Кортикальные колонки мозга

На научном языке скопления тел нервных клеток называют ядрами. Запомнить легко: ядро мозга – это тела клеток (их ядра, содержащие органоиды и хромосомы).

Например, в мозге есть структура под названием ядро Якубовича (оно названо так не в честь популярного телеведущего, конечно же, а в честь анатома). Ядро Якубовича входит в состав структур среднего мозга. Оно обеспечивает функцию сужения/расширения зрачка. Когда врач скорой помощи светит фонариком в глаз потерявшему сознание человеку, он проверяет работоспособность структур среднего мозга. Зрачок сузился – прогноз хороший. Если нет – дела плохи.

Помимо ядер, в мозге есть и так называемые слоистые, или стратифицированные, структуры. К ним относят кортикальные колонки.

Если мы с вами взглянем на мозг в разрезе, то увидим, что он более чем наполовину состоит из белого вещества (отростков клеток, покрытых жироподобной капсулой из миелина). Длинные отростки – это проводящие пути (аксоны). Они соединяют разные отделы головного мозга, а также отправляют команды в спинной.

Получается, что мозг – это бесконечные пучки проводов.

В 2009 году стартовал проект под названием «Коннектом человека» (Human Connectome Project). Коннектом – это описание всех связей в мозге. Именно на создание такого описания и направлен исследовательский проект.

Некоторые нейробиологи полагают, что, если это удастся, станет возможным скопировать сознание человека, поскольку именно в связях между клетками и заключена наша память. Образно говоря, мы есть то, что мы помним. Эта метафора, хоть и звучит упрощенно, близка к реальности. Но, как вы понимаете, построить стабильную структуру коннектома даже одного человека невозможно, потому что связи постоянно перестраиваются.

Рис. 15. Белое и серое вещество мозга

Но вполне реально проследить структуру крупных проводящих путей (они остаются относительно стабильными на протяжении жизни). На рис. 16 показан вариант визуализации такой структуры.

Рис. 16. Вариант визуализации связей в мозге (компьютерная модель)

Серое вещество сконцентрировано в крупных ядрах мозга и тонкой коре, распластавшейся по полушариям. Толщина коры больших полушарий всего около 3–4 мм. В сером веществе коры выделяют 6 слоев (90 % коры имеет такое строение): тела клеток чередуются со слоями отростков. Каждый нейрон с помощью синапсов связан с тысячами других клеток.

В 1957 году Вернон Маунткасл, анализируя ответы клеток в соматосенсорной коре, обнаружил, что, если погружать микроэлектрод перпендикулярно поверхности коры, все встречаемые им нейроны отвечают на раздражитель одной и той же модальности (то есть одного вида чувствительности – например, кожной вибрации). Но как только он погружал электрод под углом к поверхности, на его пути попадались нейроны с другой сенсорной модальностью.

Из этого Маунткасл сделал вывод о том, что в коре есть некие вертикально ориентированные модульные структуры. Он назвал их колонками. В каждой такой колонке обычно присутствует около 100 нервных клеток (разных размеров и форм).

В центре колонок, как правило, находятся крупные пирамидные нейроны. Они представляют собой остов (основу) колонки. Считается, что крупные пирамидные нейроны отвечают за реакцию колонки в целом.

Над ними располагаются более мелкие клетки с отростками. Они называются короной. Внутри нее связи как бы замыкаются, формируя своеобразную память колонки. По замкнутым цепям короны нервный импульс может долго циркулировать, раздражая остов до тех пор, пока к нейронам не поступят тормозные импульсы.

На самом деле модуль из 100 нейронов называют миниколонкой. В свою очередь миниколонки объединяются в более крупные гиперколонки (их еще называют просто колонками). И гиперколонка уже представляет целый кортикальный модуль, выполняющий определенную функцию.

Чем меньше колонка, тем более простую функцию она выполняет. Более того, внутри колонки работает правило: чем ниже уровень (слой), тем более простая информация обрабатывается.

Идущая в мозг информация через переключения в нижележащих глубинных структурах поступает в нижний слой коры. Здесь будут идентифицироваться самые простые свойства объектов: наклон линий, цвет, сила звука и так далее. Такая клетка может активно раздражаться, когда она видит линию или край, наклоненный под определенным углом. Этот край может быть частью любого объекта – клавиши пианино, стволом отдаленной сосны, стороной буквы «н».

Выше находятся нейроны, собирающие информацию от простых нейронов. Так происходит уточнение и обобщение получаемого сигнала внутри колонки. Но таким нейронам, например, важен не только контраст и наклон полоски, но и ее длина.

