Зрительные карты мозга

Процесс фокусировки сознания на определенном участке среды называется пространственным вниманием. В психологии мы иногда используем метафору прожектора. Ваша способность обращать внимание на предметы в пространстве имеет ограниченный фокус, как прожектор, который освещает лишь малую часть темной театральной сцены. Как один из зрителей, вы видите только то, на что указывает прожектор. То же самое верно и для мозга.

Скажем, вы оказались запертым в раздевалке заброшенной школы[39]. Спиной вы обратились к грязной, кишащей крысами стене, а лицом – к единственной двери в комнату. Но когда вы уже решаете, что будет безопасно уйти, на пороге показывается зомби. Несмотря на то что с него чуть не падает плоть, вы можете понять, что он думает, и это не к добру: этот зомби голоден и зол – единственные чувства, которые испытывают зомби.

Справа от вас, едва дотянуться рукой, – заряженное ружье Ремингтона, которое так и подмывает использовать.

Ладно, теперь мы нажмем на паузу. Как в эту секунду ваш мозг узнает, где находится ружье, одновременно озаботившись тем, как схватить приклад, прицелиться и срубить ходячего мертвеца, направляющегося к вам?

Процесс обращения внимания на ружье начинается с простого акта – увидеть оружие. Оказывается, что ваш мозг видит мир, создавая мини-карту среды в голове. По сути, мозг полон карт внешнего мира. Есть карты звуковых частот (см. главу 6), карты запахов, карты мускулов, карты тела. Как вы можете ожидать, есть и карты видимого мира. Вообще, есть много разных типов видимых карт, которые представлены в вашем мозге.

Главная и базовая зрительная карта мира расположена в задней части вашей головы. Нейронаука знала об этой зрительной карте почти сотню лет, по большей части благодаря весьма неэргономичному дизайну касок британских солдат во время Первой мировой войны. Видите ли, стандартный шлем, который выдавали солдатам, не полностью покрывал затылок. Вместо этого он сидел на темени и давал столько же защиты, что и металлическая суповая тарелка. Разумеется, этот стиль был в моде для боя в начале XX века.

Дизайн шлема был слабым с неврологической точки зрения. Он оставлял критическую зону на затылке открытой для шрапнели и пуль. К сожалению, так уж сложилось, что важный участок мозга, который обрабатывает зрительную информацию и называется первичной зрительной корой, также расположен в этой части головы, сразу за черепной костью. И это было некстати для солдат, которые носили эти шлемы.

Британский невролог Гордон Морган Холмс работал полевым врачом во время Первой мировой войны. Будучи наблюдательным человеком, Холмс заметил, что солдаты, которые поступали с затылочными ранениями шрапнелью, жаловались на проблемы со зрением. Эти солдаты страдали от так называемой корковой слепоты, которая представляет собой неспособность видеть предметы не из-за поражений глаз, а из-за повреждений участков мозга, которые обрабатывают зрительную информацию, идущую от глаз.

Холмс заметил, что то, как выражалась корковая слепота, определялось местом ранения. И в сортировочной палатке[40] Красного Креста Холмс решил провести небольшой научный эксперимент. Он просил солдат посмотреть на карту на стене и указать, какую часть карты они больше не видят. Потом смотрел на место ранения. Например, удар шрапнелью в левую часть затылка приводил к тому, что солдат не видел то, что оказывалось в правой части карты. В некоторых случаях солдаты умирали от ран. Тогда Холмс мог посмотреть, какие участки мозга были повреждены, вынув мозг из черепной коробки во время аутопсии. Холмс потом сопоставлял мозг каждого пациента с конкретным симптомом слепоты.

Из-за печально большого числа пациентов, которые проходили через его палатку с такими ранениями, Холмс смог разработать подробную карту того, как видимый мир представлен в мозге. По сути, эта карта зрительной коры была настолько подробна и точна, что даже сегодняшние новейшие методы нейровизуализации не превосходят ее.

