© 2021 by Rebecca Schwarzlose

© Т. Мосолова, перевод на русский язык, 2024

© А. Бондаренко, художественное оформление, макет, 2024

© ООО “Издательство АСТ”, 2024 Издательство CORPUS ®

Эта книга издана в рамках программы “Книжные проекты Дмитрия Зимина” и продолжает серию “Библиотека фонда «Династия»”.

Дмитрий Борисович Зимин – основатель компании “Вымпелком” (Beeline), фонда некоммерческих программ “Династия” и фонда “Московское время”.

Программа “Книжные проекты Дмитрия Зимина” объединяет три проекта, хорошо знакомых читательской аудитории: издание научно-популярных книг “Библиотека фонда «Династия»”, издательское направление фонда “Московское время” и премию в области русскоязычной научно-популярной литературы “Просветитель”.

Подробную информацию о “Книжных проектах Дмитрия Зимина” вы найдете на сайте ziminbookprojects.ru

Позвольте сразу внести ясность. Эта книга о реальных картах, существующих в нашем мозге. Это не метафора и не авторский прием. В нашем мозге действительно существуют карты. И не одна или две. Наш мозг – это целый атлас. Прежде чем объяснить, что я имею в виду, когда говорю о картах мозга, я расскажу, что я не имею в виду. В последнее время ученые и научные журналисты в статьях, научно-популярных книгах и лекциях часто называют исследования в области нейронаук “картированием мозга”. Под этим они понимают попытки определить, например, какой участок мозга отвечает за сонливость, а какой помогает выбрать конкретное блюдо в обширном ресторанном меню. Но в таком виде “картирование мозга” позволяет создать не карту, а скорее список известных участков мозга, подобный списку механических деталей в конструкции автомобиля. Каждый элемент – от коленчатого вала до глушителя – имеет специфическую функцию и располагается в автомобиле в строго определенном месте. Аналогичным образом в инвентарном списке деталей мозга перечислены отделы мозга, их расположение и предполагаемое назначение. Но каждый раз, когда нейробиологи обнаруживают в мозге какую-то область, которую хотят добавить к списку, они вынуждены сосредоточить на ней внимание и проанализировать ее более детально.

И когда они это делают, часто выясняется, что данная часть мозга имеет собственную внутреннюю организацию – удивительную структуру с настоящей картой.

В общем понимании карта – это пространственное отображение чего-то. Когда мы говорим о картах, то чаще всего представляем себе географические карты, описывающие какую-то местность на поверхности Земли. Но можно отобразить на карте поверхность Луны или расположение звезд далеких галактик. Однако на самом деле карты могут отображать не только физическую локализацию. Карты мозга описывают наше тело, чувства, движения и важнейшие источники информации в окружающем мире.

Чтобы оценить красоту мозговых карт, достаточно представить себе их координаты. Географические карты имеют пространственные координаты с такими единицами измерения расстояний, как километры или градусы широты и долготы. Точка на географической карте задает местоположение на поверхности Земли. А точка на карте мозга может отображать свет, запах, звук, прикосновение или укол. Зрительные карты нашего мозга отображают локализацию световых частиц, попадающих в тонкий слой клеток в глубине глаза. Слуховые карты передают частоты звука, ударяющего по чувствительным спиралям внутри ушей. Наши соматосенсорные карты имеют координаты тела и отображают каждое прикосновение, тепло и болевое ощущение на всех плоскогорьях и долинах нашей кожи. В мозге содержатся пространственные карты, позволяющие нам взаимодействовать с внешним миром, а также карты движения, отображающие наши действия: следующее моргание, глоток или шаг. В буквальном смысле это карты нас – нашего тела (от глазных яблок до ступней) и того, что мы делаем, в чем нуждаемся и как взаимодействуем с окружающим пространством. Мозг заполнен замечательными картами, отображающими все эти аспекты окружающего мира и не только.

