Иисус вернулся… в виде куска жареного хлеба? (Чего вы не знали о зрительной системе)

Что общего у жареного хлеба, тако, пиццы, мороженого, банки джема, бананов, соленых крендельков и чипсов? На всех них находили изображение Иисуса (честное слово, поищите об этом что-нибудь в интернете). Хотя для этого не обязательно нужны продукты – лицо Иисуса часто видят на деревянных предметах, покрытых лаком. И не обязательно Иисуса, иногда изображают и Деву Марию. Или Элвиса Пресли.

На самом деле в мире есть миллионы и миллиарды предметов, на которых хаотично расположены более темные и светлые участки. По чистой случайности сочетание этих пятен иногда напоминает известное изображение или лицо. А если это лицо принадлежит известной личности, обладающей сверхъестественными свойствами (для многих Элвис относится к этой категории), то такое изображение вызывает сильную реакцию и привлекает много внимания.

Удивительно (с научной точки зрения), что даже те, кто знает, что это всего лишь поджаренный на гриле хлеб, а не воплощение Мессии, все же видят его лицо. Любой сможет его там увидеть, даже если будет сомневаться в происхождении этого изображения.

Человеческий мозг ставит зрение над всеми остальными чувствами, и зрительная система может похвастаться впечатляющим количеством странностей. Как и с другими чувствами, идея, что глаза регистрируют все происходящее вокруг нас и в неизменном виде передают эту информацию в мозг, невероятно далека от истины^*.[41]

Многие специалисты по нейронаукам утверждают, что сетчатка – это часть мозга, поскольку развивается из той же ткани и напрямую с ним связана. Глаз воспринимает свет, проходящий через зрачок и хрусталик, расположенные в его передней части. Свет попадает на сетчатку, расположенную в его задней части. Сетчатка – это сложно устроенный слой из фоторецепторов, специальных нейронов, реагирующих на свет, некоторые из которых активируются всего-навсего полудюжиной фотонов (фотоны – это отдельные «частицы» света). Такая чувствительность очень впечатляет. Это как если бы система безопасности в банке срабатывала из-за того, что кто-то начал замышлять ограбление. Настолько чувствительные фоторецепторы нужны в основном для того, чтобы различать контрасты, свет и темноту, и называются «палочки». Они работают в условиях слабой освещенности, даже ночью. Яркий дневной свет перенасыщает их, и они становятся бесполезными – подобно ведру воды, которое пытаются перелить в подставку для яйца. Другие (дружественные к дневному свету) фоторецепторы реагируют на фотоны с определенной длиной волны, и так мы воспринимаем цвет. Они называются «колбочки». Благодаря им мы можем видеть окружающий мир в мельчайших подробностях. Однако для их активации нужно очень много света, и именно поэтому мы не различаем цветов при низком уровне освещенности.

Фоторецепторы распределены по сетчатке неравномерно. Где-то их больше, где-то меньше. В центре сетчатки расположена область, которая различает мелкие детали, а из большей части периферии мы получаем только размытые очертания. Так происходит из-за различий в концентрации и связях между определенными видами фоторецепторов в этих областях. Каждый фоторецептор связан с другими клетками (как правило, биполярными и ганглиозными), которые передают информацию от них к мозгу. Каждый рецептор является частью рецептивного поля (состоящего из всех рецепторов, связанных с одной клеткой-переключателем), которое покрывает определенную область сетчатки. Считайте, что это некое подобие вышек сотовой связи, которые получают и обрабатывают информацию от всех телефонов в зоне покрытия. Биполярные и ганглиозные клетки – это вышки, а рецепторы – телефоны, они и составляют рецептивные поля. Если на такое поле попадет свет, то за счет активации связанных с нею фоторецепторов активируется и определенная биполярная или ганглиозная клетка, и мозг об этом узнает.

Рецептивные поля на периферии сетчатки могут быть довольно большими, как ткань зонтика для гольфа, окружающая центральный стержень. Но из-за этого страдает точность: сложно понять, в какую именно точку на зонтике для гольфа упала капля дождя, – вы просто знаете, что капля дождя на него попала. К счастью, ближе к центру сетчатки вплотную друг к другу расположены более мелкие рецептивные поля, благодаря которым мы видим настолько ясно и отчетливо, что можем различать очень мелкие детали, например мелкий шрифт.

