Текст книги "Прямо сейчас ваш мозг совершает подвиг. Как человек научился читать и превращать слова на бумаге в миры и смыслы"

Расшифровка читающего мозга

За последние 20 лет методы функциональной визуализации произвели настоящую революцию в изучении коры человеческого мозга, позволив нам буквально «читать в мозге». Благодаря им мы можем увидеть мозговую активность в тот самый момент, когда человек выполняет некую мыслительную операцию – например, читает. Во многих отношениях нейровизуализационые эксперименты гораздо проще и надежнее, чем изучение данных о повреждениях. Кто может сказать, в какой степени мозг реорганизуется после травмы? Инсульт, например, может привести к нарушению областей, расположенных на достаточном удалении от первичного очага поражения. Обычно в течение следующих нескольких недель наблюдается масштабная перестройка церебральной деятельности: больной пытается восстановить утраченные функции с помощью нейронных цепей, которые никогда не используются для подобных задач здоровым мозгом. Наконец, инсульт непредсказуем. Зона поражения может быть обширной и обусловленной анатомическим распределением артерий, а потому не является надежным индикатором функциональной организации здорового мозга. Если бы мы не имели возможности визуализировать нормальный человеческий мозг, наша задача была бы сродни задаче подмастерья, который пытается постичь часовое дело, изучая сломанные механизмы.

Визуализация основана на простом принципе, сформулированном еще в XVIII веке французским химиком Антуаном Лораном Лавуазье. Как и любой другой орган, мозг во время работы расходует больше энергии, чем в состоянии покоя. В своих первых исследованиях о дыхании животных[117]117
  Исследования А. Л. Лавуазье и французского химика А. Сегена, показавшие, что дыхание животных представляет собой медленное горение, благодаря которому в организме поддерживается постоянный запас тепла. (Прим. ред.)


[Закрыть] (1789) Лавуазье предвосхитил то, как эта простая идея может быть применена к измерению мозговой активности:

Данный метод наблюдения приводит к сравнению между собою таких применений силы, между которыми, казалось, нет никакой связи. Можно оценить, например, сколько фунтов веса соответствует усилиям человека, который произносит речь, или музыканта, играющего на инструменте. Можно было бы даже оценить то, что составляет механическую часть в труде размышляющего философа, пишущего литератора, композитора, сочиняющего музыку. Указанные явления, рассматриваемые обычно как чисто духовные, имеют нечто физическое и материальное, что и позволяет в этом отношении сравнивать их с тем, что выполняет чернорабочий[118]118
  Дорфман Я. Г. Лавуазье. – М.: Издательство Академии наук СССР, 1948. (Прим. перев.)


[Закрыть].

Пройдет 200 лет, прежде чем эта простая идея будет воплощена в жизнь. В 1988 году Стив Питерсен, Майкл Познер, Маркус Райхле и их коллеги первыми визуализировали области мозга, которые потребляют энергию во время чтения[119]119
  Petersen et al., 1988; также см. Posner et al., 1988; Petersen et al., 1989; Petersen et al., 1990.


[Закрыть]. Для выявления функциональной организации речевых центров они использовали позитронно-эмиссионную томографию (ПЭТ). Лавуазье никак не мог предвидеть того своеобразного сочетания психологии и ядерной физики, на котором основан этот метод. Испытуемым вводят небольшое количество радиоактивной воды, в которой стандартный атом кислорода (16O) заменен кислородом 15. Кровь приносит радиоактивные метки в мозг, где клетки поглощают кислород из крови. Чем выше нейронная активность, тем больше радиоактивного вещества накопится в этой зоне. В результате локальные пики радиоактивности непосредственно отражают «горячие точки» мозга.

Через несколько десятков секунд атомы кислорода 15 самопроизвольно возвращаются в свое стабильное состояние (кислород 16), испуская позитрон – элементарную частицу, зеркальную копию электрона. Когда позитрон сталкивается с электроном, они превращаются в два высокоэнергетических фотона. Именно эти частицы света, разлетающиеся в противоположных направлениях, обнаруживает сканер. Кристаллы вокруг головы испытуемого передают эту информацию в мощный компьютер, и тот реконструирует место, где произошел распад. В итоге мы получаем трехмерное изображение, на котором показано точное распределение энергии, потребляемой мозгом. Отсюда сам термин «томография», образованный от греческих слов tomos («срез») и graphein («рисунок»).