Но карты мозга не просто удивительные. Они важные. Они позволяют многое понять о нас: почему мы запоминаем, воображаем, учимся и думаем так, а не иначе. Они позволяют нам всматриваться в разум других людей и даже других существ и предполагать, чем их восприятие отличается от нашего. Они показывают, как дети обучаются и адаптируются к окружающей среде, иногда с долгосрочными последствиями для здоровья и благополучия. Врачи, ученые и коммерческие компании все активнее используют мозговые карты для создания технологий, перекрывающих разрыв между компьютерами и мозгом. Короче говоря, мозговые карты имеют большое психологическое, философское, общественное и технологическое значение. Это ключ к пониманию нас самих в настоящем и к принятию решений о том, как технологии, основанные на анализе мозга, станут определять жизнь нашего общества в будущем.

Работая над книгой, я обнаружила, что в рассказе о картах мозга прослеживается несколько тем. Первая тема – универсальность. Карты существуют в мозге больших и маленьких существ, от дрозофил до сомов и слонов. И не одна или две! Карты есть повсюду – от передних до задних долей мозга, слева и справа, вверху и внизу. По сути, именно этим занимается мозг всех существ на нашей планете: он создает карты. И во многих случаях это одинаковые карты. У вас и у меня карты приблизительно одного и того же типа, и многие из них похожи на карты существ, покрытых чешуей, перьями или мехом.

Вторая тема – уникальность карт мозга. Казалось бы, уникальность противоречит универсальности. Но это не так. Универсальность и уникальность – частые спутники в биологическом мире. Например, все люди оставляют отпечатки пальцев, но при этом особенности отпечатков пальцев в каждом случае делают их уникальными. То же самое справедливо для карт мозга, с той только разницей, что их особенности важны. Они влияют на способность человека или другого существа воспринимать, сосредоточиваться, запоминать, узнавать и реагировать на внешний мир. И в этом качестве мозговые карты являются ключом к пониманию того, как восприятие и даже некоторые способности, включая способность к чтению, созданию мысленных образов и тонкой моторике, различаются у разных людей.

Третья тема заключается в том, что карты мозга появились по необходимости. Это не украшение природного проекта. Без них восприятие в том виде, в котором оно нам доступно, было бы невозможно. Создание, питание и размещение мозга, способного хотя бы что-то видеть и чувствовать, сопряжено с огромными физическими сложностями. Построение мозговых карт – лишь первый шаг на пути их преодоления. И чтобы преодолеть эти сложности, мозговые карты не могут отображать окружающий мир достоверным образом. Они очень сильно искажены в целях сохранения энергии и пространства, и эти искажения, в свою очередь, определяют то, что мы видим и чувствуем. Этот удивительный факт является главной темой книги и отражен в ее названии. Как вы увидите, ландшафты мозга – это искаженное отображение реальности на картах мозга, определяющее наше восприятие.

Четвертая тема представляет карты мозга как результат трудного компромисса, не имеющего отношения к превосходству одних существ над другими. Если вы рассчитывали узнать из этой книги, почему одни люди умнее других или почему люди превосходят других обитателей Земли, советую обратиться к иным источникам. Карты мозга демонстрируют другую правду – правду об ограниченных ресурсах и скудных инвестициях. Когда какой-то вид развивает и доводит до совершенства определенные способности, например острое зрение, ловкость рук или умение слышать ультразвук, он неизбежно приносит в жертву и подавляет другие свои способности. Таким образом, карты мозга конкретных существ, включая нас, демонстрируют перцептивные и ментальные способности, необходимые для выживания этих существ. Карту мозга нельзя рассматривать в качестве показателя превосходства или неполноценности на основании ее внутренних свойств, ее качество можно оценивать только в контексте среды обитания и требований выживания.

