Запутанный мозг. Путеводитель по нейропсихологии

Фокусные точки

1. Мозг состоит из нервных клеток, называемых нейронами, которые, будучи связанными между собой, шлют и передают сообщения всему мозгу и остальным частям тела.

2. Сообщения в мозге передаются в форме электрических импульсов от одного нейрона другому при помощи особых химических веществ, называемых нейротрансмиттерами (или нейромедиаторами).

3. Нервные связи развиваются по мере того, как мы обучаемся чему-то новому, так что мозг обладает способностью адаптации к повреждениям даже в зрелом возрасте. Это его свойство известно как нейропластичность.

4. Левая сторона мозга контролирует правую сторону тела, и наоборот. Некоторые другие функции тоже латеризованы, т. е. управляются одной стороной мозга или другой, но их не так много, как принято считать.

5. Раньше ученым при исследованиях мозга приходилось лишь иметь дело с пациентами, получившими травму мозга, изучать мозг животных или полагаться на ЭЭГ. Сегодня же сканирование мозга позволяет изучать его в процессе функциональной деятельности. Существуют самые различные виды сканирования, среди которых наиболее употребимыми являются ПЭТ, КАТ и МРТ.

Следующий этап

В первых двух главах мы обрисовали общую картину мозга: что он собой представляет и как работает. Со следующей главы мы начинаем специфическое изучение различных его частей и того, как благодаря их совокупной работе мы ощущаем себя людьми. А начнем мы с рассмотрения того, каким нам видится этот мир с точки зрения его зрительного восприятия.

Глава 3. Как мы распознаем то, что видим

Из этой главы вы узнаете:

? как работает зрительная система;

? что такое слепозрение;

? как мы видим и различаем предметы;

? как мы распознаем движение;

? как мы различаем других людей.

Наше зрение – это что-то удивительное: мы можем видеть и различать предметы как на расстоянии, так и вблизи; как многоцветные, так и одноцветные; как движущиеся, так и неподвижные; как в полутьме, так и при ярком свете. Хотя некоторые животные обладают более острым зрением в более широком диапазоне электромагнитного спектра, чем мы, тем не менее наша зрительная система дает нам богатейшую информацию об окружающем мире и является практически идеальной для таких легкоприспосабливающихся социальных существ, как мы. Вот почему зрение – самый важный наш орган чувств из всех; настолько важный, что в стремлении помочь людям с ограниченной способностью видеть или полностью незрячим мы даже изобрели различные, подчас весьма сложные методы преодоления этой особенности организма, но при этом совершенно не уделяем внимания людям с ограниченным обонянием, с трудом или нечетко различающим запахи. Это как раз свидетельствует о том, что зрение мы ставим превыше всего.

Как же работает зрение? Оно базируется, разумеется, на восприятии света, ибо только свет дает нашим глазам всю необходимую информацию. Мозг, как мы уже знаем, работает за счет электрических импульсов, поэтому мы выработали ряд сложных структур для перевода световой информации в электрическую. Начало всему – наши глаза, которые организованы таким образом, чтобы воспринимать свет (точнее, фотоны) и проецировать его на сетчатую оболочку глаза – сетчатку, – представляющую собой слой клеток на задней стороне глазного яблока. В этих клетках наличествуют химические вещества, которые, реагируя на свет, генерируют электрические импульсы. Эти импульсы затем передаются от одной нервной клетки другой и большинство из них в конце концов попадают в затылочную часть мозга, которую мы называем зрительной корой. Зрительная кора – это довольно обширная область головного мозга, являющаяся основой нашего сознательного визуального опыта. Однако на этом пути информационный материал подвергается всесторонней сортировке.

Рисунок 3.1. Зрительные зоны головного мозга

Зрение и слепозрение

Визуальная информация от глаз до мозга может идти несколькими путями, и многие из них с точки зрения эволюции очень древние. Развивая более сложные системы, мы сохранили те, которыми обладали ранее, а поскольку люди – высокоразвитые существа, то мы выработали не один, а несколько различных способов, с помощью которых световая информация воздействует на наш мозг. Иногда это приводит к интересным последствиям.