Что касается психологии, то и здесь Питерсен и его коллеги ввели некоторые новшества. Так, во время сканирования испытуемые должны были выполнять ряд постепенно усложняющихся задач. Сначала ученые делали снимки мозга в состоянии покоя, когда человек не был возбужден и не думал ни о чем конкретном. На втором этапе они замеряли нейронную активность во время повторения слов – напечатанных или произнесенных вслух. На третьем этапе испытуемых просили назвать глагол, связанный с каждым из представленных слов (например, «есть» или «кушать» для стимульного слова «торт»), и замеряли нейронную активность в процессе генерирования вербальных ассоциаций.

Питерсен и его коллеги надеялись, что таким образом им удастся идентифицировать области мозга, последовательно задействованные в зрительном и слуховом распознавании слов, артикуляции и мысленном управлении смыслами.

Снимки, полученные в ходе этого эксперимента, оказались настолько впечатляющими, что вскоре появились на первых полосах газет по всему миру и стали неотъемлемой частью науки о мозге. Впервые в истории были сфотографированы области живого человеческого мозга, отвечающие за речь (рис. 2.3)! Хотя позже эти изображения пришлось подкорректировать, все ключевые наблюдения были воспроизведены в рамках других исследований. Всякий раз, когда испытуемые смотрели на написанные слова, «загоралась» зрительная область, расположенная на затылке. Выраженная активность наблюдалась и на границе между затылочной и височной долями в левом полушарии. Этот небольшой участок в точности совпадал с областью, которую мы называем «буквенная касса». Звук произносимого слова не возбуждал ни одну из этих зон, зато вызывал активность в верхней и средней височной коре, отвечающих за обработку слуховых сигналов и устной речи. Произнесение слова вслух стимулировало участок в переднем отделе левого полушария, в непосредственной близости от области речепроизводства, открытой французским неврологом Полем Брока в XIX веке, а также левую и правую моторные области. Наконец, семантические ассоциации требовали мобилизации левой нижней префронтальной коры, часто ассоциируемой с творческим мышлением.

Рис. 2.3. Эпохальный снимок: речевые области мозга, впервые выявленные в ходе ПЭТ-сканирования (по материалам статьи Petersen et al., 1989; изображение любезно предоставлено Маркусом Райхле). Беззвучное чтение (вверху справа) запускает процессы зрительного распознавания слов в задней части левого полушария. В зависимости от поставленной задачи информация затем передается в области, кодирующие речевые звуки (вверху слева), речепроизводство (внизу слева) или управление смыслами (внизу справа). Использовано с разрешения Майка Познера и Маркуса Райхле.

Из всех этих зон только одна, левая затылочно-височная область, по-видимому, играла центральную роль в чтении. Удивительно, но ее локализация в точности совпадала с зоной чистой алексии, выявленной в ходе исследований повреждений мозга. Питерсен и его коллеги заметили, что эта область активизировалась только при виде письменных слов и не относилась к системе низкоуровневых зрительных участков, реагирующих на такие визуальные паттерны, как шашечница. В результате было высказано предположение, что она служит своеобразным связующим звеном между первичными зрительными анализаторами и остальной частью речевой системы. Проще говоря, это фильтр, через который должна пройти визуальная информация, прежде чем попасть в речевые центры. Он избирательно анализирует входящие изображения на наличие букв и направляет их в другие отделы мозга, которые преобразуют их в звук и смысл.

Универсальность чтения

Ключевую роль, которую играет в чтении область зрительной формы слова, подтвердил и другой, более гибкий метод визуализации, в значительной степени вытеснивший ПЭТ-сканирование. Это функциональная магнитно-резонансная томография, или сокращенно фМРТ. По сравнению с ПЭТ, фМРТ имеет два ключевых преимущества: она доступна в любой больнице и абсолютно безвредна, поскольку не требует введения в организм радиоактивных веществ. Аппарат фМРТ регистрирует сигнал магнитного резонанса, создаваемый колебаниями уровня кислорода в крови. Клетки крови содержат большое количество гемоглобина – молекул, отвечающих за транспортацию кислорода. Грубо говоря, если молекула гемоглобина не несет кислород, она ведет себя как маленький магнит и нарушает локальное магнитное поле, тем самым ослабляя сигнал, принимаемый аппаратом фМРТ. И наоборот, молекула гемоглобина, содержащая кислород, в магнитном поле становится прозрачной. Это изменение воспринимается устройством как небольшое, но измеримое усиление резонансного сигнала.