Кроме того, карты мозга дают организму возможность адаптироваться. На протяжении жизни человека карты сохраняют способность обучаться на опыте и переформируют сами себя в соответствии с новой средой и новыми потребностями. Однако мозг новорожденных и маленьких детей особенно гибок, и поэтому опыт первых недель или месяцев жизни оказывает наиболее глубокое влияние на формирование карт для последующей жизни. Этот процесс обучения через окружающий мир дает детям возможность адаптироваться к нему, порой путем гигантской перестройки мозговых карт. Обычно это благоприятный процесс, помогающий детям развиваться в будущей жизни. Но если раннее влияние среды сопровождается хотя бы временным экстремальным опытом, таким как пребывание в больнице, недостаток внимания или нарушения зрения, пусть даже корректируемые, такое обучение может оказывать обратное действие. Таким образом, карты мозга показывают, что дети чрезвычайно пластичны в отношении изменяющегося окружения, но могут очень сильно пострадать в результате подобного опыта.

Наконец, карты мозга предоставляют идеальную возможность для подглядывания за живым думающим мозгом и даже для прямых манипуляций с ним. Знания о картах мозга, накопленные к концу XIX века, позволили врачам успешно выполнять нейрохирургические операции. Сегодня информация о дополнительных мозговых картах помогает установить, что некоторые люди, существующие, казалось бы, в полностью вегетативном состоянии, на самом деле находятся в сознании и понимают, что происходит вокруг. Это своего рода вариант чтения мыслей – мы не просто расшифровываем, что человек видит или чувствует в конкретный момент, но также что он вспоминает, что представляет себе и о чем мечтает. Эта возможность способствует развитию нейропротезирования, цель которого заключается в восстановлении подвижности парализованных людей или в возвращении зрения слепым. Недавние попытки коммерческих компаний осуществить прямую интеграцию компьютеров и человеческого мозга (этот процесс открыл двери частным инвесторам и корпорациям) тоже основаны на информации о картах мозга.

Как видно из перечисления тем, карты мозга оказывают глубокое и обширное влияние на мышление, здоровье и технологии. Их существование важно не только для ученых, но и для каждого живого существа. Они важны для вас, хотя, возможно, вы никогда и ничего о них не слышали, и помогают найти ответы на вопросы, которые являются настолько фундаментальными для обыденной жизни, что вы, возможно, никогда их не задавали. Почему, воспоминая событие, мы как бы заново его переживаем? Почему я использую руки для осязания вещей? Почему я не могу вообразить иные ощущения, кроме тех, которые даются мне моими пятью чувствами? Почему дети лучше взрослых обучаются новым навыкам, таким как игра на музыкальном инструменте? Почему я не в состоянии одновременно обращать внимание на все, что происходит вокруг? Почему компьютер так хорошо умеет предсказывать слово, которое я собираюсь напечатать, но так плохо понимает, что я на самом деле имею в виду? Я пишу эту книгу не только для того, чтобы ответить на эти вопросы, но и для того, чтобы получить удовольствие от их постановки.

“Ландшафты мозга” – не учебник. Эта книга не научит вас играть в гольф и не наладит вашу личную жизнь. Она не предлагает способов излечения от недугов или достижения финансового благополучия. Книга предлагает нечто совсем иное: возможность взглянуть на жизнь с другой точки зрения. Кажется очевидным, что мы чувствуем и как думаем. Но за этой очевидностью скрыто множество чудес. Карты мозга изо дня в день формируют наш опыт. Они рассказывают интересную историю – одновременно общую и глубоко личную. Они раскрывают неожиданную правду о нашем месте в этом мире и о месте мира внутри нас. Они поднимают важные вопросы о том, что реально, что подлинно, что лично. И показывают, как из суровой необходимости может возникнуть нечто прекрасное и даже поэтическое.

В книге описано лишь несколько мозговых карт, но каждая из них играет жизненно важную роль в восприятии мира и во взаимодействии с ним. Книга рассказывает о том, что такое карты мозга, почему они существуют и как тело диктует мозгу, какие карты ему нужны. Она демонстрирует, как эти карты служат станком, на котором плетутся нити восприятия, внимания, воображения и мечтаний. Как карты формируют наши мысли и способности, как они стимулируют и одновременно сдерживают нас.