Эксперимент Холмса впервые показал, что у нас в головах есть маленькие карты зримого мира. Прошли годы, и наука узнала больше об этих картах в мозге. Они все имеют похожую организацию, но специализируются на разных типах информации. Некоторые карты обращают внимание на зрительные контуры предметов. Другие отвечают за цвет или движение. Но на базовом уровне они все начинаются с глаз.

Чтобы понять этот процесс, вернемся к нашей сцене в раздевалке. Все знают, что мы видим мир глазами. Маленькие фотоны света летают повсюду (даже в сумрачной и грязной постапокалиптической раздевалке). В нашем сценарии некоторые из этих фотонов отражаются от блестящего ствола ружья, которое вам так нужно схватить.

Очень маленький набор субатомных частиц[41] отпрыгивает от ствола ружья и проходит через линзы ваших глаз, ударяясь о клетки вашей сетчатки (на внутренней стороне глазного яблока), которые называются фоторецепторами. Каждый раз, когда свет достигает фоторецептора, клетка посылает сигнал, который говорит, что она увидела немного света[42]. Это запускает каскад событий, заканчивающийся тем, что ваш мозг оказывается способен воспринять, где находится ружье.

Зрительная информация от сетчатки передается в мозг через зрительный нерв, в ретрансляторную станцию в таламусе, которая называется дорсолатеральное коленчатое ядро (таламус расположен в самом центре мозга и является эволюционно древней системой мозга, о которой мы говорили в главе 1). К тому времени, как зрительные сигналы доберутся сюда, они разделятся на информацию о цвете и форме.

Цвет и форма никак не связаны с восприятием пространства, но даже на этой ранней стадии в таламусе пространство важно. Видите ли, в каждом полушарии есть свой таламус, а всего их в мозге два. А значит, есть два дорсолатеральных коленчатых ядра, одно в левом полушарии, одно в правом, но каждое получает информацию от обоих глаз.

Информация от ваших глаз разделяется пополам еще в глазном яблоке. Часть глаза, которая ближе к виску, посылает сигналы в таламус на той же стороне головы (например, сигнал от левой внешней части глазного яблока идет в левый таламус). Сигналы от той части вашего глаза, которая ближе к носу, пересекаются в перекресте зрительных нервов (хиазме) и отправляются в другую часть мозга. Говоря по-научному, сигналы идут в контрлатеральное полушарие (в противоположность ипсилатеральному полушарию).

С чего это мозгу так делать? Ну, представьте, что видит ваш правый глаз. Внешняя часть вашего правого глазного яблока, ближе к виску, видит мир справа от вас. Но другая часть правого глаза получает хороший обзор мира слева от вас. Это же верно и для левого глаза, только наоборот.

Разделяя сигналы от глаз так, что информация от внутренней (назальной) части вашего правого глаза проецируется в то же боковое коленчатое ядро, что и информация из внешней (височной) части левого глаза, мозг разбивает мир, который вы видите, на две части: левую и правую. Они называются зрительными полуполями. Отсюда левый и правый таламусы посылают сигналы в первичную зрительную кору в затылочной части мозга. Левый таламус посылает сигналы в левую часть первичной зрительной коры, а правый таламус – в правую. Так, когда ваш мозг начинает складывать карты видимого мира, левая первичная зрительная кора видит правую сторону мира, а правая первичная зрительная кора – левую сторону.

Поверьте, отличить право от лево удивительно трудно в нейронауке.

Ладно, вернемся к ранней зрительной карте в новой коре. Область, которую изучал доктор Холмс в Первую мировую войну, – первичная зрительная кора. Она делит мир на серию ориентировок по линиям. Вспомните клип группы A-ha «Take on Me», где настоящая девушка превращается в свою рисованную версию, когда следует за парнем в мир комиксов. Примерно так же обстоит дело и здесь. Здесь очерчиваются границы и углы предметов, которые вы видите.

