Текст книги "Инкогнито. Тайная жизнь мозга"

Активность изнутри

При традиционном взгляде на восприятие сигналы от органов чувств подаются в мозг, они прокладывают путь по сенсорной иерархии и становятся видимыми, слышимыми, обретают запах и вкус – «воспринимаются». Однако более близкое знакомство с этими сигналами говорит, что это не так. Мозг штатно рассматривается как большей частью закрытая система, которая работает с внутренне производимой активностью[62]62
  Llinas, I of the Vortex.


[Закрыть]. У нас есть много примеров активности такого рода: например, дыхание, пищеварение и ходьба управляются автономно работающими генераторами активности в стволе мозга и спинном мозге. Во время сна мозг изолирован от нормального входного сигнала, поэтому единственным источником стимуляции коры выступает внутренняя активность. В состоянии бодрствования внутренняя активность становится основой для воображения и галлюцинаций.

Еще более удивительным аспектом этой ситуации является то, что внутренние данные не создаются внешними сенсорными данными, а лишь модулируются ими. В 1911 году шотландский альпинист и нейрофизиолог Томас Грэхем Браун показал, что программа для движения мышц, которые задействуются во время ходьбы, встроена в систему спинного мозга[63]63
  Brown, “The intrinsic factors”. Хотя Браун был известен в 1920-е годы пионерскими опытами по физиологии, он прославился еще больше в 1930-е годы своими всемирно известными горными экспедициями и новыми маршрутами на вершину Монблана.


[Закрыть]. Он отделил сенсорные нервы от ног кошки и продемонстрировал, что та прекрасно могла ходить по беговой дорожке. Это говорило о том, что программа для ходьбы генерировалась в спинном мозге и что сенсорная обратная связь от ног использовалась только для модулирования программы – когда, скажем, кошка шагала по скользкой поверхности или ей нужно было стоять вертикально.

Примечательно, что так работает не только спинной мозг, но и нервная система в целом: сенсорные входные сигналы модулируют активность, генерируемую внутри. С этой точки зрения разница между состояниями бодрствования и сна всего лишь в том, что данные, поступающие от глаз, закрепляют восприятие. Видение во сне (сновидение) – это восприятие, которое ни к чему не привязано в реальном мире; восприятие при бодрствовании – это нечто похожее на сновидение, но больше привязанное к тому, что перед вами. Другие примеры непривязанного восприятия можно найти у заключенных, находящихся в одиночной темной камере, или у людей в камере сенсорной депривации. В обеих ситуациях быстро появляются галлюцинации.

Десять процентов людей с болезнями глаз и потерей зрения будут испытывать зрительные галлюцинации. Так, при одном необычном расстройстве, известном как синдром Шарля Бонне, потерявшие зрение люди начинают видеть различные объекты, например цветы, птиц, других людей, здания, причем они знают, что объекты нереальны. Первым это явление описал швейцарский философ XVIII века Шарль Бонне. Он заметил, что его дед, потерявший зрение из-за катаракты, пытался взаимодействовать с объектами и животными, которых в реальности не существовало.

Хотя этот синдром давно описан в литературе, его редко диагностируют по двум причинам. Во-первых, многие врачи о нем не знают и приписывают его симптомы деменции. Во-вторых, видящие галлюцинации люди расстроены тем, что их зрительная картина является фальшивым вымыслом мозга. Согласно нескольким исследованиям, большинство этих людей никогда не говорили врачам о своих галлюцинациях, опасаясь, что у них диагностируют психическое расстройство.

Что касается диагноза, то самый важный критерий – может ли пациент отделить реальность от грез и осознать, что он галлюцинирует; в этом случае видение называется псевдогаллюцинацией. Конечно, иногда трудно определить, галлюцинируете ли вы. Вам может представляться серебряная ручка на рабочем столе, и вы никак не заподозрите, что она нереальна, поскольку ее присутствие вполне правдоподобно. Распознать галлюцинацию легко только в том случае, когда она невероятна. Насколько можно судить, мы все время галлюцинируем.