Мозг часто представляют в качестве невероятно сложной структуры. Писатели и ученые иногда сравнивают его со звездным небом, чтобы подчеркнуть наличие в мозге гигантского количества клеток и связей между ними. Хотя такое сравнение вызывает вполне оправданное благоговение, оно одновременно изображает мозг далеким – недосягаемым и непознаваемым. Но анализ мозга через содержащиеся в нем карты – это мощный подход для понимания мозга в качестве близкого союзника. Наш мозг тончайшим образом настроен на наши нужды и на нас самих – на структуру тела и его чувствительность, на наши способности и ограничения, на окружающее пространство, а также на инструменты и источники энергии, помогающие нам жить.

Да, мозг сложен. Но он не недосягаем и находится совсем не в небесах. Он там, где вы. И это поистине удивительно.

К ак и многие другие научные открытия, обнаружение скрытых от глаз карт мозга было связано со случайностью и страданием. Первые карты были найдены благодаря двум вещам – пулям и слепоте. История их пересечения показывает, что такое карта мозга и в чем ее смысл. Шел 1904 год. Две империи – Россия и Япония – вели войну за владычество на суше и на море. С ростом числа ранений японские власти обратили внимание на одну странность: появилось удивительно большое количество частично или полностью ослепших раненых. Во многих случаях, как и следовало ожидать, слепота явилась следствием повреждения глаз[1]. Но почти четверть случаев была связана с повреждением мозга, причем доля таких раненых была выше, чем в предыдущих войнах.

Этот факт отражал изменения в вооружении. Русские использовали оружие нового образца – скорострельные винтовки Мосина, модель 91. Пули для такой винтовки имели диаметр 7,6 миллиметра, что меньше, чем в предыдущих моделях. Они вылетали из ствола с начальной скоростью 620 метров в секунду и быстрее достигали цели. Это позволило русским стрелять быстрее и попадать в цель. Но одновременно изменился и характер ранений. Раньше пули, попадавшие в голову, разбивали череп или вызывали ударную волну, сильно повреждавшую мозг. При стрельбе из винтовки Мосина 91 этого не происходило. Новые пули проскальзывали через кости и мозг, оставляя небольшие аккуратные отверстия, как ровные дырочки на бумажной мишени. И поэтому многие солдаты выживали после ранения в голову и их ранения в меньшей степени сопровождались нарушениями мышления и восприятия, чем у людей с ранениями головы в предыдущих войнах.

Японские солдаты с ранениями определенной части головы сообщали об ухудшении зрения. У них в поле зрения возникали провалы – слепые пятна, называемые скотомами, которые перемещались в поле зрения при переводе взгляда с одной точки на другую. Скотома может возникать при повреждении глазного яблока. Однако эти конкретные скотомы были вызваны ранениями в странном месте – в задней части головы, далеко от глаз.

Эти провалы в поле зрения по размеру и локализации были разными у разных пациентов. У одного мужчины скотома располагалась в дальнем правом углу поля зрения, и куда бы он ни смотрел, предметы с правой стороны оказывались скрыты. Другой не мог видеть предмет, находившийся прямо перед ним; если он пытался смотреть прямо на напечатанное слово или на лицо жены, темное пятно все закрывало.

Такие скотомы нарушали зрение пациентов вне зависимости от того, пытались ли они смотреть только левым глазом, только правым глазом или обоими одновременно. Стало ясно, что эти повреждения остаются на всю жизнь. Для компенсации увечий и ввиду отсутствия возможности для этих людей зарабатывать на жизнь в будущем правительство Японии постановило выделить им более высокую пенсию, что было сложным предприятием для бюрократической империи. Для определения размера пенсии каждому солдату нужно было документально засвидетельствовать локализацию скотомы и ее размер.