Каким же образом колебания уровня кислорода в крови позволяют измерять активность мозга? Кровеносные сосуды и нейроны тесно связаны между собой. Всякий раз, когда активируется та или иная область, ее кровеносные сосуды расширяются, и через одну-пять секунд она получает приток крови, насыщенной кислородом. Измеряя оксигенацию[120]120
  Насыщенность кислородом. (Прим. науч. ред.)


[Закрыть] крови, фМРТ показывает, насколько увеличилась нейронная активность в предыдущие несколько секунд. Более того, она позволяет получить трехмерное изображение любой части мозга. Мой французский коллега Дени Ле Биан, один из самых известных специалистов по магнитному резонансу, сравнивает этот метод со слежкой за садовником. Не зная, где он посеял семена, мы все же можем предугадать, где они прорастут – достаточно подсмотреть, какое место он поливает каждый день. Отслеживание кровотока представляет собой косвенный, но очень чувствительный способ мониторинга работы нейронов.

Главное преимущество заключается в быстрой работе фМРТ. За одно обследование можно получить несколько тысяч последовательных изображений всего мозга с пространственным разрешением в несколько миллиметров. Функциональная МРТ делает общий снимок каждые две-три секунды, а ПЭТ – каждые 12 минут. Как уже говорилось ранее, фМРТ необычайно чувствительна, поэтому нет никакой необходимости усреднять результаты сканирования, полученные за длительный период времени или от десятков испытуемых. Одного письменного слова достаточно, чтобы спровоцировать вспышку активности в области «буквенной кассы». Данных, собранных за несколько минут, хватит, чтобы составить точную карту интенсивной мозговой активности, вызванной письменными словами в левой вентральной зрительной коре любого человека.

Благодаря этому удивительному инструменту визуализации мы можем измерить индивидуальные вариации в нейронных сетях, отвечающих за чтение. Если проанализировать снимки мозга всех людей, прошедших сканирование, мы обнаружим, что область зрительной формы слова всегда локализована в одном и том же месте вентральной части зрительной системы. Точное расположение незначительно варьируется от одного человека к другому: детали отдельных складок коры уникальны, как уникальны два смятых листа бумаги. Тем не менее все мы имеем область «буквенной кассы», которая неизменно обнаруживается примерно в одном и том же месте.

При составлении карты коры головного мозга ученые полагаются на две системы. В рамках первой из них, разработанной на основании результатов вскрытий, собранных за 200 лет, были выявлены и обозначены основные ориентиры – своеобразные «лунные кратеры» мозга. С этой точки зрения область «буквенной кассы» всегда расположена в пределах латеральной затылочно-височной борозды – складки, идущей вдоль всей веретенообразной извилины (рис. 2.4)[121]121
  Dehaene et al., 2002.


[Закрыть]. Вторая система, менее зависимая от сложных анатомических ярлыков, была изобретена французским хирургом Жаном Талерашем и позднее усовершенствована исследователями Монреальского неврологического института. Это геометрическая система позиционирования, очень похожая на GPS. Она состоит из трех перпендикулярных осей, нормализованных с учетом размера мозга. В этом случае различия в расположении области «буквенной кассы» как между разными людьми, так и между разными экспериментальными лабораториями составляют не более пяти миллиметров[122]122
  Cohen et al., 2000. В системе координат Монреальского неврологического института вариации составляют –42 мм по поперечной оси, –57 мм по продольной оси и –12 мм по вертикальной оси.


[Закрыть]. Даже мозг китайцев и японцев, как мы увидим позже, обладает областью, отвечающей за чтение, причем находится она приблизительно там же, где и у нас[123]123
  На рисунке 2.4 виден источник вариабельности: хотя левая затылочно-височная область активировалась у всех обследованных нами субъектов, активация в симметричной ей области правого полушария наблюдалась лишь у некоторых из них. Хотя причины этого пока неизвестны, такая особенность может служить фактором потенциального восстановления некоторой способности к чтению после инфаркта левого полушария (Cohen, Henry et al., 2004).


[Закрыть]. Обратите внимание, что направление, в котором мы читаем (слева направо или справа налево), по всей видимости, не влияет на ее расположение в левом полушарии. Область «буквенной кассы» локализована в определенном месте, на краю левой затылочно-височной борозды[124]124
  Hasson et al., 2002.


[Закрыть], и у людей, читающих слева направо, и у людей, читающих справа налево.

Рис. 2.4. Функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ) позволяет всего за несколько минут локализовать участки мозга, участвующие в чтении. Участники эксперимента читали слова, предъявляемые с произвольными интервалами. После каждого слова в областях, задействованных в чтении, наблюдалось характерное усиление МР-сигнала, достигавшего пика примерно через пять секунд. Активная сеть варьируется в зависимости от конкретной задачи и характера контрольного состояния. Тем не менее она всегда включает в себя область зрительной формы слова («буквенной кассы» мозга). Она локализована в левой латеральной области затылочно-височной борозды, рядом с веретенообразной извилиной.