Вам когда-нибудь приходилось заниматься чем-то интересным и в минуту наиболее глубокой увлеченности делом вдруг насторожиться? Что-то случилось во внешней среде и привлекло ваше внимание, но только гораздо позже вы понимаете, что к чему. Просто внутри вас сработал один из древних механизмов. Из главы 1 мы уже знаем, что два верхних холмика четверохолмия среднего мозга напрямую связаны с нашими системами сигнализации и оповещения. Они непосредственно принимают информацию от наших сенсорных рецепторов, поэтому, если что-то вдруг случается, мы быстро реагируем на это. Внезапное изменение интенсивности света или тональности звука вызывает автоматическую реакцию, причем мгновенную, так что мы даже не успеваем ни о чем подумать. Мысль приходит позже.

Если вам когда-либо доводилось бодрствовать всю ночь, то вы, вероятно, помните, что ночью вы боролись со сном, но к тому времени, когда занялась заря и разгорелся день, вы уже чувствовали себя совершенно проснувшимся. Днем мы чувствуем себя более бодрыми, чем в ночные часы, и происходит это потому, что сетчатка и гипоталамус напрямую связаны между собой нейронами. Эта прямая связь является источником информации обо всем, происходящем и днем, и ночью, благодаря чему гипоталамус может регулировать наши биологические ритмы. Разумеется, искусственный свет изрядно их нарушает, но не отменяет: основные биологические ритмы все равно остаются при нас, и они-то как раз и реагируют на свет, причем даже у людей, лишенных зрения.

Обращали ли вы внимание на то, как привлекают к себе взгляд движущиеся предметы? Если вы смотрите на сцену и вдруг замечаете, что в ее уголке что-то движется, вы мгновенно переводите взгляд в ту сторону – и вам уже не до игры актеров. Это еще один очень эффективный механизм выживания, который помогает нам заметить потенциального хищника или другого человека. Наша зрительная система без промедления концентрируется на движении, поскольку в этот момент информация, передающаяся в основную зрительную кору, идет в обход обычных проводящих каналов и передается другим путем – напрямую от таламуса к зоне V5 зрительной коры. Зона V5 – это та часть зрительной области мозга, которая отвечает за регистрацию визуального движения, и наличие столь прямого пути передачи информации означает, что мы можем подмечать любые движения в пространстве вокруг себя, даже не отдавая себе полностью отчета в том, что видим.

В общем счете исследователи выявили порядка 10 различных механизмов или, лучше сказать, проводящих путей, по которым информация от сетчатки передается в различные части мозга. Эти открытия дали нам возможность объяснить один из самых непонятных аспектов человеческого зрения, называемый слепозрением. Слепозрение открыл в 1972 году британский врач и психолог Лоуренс Вайскранц, изучавший в те годы слепых людей, которые, однако, реагировали на те или иные зрительные раздражители. Эти люди могли, например, указать на движущийся объект или даже пригнуться, если некий предмет летел прямо на них, хотя они его не видели и никто им об этом не сообщал. Они его просто чувствовали, словно заранее угадывали или догадывались о его присутствии, причем даже в условиях тщательно проводимых лабораторных испытаний. У этих людей (и многих других, с которыми позже проводились исследования) была повреждена зрительная кора, в силу чего они не могли сознательно обрабатывать зрительную информацию. Они были слепыми, но другие, более древние аспекты их визуальной системы по-прежнему функционировали.

Имеются и другие, весьма странные формы слепоты. У людей возникает сугубо специфическая проблема со зрением, как правило из-за того, что их мозг поражает инфекция. Вероятно, самая распространенная форма частичной или выборочной слепоты – это категориальная слепота, при которой человек совершенно не способен различать предметы или явления особой категории. Чаще всего это относится к животным: такие люди могут распознавать все вокруг, кроме, например, собак, кошек или каких-то других животных. Когда люди их видят, они просто оказываются в тупике, ибо не в состоянии определить, кто же это. Категориальная слепота может проявляться различными путями: одни люди прекрасно различают движущиеся предметы и явления природного мира, но не в состоянии распознать искусственные, сконструированные объекты вроде инструментов или телефонов; другие могут распознавать животных и объекты, но совершенно не в состоянии понять, что за еда перед ними на тарелке. Они могут есть эту пищу и даже определять ее на вкус, но не могут распознать, что это за пища, когда смотрят на нее.

