1, пациент мог чувствовать покалывание или оцепенение в какой-то части тела. Пациенты во время операции не спали, а играли активную роль: сообщали о своих ощущениях и выполняли просьбы хирурга говорить, читать или двигаться в нужный момент. Они также должны были сообщать, если чувствовали приближение приступа, что означало, что зонд Пенфилда, вероятно, коснулся поврежденной ткани, являющейся триггером приступа.

Когда процесс поисков завершался, Пенфилд с коллегами знали, где находится ткань, вызывавшая приступы, и какие важные функции мозга реализуются по соседству. Вооружившись этими знаниями, они могли наиболее эффективно извлечь проблемную ткань, сохранив пациенту способность говорить и двигаться. Эта техника стимуляции мозга в процессе хирургической операции давала пациентам максимальную возможность выкарабкаться, сохранив способность двигаться, говорить и функционировать, как раньше, но с меньшим количеством мучительных приступов или вообще без них. На самом деле этот метод настолько хорош, что широко применяется до сих пор.

В результате анализа мозга сотен людей Пенфилд и его коллеги узнали о расположении карт, описывающих движения и прикосновения, в том числе о расположении соматосенсорной карты S1. У человека, как и у других животных, правая сторона тела представлена в левой стороне мозга, и наоборот. В каждом полушарии мозга эта карта простирается от боковой части мозга (примерно за ухом) до верхушки. Схема строения и расположения карты показана на рис. 11. На одном краю карты (на одной стороне мозга) отображается одна сторона внутренней части рта, язык и губы. По мере продвижения вверх, к верхней части мозга, на карте появляются внешние поверхности лица, а затем большой палец и остальные пальцы руки, а также другие части руки и плеча на этой же стороне тела. Наконец, под самой верхушкой черепа располагается карта торса, таза, ног и ступней этой стороны тела.

Рис. 11. Схема человеческой тактильной карты S1. Представлена половина карты, соответствующая участкам на противоположной стороне тела. Художник Пол Ким.

На рисунке наблюдается странность: создается впечатление, что на этой карте элементы “перемешаны”, как в неправильно собранном пазле. Самое странное несоответствие выражается в резком переходе ото лба к большому пальцу руки, хотя в человеческом теле нет функциональной связи между этими частями тела.

Странное соседство лица и большого пальца на карте S1 – пример нарушения непрерывности; это точка, в которой карта отходит от идеального и точного отображения строения тела. В таких точках разрыва нарушается принцип отображения соседних сигналов из внешнего мира (например, прикосновений к соседним точкам на коже) на соседних участках ткани мозга. На большинстве карт эти разрывы невелики, но в некоторых случаях, как на человеческой соматосенсорной карте S1, они могут быть огромными. Чтобы понять смысл этих разрывов, представьте себе кожуру апельсина (рис. 12). Не существует способа представить сферическую поверхность в плоском виде, не разрезав ее или не растянув. Картографы сталкиваются с такой же проблемой, когда создают двумерное изображение поверхности Земли. Где-то нужно сделать разрез, разрушающий непрерывность поверхности сферы. Если читать карту мира буквально, восточная и западная части Тихого океана окажутся на максимальном расстоянии друг от друга, хотя в реальности у них общая вода и одни и те же волны.

Рис. 12. Трудности изображения трехмерных поверхностей на двумерных картах. Художник Пол Ким.

Чтобы превратить поверхность сферы в плоский прямоугольник, картографам приходится еще и растянуть части земного шара у полюсов, что приводит к увеличению размера Европы, Северной Америки и Австралии по сравнению с размерами Южной Америки, Африки и других территорий, расположенных ближе к экватору. В таком типе карт, как гомолосинусоидальная проекция Гуда, такого искажения нет, поскольку эта карта не прямоугольная и имеет больше разрезов, как показано на рис. 12.

Конечно, человеческое тело – не сферическое. Оно имеет протяженные выросты (такие как руки, ноги, пальцы) и глубокие и сложные углубления (такие как внутренняя полость рта и горло). И поэтому действительно сложно аккуратно превратить его поверхность в двумерную карту коры мозга. Нужны разумные разрезы и разрывы, как при расплющивании апельсиновой кожуры.

Но человеческая карта S1, обнаруженная Пенфилдом, не только прерывистая, но и чрезвычайно искаженная. Как и на карте V1, отображение в некоторых участках имеет значительно большее увеличение, чем в других. Человеческие пальцы, включая большой палец, и кисти сильно увеличены, так же как язык и лицо. Подобно тому, как увеличение на карте V1 усиливает остроту зрительного восприятия, увеличение на карте S1 усиливает чувствительность кожи. Экспериментатор, проверяющий остроту ваших тактильных ощущений, может попросить вас нащупать крохотные выпуклости на поверхности и определить, расположены ли они равномерно или неравномерно. Или может надавливать на отдельные точки на коже и спрашивать, чувствуете ли вы одно прикосновение или два. Острота тактильных ощущений у человека выше в тех частях тела, которые на карте S1 отображаются с увеличением. В частности, возможно, вы почувствуете два надавливания на кончик указательного пальца, если расстояние между двумя точками надавливания около миллиметра, то есть меньше толщины десятицентовой монеты. Но различить два прикосновения в области спины можно лишь при условии, что это расстояние в 70 раз больше – примерно в ширину женской ладони.