Итак, то, что мы называем обычным восприятием, в реальности не отличается от галлюцинаций, с тем лишь исключением, что последние не привязаны к внешнему входному сигналу. Галлюцинации – это просто незакрепленные видения.

В совокупности все эти факты открывают нам удивительный способ смотреть на мозг, чем мы сейчас и займемся.

* * *

Ранние идеи о функционировании мозга отталкивались от простой аналогии с компьютером: мозг был устройством ввода-вывода, которое перемещало сенсорную информацию через различные стадии обработки, пока та не добиралась до конечной точки.

Подобная линейная конвейерная модель стала подвергаться сомнениям, когда было обнаружено, что «мозговые провода» – это не просто линия от А к B, а затем от B к C: существуют контуры обратной связи от C к B, от C к A и от B к A. В мозге количество обратных связей не меньше, чем прямых, – особенность мозговой проводки, которая технически называется возвратностью, а в разговорной речи – зацикленностью[64]64
  Bell, “Levels and loops”.


[Закрыть]. Вся система куда больше похожа на рынок, чем на конвейер. Для внимательного наблюдателя данная особенность нейроцепей указывает, что зрительное восприятие – это не последовательное перемалывание данных, начинающееся в глазах и заканчивающееся в какой-то загадочной точке в задней части мозга.

На самом деле встроенные соединения обратной связи настолько обширны, что система может двигаться и в обратном направлении. То есть в противоположность идее, что первичные сенсорные зоны просто преобразуют входной сигнал во все более сложные интерпретации для следующей, более высокоуровневой, зоны мозга, зона высокого уровня также говорит непосредственно с зонами более низкого уровня. Пример: закройте глаза и представьте муравья, ползущего по красно-белой скатерти к банке пурпурного желе. Низкоуровневые части вашей визуальной системы только что активированы. Хотя в реальности вы не видите муравья, вы видите его глазами разума. Высокоуровневые зоны приводят в действие низкоуровневые. Таким образом, хотя глаза и передают сигнал на низкоуровневые зоны, взаимосвязанность системы означает, что эти зоны прекрасно справляются самостоятельно и в темноте.

Все страннее и страннее. Из-за обширной рыночной динамики различные чувства влияют друг на друга и меняют историю того, что, как нам представляется, находится снаружи. Данные, которые входят через глаза, – дело не одной зрительной системы: затрагивается и остальная часть мозга. При чревовещании звук исходит из одной точки (рот чревовещателя), однако ваши глаза видят двигающийся рот в другом месте (у его куклы). Ваш мозг заключает, что звук исходит непосредственно изо рта куклы. Чревовещатели не «отбрасывают в сторону» свой голос. Всю работу за них делает ваш мозг.

В качестве еще одного примера рассмотрим эффект Мак-Гурка[65]65
  Эффект Мак-Гурка – феномен восприятия, который демонстрирует взаимодействие между слухом и зрением в восприятии речи. Он предполагает, что восприятие речи мультимодально, то есть вовлекает информацию сразу из нескольких органов чувств. Эффект Мак-Гурка также иногда называют эффектом Мак-Гурка – Мак-Дональда. Прим. ред.


[Закрыть]. Если синхронизировать звук слога (ба) с видеоизображением губ, произносящих другой слог (га), то возникает сильная иллюзия, что вы слышите какой-то третий слог (да). Это происходит вследствие взаимосвязанности циклов в мозге, что позволяет голосовым сигналам и сигналам от движения губ сочетаться на ранней стадии обработки[66]66
  McGurk and MacDonald, “Hearing lips”; Schwartz, Robert-Ribes, and Escudier, “Ten years after Summerfield”.


[Закрыть].

Обычно зрение доминирует над слухом, но есть и противоположные примеры. К их числу относится эффект иллюзорной вспышки: если вспышку сопроводить двумя гудками, то кажется, что полыхнуло дважды[67]67
  Shams, Kamitani, and Shimojo, “Illusions”.