Как ни странно, только одна часть сетчатки различает мелкие детали. Она называется фовеа. Фовеа расположена в самом центре сетчатки и занимает менее одного процента ее площади. Если представить сетчатку в виде широкоэкранного телевизора, то фовеа могла бы стать отпечатком пальца в центре экрана. Остальная сетчатка дает нам более размытые очертания, расплывчатые фигуры и цвета.

Вам может показаться, что это бессмысленно, потому что все ведь видят мир ясно или отчетливо, ну разве что какая-нибудь катаракта этому помешает. Видеть при помощи сетчатки с подобным устройством – это как глядеть не с того конца в телескоп, сделанный из вазелина. Но, как бы это ни было пугающе, мы «видим», в самом буквальном смысле этого слова, именно так. Наш мозг проделывает блестящую работу, вычищая это изображение, прежде чем мы сознательно воспринимаем его. Самая зафотошопленная фотография – всего лишь грубые каракули, сделанные желтым карандашом, по сравнению с тем, как мозг полирует полученную нами зрительную информацию. Но как он это делает?

Глаза много двигаются, в основном для того, чтобы фовеа была направлена на те предметы в нашем окружении, которые мы хотим увидеть. В былые времена в экспериментах, регистрирующих движения глазного яблока, использовали специальные металлические контактные линзы^*.[42]

По сути, на что бы мы ни смотрели, глаз при помощи фовеа сканирует изображение как можно больше и как можно быстрее. Представьте себе прожектор, направленный на футбольное поле, причем этим прожектором управляет человек под действием практически смертельной дозы кофеина, и вы поймете, о чем речь. Полученная таким образом зрительная информация сопоставляется с менее детализированным, но все же полезным изображением, которое формируется в остальной части сетчатки. Мозгу этого достаточно, чтобы внести серьезные исправления и сделать несколько «догадок» о том, как все должно выглядеть, – в итоге мы видим то, что видим.

На первый взгляд это очень неэффективно, отводить такую большую роль столь маленькому участку сетчатки. Но если учесть, сколько мозгового вещества нужно для обработки сигналов, идущих от фовеа, то получится, что даже если всего лишь удвоить ее размер, так, чтобы она стала занимать более одного процента сетчатки, количество мозгового вещества, ответственного за обработку зрительной информации, увеличится настолько, что мозг станет размером с баскетбольный мяч.

В чем же заключается сам процесс обработки? Как мозг создает настолько детализированное изображение на основе довольно грубой информации? Фоторецепторы преобразуют световую информацию в нервные сигналы, которые идут к мозгу по зрительным нервам (по одному на каждый глаз)^*.[43] Зрительный нерв направляет информацию от глаз в несколько областей мозга. Сперва зрительная информация поступает в таламус, древнюю центральную станцию мозга, а оттуда распространяется далеко и широко. Часть информации идет в ствол мозга либо в структуру, называемую претектальным полем, которая расширяет или сужает зрачки в зависимости от степени освещенности, или же в верхнее двухолмие, которое управляет мелкими скачкообразными движениями глаз, то есть саккадами.

Если вы сосредоточитесь на том, как ваши глаза двигаются, когда вы проводите взглядом справа налево или наоборот, то заметите, что они перемещаются не одним плавным движением, а серией коротких рывков (чтобы понять, о чем речь, сделайте это медленно). Эти движения и есть саккады. Благодаря им мозг воспринимает целостное изображение, связывая быстрые последовательности «неподвижных» изображений, которые появляются на сетчатке после каждого рывка. С технической точки зрения мы на самом деле не видим, что происходит во время каждого рывка – они настолько быстрые, что мы этого не замечаем, подобно промежутку между кадрами в мультипликации. (Саккада – это одно из самых быстрых движений, доступных человеческому телу наряду с морганием и захлопыванием ноутбука, когда мама внезапно входит в вашу спальню.)

Дергающиеся саккады происходят каждый раз, когда мы переводим взгляд с одного предмета на другой. Когда мы отслеживаем какое-либо движение, наш глаз двигается плавно, как смазанный воском шар для боулинга. В дикой природе объект, движение которого вы отслеживаете, – это, как правило, добыча или угроза, поэтому вам надо видеть его все время. Глаз может плавно поворачиваться, только если отслеживает какое-то движение. Как только движущийся объект покидает наше поле зрения, глаза возвращаются при помощи саккад в исходное положение, что называется оптокинетическим рефлексом. В целом все это значит, что мозг может передвигать наши глаза плавно, но нередко просто не делает этого.

