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

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

Элементы 2.0
Мозг состоит из карт, и это не метафора. Наш мозг – это целый атлас, и его карты описывают наше тело, эмоции, движения и то, как мы воспринимаем окружающий мир посредством органов чувств. Наличие в мозге карт ученые обнаружили больше века назад, но лишь недавно удалось раскрыть некоторые их секреты и осознать их глубинное воздействие на нашу жизнь. Ландшафты мозга определяют нашу манеру мышления и объясняют, почему мы думаем, чувствуем и поступаем именно так, а не иначе. Строением карт мозга обусловлена, с одной стороны, уникальность нашей личности, а с другой – общность и взаимопонимание с остальными людьми. Автор книги нейробиолог Ребекка Шварцлоуз заставляет нас взглянуть на самих себя с новой точки зрения и раскрывает удивительную связь между нашим разумом и окружающим миром.

В формате PDF A4 сохранен издательский макет книги.

Ребекка Шварцлоуз

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

© 2021 by Rebecca Schwarzlose

© Т. Мосолова, перевод на русский язык, 2024

© А. Бондаренко, художественное оформление, макет, 2024

© ООО “Издательство АСТ”, 2024 Издательство CORPUS ®

Эта книга издана в рамках программы “Книжные проекты Дмитрия Зимина” и продолжает серию “Библиотека фонда «Династия»”.

Дмитрий Борисович Зимин – основатель компании “Вымпелком” (Beeline), фонда некоммерческих программ “Династия” и фонда “Московское время”.

Программа “Книжные проекты Дмитрия Зимина” объединяет три проекта, хорошо знакомых читательской аудитории: издание научно-популярных книг “Библиотека фонда «Династия»”, издательское направление фонда “Московское время” и премию в области русскоязычной научно-популярной литературы “Просветитель”.

Подробную информацию о “Книжных проектах Дмитрия Зимина” вы найдете на сайте ziminbookprojects.ru

Книга посвящена моей матери

Салли Фрай Шварцлоуз, чьи вдохновение и поддержка помогли ей появиться на свет.

Вступление

Позвольте сразу внести ясность. Эта книга о реальных картах, существующих в нашем мозге. Это не метафора и не авторский прием. В нашем мозге действительно существуют карты. И не одна или две. Наш мозг – это целый атлас. Прежде чем объяснить, что я имею в виду, когда говорю о картах мозга, я расскажу, что я не имею в виду. В последнее время ученые и научные журналисты в статьях, научно-популярных книгах и лекциях часто называют исследования в области нейронаук “картированием мозга”. Под этим они понимают попытки определить, например, какой участок мозга отвечает за сонливость, а какой помогает выбрать конкретное блюдо в обширном ресторанном меню. Но в таком виде “картирование мозга” позволяет создать не карту, а скорее список известных участков мозга, подобный списку механических деталей в конструкции автомобиля. Каждый элемент – от коленчатого вала до глушителя – имеет специфическую функцию и располагается в автомобиле в строго определенном месте. Аналогичным образом в инвентарном списке деталей мозга перечислены отделы мозга, их расположение и предполагаемое назначение. Но каждый раз, когда нейробиологи обнаруживают в мозге какую-то область, которую хотят добавить к списку, они вынуждены сосредоточить на ней внимание и проанализировать ее более детально.

И когда они это делают, часто выясняется, что данная часть мозга имеет собственную внутреннюю организацию – удивительную структуру с настоящей картой.

В общем понимании карта – это пространственное отображение чего-то. Когда мы говорим о картах, то чаще всего представляем себе географические карты, описывающие какую-то местность на поверхности Земли. Но можно отобразить на карте поверхность Луны или расположение звезд далеких галактик. Однако на самом деле карты могут отображать не только физическую локализацию. Карты мозга описывают наше тело, чувства, движения и важнейшие источники информации в окружающем мире.