Категориальная слепота наступает из-за повреждения глубинных областей зрительной системы – тех областей мозга, где происходит распознавание воспринимаемых образов. Поэтому те категории предметов, которые ныне доступны или недоступны нашему зрительному восприятию, тесно связаны с нашей эволюционной историей. На ранних стадиях нашей эволюции умение отличать зверей и животных от предметов и прочих неодушевленных объектов являлось фундаментальным свойством в борьбе за выживание; то же относится и к умению распознавать пищу. Тот факт, что некоторые специфические категории каким-то образом выпадают из поля нашего зрения, объясняется тем обстоятельством, что все жизненно насущные категории настолько для нас важны, что они жестко «закреплены» в нашем мозге – настолько жестко, что мы в гораздо большей мере готовы к восприятию уже утвердившихся классов (животные, пища, объекты), чем к восприятию других, более современных (дома, транспорт, витрины, вывески). И когда одна из таких жестко «закрепленных» категорий вследствие повреждения мозга вдруг «выбраковывается», она полностью выпадает из нашего поля зрения.

Как мы видим

Та способность, которую мы в целом определяем как зрение (обычное зрение, как мы его понимаем и осознаем), используется для передачи зрительной информации главным маршрутом, на протяжении долгих лет подробно описанным в медицинской и узкоспециализированной литературе. Зрение начинается с особых светочувствительных клеток, расположенных в сетчатке глаза и называемых фоторецепторами. Они подразделяются на два вида: невероятно чувствительные палочковидные клетки, различающие яркость света, и клетки-колбочки, распознающие цвета и активно функционирующие только при ярком свете. Назначение обоих видов клеток – трансдукция, т. е. преобразование световой информации в понятные для мозга электрические импульсы. Этот процесс возможен благодаря тому, что свет, попадая в клетку, обесцвечивает там особые химические вещества, в результате чего клетка под их действием меняет свой электрический потенциал.

Рисунок 3.2. Структура сетчатки

Как только информация преобразуется в электрические импульсы, она передается на второй слой клеток сетчатки – в так называемые биполярные нейроны. Они осуществляют первичную обработку информации: реагируют или на светлые области на темном фоне, или на темные области на светлом фоне. Эта первичная и достаточно примитивная обработка позволяет выявить простейшие атрибуты или свойства окружающей среды, например водоем или море, так как они в целом отражают больше света, чем обрамляющая их суша. Поскольку самой яркой областью обычно является небо, во всяком случае в дневное время, эта их особенность позволяет различать яркие области на земле (или ближе к нижней части визуального поля, если вас больше интересует чисто техническая специфика процесса).

Для многих животных умение воспринимать любое движение – это вопрос жизни и смерти, поэтому обработка визуальной картины движения является базовой в зрительной системе. Третий слой сетчатки – это ганглиозные клетки, отслеживающие движение путем реакции на изменения и различия, происходящие в поле зрения. Каждая ганглиозная клетка имеет свое собственное рецептивное поле, сосредоточенное на одном участке сетчатки и простирающееся вовне. Одни клетки реагируют на свет, падающий на окружающую область, а не в середину, тогда как другие действуют совершенно противоположным образом, реагируя на свет, падающий в середину, а не на окружающую область. Они также реагируют на малейшие отклонения от этой закономерности, что делает их особенно чувствительными и восприимчивыми к движению.

На неподвижные объекты мы обращаем меньше внимания, чем на движущиеся. Кошке и собаке часто не удается отследить то, что не движется, поэтому им приходится прибегать к другим органам чувств. Сами мы воспринимаем неподвижные объекты только потому, что наш зрачок постоянно дрожит и подергивается; в медицине эти скачкообразные движения и подергивания называются саккадами. Причина их в том, что глазным нейронам приходится постоянно подстраиваться под несколько иной режим, чем если бы объекты двигались, хотя в действительности они неподвижны.

Зрительный нерв формируется из аксонов ганглиозных клеток: они достаточно длинные и в определенной точке пересекаются и соединяются. Но существует так называемое слепое пятно (мертвая зона), где зрительный нерв не соединен с сетчаткой, тем не менее вы об этом не знаете, так как ваш мозг дополняет недостающую информацию. Зрительный нерв передает информацию (для дальнейшей обработки) латеральному коленчатому телу. По пути она проходит через некую точку пересечения, называемую зрительной хиазмой, – Х-образную структуру, образованную двумя перекрещивающимися зрительными нервами. Информация от правосторонней части сетчатки каждого глаза передается правому полушарию мозга, а информация от левосторонней части сетчатки – левому полушарию. Итак, оба глаза доставляют сообщения и тому и другому полушарию мозга, но в левое полушарие поступает информация о правом зрительном поле, получаемая левосторонней частью сетчатки, тогда как правое получает информацию о левом зрительном поле, т. е. информацию, получаемую правосторонней частью сетчатки. Если это описание кажется вам путаным, обратитесь к рисунку 3.3.

