Текст книги "Тайны памяти (с иллюстрациями)"

Функциональная единица коры – рецептивное поле. У кошек и обезьян обнаружено три типа полей: простые, сложные и сверхсложные. Рецептивные поля имеют вытянутую форму и реагируют на что угодно, кроме изменения освещенности. Простые рецептивные поля разделены на две или три полоски – зоны. Одна из них возбудительная, а к ней (иногда с двух сторон) примыкают тормозные. Такое устройство рецептивных полей очень помогает им выискивать прямые линии.

Предположим, что для обнаружения линии необходим сигнал ста нейронов рецептивного поля. Не будь тормозных зон, потребовалось бы, чтобы прореагировало сто нейронов из возбудительной зоны. Тормозные зоны берут часть работы на себя, увеличивая чувствительность рецептивного поля. Они как бы сообщают мозгу, что ничего не видят, что линия находится где-то сбоку. Значит, она действительно прямая, а не волнистая и не залезает на территорию тормозных зон. С их помощью линия будет опознана, если в обеих частях рецептивного поля отреагирует по 50 нейронов.

В простое корковое рецептивное поле коры посылают информацию несколько рецептивных полей сетчатки, расположенных по прямой линии. Когда линия ляжет вдоль рецептивных полей сетчатки, возникнет ответ в соответствующем рецептивном поле коры больших полушарий. Таким образом, каждое простое рецептивное поле коры отвечает на раздражитель, появившийся только в определенном районе сетчатки. Простые рецептивные поля одной ориентации располагаются друг над другом, что позволяет следить за движением прямой линии.

В сложных рецептивных полях возбудительных и тормозных зон не удается обнаружить. Они объединяют информацию от простых рецептивных полей и поэтому реагируют на прямую линию, где бы она ни появилась. В свою очередь, сверхсложные поля обобщают показания нескольких сложных полей, обнаруживая углы, концы отрезков прямой, отвечая возбудительной реакцией на линии одних направлений и тормозной – на линии, находящиеся к ней под определенным углом.

Простые рецептивные поля сосредоточены в 17-м поле, сложные – в 18-м, а сверхсложные – в 19-м. К ним доходит информация только от небольшого участка центральной сетчатки. Чтобы можно было рассмотреть детали, изображение должно быть спроецировано на этот участок. Вот почему необходимы следящие движения глаз.

Информация о разных свойствах раздражителя (о цвете, освещенности, линиях, углах, окружностях и т.д.) передается в кору по разным каналам и здесь объединяется.

Вся ее обработка производится нами совершенно бессознательно. В зрительных ощущениях остается только окончательный результат, хотя зрительное восприятие – активный процесс. Об этом свидетельствуют опыты с так называемыми «двусмысленными рисунками».

Грубо их можно разделить на две группы. При рассматривании одних попеременно воспринимается одна часть рисунка то как фон для другой, то как фигура. Из таких рисунков наиболее известны два обращенных друг к другу человеческих профиля, вместе образующие силуэт вазы. Мы попеременно видим то вазу, то профили.

Ко второй группе относятся рисунки, спонтанно меняющие свою глубину. Один из них – фигура Маха – профильное изображение каркаса полуоткрытой книги. Когда на него смотришь, видишь книгу, то повернутую к тебе страницами, то со стороны переплета.

«Двусмысленные рисунки» содержат недостаточно информации, чтобы можно было остановиться на какой-то одной гипотезе. Но, так как восприятие должно быть однозначным, мозг мечется, принимая то одно, то другое решение. Сколько бы мы ни рассматривали «двусмысленные рисунки», наш мозг будет до бесконечности выдвигать поочередно каждую из двух возможных гипотез, чтобы, тут же ее отбросив, обратиться к другой.

Мозг активно ищет однозначного решения. Он обязан определить, что за предметы у нас перед глазами. Выбирается наиболее вероятная гипотеза. Вот почему очень трудны для восприятия незнакомые предметы. Индийский средневековый поэт Бедиль писал:

 
Глаза того не зрят, чего не видит разум,
Чем ум твой овладел, то и увидишь глазом.
 