[Закрыть]. Это связано с еще одним явлением – «слуховым управлением», при котором видимая частота мигания света увеличивается или уменьшается, если свет сопровождается звуковым сигналом, издаваемым в другом темпе[68]68
  Gebhard and Mowbray, “On discriminating”; Shipley, “Auditory flutterdriving”; Welch, Duttonhurt, and Warren, “Contributions”.


[Закрыть]. Простые иллюзии наподобие упомянутых служат надежными ключами к строению нервных цепей, говоря нам, что зрительная и слуховая системы тесно связаны друг с другом и стараются обрисовать единую историю событий в мире. Линейная конвейерная модель зрения в учебниках не просто вводит в заблуждение – она в корне неверна.

* * *

Так в чем же преимущество зацикленного мозга? Во-первых, это позволяет организму не ограничиваться поведением «стимул – реакция», а дает возможность делать прогнозы для фактического сенсорного входного сигнала. Вспомните о попытках поймать бейсбольный мяч. Если бы вы были просто линейным конвейерным устройством, то не смогли бы этого сделать: между моментом, когда свет попадает к вам на сетчатку, и моментом, когда вы сможете выполнить двигательную команду, есть задержка в сотни миллисекунд. Ваша рука всегда попадала бы в место, где мяч был раньше. Мы способны поймать мяч только потому, что у нас есть глубоко прошитые внутренние модели физических явлений[69]69
  Tresilian, “Visually timed action”; Lacquaniti, Carrozzo, and Borghese, “Planning and control of limb impedance”; Zago, et. al., “Internal models”; McIntyre, Zago, Berthoz, and Lacquaniti, “Does the brain model Newton’s laws?”; Mehta and Schaal, “Forward models”; Kawato, “Internal models”; Wolpert, Ghahramani, and Jordan, “An internal model”; Eagleman, “Time perception is distorted during visual slow motion”, Society for Neuroscience, abstract, 2004.


[Закрыть], которые генерируют предполагаемое время и место приземления мяча в зависимости от ускорения и силы тяжести[70]70
  MacKay, “Towards an information-flow model”; Kenneth Craik, The Nature of Explanation (Cambridge, UK: Cambridge University Press, 1943); Grush, “The emulation theory”. См. также: Kawato, Furukawa, and Suzuki, “A hierarchical neural-network model”; Jordan and Jacobs, “Heirarchical mixtures of experts”; Miall and Wolpert, “Forward models”; Wolpert and Flanagan, “Motor prediction”.


[Закрыть]. Эти параметры в предсказательных внутренних моделях задаются нашим жизненным опытом и обычной практикой. Таким образом, наш мозг работает не только с последними полученными данными, но и конструирует прогнозы о том, где будет мяч.

Это конкретный пример более широкой концепции внутренних моделей внешнего мира. Мозг внутри моделирует то, что произойдет, если вы будете выполнять некоторое действие при определенных условиях. Внутренние модели не только играют роль в двигательных актах (таких как ловля мяча или уклонение), но также лежат в основе сознательного восприятия. Еще в 1940-е годы мыслители начали разбирать идею, что восприятие – это не строительство из кусочков захватываемых данных, а сопоставление ожиданий и поступающих сенсорных данных[71]71
  Grossberg, “How does a brain…?”; Mumford, “On the computational notes architecture”; Ullman, “Sequence seeking”; and Rao, “An optimal estimation approach”.


[Закрыть].

Как бы странно это ни звучало, но подобная конструкция родилась в результате наблюдения, что наши ожидания определяют то, что мы видим. Вы не верите в это? Попробуйте понять, что изображено на рисунке ниже. Если у вашего мозга нет априорного ожидания, что означают эти пятна, то вы увидите только пятна. Чтобы что-то «увидеть», необходимо соответствие между ожиданиями и входящими данными.