Чтобы оценить красоту мозговых карт, достаточно представить себе их координаты. Географические карты имеют пространственные координаты с такими единицами измерения расстояний, как километры или градусы широты и долготы. Точка на географической карте задает местоположение на поверхности Земли. А точка на карте мозга может отображать свет, запах, звук, прикосновение или укол. Зрительные карты нашего мозга отображают локализацию световых частиц, попадающих в тонкий слой клеток в глубине глаза. Слуховые карты передают частоты звука, ударяющего по чувствительным спиралям внутри ушей. Наши соматосенсорные карты имеют координаты тела и отображают каждое прикосновение, тепло и болевое ощущение на всех плоскогорьях и долинах нашей кожи. В мозге содержатся пространственные карты, позволяющие нам взаимодействовать с внешним миром, а также карты движения, отображающие наши действия: следующее моргание, глоток или шаг. В буквальном смысле это карты нас – нашего тела (от глазных яблок до ступней) и того, что мы делаем, в чем нуждаемся и как взаимодействуем с окружающим пространством. Мозг заполнен замечательными картами, отображающими все эти аспекты окружающего мира и не только.

Но карты мозга не просто удивительные. Они важные. Они позволяют многое понять о нас: почему мы запоминаем, воображаем, учимся и думаем так, а не иначе. Они позволяют нам всматриваться в разум других людей и даже других существ и предполагать, чем их восприятие отличается от нашего. Они показывают, как дети обучаются и адаптируются к окружающей среде, иногда с долгосрочными последствиями для здоровья и благополучия. Врачи, ученые и коммерческие компании все активнее используют мозговые карты для создания технологий, перекрывающих разрыв между компьютерами и мозгом. Короче говоря, мозговые карты имеют большое психологическое, философское, общественное и технологическое значение. Это ключ к пониманию нас самих в настоящем и к принятию решений о том, как технологии, основанные на анализе мозга, станут определять жизнь нашего общества в будущем.

Работая над книгой, я обнаружила, что в рассказе о картах мозга прослеживается несколько тем. Первая тема – универсальность. Карты существуют в мозге больших и маленьких существ, от дрозофил до сомов и слонов. И не одна или две! Карты есть повсюду – от передних до задних долей мозга, слева и справа, вверху и внизу. По сути, именно этим занимается мозг всех существ на нашей планете: он создает карты. И во многих случаях это одинаковые карты. У вас и у меня карты приблизительно одного и того же типа, и многие из них похожи на карты существ, покрытых чешуей, перьями или мехом.

Вторая тема – уникальность карт мозга. Казалось бы, уникальность противоречит универсальности. Но это не так. Универсальность и уникальность – частые спутники в биологическом мире. Например, все люди оставляют отпечатки пальцев, но при этом особенности отпечатков пальцев в каждом случае делают их уникальными. То же самое справедливо для карт мозга, с той только разницей, что их особенности важны. Они влияют на способность человека или другого существа воспринимать, сосредоточиваться, запоминать, узнавать и реагировать на внешний мир. И в этом качестве мозговые карты являются ключом к пониманию того, как восприятие и даже некоторые способности, включая способность к чтению, созданию мысленных образов и тонкой моторике, различаются у разных людей.

Третья тема заключается в том, что карты мозга появились по необходимости. Это не украшение природного проекта. Без них восприятие в том виде, в котором оно нам доступно, было бы невозможно. Создание, питание и размещение мозга, способного хотя бы что-то видеть и чувствовать, сопряжено с огромными физическими сложностями. Построение мозговых карт – лишь первый шаг на пути их преодоления. И чтобы преодолеть эти сложности, мозговые карты не могут отображать окружающий мир достоверным образом. Они очень сильно искажены в целях сохранения энергии и пространства, и эти искажения, в свою очередь, определяют то, что мы видим и чувствуем. Этот удивительный факт является главной темой книги и отражен в ее названии. Как вы увидите, ландшафты мозга – это искаженное отображение реальности на картах мозга, определяющее наше восприятие.

Четвертая тема представляет карты мозга как результат трудного компромисса, не имеющего отношения к превосходству одних существ над другими. Если вы рассчитывали узнать из этой книги, почему одни люди умнее других или почему люди превосходят других обитателей Земли, советую обратиться к иным источникам. Карты мозга демонстрируют другую правду – правду об ограниченных ресурсах и скудных инвестициях. Когда какой-то вид развивает и доводит до совершенства определенные способности, например острое зрение, ловкость рук или умение слышать ультразвук, он неизбежно приносит в жертву и подавляет другие свои способности. Таким образом, карты мозга конкретных существ, включая нас, демонстрируют перцептивные и ментальные способности, необходимые для выживания этих существ. Карту мозга нельзя рассматривать в качестве показателя превосходства или неполноценности на основании ее внутренних свойств, ее качество можно оценивать только в контексте среды обитания и требований выживания.