Вогнутая маска человеческого лица или ее фотография может восприниматься как лицо. Обыденность человеческих лиц столь велика, что информация о глубине отбрасывается нашим мозгом как неправильная и не принимается в расчет.

Итак, подведем итог. От наивного представления, что глаз просто перерисовывает в мозгу картины, возникшие на его сетчатке, пришлось отказаться. В мозг передается лишь самое необходимое. Веcь избыток информации отбрасывается. Рассматривая тучу, достаточно установить ее форму и, если она однородна, цвет. Нет необходимости, разбив ее на мелкие участки, сообщать о каждом, что eго цвет такой же, как у соседнего.

Мозг оперирует показаниями детекторов, которые вычленяют отдельные признаки изображения. Все детекторы смотрят на мир одними и теми же фоторецепторами, но каждый способен заметить только то, на что настроен: прямую линию, угол, окружность. У каждого вида детекторов своя локализация, в связи с этим видимый мир разбивается на куски, систематизируется, и сведения об отдельных его свойствах раскладываются по заранее подготовленным полочкам.

Картина, видимая мозгом, напоминает мозаичное панно, которое рассыпали на составляющие части, а затем кусочки смальты рассортировали по отдельным коробочкам. Мозгу, чтобы узнать изображение, достаточно знать, из каких деталей оно построено, и откуда взят каждый отдельный кусочек. Примерно так работает зрительный анализатор человека.

Я милого узнаю по походке

Большинство людей крайне ненаблюдательны. Многие ли могут с уверенностью сказать, с какой полосы, белой или черной, начинается зебра. Зато все без тени сомнения будут утверждать, что зебра – это белое животное, похожее на лошадь, с поперечными черными полосами. И не ошибутся! В недавно вышедшем шестом томе «Жизни животных» А.Г. Банников и В.Е. Флинт пишут: «По светло-серому или буроватому фону тела зебр идут поперечные черные или черно-бурые полосы».

Кажется, сомнений здесь быть не может. Не совсем так. Спросите о зебре любого африканца, и он, ни на минуту не задумавшись, скажет, что зебра черное животное с белыми полосами. Так представляет себе зебру коренное население Африки.

Образ предмета – это обобщение. Используя с помощью детекторов сжатое описание предмета, мы узнаем его независимо от положения в пространстве, изменения освещенности или масштаба и можем обобщать, следовательно, узнавать разные предметы, относящиеся к одному классу.

Мы легко узнаем букву «а», каким бы шрифтом ее ни напечатали и каким бы почерком ни написали. Одинаково хорошо узнаем воробья, сидящего на ветке, клюющего корку хлеба, купающегося в весенней луже или нахохлившегося зимним морозным вечером.

Наш мозг находит для этого бесспорные признаки, но держит их в секрете. Мы легко отличаем собаку, к какой бы экзотической породе она ни относилась, от любой экстравагантной кошки. Но попробуйте для пришельца из космоса, который еще не видел ни собак, ни кошек, составить программу, пользуясь которой он мог бы легко их различать, и убедитесь, как это трудно. Для таких сложных операций в мозгу не предусмотрены готовые аппараты. Они формируются в течение жизни, по мере знакомства человека с окружающей средой, в том числе и социальной. Вот почему неоднозначно воспринимают цвет зебр европейцы и коренные жители Африки.

Детекторы животных могут вычленять весьма сложные изображения. У куриных птиц существует детектор, позволяющий им по контуру летящей птицы отличать хищника от безобидных тварей. Критерием служит короткий силуэт головы и длинный хвост для хищных птиц, вытянутая вперед на длинной шее голова и короткий хвост для гусей и уток. Распознаванию этих двух образов куры не учатся. Весь механизм в готовом виде имеется уже у только что появившихся на свет цыплят.

Некоторые ученые полагают, что и у человека существуют детекторы для узнавания очень сложных изображений, например человеческих лиц. Недавно было обнаружено, что, если самым маленьким детям предоставить возможность рассматривать различные рисунки, их взор дольше всего задерживается на изображении человеческого лица.