Информация, обработанная в нижнем слое, перемещается в вышележащий. При переходе от слоя к слою информация все больше обобщается. Часть ее отбрасывается. В конечном итоге наверху мы получаем целостный образ. Причем миниколонки объединяются в гиперколонки и за счет горизонтальных связей друг с другом обеспечивают еще более сложную комплексную обработку.

Давайте рассмотрим, как происходит восприятие зрительного образа.

В зрительной коре есть колонки, внутри которых находятся рецептивные (воспринимающие) поля нейронов. В сетчатке глаз есть палочки и колбочки со светочувствительными пигментами. Их можно считать рецепторами зрительной информации. Они собирают изображение по точкам. Рецептивное поле нейрона – это то, сколько рецепторов сетчатки отправляют сигнал.

Рис. 17. Миниколонки, реагирующие на линии (полоски) определенной ориентации

Давайте вообразим, что мы смотрим на треугольный объект. В первичных областях зрительной коры найдется миниколонка, в которой нейрон среагирует на горизонтальную линию. В другой миниколонке нейрон откликнется на линию с наклоном под определенным углом. И так они вместе определят элементы треугольника. Схематично это показано на рис. 17. На самом деле нейроны в этих миниколонках будут различать не саму линию как таковую, а ее границу (за счет изменения контраста, теней и так далее). А вот целостную форму объекта и какие-то узоры (дополнительные линии, разные цвета, сложный объем и так далее) нейроны смогут «увидеть» только во вторичной области зрительной коры.

Во вторичных областях коры мы уже не встретим клеток, реагирующих на элементарные признаки (такие как граница или наклон линии). Здесь в колонках находятся нейроны, раздражающиеся только в ответ на определенный сложный комплекс стимулов. Известно, что в нижней височной доле существуют нейроны, которые активируются только при зрительном восприятии человеческого лица. Причем есть современные данные, указывающие на то, что это врожденная функция. Вероятно, именно поэтому на картинах, фотографиях и рекламных плакатах нас привлекают именно лица.

В свою очередь в третичных (ассоциативных) областях коры миниколонки, собираясь в модули, получают информацию от вторичных зон разных сенсорных систем. Здесь «смешиваются» зрение, обоняние, слух, осязание, вкус. При участии подкорковых структур мозга в ассоциативных областях формируется полноценное комплексное восприятие окружающего мира. Также здесь репрезентируются наши воспоминания. Они как бы собираются из элементов (представляются нам заново), поэтому мы и используем термин «репрезентируются». Формируется образ.

И тогда мы понимаем, что перед нами не просто треугольный объект, а египетская пирамида, а рядом с ней верблюды. И вообще, дело происходит в пустыне.

Давайте подытожим. Мы выяснили, что кора имеет модульное строение и состоит из миниколонок с сотней нейронов в каждой. Эти миниколонки могут объединяться в гиперколонки и тем самым выполнять более комплексные функции.

Рис. 18. Упрощенная схема поэтапной сборки изображения в коре мозга

Мы также выяснили, что информация обрабатывается в колонках вертикально. Нижние слои хранят самую примитивную информацию, тогда как верхние слои коры работают с цельными образами. В первичных областях эти «цельные образы» отражают лишь простые характеристики (наклон линий, движение линий, тени и так далее). Во вторичных областях мы уже можем видеть объект более целостно, причем независимо от его наклона (к примеру, мы можем распознать знакомое лицо, если даже голова наклонена).

Таким образом, информация обрабатывается еще и горизонтально, перемещаясь по коре из первичных областей во вторичные, а оттуда – в ассоциативные. На каждом этапе перехода из одной области в другую происходит сборка все более цельного образа (пока из линий, кружочков, теней и прочего не соберется полноценная картина мира). Несомненно, это очень упрощенная схема восприятия.

И напоследок соотнесем эту модель с тем, что было сказано ранее. Это важно.

У нас есть нейроны-детекторы, которые отвечают за элементарные признаки воспринимаемого объекта. Они включаются в иерархически организованную нейронную сеть по типу пирамиды, вершина которой – сложный нейрон, синтезирующий воспринимаемый образ. Этот нейрон можно назвать главным. В первичных областях такой нейрон выполняет функцию попроще (контуры и тени линий), во вторичных областях он уже приобретает способность видеть целиком форму, цвет и даже лицо. А в третичных областях такой сложный нейрон будет собирать на себе уже информацию не только о форме, но и о запахах объекта, связанных с ним звуках и других характеристиках.