Демонстрация роли ожидания в восприятии. Изначально пятна не имеют смысла для зрителя, и только после подсказки изображение обретает смысл. (Не беспокойтесь, если для вас они выглядят пятнами: подсказка появится в этой главе немного позднее.) Взято из Ahissar and Hochstein, 2004

Один из наиболее ранних примеров такой схемы появился в работе нейрофизиолога Дональда Маккея. В 1956 году он предположил, что зрительная кора – это, по сути, машина, задачей которой является генерирование модели мира[72]72
  MacKay, “The epistemological problem”.


[Закрыть]. Маккей считал, что первичная зрительная кора конструирует внутреннюю модель, позволяющую предвидеть данные, поступающие от сетчатки (информацию по анатомии смотрите в приложении). Кора отправляет прогнозы к таламусу, который сообщает о разнице между тем, что поступает через глаза, и тем, что было спрогнозировано. Таламус направляет обратно в кору только информацию об этой разнице. Непредсказанная информация корректирует внутреннюю модель так, чтобы в будущем было меньше несовпадений. Таким образом мозг конкретизирует свою модель мира, уделяя внимание ошибкам. Маккей указывал, что эта модель согласуется с тем анатомическим фактом, что от первичной зрительной коры к таламусу идет вдесятеро больше волокон, чем в обратном направлении, – в точности то, чего можно было бы ожидать, если бы от коры к таламусу направлялись подробные ожидания, а в другом направлении шла только информация с сигналом о разнице.

Все это говорит нам, что восприятие отражает активное сравнение сенсорных входных сигналов с внутренними предсказаниями. Мы получаем возможность понять более масштабную концепцию: осознание среды происходит только в том случае, если сенсорные входные сигналы нарушают ожидания. Когда мир предсказывается успешно, осознание не нужно, поскольку мозг хорошо делает свою работу. Например, когда вы учитесь ездить на велосипеде, требуется масса сознательной концентрации; а через некоторое время, когда сенсорно-двигательные прогнозы отлажены, езда становится бессознательной. Я не имею в виду, что вы не осознаете, что едете на велосипеде, но вы не задумываетесь о том, как держите руль, прикладываете усилие к педалям и балансируете телом. Благодаря обширному опыту ваш мозг точно знает, чего следует ожидать, когда вы совершаете свои движения. Именно поэтому вы не думаете ни о движениях, ни об ощущениях до тех пор, пока что-то не изменится, например не налетит сильный ветер или не спустит шина. Как только новая ситуация нарушает ожидания, сознание включается, а внутренняя модель корректируется.

Предсказуемость связи между действиями и результирующими ощущениями – одна из причин того, что вы, например, не можете себя пощекотать. Другие люди могут это сделать, поскольку их действия для вас непрогнозируемы. Однако способы избавиться от предсказуемости в действиях существуют. Если вы хотите себя пощекотать, попробуйте представить, что положение перышка управляется джойстиком с задержкой по времени: когда вы двигаете ручку, до соответствующего движения перышка проходит не меньше секунды. Устранив предсказуемость, вы получите возможности для «самощекотания». Интересно, что шизофреники могут щекотать себя, поскольку проблемы с синхронизацией времени не позволяют им правильно связывать свои двигательные действия и результирующие ощущения[73]73
  Больше о щекотании можно прочитать в работе: Blakemore, Wolpert, and Frith, “Why can’t you tickle yourself?”. Если брать шире, нарушения сенсорных ожиданий могут информировать мозг об ответственности, то есть вызвано это действие мной или кем-то другим? Шизофренические галлюцинации могут возникать вследствие нарушения соответствия ожиданий о чьих-то двигательных актах результирующим сенсорным сигналам. Неспособность отличить собственные действия от действий независимых агентов означает, что пациент приписывает свои внутренние голоса кому-то другому. Больше об этой идее смотрите в работе: Frith and Dolan, “Brain mechanisms”.


[Закрыть].