Кроме того, карты мозга дают организму возможность адаптироваться. На протяжении жизни человека карты сохраняют способность обучаться на опыте и переформируют сами себя в соответствии с новой средой и новыми потребностями. Однако мозг новорожденных и маленьких детей особенно гибок, и поэтому опыт первых недель или месяцев жизни оказывает наиболее глубокое влияние на формирование карт для последующей жизни. Этот процесс обучения через окружающий мир дает детям возможность адаптироваться к нему, порой путем гигантской перестройки мозговых карт. Обычно это благоприятный процесс, помогающий детям развиваться в будущей жизни. Но если раннее влияние среды сопровождается хотя бы временным экстремальным опытом, таким как пребывание в больнице, недостаток внимания или нарушения зрения, пусть даже корректируемые, такое обучение может оказывать обратное действие. Таким образом, карты мозга показывают, что дети чрезвычайно пластичны в отношении изменяющегося окружения, но могут очень сильно пострадать в результате подобного опыта.

Наконец, карты мозга предоставляют идеальную возможность для подглядывания за живым думающим мозгом и даже для прямых манипуляций с ним. Знания о картах мозга, накопленные к концу XIX века, позволили врачам успешно выполнять нейрохирургические операции. Сегодня информация о дополнительных мозговых картах помогает установить, что некоторые люди, существующие, казалось бы, в полностью вегетативном состоянии, на самом деле находятся в сознании и понимают, что происходит вокруг. Это своего рода вариант чтения мыслей – мы не просто расшифровываем, что человек видит или чувствует в конкретный момент, но также что он вспоминает, что представляет себе и о чем мечтает. Эта возможность способствует развитию нейропротезирования, цель которого заключается в восстановлении подвижности парализованных людей или в возвращении зрения слепым. Недавние попытки коммерческих компаний осуществить прямую интеграцию компьютеров и человеческого мозга (этот процесс открыл двери частным инвесторам и корпорациям) тоже основаны на информации о картах мозга.

Как видно из перечисления тем, карты мозга оказывают глубокое и обширное влияние на мышление, здоровье и технологии. Их существование важно не только для ученых, но и для каждого живого существа. Они важны для вас, хотя, возможно, вы никогда и ничего о них не слышали, и помогают найти ответы на вопросы, которые являются настолько фундаментальными для обыденной жизни, что вы, возможно, никогда их не задавали. Почему, воспоминая событие, мы как бы заново его переживаем? Почему я использую руки для осязания вещей? Почему я не могу вообразить иные ощущения, кроме тех, которые даются мне моими пятью чувствами? Почему дети лучше взрослых обучаются новым навыкам, таким как игра на музыкальном инструменте? Почему я не в состоянии одновременно обращать внимание на все, что происходит вокруг? Почему компьютер так хорошо умеет предсказывать слово, которое я собираюсь напечатать, но так плохо понимает, что я на самом деле имею в виду? Я пишу эту книгу не только для того, чтобы ответить на эти вопросы, но и для того, чтобы получить удовольствие от их постановки.

“Ландшафты мозга” – не учебник. Эта книга не научит вас играть в гольф и не наладит вашу личную жизнь. Она не предлагает способов излечения от недугов или достижения финансового благополучия. Книга предлагает нечто совсем иное: возможность взглянуть на жизнь с другой точки зрения. Кажется очевидным, что мы чувствуем и как думаем. Но за этой очевидностью скрыто множество чудес. Карты мозга изо дня в день формируют наш опыт. Они рассказывают интересную историю – одновременно общую и глубоко личную. Они раскрывают неожиданную правду о нашем месте в этом мире и о месте мира внутри нас. Они поднимают важные вопросы о том, что реально, что подлинно, что лично. И показывают, как из суровой необходимости может возникнуть нечто прекрасное и даже поэтическое.