Рисунок 3.3. Пути прохождения информации от глаза к мозгу

Когда зрительная информация достигает таламуса, она снова сортируется. Таламус состоит из шести слоев. Четыре верхних слоя реагируют на детали и цвет, а два нижних занимаются координацией информации о движении. Они реагируют только на движения и изменения, происходящие на больших пространствах зрительного поля. Таким образом, именно таламус сводит воедино и организует различные виды зрительной информации, прежде чем передать их для сознательной обработки в зрительную кору. Поэтому еще до того, как увиденное нами получает сознательную оценку, информация, воспринятая нашими глазами, подвергается основательной сортировке, причем сортировке крайне ценной с точки зрения эволюции. Действительно, умение отличать светлые зоны от темных и фиксировать движения и изменения помогает животным избегать препятствия или реагировать на них и окружающую среду, а также отыскивать потенциальные источники питания или отслеживать приближающихся хищников. Выше мы уже писали, что кое-какая часть этой информации передается непосредственно в более примитивные (а стало быть, и более древние) части мозга, вызывая мгновенную реакцию.

Но все эти процессы вполне рудиментарны. Более сложная обработка увиденного происходит в затылочной части большого мозга – в области, называемой зрительной корой. Главной зоной здесь является первичная зрительная кора, или V1; ее задача – осмысление всей полученной визуальной информации. Впервые эту зону головного мозга удалось выявить и четко обозначить лишь в начале ХХ века в ходе исследования раненых с повреждениями оболочки головного мозга, полученными в окопах Первой мировой войны. Исследования показали, что повреждение этой части коры неизбежно ведет к частичной или полной потере зрения, и чем серьезнее повреждение, тем полнее слепота. Другими словами, в зависимости от степени повреждения зрительной коры одни солдаты утратили способность видеть частично (они что-то воспринимали, а что-то не воспринимали совсем), тогда как другие полностью ослепли.

На более раннем этапе исследований канадскому нейрохирургу Уайлдеру Пенфилду удалось стимулировать эту область у пациентов, которым он делал операцию на мозге. Во время таких операций люди обычно сохраняют сознание, поскольку мозг лишен болевых рецепторов, так что Пенфилд в ходе операции мог задавать им вопросы, узнавая, что именно они чувствуют и какие образы им являются. Картины, являвшиеся внутреннему взору таких пациентов, весьма разнообразны: это мог быть и летящий в небе воздушный шар, и сельские пейзажи, и что-то другое. Тем самым он доказал, что зрительная кора – это не просто масса мозгового вещества, что различные ее части отвечают за разные функции. Однако для того, чтобы ответить на вопрос, как именно она устроена и как работает, потребовалось великое множество дополнительных исследований, которые продолжаются и по сей день.

Зрительная кора связана с другими областями мозга, и для связи с ними она пользуется двумя основными проводящими путями. Первый – вентральный зрительный тракт – используется главным образом для идентификации объектов и явлений независимо от того, где они находятся, поэтому его часто называют «что» – трактом; он простирается от зрительной коры до височной доли большого мозга. Второй – это дорсальный зрительный тракт, используемый для локализации объектов и явлений независимо от того, что они собой представляют, поэтому его часто называют «где» – трактом; он простирается от зрительной коры до теменных долей. Вместе эти два зрительных тракта дают нам возможность осознавать мир, осмысливать его и эффективно действовать в нем. Давайте теперь рассмотрим, как работают клетки нашего мозга, давая нам полноценную зрительную картину того мира, в котором мы живем.

Рисунок 3.4. Дорсальный и вентральный зрительные тракты

Как мы распознаем предметы

Выше мы рассказали о том, как наши зрительные клетки реагируют на свет и тьму, что, несомненно, является одним из основных механизмов выживания. Но наше зрение намного сложнее. Мы видим объекты, фон, окружение, людей, цвета, и все эти образы тем или иным способом обрабатываются нашим мозгом. Как это происходит?