Осознав, что мозг является циклической системой с собственной внутренней динамикой, мы получаем возможность понять другие причудливые расстройства. Возьмем, например, синдром Антона – расстройство, при котором инсульт вызывает слепоту, однако пациент ее отрицает[74]74
  Symonds and MacKenzie, “Bilateral loss of vision”.


[Закрыть]. Группа врачей будет стоять вокруг кровати и спрашивать: «Миссис Джонсон, сколько нас у кровати?» – а она будет уверенно отвечать: «Четверо», даже когда на деле их семеро. Врач спросит: «Миссис Джонсон, сколько пальцев я показываю?». Она ответит: «Три», хотя фактически он не показывает их вообще. На вопрос «Какого цвета моя рубашка?» она скажет, что рубашка белая, хотя та голубая. При этом люди с синдромом Антона не прикидываются, что они зрячие, – они искренне верят в это. Их устные сообщения, будучи неверными, не являются ложью. Они ощущают то, что считают зрением, просто оно генерируется внутри. Часто пациент с синдромом Антона некоторое время после инсульта не обращается за помощью, поскольку понятия не имеет, что слеп. Только достаточно потыкавшись о мебель и стены, он начинает понимать, что что-то неладно. Несмотря на то что ответы пациента кажутся странными, их можно понимать как внутреннюю модель: из-за инсульта внешние данные не попадают в нужное место, поэтому реальностью для пациента является то, что генерирует его мозг – со слабой привязкой к реальному миру. В этом смысле то, что пациент ощущает, не отличается от сна или галлюцинаций.

В какой мере вы живете в прошлом?

Мозг конструирует не только зрение и слух, но и восприятие времени.

Когда вы щелкаете пальцами, ваши глаза и уши регистрируют информацию о щелчке, которая обрабатывается в остальной части мозга. Однако сигналы в мозге двигаются весьма медленно, в миллионы раз медленнее, чем электроны по медной проволоке, поэтому нейронная обработка щелчка требует времени. В момент, когда вы его воспринимаете, щелчок уже совершен и завершен. Воспринимаемый мир всегда запаздывает по сравнению с реальным. Иначе говоря, наше восприятие мира подобно телевизионному шоу в прямом эфире, с которым в реальности дело обстоит не так. Шоу идут с задержкой в несколько секунд – на случай, если кто-то допустит неподходящую лексику, поранится или потеряет деталь одежды. То же и с вашей сознательной жизнью: она собирает массу информации, прежде чем пускать что-то в «прямой эфир»[75]75
  Eagleman and Sejnowski, “Motion integration”, and Eagleman, “Human time perception”.


[Закрыть].

Еще более интересно, что слуховая и визуальная информация обрабатывается в мозге с различной скоростью; тем не менее вид щелкающих пальцев и звук щелчка кажутся одновременными. Более того, кажется, что решение щелкнуть сейчас и само действие происходят одновременно с моментом щелчка.

Для животных важно правильно рассчитать время, так что ваш мозг производит немалый объем редакторской работы, чтобы соединить сигналы. В итоге время оказывается психической конструкцией, а не точным барометром происходящего. Чтобы убедиться в этом, подойдите к зеркалу, посмотрите в свои глаза и перемещайте фокус внимания, глядя то в правый глаз, то в левый. Чтобы переместиться из одного положения в другое, глазам требуется несколько десятков миллисекунд, однако – и это загадка – вы никогда не видите их движение. Что происходит в те промежутки времени, когда глаза двигаются? Почему мозг не заботится о небольшом отсутствии входящей зрительной информации?

Таким же образом можно легко растянуть длительность любого события. Вы можете заметить это, бросив взгляд на настенные часы: секундная стрелка кажется замершей на чуть большее время перед тем, как начать двигаться с нормальной скоростью. Простые манипуляции позволяют обнаружить пластичность длительности. Например, представьте, что я на полсекунды включу квадратик на экране вашего компьютера. Если я теперь высвечу второй квадратик, большего размера, то вам покажется, что второй квадрат находился на экране дольше. То же самое произойдет, если квадрат будет ярче. Или он будет двигаться[76]76
  Eagleman and Pariyadath, “Is subjective duration…?”