Конечно же, это усредненные показатели. Как и острота зрения, острота тактильных ощущений у разных людей разная. Те же ученые, которые анализировали остроту зрения и искажения карты V1, с помощью фМРТ проверяли еще и остроту тактильного восприятия четырех пальцев рук, чтобы выявить искажения на карте S1 в области пальцев[26]. Они обнаружили, что у людей с наиболее сильными различиями в остроте тактильной чувствительности четырех пальцев также имеет место наиболее значительное различие размеров соответствующих территорий на карте S1: указательному пальцу отведена самая обширная территория, а мизинцу – гораздо более скромная. У людей с более схожей остротой чувствительности разных пальцев соответствующие площади на карте S1 тоже ближе по размеру. Короче говоря, результаты анализа V1 и S1 совпадали: особенности восприятия у людей соответствовали характеру увеличения на их картах.

На самом деле между V1 и S1 можно провести несколько параллелей. Как показала работа Пенфилда, стимуляция нейронов в области S1 заставляла людей чувствовать прикосновение, когда их кожи ничто не касалось. Искажения на карте определяют различия в том, как и где люди воспринимают наиболее чутко. Кроме того, люди допускали ошибки в оценке размеров[27], основываясь на тактильном опыте, – то же самое мы наблюдали в случае зрительного опыта. Два укола, произведенные на одинаковом расстоянии друг от друга, воспринимаются более отдаленными, если уколоть указательный палец (с увеличенным отображением на карте S1), чем если уколоть предплечье, бедро или спину. Мы оцениваем расстояние точнее, если воспринимаем теми частями тела, которые на карте мозга представлены с увеличением. Однако люди недооценивают расстояние, когда чувствуют теми частями тела, которые отображены на карте S1 “мелким шрифтом”. Восприятие зрительных и тактильных сигналов зарождается внутри черепной коробки. И в случае V1 и S1 пределы того, что мы в состоянии воспринимать, и точность этого восприятия в значительной степени определяются тем, как искажены карты мозга.

Подобные эксперименты прекрасно демонстрируют фундаментальную связь между увеличением на карте нашего мозга и возможностями восприятия. На самом деле нейробиологи уже некоторое время назад это предсказывали. И такая удивительная связь имеет значимые последствия. Если способность человека к осознанному ощущению и описанию словами определяется отображением информации на его мозговых картах, есть надежда, что мы сможем узнать о его субъективном перцептивном опыте путем изучения реальных и видимых схем этих карт. По сути, я смогу в какой-то степени понять, что значит быть вами, если посмотрю на карты вашего мозга. Даже если мы говорим на разных языках и вы совсем не владеете моим, я могу вглядеться в содержимое вашей головы и получить истинную информацию о том, что вы видите, чувствуете и ощущаете.

Более того, возможность осознавать субъективный опыт других существ на основании анализа карт их мозга не ограничивается представителями нашего вида. Если бы эволюция описывалась поэмой, в этой поэме, совершенно очевидно, были бы рифмы. Многие мотивы в организации мозга и тела, в том числе и в картах мозга, выглядят одинаково у представителей всего царства животных. У целого ряда животных, включая всех млекопитающих, карты, подобные S1, принимают тактильную информацию от рецепторов на коже фактически тем же самым образом, как наша карта S1 получает информацию от рецепторов на нашей коже. Такие же, как у нас, общие принципы отображения и обработки тактильных сигналов реализуются на карте S1 у крыс. Конечно, строение нашего тела отличается от строения тела крысы, и поэтому поверхность нашей кожи имеет другую топографию. И уже это отличает нашу карту S1 от карты крысы. Но самые поразительные различия между картами S1 разных существ связаны именно с тем, как эти карты искажены.

Хотя карта S1 каждого конкретного существа искажена уникальным образом, в человеческих картах S1 больше сходства, чем различий, и на них области пальцев и губ невероятно увеличены по сравнению с областями, которые соответствуют другим частям тела, таким как спина и ноги. В результате у всех нас обычно наиболее чувствительными являются одни и те же участки тела, в частности кончики пальцев. Кончики пальцев человеческих рук, снабженные дополнительными тактильными рецепторами на коже и увеличенным отображением в коре S1, выполняют в тактильных ощущениях такую же функцию, как центральная ямка в зрении. А что можно сказать о других существах с другим строением тела и другим способом существования? Как искажены их карты S1 и что это позволяет узнать об ощущениях этих животных? Я могу в некоторой степени определить ваши ощущения путем анализа вашей мозговой карты, и то же самое мы можем сделать для обезьяны, крысы или енота.

[22] Brindley G.S., Lewin W.S. The Sensations Produced by Electrical Stimulation of the Visual Cortex. Journal of Physiology. 196 (1968): 479–93.

[23] Newsome L.R. Visual Angle and Apparent Size of Objects in Peripheral Vision. Perception & Psychophysics. 12 (1972): 300–304.

[24] Penfild W. No Man Alone: A Neurosurgeon’s Life. Boston: Little, Brown, 1977.

[25] Penfild W., Boldrey E. Somatic Motor and Sensory Representation in the Cerebral Cortex of Man as Studied by Electrical Stimulation. Brain. 60 (1937): 389–443.

[26] Duncan R., Boynton G. Tactile Hyperacuity Thresholds Correlate with Finger Maps in Primary Somatosensory Cortex (S1). Cerebral Cortex. 17 (2007): 2878–91.

[27] Green B.G. The Perception of Distance and Location for Dual Tactile Pressures. Perception & Psychophysics. 31 (1982): 315–23; Cholewiak R.W. The Perception of Tactile Distance: Influences of Body Site, Space and Time. Perception. 28 (1999): 851–75.