Мрачная обязанность по сбору этой информации выпала на долю доктора Тацудзи Иноуэ – молодого офтальмолога, который к началу войны только закончил учиться. Иноуэ стал проверять поля зрения раненых солдат. Поле зрения – это диапазон видимости во всех направлениях, достижимый для человека без поворота головы. Когда мы смотрим на какую-то точку в пространстве, мы при этом видим еще что-то выше, ниже, слева и справа от нее. При нормальном зрении мы лучше видим то, что расположено в центре, т. е. в той точке, на которую смотрим. Однако мы одновременно получаем зрительную информацию из точек пространства, отдаленных от центра поля зрения, как говорится, замечаем что-то “краем глаза”. Специалисты по зрению и офтальмологи называют эти отдаленные от центра участки поля зрения периферией. Таким образом, поле зрения складывается из центральной области и периферии. Офтальмологи могут исследовать поле зрения разными способами: направлять луч света в разные участки поля зрения пациента или указывать на эти участки пальцем с просьбой их назвать. Если пациент не видит объекты в какой-то части поля (скажем, в нижней левой зоне), возможно, у него есть скотома.

По долгу службы армейского врача Иноуэ бесчисленное множество раз обследовал поля зрения пациентов с пулевыми ранениями головы или другими травмами и составил об этом подробный отчет. Хотя правительству нужны были лишь данные для определения размера пенсии, молодой врач рассудил, что эта информация может помочь разрешить давнюю научную загадку: где в человеческом мозге находится центр зрительного восприятия и как именно представляется там зрительное изображение? Ученые искали ответы на эти вопросы на протяжении десятилетий. Они предполагали, что в мозге есть карта зрительной информации, однако ее точная локализация и строение оставались неизвестными.

Карта – это пространственное отображение чего-либо. Следовательно, карта мозга – это пространственное отображение чего-то в мозге. У мозга есть размер и форма, задняя и передняя части, верх и низ. Поэтому достаточно легко представить себе, что в мозге есть некая пространственная структура – нечто, что занимает место на его поверхности, в пучках и складках. Но что происходит, когда мозг отображает что-то из внешнего мира – будь то след краски или звук сирены?

Ответ на этот вопрос начинается не в мозге, а в других частях тела. Точнее, в тех ключевых участках, где тело соприкасается с внешним миром. Самая обширная и очевидная зона контакта – это кожа, но также сетчатка, расположенная на дне глазных яблок. А еще улитка в глубине каждого уха. И тонкие ткани, выстилающие изнутри наши ноздри, и влажные поверхности языка и ротовой полости. Именно здесь все происходит. Эти поверхности – входные двери, через которые мы получаем информацию из внешнего мира. Эти поверхности покрыты чувствительными рецепторными клетками, которые детектируют во внешнем мире информацию и передают ее в мозг в виде внутренних сообщений. Эти рецепторы чрезвычайно ценны. Без них наша жизнь протекала бы в отрыве от внешнего мира.

Давайте поближе рассмотрим один элемент, связывающий нас с реальностью, – кожу. Кожа имеет непрерывную поверхность. Если вы посмотрите на какую-то специфическую точку кожи, с большой вероятностью слева и справа, выше и ниже тоже будет кожа. Конечно же, разрывы есть, такие как глаза, рот и ноздри. Но вокруг них кожа продолжается, как вокруг озера продолжается берег. Кожа стопы прилегает к коже щиколотки, а та соседствует с кожей голени. Иными словами, свойства кожи распространяются на непрерывную поверхность. Это означает, что кожа, как поверхность Земли или Луны, имеет топографию, или ландшафт. Представьте себе живущих на нашей коже микробов. Если бы колонии микробов умели общаться и исследовать территорию, они могли бы расчертить ландшафт (кожный покров) нашего тела и путешествовать по этой территории, ориентируясь на указатели. Хотите попасть под мышку? Возьмите вправо у пупка, а потом влево после той странной родинки.