Тот факт, что у всех людей «буквенная касса» расположена идентично, может показаться странным. Чтение – это когнитивная, социальная и культурная деятельность, насчитывающая 5000 лет. Ее поверхностные формы, конечно же, отличаются от одной культуры к другой. Точно так же варьируются и индивидуальные навыки чтения – все зависит от того, как именно человек учился читать. Некоторые часами бормотали слоги, соединяя звуки с буквами; другие занимались по системе Монтессори и щупали шершавые буквы; третьи мучились с так называемым методом целых слов. Удивительно, но, несмотря на столь существенные различия, за распознавание письменной речи у всех нас отвечает одна и та же область.

Мозаика зрительных предпочтений

Функциональные свойства области «буквенной кассы» тоже стабильны. На рис. 2.5 приведены снимки мозга семи человек, демонстрирующие избирательное возбуждение в ответ на письменные слова и отсутствие активности в ответ на их устную форму[125]125
  Booth et al., 2002; Cohen, Jobert et al., 2004.


[Закрыть]. Это явление, отмеченное еще Стивом Питерсеном и его коллегами в исследовании 1998 года, свидетельствует о том, что в большинстве случаев «буквенная касса» не реагирует на устную речь. Следовательно, можно считать, что ее «интересует» только письменное слово. Впрочем, из этого правила есть одно исключение – мысленное проговаривание слов по буквам. Например, испытуемых можно спросить, содержит ли произнесенное слово нисходящую букву, такую как «р» или «у» (нисходящие буквы – это буквы, элементы которых выходят за нижнюю границу строки). В таких случаях в области «буквенной кассы» регистрируется умеренная активность – человек мысленно представляет, как это слово пишется[126]126
  Tokunaga et al., 1999; Nakamura et al., 2000.


[Закрыть]. То же самое происходит, когда носителей японского языка просят представить написание слова в уме[127]127
  Burton, Small, & Blumstein, 2000.


[Закрыть]. Наконец, если предложить испытуемым сосредоточиться на разнице между двумя похожими словами, например «дом» и «том», область «буквенной кассы» тоже вспыхнет – вероятно, потому, что доступ к буквам «д» и «т» облегчает различение звуков[128]128
  Ishai et al., 1999; Haxby et al., 2000; Ishai et al., 2000; Haxby et al., 2001; Levy et al., 2001; Hasson et al., 2002; Malach, Levy, & Hasson, 2002; Hasson et al., 2003.


[Закрыть]. Очевидно, все эти задачи требуют нисходящего доступа от звуков речи к буквам. В таких случаях сигнал, вероятно, движется по маршруту, противоположному тому, который обычно используется при чтении. За исключением этих специфических ситуаций, область «буквенной кассы» обычно реагирует лишь на письменные слова и игнорирует устные.

Рис. 2.5. Активацию области зрительной формы слова можно наблюдать у любого грамотного человека. Участники эксперимента видели или слышали пары слов, после чего должны были определить, разные это слова или нет. У семи испытуемых письменные слова активировали левую затылочно-височную область («буквенную кассу» мозга). Активность регистрировалась в одном и том же месте, несмотря на вариативность моделей складчатости коры. Обратите внимание, что произнесенные слова не вызывали никакой реакции в этой зоне (по материалам статьи Dehaene et al., 2002). Использовано с разрешения Wolters Kluwer/Lippincott, Williams & Wilkins.

Рис. 2.6. Нижняя часть поверхности мозга усеяна специальными зрительными детекторами. Каждая область коры в основном реагирует только на определенную категорию объектов. Паттерн предпочтений наблюдается в одном и том же порядке у всех людей. Чтение всегда активирует область, расположенную между пиковыми реакциями на лица и предметы (по материалам статьи Ishai et al., 2000; Puce et al., 1996). Адаптировано с разрешения Алюмиты Ишай.

Таким образом, все данные указывают на то, что эта область отвечает за визуальный анализ. Вопрос в том, насколько она универсальна. «Буквенная касса» обрабатывает любой зрительный объект? Или же она специализируется только на чтении? Как ни странно, наш мозг является сторонником разделения труда: все визуальные объекты делятся на категории, каждую из которых обрабатывает определенный участок коры. Часть этой области предпочитает письмо широкому спектру других зрительных стимулов, и это обнаруживается у всех людей в определенном месте. Распознавание домов и пейзажей преимущественно задействует зоны, близкие к срединной линии мозга. Если двигаться в сторону, к латеральным (боковым) отделам, реакция на написанные слова сменяется откликом на лица. На краю мозга расположен сектор, в основном откликающийся на предметы и инструменты (рис. 2.6)[129]129
  Puce et al., 1996.