Почему, когда мы двигаем глазами, нам не кажется, что мир вокруг нас тоже движется? В конце концов, это выглядит одинаково, поскольку связано с изображениями на сетчатке. К счастью, мозг способен справиться с этой проблемой при помощи абсолютно гениальной системы. Мышцы глаз постоянно получают сигналы от органов равновесия, и системы восприятия движения в нашем внутреннем ухе используют их, чтобы отличить движения глаз от движения окружающего мира[44]. Из этого следует, что, даже двигаясь, мы по-прежнему можем сохранять фокус на каком-либо предмете. Однако эту систему можно сбить с толку, поскольку иногда системы восприятия движения начинают посылать в наши глаза сигналы, когда мы не двигаемся. Это приводит к непроизвольным движениям глаз, они называются «нистагмы». Окулисты ищут их, когда оценивают состояние вашей зрительной системы, потому что нехорошо, если глаза дергаются без причины. Это значит, что в базовых системах, управляющих вашими глазами, что-то пошло не так. Для врачей и офтальмологов нистагм – это то же самое, что шум в двигателе для инженера, – возможно, это что-то совершенно безвредное, а может, и нет, – в любом случае этого быть не должно.

Вот что делает ваш мозг, просто решая, куда направить глаза. И мы еще даже не начали говорить о том, как обрабатывается зрительная информация.

Большая часть зрительной информации направляется в зрительную кору, расположенную в затылочной доле, в задней части мозга. У вас когда-нибудь бывало так, что вы ударялись головой и из глаз сыпались искры? Одно из возможных объяснений заключается в том, что из-за столкновения ваш мозг перекатывается внутри черепа и задняя часть мозга сталкивается с черепом, подобно чудовищной мухе, попавшей в подставку для яйца. Из-за этого сдавливаются и травмируются области, отвечающие за обработку зрительной информации. Их структура на короткое время нарушается. В итоге мы внезапно начинаем видеть странные цветные пятна и образы, напоминающие звезды, за неимением лучшего описания.

Сама зрительная кора состоит из нескольких слоев, многие из которых разбиты на еще более мелкие слои.

Первым делом информация от глаз попадает в первичную зрительную кору, которая организована в аккуратные «колонки», как стопки нарезанного хлеба. Эти колонки очень чувствительны к ориентации, то есть они реагируют только на линии с определенным углом наклона. С практической точки зрения это значит, что мы можем видеть края. Важность этого невозможно переоценить: края – это границы, а это значит, что мы можем распознавать отдельные объекты, фокусируясь именно на краях, а не на однородной поверхности, которая в основном и образует форму объекта. Также это значит, что мы способны отслеживать движение объектов по мере того, как различные колонки активируются в ответ на изменения в зрительном поле. Нам дано распознать отдельные объекты и их движение; увернуться от летящего на нас мяча, а не гадать, почему эта белая клякса становится все больше. Открытие чувствительности к ориентации настолько фундаментально, что Дэвид Хьюбел и Торстен Визель, совершившие его в 1981 году, получили Нобелевскую премию [9].

Вторичная зрительная кора отвечает за восприятие цвета. Она производит огромное впечатление, потому что на механизмах ее работы основана константность цветовосприятия. Красный предмет при хорошем и плохом освещении на сетчатке будет выглядеть по-разному, но вторичная зрительная кора, очевидно, может учитывать степень освещенности и решать, какого цвета «должен быть» объект. Это здорово, но не абсолютно надежно. Если вы когда-нибудь спорили с кем-нибудь о том, какого цвета определенный предмет (например, окрашена ли машина в темно-синий или черный цвет), то вы не понаслышке знаете, что происходит, когда вторичная зрительная кора впадает в замешательство.