В книге описано лишь несколько мозговых карт, но каждая из них играет жизненно важную роль в восприятии мира и во взаимодействии с ним. Книга рассказывает о том, что такое карты мозга, почему они существуют и как тело диктует мозгу, какие карты ему нужны. Она демонстрирует, как эти карты служат станком, на котором плетутся нити восприятия, внимания, воображения и мечтаний. Как карты формируют наши мысли и способности, как они стимулируют и одновременно сдерживают нас.

Мозг часто представляют в качестве невероятно сложной структуры. Писатели и ученые иногда сравнивают его со звездным небом, чтобы подчеркнуть наличие в мозге гигантского количества клеток и связей между ними. Хотя такое сравнение вызывает вполне оправданное благоговение, оно одновременно изображает мозг далеким – недосягаемым и непознаваемым. Но анализ мозга через содержащиеся в нем карты – это мощный подход для понимания мозга в качестве близкого союзника. Наш мозг тончайшим образом настроен на наши нужды и на нас самих – на структуру тела и его чувствительность, на наши способности и ограничения, на окружающее пространство, а также на инструменты и источники энергии, помогающие нам жить.

Да, мозг сложен. Но он не недосягаем и находится совсем не в небесах. Он там, где вы. И это поистине удивительно.

1

Атлас человека: что такое карты мозга?

К ак и многие другие научные открытия, обнаружение скрытых от глаз карт мозга было связано со случайностью и страданием. Первые карты были найдены благодаря двум вещам – пулям и слепоте. История их пересечения показывает, что такое карта мозга и в чем ее смысл. Шел 1904 год. Две империи – Россия и Япония – вели войну за владычество на суше и на море. С ростом числа ранений японские власти обратили внимание на одну странность: появилось удивительно большое количество частично или полностью ослепших раненых. Во многих случаях, как и следовало ожидать, слепота явилась следствием повреждения глаз[1 - Mishima S. The History of Ophthalmology in Japan. Belgium: J. P. Wayenborgh, 2004; Glickstein M., Whitteridge D. Tatsuji Inouye and the Mapping of the Visual Fields on the Human Cerebral Cortex. Trends in Neurosciences. 10 (1987): 350–53; Kauffmann Jokl D.H., Hiyama F. Tatsuji Inouye – Topographer of the Visual Cortex, Exemplar of the Germany-Japan Ophthalmic Legacy of the Meiji Era. Neuro-Ophthalmology. 31 (2007): 33–43; Gross C.G. Brain, Vision, Memory: Tales in the History of Neuroscience. Cambridge, MA: MIT Press, 1998; Tatsuji I. Die Sehst?rungen bei Schussverletzungen der kortikalen Sehsph?re: Nach Beobachtungen an Verwundeten der letzten japanischen Kriege. Leipzig, Germany: W. Engelmann, 1909.]. Но почти четверть случаев была связана с повреждением мозга, причем доля таких раненых была выше, чем в предыдущих войнах.

Этот факт отражал изменения в вооружении. Русские использовали оружие нового образца – скорострельные винтовки Мосина, модель 91. Пули для такой винтовки имели диаметр 7,6 миллиметра, что меньше, чем в предыдущих моделях. Они вылетали из ствола с начальной скоростью 620 метров в секунду и быстрее достигали цели. Это позволило русским стрелять быстрее и попадать в цель. Но одновременно изменился и характер ранений. Раньше пули, попадавшие в голову, разбивали череп или вызывали ударную волну, сильно повреждавшую мозг. При стрельбе из винтовки Мосина 91 этого не происходило. Новые пули проскальзывали через кости и мозг, оставляя небольшие аккуратные отверстия, как ровные дырочки на бумажной мишени. И поэтому многие солдаты выживали после ранения в голову и их ранения в меньшей степени сопровождались нарушениями мышления и восприятия, чем у людей с ранениями головы в предыдущих войнах.

Японские солдаты с ранениями определенной части головы сообщали об ухудшении зрения. У них в поле зрения возникали провалы – слепые пятна, называемые скотомами, которые перемещались в поле зрения при переводе взгляда с одной точки на другую. Скотома может возникать при повреждении глазного яблока. Однако эти конкретные скотомы были вызваны ранениями в странном месте – в задней части головы, далеко от глаз.