Чем сложнее был рисунок, тем дольше рассматривал его малыш. Изображения лица дети рассматривали вдвое дольше любого рисунка. Ни одна деталь лица сама по себе не привлекала особого внимания. Когда демонстрировался овал со всеми атрибутами лица: глазами, носом, ртом, бровями, волосами, но разбросанными в таком беспорядке, что признать рисунок за изображение лица было никак невозможно, – он не привлекал особого внимания младенца.

Единого мнения о возможности врожденного существования у человека таких сложных детекторов нет. Несомненно, что даже простыми детекторами человек должен учиться пользоваться. Слепые от рождения люди, которым оперативным путем удалось вернуть зрение, долгое время учатся видеть. Активные, разносторонне развитые субъекты значительно быстрее обучаются пользоваться зрением, зато менее развитые и очень поздно прозревшие не могут достичь сколько-нибудь значительных успехов. Нередко, несмотря на известные положительные результаты, они переставали пользоваться зрением и возвращались к прежней жизни, в мир осязания.

Вскоре после операции благодаря врожденным детекторам прозревшие легко обнаруживают прямые линии, но решить, какая из них горизонтальная, а какая вертикальная, не могут. Легко замечая разницу между цветами, долго не могут запомнить, какой цвет считается красным, а какой – синим. С помощью детекторов они могут увидеть шар и круг, квадрат и куб, но не в состоянии отличить ни круг от шара, ни шар от куба, хотя отлично умеют это делать на ощупь.

Особенно трудно дается узнавание более сложных предметов. Описан больной, долго не умевший отличить петуха от лошади. В его мозгу неправильно сформировались различительные признаки. Путаницу внес

[В этом месте в скане пропущены две страницы. – Прим. Sclex’а и Hugger’а.]

только для головы животного, другая – еще и для лапок. При вращении одной из корзинок в ту же сторону начинала вращаться вторая, так что оба котенка все время видели одинаковые картины. Вращал корзинки котенок, лапки которого касались пола. Зрение сформировалось только у него, пассивное животное, по существу, осталось слепым.

Простейшие изображения, линии определенного направления или углы человек узнает с помощью детекторов. Если испытуемому набор таких простых рисунков показывали на доли секунды, время поиска нужного изображения не зависело от общего их числа.

Иначе опознаются сложные рисунки. Даже когда человек был хорошо с ними знаком, ему требовалось тем больше времени на поиски, чем больше их одновременно показывали. Интересно, что ни размер изображения, ни сложность рисунков не удлиняли время поисков. Значит, время опознания не зависит у человека от количества простых признаков, с помощью которых мы узнаем предмет. Хотя на их основе мы формулируем сложный признак.

Видимо, обработка простых признаков идет одновременно по разным каналам и друг другу не мешает. Поэтому нет никакой разницы в том, сколько простых признаков привлечено к образованию сложного. Испытуемому безразлично, разыскивать ли самый маленький кружок среди кружков различной величины или искать его среди кружков и квадратиков. Время поиска от этого не изменится. Значит, эти операции – узнавание формы и величины – выполняются одновременно и не мешают друг другу.

Другое доказательство раздельной обработки простых признаков получено в опытах с фиксацией изображения на сетчатке. Изображение, удерживаемое строго на одном участке, очень скоро перестанет вызывать возбуждение, и человек его не видит. Неподвижность изображения достигается тем, что раздражитель на присоске крепят к глазному яблоку. Теперь при движении глаза изображение не смещается. Было отмечено, что первым всегда выпадает цветоощущение, а за ним – информация о форме. Значит, сообщения о цвете и форме передаются по разным каналам.

Одновременно рассматривать несколько сложных рисунков невозможно. Вначале предпринимается попытка рассматривать все сразу. Однако вскоре опознание сосредоточивается на одном рисунке. Лишь после того, как вероятность правильности опознания достигнет 70 процентов, начинается опознание второго, тоже до этого уровня и так далее. Каждое последующее изображение опознается чуточку быстрее предыдущего, так как начинается не с нуля. Все время, пока шло интенсивное опознание первого рисунка, мозг работал и над остальными, но в более медленном темпе.