Каждая клетка в первичной зрительной коре активизируется, только когда «видит» что-то свое в части пространства. Это называется рецептивным полем клетки. Например, в ситуации в раздевалке есть клетка в вашем затылке, которая «стреляет», только когда видит линию ружейного ствола, лежащего в дальнем правом углу вашего зрительного поля. Может быть много клеток, которые видят эту часть пространства, но только одной клетке «нравятся» предметы, ориентированные под углом ружейного ствола. Некоторые клетки могут «стрелять», если они видят угол, ориентированный на 45 градусов, а другие могут стрелять, если ориентация 0 градусов (горизонтальная). Многие клетки «стреляют», видя ориентацию ружейного ствола, многие не стреляют, потому что он направлен не под тем углом. Это позволяет первичной зрительной коре делать простую и быструю сегментацию зримого мира.

Эта первичная зрительная кора – любопытное место в пространственном восприятии, потому что рецептивные поля организованы в пространственно согласованную карту. Нижние части первичной зрительной коры «видят» зоны в верхней части зрительного поля. Центральная часть вашего зрительного поля, то, что вы видите, когда смотрите на этот текст прямо сейчас, обрабатывается центральной зоной первичной зрительной коры, а ваше периферическое зрение «видят» нейроны во внешней части первичной зрительной коры. Напротив, нижнюю часть вашего зрительного поля видят нейроны, которые расположены над теми нейронами, что видят верхнюю часть вашего зрительного поля.

Вы понимаете теперь, что разделение мира на пространственные части начинается здесь, в вашем затылке, и это обнаружил Холмс сто лет назад.

Еще раз давайте вернемся к вашей сложной ситуации в раздевалке с голодным ходячим мертвецом, направляющимся к вам. На уровне первичной зрительной коры мозг формирует простую «карту» видимого мира и, что более важно, примерное положение ружья. Эта разбивка зримого мира создается через серию повторяющихся карт в мозге в зонах, которые вместе называются экстрастриарной корой. Клетки в этих областях создают карту мира, видимую сетчаткой и впервые сформированную в первичной зрительной коре. В этой ретинотопической карте[43] мир представлен так же, как в сетчатке вашего глаза. Однако каждая экстрастриарная мозговая область ищет разные объекты в мире (например, цвета, изгибы, движение), и размер рецептивных полей становится только больше.

Насколько надежна эта разбивка? Оказывается, если знать, что представляет каждая карта, например цвет, движение или ориентацию в пространстве, можно воспроизвести, что видит человек, просто глядя на активность в этих зонах. Ученые делают это сейчас с использованием фМРТ, измеряя активность во всех областях зрительной коры, пока испытуемый смотрит клипы из разных фильмов или набор картинок. Глядя на флуктуации в сигнале от каждой из этих маленьких карт и зная, что представляет каждая зона, исследователи могут заново собрать фильм, который смотрит человек, – все благодаря сложным компьютерным алгоритмам (мы называем это «декодированием» сигнала фМРТ). Например, когда человек смотрит видеоклип о красной птице, которая летит по небу, можно увидеть активность в разных зрительных картах мозга, которые представляют красный цвет, движение объектов и идентификацию объектов (скажем, животные). Каждая карта не только отражает какой-то аспект зрительной характеристики, как цвет или движение, но и то, где в пространстве это происходит. Считывая коллективную активность этих разных карт, компьютерные алгоритмы могут воссоздать грубую версию того, что видит человек. Это будет размыто, мозаично – не идеально (то есть компьютер может решить, что человек видит свинью вместо птицы), но как первый шаг в методах декодирования это весьма неплохо. Алгоритмы декодировки делают то же, кто и когнитивные области мозга человека: считывают коллективную активность многих маленьких карт зримого мира и соединяют их вместе в модель мира, который человек видит.

Перспектива этих новых технологий для расшифровки мозга опирается на очень важный принцип: мозг разбивает информацию, которую видит (или слышит, или пробует на вкус), в осмысленные и, что более важно, надежные модули, представляющие конкретные части информации. Если бы мы могли просканировать ваш мозг с помощью фМРТ, пока на вас нападает зомби в раздевалке, мы бы использовали активность вашего мозга, чтобы воспроизвести фильм о приближающемся зомби и положении ружья, – из безопасной и защищенной лаборатории. Возможно, даже поедая попкорн.