«Нейрон бабушки» находится в одной из таких ассоциативных зон и собирает информацию о бабушке. И теперь становится понятно, почему был прав А. А. Ухтомский. Он как раз и говорил о доминантах как очагах устойчивого возбуждения, которые соответствуют целым группам нейронных ансамблей.

Сейчас весьма ироничным выглядит сформулированное в конце 1980-х годов утверждение Дэвида Хьюбела, получившего Нобелевскую премию за открытия в области физиологии зрения:

Такое представление, называемое «теорией бабушкиной клетки», вряд ли можно принимать всерьез. Можем ли мы обнаружить отдельные клетки для бабушки улыбающейся, плачущей или занимающейся шитьем? Или отдельные клетки, отражающие понятие или определение «бабушки»? И если бы у нас действительно имелись «бабушкины клетки», куда они посылали бы свои выходные сигналы?

Только благодаря современным методам (МРТ, фМРТ) и более точным прицельным исследованиям в начале XXI века удалось окончательно доказать наличие таких сложных нейронов и понять, как обрабатываются сложные стимулы.

Вот так бывает.

Для полноты картины коротко добавлю, что существует также система обратных связей. Грубо говоря, она-то и помогает коре предсказывать (воображать) и сопоставлять приходящую информацию с тем, что есть в памяти.

В действительности, помимо чисто физиологических механизмов зрительного восприятия, в мозге огромную роль играют психические аспекты. Важно понимать, что в процессе жизни мы с вами тренируемся воспринимать мир таким, каким мы его способны воспринимать. Особенно это важно в критические периоды развития.

Физиологи убедительно продемонстрировали, как формируется восприятие мира, в простом, но ошеломляющем своей показательностью эксперименте на котятах.

Рис. 19. Котенок, помещенный в цилиндрическую камеру с вертикальными полосами

Двухнедельных котят исследователи поместили в цилиндрическую камеру. Ее боковая поверхность была покрыта вертикальными полосами, снизу и сверху размещались зеркала. Это создавало иллюзию бесконечных вертикальных линий. Котята проводили в цилиндрической камере по пять часов каждый день. В остальное время они пребывали в темноте. Спустя пять месяцев выяснилось, что котята не воспринимают ничего, кроме вертикальных стимулов.

Такой же эксперимент провели с горизонтальными линиями (исключив все вертикальные). По окончании эксперимента котята не то что не реагировали на вертикальные стимулы, они врезались в столбы, в ножки столов, совершенно их не замечая! Самое страшное, что эти изменения оказались необратимы. Котята (а потом выросшие кошки) так никогда и не научились видеть вертикальные линии.

Мы с вами уже сталкивались с похожими примерами, когда говорили о феномене детей-маугли. Там работает тот же принцип, только более комплексно. Весь мозг теряет способность воспринимать человеческую речь и культуру. И еще раз мы приближаемся к идее о том, что для детей информацию необходимо подбирать тщательнейшим образом.

Нам кажется, что мы видим мир именно таким, каким мы его видим. Но на самом деле информация, приходящая в зрительную кору, не такова, какой она нам затем видится.

На рис. 20 изображено то, что мы бы увидели, если бы человек стоял перед нами, а мы бы смотрели на его лицо. Информация, поступающая с сетчатки, выглядит иначе. В нашем глазу есть слепое пятно. В этом месте аксоны палочек и колбочек собираются в пучок, образуя зрительный нерв. Здесь нет рецепторов, реагирующих на свет. Поэтому на нашем условном зрительном экране есть дыра. Более того, плотность зрительных рецепторов по периферии сетчатки меньше, чем в центральной части. Из-за этого изображение по краям размыто.

И тут возникает вопрос. Почему глаз видит одно, а зрительная кора показывает другое?

И ответ возмутительно прост: мы не видим то, на что смотрим, мы видим лишь то, что показывает нам мозг. У мозга есть ряд механизмов, которые позволяют ему скомпенсировать недостатки нашего зрения. Даже читая этот текст, вы совершаете глазами микродвижения (саккады). И делаете это так быстро, что слепое пятно не успевает остаться в фокусе внимания.

Вспомните серийную съемку на смартфоне или фотоаппарате. Есть смазанные в каких-то частях кадры, а есть более резкие. Можно из разных снимков составить один наиболее резкий и качественный. Нечто похожее делает наш мозг.

Иными словами, мы видим не реальный, а искусственно созданный – подправленный, «отфотошопленный» – зрительный образ.

Рис. 20. Восприятие изображения. Слева – изображение с фотоаппарата, справа – то, как его изначально воспринимает сетчатка глаза (точка фокусировки на «х»)

Это настоящий интеллектуальный объект – нечто, изготовленное мозгом в рамках того восприятия, которому он обучился. Не более того. В конце концов, мы же не видим в ультрафиолетовом диапазоне и не создаем в этом спектре фотографии. У нас нет таких рецепторов, а значит, нет и данных, из которых мозг мог бы собрать образ.