Когда рисунок очень сложен, отдельные его части опознаются порознь, а затем формируется общая картина. Обычно мы этого не замечаем. Нам кажется, что мы видим все изображение сразу. Это один из обманов зрения. На самом деле мы последовательно переходим от детали к детали, и в тот момент, когда рассматривается только одна из его частей, все остальное, только что увиденное, выдает нам блок краткосрочной памяти. Разглядывая рисунок, мы не осознаем, что в данный момент нами распознается, а что дополнено нашей памятью.

Интересные результаты дает изучение зрительного восприятия у больных с различными повреждениями мозга. Удалось обнаружить участки, которые заведуют восприятием цвета, формы и местоположения в пространстве. Если разрушен один из них, возникает дефект восприятия.

Описаны больные с поражением определенных зон коры больших полушарий, у которых пострадало только цветоощущение. В задневисочной области найдены зоны, при поражении которых больной теряет способность узнавать предметы по внешнему виду. Ощупав их руками, он без труда скажет, что имеет дело с ложкой или балалайкой, а с помощью зрения сделать это не в состоянии. При поражении нижнетеменной области больной отлично узнает предметы, но затрудняется сказать, близко или далеко до них, что расположено выше, а что ниже, что дальше и что ближе и что куда движется.

Итак, образ не поточечное описание изображения. Спроецированное на многотысячных ансамблях сетчатки, оно становится образом на вершине многоэтажной пирамиды детекторов. Создание образа есть творческий процесс, связанный с явлениями памяти и обучения.

Искры из глаз

Иногда говорят: удар был так силен, что искры посыпались из глаз. Действительно, удар по лицу, подзатыльник и вообще удар по голове вызывает у пострадавшего зрительные ощущения: похоже, что хотя и не из глаз, но в непосредственной близости от них вылетает россыпь бенгальских огней. К сожалению, сторонний наблюдатель не в состоянии насладиться этим ослепительным зрелищем, а потерпевшему и вовсе не до того.

Аналогичный эффект можно вызвать и более деликатным способом, путем точечного раздражения электрическим током затылочных областей коры больших полушарий. Человек, некоторое время находившийся в темноте, или больной, потерявший зрение, видит вспыхнувшую в черном бездонном небе одинокую звезду, световое пятно или реже небольшую светящуюся полоску. Описанное явление носит название фосфена. Выходит, что мозг может видеть, не прибегая к помощи глаз. Значит, можно сделать попытку вернуть зрение лицам, потерявшим его в результате болезни глаз.

В Западной Германии 15 лет назад слепому вживили в затылочную область мозга 4 стальные проволочки. От 4 фотоэлементов на каждый электрод подавался электрический ток, усиливаемый специальным устройством. Водя вокруг себя батарейкой фотоэлементов, больной мог найти источник света: настольную лампу, зажженный карманный фонарик.

Четырех световоспринимающих элементов недостаточно, чтобы восполнить потерю глаз. Даже у мухи их неизмеримо больше. Человеческий глаз воспринимает зрительное изображение с помощью 7 миллионов колбочек и 130 миллионов палочек и передает в мозг по 900 тысячам нервных волокон.

В настоящее время искусственный глаз представляется следующим образом. Во-первых, нужна миниатюрная матрица световоспринимающих элементов и объектив, фокусирующий изображение. Во-вторых, – устройство, преобразующее оптическую информацию в электрический стимул. И наконец, в-третьих, – сложный, многоячеистый электрод, накладываемый на мозг для его раздражения.

Трудней всего создать среднее звено. Это должен быть крохотный, умещающийся под шляпой компьютер для преобразования информации фотоэлементов и подгонку ее под параметры мозга.

Геометрия раздражения мозга может не соответствовать геометрии возникающих ощущений. Машина должна разобраться в этом, держать в памяти сведения о местоположении фосфенов и преобразовывать соответствующим образом сигналы фотоэлементов.