Области, ответственные за обработку зрительной информации, распространяются по мозгу все дальше, и чем дальше они от первичной зрительной коры, тем более специфичными становятся по отношению к тем стимулам, которые должны обрабатывать. Они даже заходят в другие доли, например, в теменной доле есть области, необходимые для восприятия пространства, а в верхней части височной доли находится область, ответственная за распознание определенных предметов и лиц (с чего мы начали). У нас есть области мозга, которые специализируются на распознавании лиц, поэтому мы видим лица повсюду. Даже если на самом деле их нет, потому что это всего-навсего жареный хлеб.

И это только некоторые наиболее впечатляющие аспекты работы зрительной системы. Вероятно, важнее всего то, что мы можем видеть в трех измерениях, или, как выражаются дети, в 3D. Это серьезное дело, поскольку мозгу приходится создавать полноценное восприятие трехмерного пространства из обрывочных двумерных образов. Сама сетчатка – практически «плоская» поверхность и подходит для создания трехмерных изображений не лучше, чем школьная доска. К счастью, у мозга есть несколько хитростей, чтобы обойти это ограничение.

В первую очередь для восприятия объема у нас есть два глаза. На лице они расположены довольно близко, но все же они расположены достаточно далеко друг от друга и поэтому отправляют в мозг слегка различные изображения. На основе этих различий мозг создает впечатление глубины и пространства, которые мы в конечном счете и воспринимаем.

Восприятие пространства зависит не только от параллакса, возникающего вследствие бинокулярной диспаратности (это перевод того, что я только что сказал, в научную терминологию), поскольку для этого требуется два согласованно работающих глаза. Если вы зажмурите или прикроете чем-нибудь один глаз, мир не станет тут же плоским. Все потому, что мозг также извлекать информацию о глубине и расстоянии из свойств изображения с сетчатки. Например, есть такие признаки глубины, как перекрытие (одни предметы перекрывают другие), градиент текстуры (мелкие детали поверхности видны, когда она близко, а не далеко), линейная перспектива (видимые промежутки между предметами, расположенными вблизи от наблюдателя, как правило, больше, чем между предметами вдали; представьте себе длинную дорогу, которая сходится в одну точку) и так далее. Хотя глубину лучше всего воспринимать двумя глазами, мозг вполне неплохо может обходиться и одним. Человек с одним глазом по-прежнему может справляться с делами, для которых требуются точные манипуляции. Я когда-то знал успешного стоматолога, который видел только одним глазом, но без способности к восприятию глубины невозможно надолго задержаться на подобной работе.

Эти признаки, по которым зрительная система воспринимает глубину, используются в 3D-фильмах. Глядя на экран кинотеатра, вы неизбежно воспринимаете глубину, потому что все признаки глубины, которые мы обсудили, присутствуют. Однако до определенной степени вы все равно понимаете, что рассматриваете изображения на плоском экране, потому что именно это и происходит. Однако в 3D-фильмах используются два немного различных потока изображений, наложенных один на другой. 3D-очки фильтруют эти изображения – одна линза отфильтровывает одни изображения, вторая – другие. В итоге изображения, попадающие в каждый глаз, слегка отличаются друг от друга. Мозг воспринимает это как глубину, и неожиданно предметы начинают выступать из экрана, а нам приходится платить за билет двойную цену.

Из-за крайне сложного устройства процессов, идущих в зрительной системе, ее можно одурачить множеством способов. Феномен «Иисус на куске жареного хлеба» возникает из-за того, что в височной доле есть область, ответственная за восприятие и обработку лиц, потому все, что хоть немного напоминает лицо, будет воспринято как лицо. Кроме того, в дело может вмешаться система памяти и подсказать, знакомое это лицо или нет. Из-за другой распространенной иллюзии два совершенно одинаково окрашенных предмета выглядят по-разному на разном фоне. Это происходит вследствие того, что вторичная зрительная кора оказывается сбита с толку.

Мозг на самом деле не очень хорошо справляется с неопределенностью, поэтому он наводит порядок в том, что следует воспринимать, просто выбирая одну возможную интерпретацию. Однако он может передумать, потому что решений на самом деле два.

На нескольких страницах совершено невозможно охватить всю сложность зрительной системы, но мне показалось, что стоит попытаться это сделать, потому что зрение – это невероятно сложный неврологический процесс, от которого сильно зависит наша жизнь, а люди вообще о нем не задумываются, пока оно не начинает сдавать. Считайте, что в этом разделе описана лишь верхушка айсберга нашей зрительной системы – в ее глубине скрыто намного больше.