Дуэль нейрохирургов. Как открывали тайны мозга и почему смерть одного короля смогла перевернуть науку
Шрифт:
Следующим шагом была систематизация «географического положения» этих нейронов. Собираются ли нейроны, предпочитающие линии, под данным углом, в отдельные группы, или они расположены случайно? Как выяснилось, справедливо первое утверждение.
Уже в начале XX века неврологи знали, что нейроны группируются в колонки наподобие щетины на поверхности мозга. Хьюбел и Визел обнаружили, что нейроны в одной колонке обладают сходными предпочтениями: все они реагируют на линии, ориентированные одинаково. Более того, если ученые смещали платиновый электрод к другой колонке (примерно на 0,05 миллиметра в сторону), могло оказаться, что ее клетки реагируют на |, то есть угол отличался от прежнего примерно на десять градусов. При крошечных
Но пространственные закономерности на этом не заканчивались. Дальнейшие исследования показали, что если клетки совместно работали в колонках, то колонки работали вместе в больших группах, словно связки соломинок для питья. В каждой связке было достаточно «колонок ориентации» для охвата всех 180 градусов возможных линий. Кроме того, каждая группа лучше реагировала на один глаз, правый или левый.
Вскоре Хьюбел и Визел обнаружили, что группа колонок для левого глаза плюс группа колонок для правого глаза – так называемая «гиперколонка» – может определить любую линию любой ориентации в пределах одного пикселя зрительного поля. Опять-таки понадобились годы для подтверждения, но выяснилось, что независимо от формы, на которую мы смотрим, – завиток раковины улитки или изгиб бедра – мозг обязательно разделяет эту форму на крошечные линейные сегменты.
Мозгу легче следить за движущимися объектами, чем за неподвижными.
В конце концов Хьюбел и Визел избавились от болей в шее и повернули аппарат так, что привязанная кошка смотрела на экран прямо. Их открытия продолжались. Кроме простых нейронов, реагирующих на линии, Хьюбел и Визел обнаружили нейроны, реагирующие на движение. Некоторые из них возбуждались от движения вверх или вниз, другие – от движения налево или направо, третьи – от движения по диагонали. Как выяснилось, количество таких нейронов намного превосходило количество нейронов, реагирующих на линии. Это указывало на факт, ранее совершенно неизвестный: мозг с большей легкостью следит за движущимися объектами, чем за неподвижными. Все мы обладаем врожденной способностью реагировать на движение.
Почему? Потому что для животных важнее замечать движущиеся предметы (хищников, добычу, падающие деревья), чем статичные предметы, которые могут и подождать. Фактически наше зрение так настроено на восприятие движения, что формально мы даже не видим неподвижные предметы. Для того чтобы увидеть статичный предмет, нам приходится едва заметно перемещать взгляд по его поверхности. Эксперименты показали, что если искусственно создать неподвижный образ на сетчатке с помощью специальных линз и микроэлектроники, то он исчезнет.
Вооруженные этими открытиями – картой зрительной коры Иноуэ и знанием детекторов линий и движения, – ученые наконец смогли описать основы зрительного восприятия у животных.
Самое важное заключалось в том, что каждая «гиперколонка» может определять все возможные движения для всех возможных линий в одном пикселе зрительного поля. («Гиперколонки» также содержат структуры, называемые цветовыми пятнами, которые определяют цвет.) Фактически каждая «гиперколонка» шириной в один миллиметр действует как крошечный автономный глаз, что напоминает устройство фасеточных глаз насекомых. Преимущество этой пиксельной системы, помимо высокой разрешающей способности, состоит в том, что мы можем хранить инструкции для создания «гиперколонки» в нашей ДНК в единственном экземпляре. Для покрытия всего зрительного поля достаточно просто «нажимать кнопку повтора»(23).
Некоторые эксперты утверждали, что за двадцать лет сотрудничества Хьюбела и Визела наука узнала о зрении больше, чем за предыдущие
«Гиперколонки» эффективно разделяли окружающий мир на составные линии и движение, но мир содержит не только движущиеся фигурки из черточек. Настоящее узнавание вещей и обращение к связанным с ними эмоциям и воспоминаниям требует гораздо более сложной обработки в областях мозга за пределами первичной визуальной коры.
Интересно, что следующее открытие в зрительной неврологии – «теория двух потоков» – произошло в 1982 году, сразу же после того, как Хьюбел и Визел получили Нобелевскую премию.
Все пять органов чувств имеют области первичной обработки данных в мозге, разделяющие ощущения на составные части. Кроме того, они имеют так называемые ассоциативные зоны, анализирующие выделенные части и извлекающие более сложную информацию.
Со зрением происходит так: после того, как первичная зрительная кора составляет приблизительное представление о форме и движении объекта, данные разделяются на два потока «как/где» для дальнейшей обработки. Поток определяет, где находится объект и как быстро он движется.
Этот поток направлен от затылочных долей к теменным долям; в конечном счете он активирует двигательные центры мозга, позволяющие нам схватить наблюдаемый объект или уклониться от него. Поток «что» определяет, что это за объект. Он направлен к височным долям и активирует эмоции и воспоминания, которые позволяют узнать объект, воспринимаемый через ощущения.
Никто точно не знает, как происходит это узнавание, но существует интересная гипотеза, связанная с синхронной активизацией цепочек нейронов. В начале потока «что» нейроны довольно неразборчивы: они могут реагировать на любую горизонтальную линию или красное пятно. Но эти нейроны передают свои данные дальше, к более избирательным нейронным цепям. К примеру, те могут реагировать только на красные горизонтальные линии. Еще дальше нейронные цепи могут реагировать только на горизонтальные красные линии с металлическим блеском, и так далее.
Между тем другие нейроны (работающие одновременно с первыми), реагируют на прозрачные стеклянные линии под определенным углом, или на черные резиновые круги. Наконец, когда все эти нейроны срабатывают одновременно, ваш мозг распознает клубок признаков – красный металл, стекло и резину – и говорит: «Ага, «Шевроле Корвет»! (24). За несколько десятых долей секунды мозг также подключает звук, текстуру и запах автомобиля как дополнительную помощь при распознавании. В целом процесс узнавания распределен по разным участкам мозга, а не локализован в одной зоне (см. важное примечание 25).
Разумеется, в повседневной жизни мы не трудимся проводить различие между зрительным восприятием автомобиля (первичная зрительная кора), узнаванием автомобиля (поток «что») и его локализацией в пространстве (поток «как/где»). Мы просто видим. И даже внутри мозга потоки не являются совершенно обособленными: есть множество обратных и перекрестных связей, гарантирующих, например, что вы тянетесь за нужной вещью в нужное время. Тем не менее эти потоки достаточно независимы, так что нарушение каждого из них приводит к катастрофическим результатам.