Под разными электродами будут возникать фосфены неодинаковой яркости. Компьютер должен запомнить чувствительность каждого участка мозга и соответствующим образом регулировать раздражение, чтобы его яркость точно соответствовала яркости изображения.

Наконец, чтобы возник фосфен, нужно одиночные импульсы фотоэлементов многократно повторять с частотой до 100 раз в секунду.

На пути искусственного глаза стоят огромные трудности. На человеке нельзя экспериментировать, а у животного не спросишь, видит ли оно фосфен и каков он. У медиков нет уверенности, что постоянная стимуляция мозга окажется безвредной для человека, и никто из хирургов не решится надолго оставить толстый пучок электродов в мозгу больного.

В силу огромной сложности и значительного риска искусственный глаз опробован лишь дважды. В первом случае в мозг ввели 80 электродов, из них 40 оказались способными вызывать фосфен. За 4 года из-за поломки большинство электродов перестали вызывать эффект, а оставшихся было недостаточно для моделирования зрения.

Вторым пациентом стал мужчина 60 лет, лишенный зрения на протяжении 30 лет. Ему вживили 75 электродов, 68 из них смогло работать. К сожалению, размер возникающих фосфенов был невелик. Они занимали в поле зрения площадь порядка 1 градуса. Для мозга не прошло бесследно длительное отсутствие зрительных впечатлений. С помощью искусственного глаза больной мог без труда опознавать простые зрительные изображения, однако, ощупывая рукой, он это делал быстрее.

Глазной протез позволял видеть только относительно крупные изображения, так как его разрешающая способность в 2 тысячи раз меньше человеческого глаза. Все-таки, хотя и подслеповатые, искусственные глаза смогут вернуть больному настоящее зрение, когда ученые сумеют вживлять в мозг раз в 100 больше электродов, чем было сделано в первых пробах. Проблема протезирования зрения кажется в настоящее время принципиально возможной.

Информация звуковых волн

Народная поговорка гласит: не каждому слуху верь. И не веришь! Мы живем в хаосе звуков, но на многие ли из них обращаем внимание?

Задача органа слуха – определить, что служит источником звуковых волн и какими свойствами он обладает: неподвижен ли, а если движется, то куда, с какой скоростью. Вся информация должна быть получена (можно сказать, высосана из пальца) путем анализа упругих волн, распространяющихся в воздухе, воде или в твердых телах (земле, древесине и т.д.).

Работа слухового анализатора человека не менее сложна, чем зрительного. Он обязан уметь оперативно разобраться в длинном потоке сложных звуковых колебаний, каким является наша обыденная речь. Животные также обладают довольно изощренным слухом. Малые африканские фламинго узнают по голосу своего ребятенка среди 50–100 тысяч таких же малышей, дожидающихся возвращения родителей.

Когда на нашей планете зарождалась жизнь, не было источников звука, способных передвигаться быстрее, чем распространялись звуковые волны. В этом и состояла огромная ценность звуковой информации. Она давала возможность заблаговременно получить достоверные сведения о существах, находящихся еще далеко. Значительно раньше, чем состоится личная встреча.

Периферический рецептор, воспринимающий звуковые волны, если описать его очень упрощенно (он расположен во внутреннем ухе), представляет собой миниатюрную арфу, с постепенно меняющейся длиной струн. Каждая струна отзывается, то есть начинает колебаться (и возбуждает соответствующую нервную клетку), лишь в ответ на звуковые волны определенной частоты в строгом соответствии со своей длиной.

У мозгового отдела слухового анализатора много общего со зрительным. На различных этажах мозга есть экранные структуры, в которых можно найти проекцию арфы – кохлеарного аппарата улитки. Поэтому высокие и низкие звуки анализируются в противоположных концах экрана. Только в коре каждого полушария не менее четырех проекций. На каждые 2 миллиметра проекции частота звуковых волн меняется на 1 октаву.