[Закрыть].

В качестве еще одного примера странностей со временем давайте рассмотрим связь между произведенным действием и ощущением его последствий. Так, если вы инженер, то логично предположить, что нечто, сделанное вами в момент времени 1, приведет к сенсорной обратной связи в момент времени 2. Поэтому вы, скорее всего, удивитесь, обнаружив, что в лаборатории мы можем сделать так, что вам будет казаться, что 2 происходит раньше, чем 1. Представьте, что, нажав кнопку, вы произведете вспышку света. Между вашим нажатием и последующей вспышкой мы устраиваем небольшую паузу – скажем, в одну десятую секунды. После того как вы нажмете на кнопку несколько раз, ваш мозг приспособится к этой паузе, так что вам будет казаться, что эти два события несколько ближе по времени. А теперь мы удивим вас, произведя вспышку сразу после нажатия на кнопку. В этом случае вам будет казаться, что вспышка произошла до вашего действия: вы почувствуете иллюзорную перестановку действия и ощущения. Подобная иллюзия предположительно отражает перекалибровку двигательно-сенсорной временной привязки, которая вытекает из предварительного ожидания, что сенсорные следствия должны следовать за двигательным актом незамедлительно. Оптимальный способ калибровать временные ожидания от поступающих сигналов – взаимодействовать с миром: каждый раз, когда человек пинает что-то или стучит по чему-то, мозг может сделать предположение, что звук, вид и касание должны быть одновременными. Если один из сигналов поступает с задержкой, мозг регулирует свои ожидания, чтобы казалось, что события происходят раньше.

Интерпретация временной привязки двигательных и сенсорных сигналов – не просто трюк мозга: это критически важно для решения проблемы причинно-следственной связи. По существу, причинность требует суждения о порядке во времени: предшествовал мой двигательный акт сенсорному сигналу или следовал после него? Единственный способ правильно решить эту проблему в мультисенсорном мозге – поддерживать хорошую калибровку ожидаемого времени сигналов, чтобы точно определять «до» и «после» – даже учитывая различные сенсорные пути и скорости.

Восприятие времени активно исследуется в моей и других лабораториях, однако главное, что я хочу донести, – что наше ощущение времени (сколько времени прошло, а также что и когда произошло) конструируется мозгом. И этим ощущением легко манипулировать – в точности так же, как и зрением.

Таким образом, первый урок в области доверия своим ощущениям: не доверяйте. Пусть вы верите, что нечто должно быть истинным, пусть вы знаете, что это является истинным, – это не означает, что оно является истинным. Самое важное правило для пилотов-истребителей гласит: «Доверяй приборам». Потому что чувства будут сообщать вам самую невероятную ложь, и если вы поверите им, а не шкале приборов в кабине, то вы разобьетесь. Так что когда в следующий раз кто-нибудь скажет: «Кому вы поверите, мне или своим лживым глазам?» – тщательно обдумайте ответ на этот вопрос.

В итоге мы очень мало знаем о том, что происходит «снаружи». Мозг делает предположения, экономящие время и ресурсы, и пытается увидеть мир ровно настолько, насколько необходимо. Как только мы поняли, что не осознаём большей части вещей, пока не задаем себе вопрос о них, мы сделали первый шаг по пути копания в себе. Мы видим, что то, что мы воспринимаем во внешнем мире, сгенерировано частями мозга, к которым у нас нет доступа.

Принципы недоступной машинерии и богатых иллюзий применяются не только к базовым восприятиям зрения и времени, но и на более высоких уровнях – к тому, что мы думаем, чувствуем и считаем.

Подсказка, которая помогает пятнам обрести очертания бородатой фигуры. Световых паттернов, попадающих в глаза, недостаточно, чтобы распознать изображение в отсутствие ожиданий