И еще один показательный пример, с которым наверняка почти все из нас сталкивались.

У многих случались ситуации, когда в плохую погоду или вечером мы встречали знакомого человек (одноклассника, коллегу), даже начинали махать ему рукой, а потом вдруг понимали, что обознались.

Дело в том, что информация, которая идет с нижележащих уровней, активирует образ, хранящийся уровнями выше, но при этом как бы упирается в барьер. Тем временем кора подсовывает нам образ знакомого человека. И нужно порой немало времени, чтобы поступающая от нижележащих уровней информация преодолела барьер. Посторонний должен либо заговорить, либо смутиться, либо, возможно, отвернуться. Лишь тогда кора вдруг «встрепенется» и поймет, что перед глазами совсем другой человек.

До этого времени «фотошоп» коры работает отменно: он прекрасно дорисовывает неизвестному человеку признаки знакомого.

Мы с вами подробно рассмотрели основные детали, кирпичики если хотите, нервной системы: клетки, контакты, слои кортикальных колонок и так далее. Пришла пора взглянуть на мозг более целостно и познакомиться с его ключевыми отделами.

Откуда у мозга «растут» слова речи?

Теорий возникновения речи великое множество. Сегодня никто не может утверждать, что нам известно, как именно зародился язык. Но благодаря развитию генетики, нейробиологии, этологии и других наук мы с каждым годом начинаем понимать о происхождении язы-ка несколько больше. В замечательной книге «Происхождение языка. Факты, исследования, гипотезы» известный лингвист Светлана Анатольевна Бурлак выделяет несколько наиболее научно обоснованных теорий.

Согласно одной из них, устная речь возникла от жестов. С развитием прямохождения у наших предков освободились руки. Это позволило начать ими активно жестикулировать. Выпрямившись, наши предки стали смотреть друг другу в лицо. С этого момента мимика начала играть все большую роль в коммуникации. Исследователь речи Майк Корбаллис полагает, что постепенно наши предки все больше занимали руки изготовлением орудий. Мимические жесты (и сопровождавшие их возгласы) стали играть главенствующую роль в общении. Со временем жесты как бы сместились внутрь рта, и так появилась артикуляция уже языковых звуков.

В поддержку подобной теории свидетельствует тот факт, что у приматов звуки не подконтрольны воле, по этой причине основой для новых знаков могли служить только жесты. В частности, в одном из исследований 2016 года авторы обнаружили, что анатомическое устройство глотки и гортани макак-крабоедов позволяет им издавать 99 звуковых конфигураций. Но авторы приходят к выводу, что мозг макак не настроен на сознательное управление звуками. Предполагают, что это может быть связано с тем, что у человека группа «речевых генов» отличается от таковых у приматов. К примеру, ген FOXP2 у человека не только имеет особую структуру, но и тесно взаимодействует с другими генами, часть из которых отвечает за артикуляцию речи. Все это влияет на тонкие механизмы того, как нервная система регулирует речь. Вполне вероятно, что они отбирались эволюционным путем с момента первых попыток наших предков создать жестовый язык. Но пока это, конечно, только теория.

Очень похожую теорию возникновения языка на основе жестов предлагает Майкл Томассело. Он считает, что человеческое общение начиналось с указательных жестов. Такие жесты легко понятны всем: один из собеседников просто указывает на конкретный предмет. В усложненном варианте такое общение могло представлять собой набор пантомим (простых иконических изображений известных предметов). Мне лично очень нравится эта теория, потому что она следует из положения о том, что у наших предков были совместные формы деятельности (их мы наблюдаем у приматов и сегодня).

Представьте, что у наших предков были действия-жесты, цель которых – привлечь внимание к чему-то очень важному. К примеру, одним из таких действий-жестов могло быть похлопывание по земле, чтобы другие члены группы обернулись (а вдруг за спиной опасность). Существовали и другие формы жестов, похожих на движение-намерение, отражающее начальную фазу какого-то действия.

Постепенно наши предки научились понимать цели и намерения друг друга. Это позволило распознавать, что видит и слышит другая особь. Со временем возникли уже совместные цели и намерения. Жесту можно подобрать звуковой эквивалент, то есть закодировать действия звуками. Иногда что-то показывать долго (и не всегда удобно, если, скажем, собеседники не на открытой, хорошо освещенной местности). Тогда логичнее придумать для обозначения того или иного жеста звук (или целую систему звуков). По-видимому, это и было сделано. Вероятно, какие-то звуки изначально служили эмоциональным сопровождением действий, а затем стали замещать их в речи. На этой основе уже строилась более сложная устная речь.