В слуховой системе долго не могли найти детекторов. Возможно, не то искали. Одним из первых был обнаружен детектор перемещения в пространстве. Он реагирует только на уменьшение интервала между звуками, приходящими в левое и правое ухо. Если мимо животного движется объект, производящий звуки, то пока он находится далеко слева, звуки в левое ухо приходят раньше, чем в правое. Постепенно этот интервал будет все короче и короче, пока звучащий объект не начнет удаляться вправо. Детектор, воспринимающий увеличение интервала между звуками, пока не обнаружен.

Детекторов расстояния известно три. Они реагируют на изменение интенсивности звуков. Для одних нейронов безразлично, усиливаются звуки или ослабевают. Видимо, этот детектор сторожевой. Он сообщает мозгу, что где-то недалеко находится зверь, который перемещается в пространстве.

Его сигналы вызывают настораживание остальных детекторов расстояния. Часть из них отвечает только на усиление звуков, то есть реагирует на приближение другого существа и прекращает импульсацию, как только оно начнет удаляться и звуки станут ослабевать. Другие воспринимают удаление звучащего существа, отвечая усилением электрических разрядов лишь на ослабление звуков.

В коре больших полушарий были обнаружены нейроны, реагирующие только на тоны строго определенной частоты, и три типа нейронов, откликающиеся на звуки с меняющейся частотой. Два – при изменении частоты только в каком-то одном направлении (возрастание или уменьшение), третий – в любом случае, лишь бы частота менялась.

Весьма загадочна функция «нейронов внимания». Они реагируют на звуки только в том случае, если животное рассматривает звучащий предмет. Может быть, их участие необходимо, когда животное должно выяснить и запомнить, что представляет собой объект, издающий новый, незнакомый звук. Возможно, это нейроны-скептики, не считающие достоверными и не обращающие внимания на те звуки, источник которых им неизвестен.

У насекомых детекторы звуков часто носят служебный характер, тотчас запуская специальные реакции животного (без предварительного обсуждения воспринятой информации мозгом). Так работает у ночных бабочек детектор обнаружения летучей мыши. Он воспринимает только ультразвуки. Если локационный луч охотящейся летучей мыши упрется в летящее насекомое, детекторы обнаружения, находящиеся в крыльях, мгновенно посылают команду мышцам, крылья складываются, и бабочка падает в траву.

Нелегко понять особенности звукового восприятия. Стрекотание сверчка – это приглашение самке явиться на свидание. Конечно, самец должен петь по правилам, чтобы самка узнала самца. От общения с иноплеменным потомства не будет.

Между тем песня некоторых сверчков весьма непостоянна. Иногда певец выдает длинные однообразные рулады, разделенные большими паузами: ч-ч-ч-ч-ч-ч – пауза, ч-ч-ч-ч-ч-ч – пауза. Длина рулад и пауз всегда постоянна. Иногда вместо сплошных рулад слышно несколько чирканий, разделенных паузой: чик-чик-чик-чик – пауза, чик-чик-чик-чик – пауза. Наконец, певец может просто долго-долго чиркать, не делая пауз: чик-чик-чик-чик-чик-чик-чик… На любую песню самка спешит к самцу. Что ее привлекает?

С помощью магнитофона исследователи записали все три песни и проиграли их для самки по отдельности. Выяснилось, что сплошные чирканья оставляют самку совершенно равнодушной, зато песнь, разделенная паузами определенного размера, ее привлекала. Значит, размер паузы является удостоверением личности самца, подтверждающим принадлежность к определенному виду. Затем сравнили степень привлекательности сплошных рулад и состоящих из отдельных чирканий, разделенных одинаковыми паузами. Когда обе песни звучали одновременно, справа и слева, самки, не задумываясь, поворачивали в ту сторону, откуда неслись чирканья. Именно чирканья служат призывом к встрече. Оказалось, что сплошные рулады тоже привлекают самок, но только в том случае, если сначала была разделенная паузами песня. Значит, детектор, определяющий величину паузы, запускает работу второго.

Изучение звуковых реакций животных и детекторов, воспринимающих звуки, еще только начинается и сулит нам немало интересных находок.