Эти провалы в поле зрения по размеру и локализации были разными у разных пациентов. У одного мужчины скотома располагалась в дальнем правом углу поля зрения, и куда бы он ни смотрел, предметы с правой стороны оказывались скрыты. Другой не мог видеть предмет, находившийся прямо перед ним; если он пытался смотреть прямо на напечатанное слово или на лицо жены, темное пятно все закрывало.

Такие скотомы нарушали зрение пациентов вне зависимости от того, пытались ли они смотреть только левым глазом, только правым глазом или обоими одновременно. Стало ясно, что эти повреждения остаются на всю жизнь. Для компенсации увечий и ввиду отсутствия возможности для этих людей зарабатывать на жизнь в будущем правительство Японии постановило выделить им более высокую пенсию, что было сложным предприятием для бюрократической империи. Для определения размера пенсии каждому солдату нужно было документально засвидетельствовать локализацию скотомы и ее размер.

Мрачная обязанность по сбору этой информации выпала на долю доктора Тацудзи Иноуэ – молодого офтальмолога, который к началу войны только закончил учиться. Иноуэ стал проверять поля зрения раненых солдат. Поле зрения – это диапазон видимости во всех направлениях, достижимый для человека без поворота головы. Когда мы смотрим на какую-то точку в пространстве, мы при этом видим еще что-то выше, ниже, слева и справа от нее. При нормальном зрении мы лучше видим то, что расположено в центре, т. е. в той точке, на которую смотрим. Однако мы одновременно получаем зрительную информацию из точек пространства, отдаленных от центра поля зрения, как говорится, замечаем что-то “краем глаза”. Специалисты по зрению и офтальмологи называют эти отдаленные от центра участки поля зрения периферией. Таким образом, поле зрения складывается из центральной области и периферии. Офтальмологи могут исследовать поле зрения разными способами: направлять луч света в разные участки поля зрения пациента или указывать на эти участки пальцем с просьбой их назвать. Если пациент не видит объекты в какой-то части поля (скажем, в нижней левой зоне), возможно, у него есть скотома.

По долгу службы армейского врача Иноуэ бесчисленное множество раз обследовал поля зрения пациентов с пулевыми ранениями головы или другими травмами и составил об этом подробный отчет. Хотя правительству нужны были лишь данные для определения размера пенсии, молодой врач рассудил, что эта информация может помочь разрешить давнюю научную загадку: где в человеческом мозге находится центр зрительного восприятия и как именно представляется там зрительное изображение? Ученые искали ответы на эти вопросы на протяжении десятилетий. Они предполагали, что в мозге есть карта зрительной информации, однако ее точная локализация и строение оставались неизвестными.

Карта – это пространственное отображение чего-либо. Следовательно, карта мозга – это пространственное отображение чего-то в мозге. У мозга есть размер и форма, задняя и передняя части, верх и низ. Поэтому достаточно легко представить себе, что в мозге есть некая пространственная структура – нечто, что занимает место на его поверхности, в пучках и складках. Но что происходит, когда мозг отображает что-то из внешнего мира – будь то след краски или звук сирены?

Ответ на этот вопрос начинается не в мозге, а в других частях тела. Точнее, в тех ключевых участках, где тело соприкасается с внешним миром. Самая обширная и очевидная зона контакта – это кожа, но также сетчатка, расположенная на дне глазных яблок. А еще улитка в глубине каждого уха. И тонкие ткани, выстилающие изнутри наши ноздри, и влажные поверхности языка и ротовой полости. Именно здесь все происходит. Эти поверхности – входные двери, через которые мы получаем информацию из внешнего мира. Эти поверхности покрыты чувствительными рецепторными клетками, которые детектируют во внешнем мире информацию и передают ее в мозг в виде внутренних сообщений. Эти рецепторы чрезвычайно ценны. Без них наша жизнь протекала бы в отрыве от внешнего мира.