Одно из важнейших открытий в этой области сделали нейрофизиологи Хьюбел и Визель, кропотливо изучавшие работу зрения, фиксируя действия отдельных нейронов. В 1969 году они опубликовали работу, показав, как некоторые нервные клетки первичной зрительной коры (зона V1) реагируют на линии, расположенные под специфическим углом и находящиеся только в одной части зрительного поля. Эти клетки они назвали простыми. Дальнейшие исследования показали, что простые клетки реагируют на одни и те же сигналы, воспринимаемые либо левым, либо правым глазом, и что некоторые из них реагируют также на специфические волны света, или, другими словами, на специфические цвета. Эти клетки эффективно анализируют поступающую в зрительную кору информацию и обрабатывают ее основные свойства. Затем они передают ее другим клеткам, которые Хьюбел и Визель назвали сложными. Эти клетки объединяют информацию, полученную от нескольких простых клеток, в результате чего они обретают свойство реагировать на линию, расположенную под специфическим углом в любой части зрительного поля, или на линию специфического цвета, находящуюся где бы то ни было в пределах зрительного поля. Эту информацию сложные клетки затем передают гиперсложным клеткам, реагирующим на специфические формы или очертания (рисунок 3.5).

Рисунок 3.5. Простые, сложные и гиперсложные клетки

Это означает, что наша зрительная система способна различать простые формы, очертания, а также края и границы между светлой и темной зонами. Согласно Д. Марру (1982), это все, что нам нужно, чтобы воспринимать окружающие объекты. Если мы соединим эту информацию с той, которая поступает от оптической матрицы (так Марр называет общую картину света, достигающего сетчатки), мы сможем определить контуры, т. е. края, и выявить сходные области. Объединив все это, мы получим основные структуры наблюдаемой сцены – то, что Марр назвал необработанным первоначальным эскизом. И хотя этот эскиз достаточно зыбкий и размытый, он все же дает достаточно информации, чтобы мы смогли уяснить, что за объект находится перед нами, как на пиксельном рисунке 3.6.

Рисунок 3.6. Первоначальный эскиз

Но в нашем распоряжении имеется гораздо больше информации, чем та, которая содержится в оптической матрице. Наш мозг является хранилищем опыта, и этот опыт тоже помогает нам осмысливать различаемые объекты. Нам известно, например, что объекты, находящиеся далеко от нас, выглядят меньше, чем они есть на самом деле, и что близко расположенный объект может закрывать часть того, что находится на расстоянии. Мы можем также взять на вооружение законы восприятия, открытые гештальтпсихологами в первой половине ХХ века и свидетельствующие о том, что мы пусть и бессознательно, но совершенно осмысленно и конструктивно группируем биты получаемой информации (если вы хотите узнать об этом более подробно, советую прочесть мою книгу «Доступная психология»). По мере того как мы осваиваемся в окружающей среде и лучше ее узнаем, мы усваиваем и другие законы восприятия, что, согласно Марру, дает нам возможность определить объем, или массивность, объектов, которые находятся в поле нашего зрения. Правда, эта картина слишком обща и лишена подробностей: Марр описывает ее просто как комбинацию конусов и трубок, которую он назвал 2,5-мерным эскизом, поскольку она близка к трехмерному эскизу, но чуть-чуть до него не дотягивает. В результате получается контурограмма, которой вполне достаточно, чтобы мы сумели определить предмет, находящийся в поле нашего зрения.

Некоторые знатоки утверждают, что творения таких художников, как, например, Лоуренс Стивен Лаури, оттого так сильно затрагивают струны нашей души, что они воздействуют на наши первобытные зрительные механизмы: контурные фигуры на его полотнах подобны 2,5-мерному эскизу на этапе первичной дешифровки визуальной информации, поэтому они распознаются нами мгновенно. Например, мы легко устанавливаем различия между коровой, собакой или другим человеком (рисунок 3.7) и можем даже высказать предположение об отношениях, связывающих рассматриваемых людей, исходя из их позы и того положения, которое они занимают по отношению друг к другу.

Рисунок 3.7. Контурограммы коровы, собаки и человека

Мы можем легко составить представление о том, что именно находится перед нами, и отличить животное от дерева, например. А вот отличить собаку от кошки уже гораздо труднее, ибо это требует от нас более сложного знания о мире, цвете, тенях, контурах объекта и, что самое важное, умения обращаться к воспоминаниям. Благодаря всем этим атрибутам мы развиваем в себе способность распознавать и идентифицировать то, что находится в поле нашего зрения. Но все начинается со света и тени, которые идентифицируются биполярными нейронами, а затем подвергаются дальнейшему «осмыслению» простыми и сложными клетками зрительной коры.

Определение расстояний