[Закрыть].

Нейрорадиолог Эйна Пьюс стала первым ученым, использовавшим чувствительность и высокое пространственное разрешение фМРТ для изучения зрительной «мозаики» у разных людей. Так, во время сканирования она показывала испытуемым лица и бессмысленные наборы букв, такие как «XGFST». В обоих случаях активировались две небольшие специализированные области: лица преимущественно стимулировали нижнюю часть веретенообразной извилины, в то время как слова возбуждали соседний участок в затылочно-височной борозде (рис. 2.7)[130]130
  Haxby et al., 2001; Grill-Spector, Sayres, & Ress, 2006.


[Закрыть]. Это неожиданный результат. Если каждая область коры действительно отвечает за определенную категорию, разделение труда должно носить бессистемный характер и случайным образом меняться от одного человека к другому. Но это не так – овладение чтением, по всей видимости, является крайне стабильным процессом, который систематически направляет информацию в одни и те же «горячие» точки мозга.

С другой стороны, степень специализации зрительной коры не следует переоценивать. Хотя некоторые участки, визуализируемые в рамках грубой пространственной шкалы фМРТ, демонстрируют выраженное предпочтение стимулов определенных категорий, они реагируют не только на них. Как впервые показал Джим Хаксби и его коллеги из Национального института здоровья, наша кора вовсе не разделена на отдельные зоны с четкими границами. Скорее зрительные области, обрабатывающие разные сигналы, накладываются друг на друга[131]131
  Grill-Spector, Sayres, & Ress, 2006.


[Закрыть]. Зоны, которые наиболее интенсивно реагируют на лица, откликаются и на другие категории объектов – например, слова, инструменты или животных. Однако нельзя забывать, что размер вокселя (трехмерного пикселя), визуализируемого с помощью фМРТ, составляет два-три миллиметра с каждой стороны. По клеточным меркам это огромная площадь, охватывающая до миллиона нейронов и даже больше. По этой причине неудивительно, что не всем этим клеткам свойственны одинаковые предпочтения. При увеличении пространственного разрешения до одного миллиметра категориальная избирательность становится очевидной: некоторые участки коры реагируют исключительно на одну группу объектов, например на лица[132]132
  Tsao et al., 2006.


[Закрыть]. В ходе экспериментов над животными ученым удалось записать активность отдельных нейронов внутри такого участка. Данные показывают, что подавляющее большинство из них действительно откликаются на лица[133]133
  Tarkiainen et al., 1999; Tarkiainen, Cornelissen, & Salmelin, 2002.


[Закрыть].

Рис. 2.7. Визуализация мозга показывает области зрительной коры, специализирующиеся на распознавании лиц и буквенных цепочек. Показ чередующихся изображений лиц и бессмысленных наборов букв активирует разные участки левой вентральной зрительной коры. У пяти испытуемых эти области организованы одинаково – реакция на буквы всегда более латеральна, чем на лица (по материалам статьи Puce et al., 1996). Адаптировано с разрешения Journal of Neuroscience.

Обобщив результаты всех этих исследований, мы получим мозаику нейронов зрительной коры, каждый из которых специализируется на определенной категории форм. Нейроны с похожими предпочтениями склонны группироваться вместе, образуя так называемые кластеры. Поскольку зачастую они перемешаны с другими клетками, возникают зоны частичных предпочтений. Один участок реагирует на лица, другой – на предметы, третий – на цифры или буквы. Чтобы хоть как-то обозначить эти зоны, ученые называют их «область лица» или «область формы слова». Хотя в подобных ярлыках, безусловно, есть своя польза, помните: все, что мы видим на самом деле, – это пиковые реакции на лица или слова, а не сами нейроны. Пики, систематически обнаруживаемые в одном и том же месте у разных испытуемых, говорят одно, но на заднем плане всегда находятся и другие менее заметные вершины. Не исключено, что они играют не менее важную роль в процессе чтения или распознавания лиц. В конечном счете каждая закодированная визуальная категория представляет собой ландшафт из долин и холмов, который покрывает нижнюю поверхность двух полушарий и свидетельствует о невероятной сложности нашей системы зрения.