Давайте поближе рассмотрим один элемент, связывающий нас с реальностью, – кожу. Кожа имеет непрерывную поверхность. Если вы посмотрите на какую-то специфическую точку кожи, с большой вероятностью слева и справа, выше и ниже тоже будет кожа. Конечно же, разрывы есть, такие как глаза, рот и ноздри. Но вокруг них кожа продолжается, как вокруг озера продолжается берег. Кожа стопы прилегает к коже щиколотки, а та соседствует с кожей голени. Иными словами, свойства кожи распространяются на непрерывную поверхность. Это означает, что кожа, как поверхность Земли или Луны, имеет топографию, или ландшафт. Представьте себе живущих на нашей коже микробов. Если бы колонии микробов умели общаться и исследовать территорию, они могли бы расчертить ландшафт (кожный покров) нашего тела и путешествовать по этой территории, ориентируясь на указатели. Хотите попасть под мышку? Возьмите вправо у пупка, а потом влево после той странной родинки.

Но хотя наша кожа непрерывна, тактильные рецепторы дискретны. В коже много тысяч рецепторов. Одни реагируют на повреждения и на сигналы боли, другие регистрируют давление, вибрацию или тепло. Рассмотрим группу рецепторов, специфическим образом реагирующих на давление и вибрацию кожи. Благодаря им мы можем чувствовать удары и отличать гладкую поверхность от шершавой. Каждый такой рецептор творит чудеса в одной конкретной точке на поверхности кожи. Рецептор на коленной чашечке правой ноги настроен на восприятие и передачу сигнала прикосновения к конкретному участку этой коленной чашечки. И все. Представьте себе его как землевладельца-затворника, притаившегося со своим ружьем: “Весь мир может делать, что ему вздумается, но если кто-то ступит ногой на мою землю, он дорого за это заплатит!”

Для этого маленького коленного рецептора важна только территория колена. Ученые называют рецептивным полем то поле (или зону), из которого клетка получает информацию. Изменение давления в рецептивном поле вызывает реакцию – клеточный сигнал. Что-то происходит! Изменение давления вне рецептивного поля ничего не вызывает. Как землевладельцы, одни рецепторы отвечают за более обширные участки, чем другие, но активность всех рецепторов ограничена только их конкретным участком кожи. Не спрашивайте рецептор колена, что происходит на спине. Он не отличит превосходный массаж от удара или от полного отсутствия контакта. Каждый чувствительный рецептор рассказывает историю только маленького участка кожи и передает ее в мозг.

Именно с этого начинается отображение. Сигналы, посылаемые одним рецептором, скажем, с кожи правого колена, отображают давление на этот участок кожи. И поэтому, если я хочу узнать, давит ли что-то на ваше колено, мне не обязательно исследовать колено. Вместо этого я могу прислушаться к сигналам, идущим от кожи к мозгу. Сигнал от этого рецептора сообщит все, что мне нужно знать об этом конкретном участке кожи. Сигнал отображает физическую силу, действующую на конкретную часть тела.

Представьте себе, что мы следуем за сигналом, отправленным рецептором вашего колена в мозг, где он достигает клетки мозга, называемой нейроном. При этом, заметьте, сигнал приходит не к первому попавшемуся нейрону. Наш ценный сигнал достигает только правильного нейрона, который специализируется на сборе информации о прикосновении, но не о свете, вкусе, запахе или звуке. Более того, этот нейрон имеет узкую специализацию и собирает информацию только о прикосновениях в области колена, но не локтя или лица. И хотя нейрон находится в мозге, а не на коже, у него есть рецептивное поле – чертеж кожи колена. И это все, что он знает; он получает информацию только об этом отдельном участке.

Аналогичным образом, когда этот нейрон готов отправлять сигнал в другие части мозга, он может сообщить только то, что знает: информацию о прикосновении к колену. Хотя нейрон находится не в колене, а в голове, его сигнал отображает тактильную информацию о колене. Когда клетка отправляет сигнал в другие части мозга, этот сигнал что-то означает. Он отображает происходящее на каком-то конкретном участке кожи. Именно в этом заключается идея об отображении в мозге, и именно это является необходимым элементом для построения карт мозга и реализации многих его функций. Если бы мозг не создавал таких отображений, мы бы не выжили. Мозг позволяет нам собирать информацию от наших чувствительных рецепторов и посылать инструкции мышцам только за счет возможности отображать, что чувствуют рецепторы и как двигаются мышцы.