Совсем другая теория принадлежит Ноаму Хомски. Он считал, что язык как бы уже встроен в мозг ребенка с рождения. Но сегодня мы знаем, что ребенок, лежащий в кроватке, просто слушая речь взрослых, способен сам выстраивать в голове грамматическую структуру любого языка. Если бы это было строго заложено в мозге, то наследовался бы конкретный язык (скажем, на котором говорят родители). Более того, современные научные данные указывают на то, что гены не могут кодировать грамматику языка. Мозг ребенка делает это по наитию, он обучается по ходу жизни.

Но несмотря на некоторую несостоятельность гипотезы о врожденном языке, Хомски интересен тем, что очень смело отрицает предполагаемую коммуникативную роль языка. Язык – скорее система для выражения мыслей. Хомски приходит к выводу, что если мы хотим исключить непонимание, то конструкция языка для этой цели не очень удачна.

Согласитесь, ситуация в природе, когда язык создается для выражения мыслей (по сути, только для общения с самим собой), весьма странная. Более того, концепции противоречит следующий реально наблюдаемый феномен. Если язык нужен для мышления, то он должен развиваться и у детей, лишенных общения. Они должны прекрасно выражать мысли, удачно озвучивать свои желания и намерения. Им же никто не мешает мыслить. Но в действительности мы наблюдаем противоположную картину: если ребенок не общается с другими людьми, языком он не овладевает.

Психолингвист Стивен Пинкер считает, что язык нужен как раз для коммуникации. По его мнению, человек должен уметь улавливать внутренние связи между событиями из окружающей действительности. По этой причине язык возник как средство обмена информацией. Было важно передать ценные знания от одного индивида другому. А проще всего это сделать в закодированной языковой форме. Пинкер развивает идеи Хомски о врожденности языка в эволюционном ключе. Он не настаивает на том, что существует некий «ген языка». Пинкер считает, язык возник не одномоментно, а поэтапно, естественным эволюционным путем. Постепенно в мозге возникали языковые центры: распознавание речи (центр Вернике) и воспроизведение речи (центр Брока).

Теорий возникновения языка очень много. Нет возможности перечислить все из них. Упомяну лишь еще одну. Робин Данбар подчеркивает особую роль языка в социуме и выдвигает теорию груминга. Ее смысл сводится к тому, что размеры мозга коррелируют с размерами групп, которые способен образовывать тот или иной вид приматов. Успешность выживания в группе зависит от сплоченности ее членов. Для достижения взаимопонимания необходимо затрачивать время на выполнение определенных действий, снимающих социальную напряженность. Попросту говоря, одни члены стаи должны уделить внимание другим: погладить, повычесывать, повылизывать шерсть. У животных это называется грумингом (отсюда и название теории).

Мы видим увеличение мозга наших предков в процессе эволюции (к примеру, мозг австралопитека был около 430 см³, тогда как мозг архантропа – порядка 1000 см³). Укрупнение мозга, вероятно, приводило к увеличению групп, в которых жили приматы. А это требовало все больше времени для того, чтобы уделить внимание другим особям. Но бесконечно заниматься вычесыванием невозможно, нужно еще и добывать пищу, кормить потомство, спать и так далее. Так вот, функцию груминга, согласно теории, стал выполнять язык. Гораздо проще что-то сказать кому-то, чем делать.

Конечно, у этой гипотезы есть недостатки. Не совсем понятно, как на основе такого груминга возникала сложная грамматика языка. Кроме того, очевидно, что размер групп определяется не только объемом мозга, но и средой обитания, количеством хищников, особенностями питания.

Как вы видите, нет единого мнения относительно того, когда и как возник язык. На мой взгляд, разные предположения могут быть верны, но лишь частично. Действительно, язык, вполне возможно, сформировался на основе жестов и сопровождавших их звуковых эквивалентов. Также вполне допустимо, что язык стал использоваться для социального груминга.

Нельзя отрицать и тот факт, что мозг эволюционировал, видоизменялся так, что в нем постепенно появились области, более пригодные для формирования речи. Но с другой стороны, сегодня мы не можем говорить, что речевые зоны Брока и Вернике сформировались строго для выполнения языковой функции. Это, скорее, наше допущение.

Таким образом, нам предстоит продолжить поиски фактов, подтверждающих ту или иную теорию. И далеко не последнюю надежду исследователи языка возлагают именно на нейробиологию.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.