Но хотя наша кожа непрерывна, тактильные рецепторы дискретны. В коже много тысяч рецепторов. Одни реагируют на повреждения и на сигналы боли, другие регистрируют давление, вибрацию или тепло. Рассмотрим группу рецепторов, специфическим образом реагирующих на давление и вибрацию кожи. Благодаря им мы можем чувствовать удары и отличать гладкую поверхность от шершавой. Каждый такой рецептор творит чудеса в одной конкретной точке на поверхности кожи. Рецептор на коленной чашечке правой ноги настроен на восприятие и передачу сигнала прикосновения к конкретному участку этой коленной чашечки. И все. Представьте себе его как землевладельца-затворника, притаившегося со своим ружьем: “Весь мир может делать, что ему вздумается, но если кто-то ступит ногой на мою землю, он дорого за это заплатит!”

Для этого маленького коленного рецептора важна только территория колена. Ученые называют рецептивным полем то поле (или зону), из которого клетка получает информацию. Изменение давления в рецептивном поле вызывает реакцию – клеточный сигнал. Что-то происходит! Изменение давления вне рецептивного поля ничего не вызывает. Как землевладельцы, одни рецепторы отвечают за более обширные участки, чем другие, но активность всех рецепторов ограничена только их конкретным участком кожи. Не спрашивайте рецептор колена, что происходит на спине. Он не отличит превосходный массаж от удара или от полного отсутствия контакта. Каждый чувствительный рецептор рассказывает историю только маленького участка кожи и передает ее в мозг.

Именно с этого начинается отображение. Сигналы, посылаемые одним рецептором, скажем, с кожи правого колена, отображают давление на этот участок кожи. И поэтому, если я хочу узнать, давит ли что-то на ваше колено, мне не обязательно исследовать колено. Вместо этого я могу прислушаться к сигналам, идущим от кожи к мозгу. Сигнал от этого рецептора сообщит все, что мне нужно знать об этом конкретном участке кожи. Сигнал отображает физическую силу, действующую на конкретную часть тела.

Представьте себе, что мы следуем за сигналом, отправленным рецептором вашего колена в мозг, где он достигает клетки мозга, называемой нейроном. При этом, заметьте, сигнал приходит не к первому попавшемуся нейрону. Наш ценный сигнал достигает только правильного нейрона, который специализируется на сборе информации о прикосновении, но не о свете, вкусе, запахе или звуке. Более того, этот нейрон имеет узкую специализацию и собирает информацию только о прикосновениях в области колена, но не локтя или лица. И хотя нейрон находится в мозге, а не на коже, у него есть рецептивное поле – чертеж кожи колена. И это все, что он знает; он получает информацию только об этом отдельном участке.

Аналогичным образом, когда этот нейрон готов отправлять сигнал в другие части мозга, он может сообщить только то, что знает: информацию о прикосновении к колену. Хотя нейрон находится не в колене, а в голове, его сигнал отображает тактильную информацию о колене. Когда клетка отправляет сигнал в другие части мозга, этот сигнал что-то означает. Он отображает происходящее на каком-то конкретном участке кожи. Именно в этом заключается идея об отображении в мозге, и именно это является необходимым элементом для построения карт мозга и реализации многих его функций. Если бы мозг не создавал таких отображений, мы бы не выжили. Мозг позволяет нам собирать информацию от наших чувствительных рецепторов и посылать инструкции мышцам только за счет возможности отображать, что чувствуют рецепторы и как двигаются мышцы.

Благодаря этому отображению, анализируя активность мозга человека, нейробиологи могут определять, что чувствует кожа. И также могут создавать у человека тактильные ощущения, дотрагиваясь напрямую до его мозга. И это важная сторона отображения: когда мы знаем, как это работает, мы можем регистрировать сигналы мозга и даже их изменять.

Отображение зрительных сигналов происходит примерно так же, как отображение тактильных. Зрение начинается в задней части глазного яблока. Когда крохотные частицы света, фотоны, попадают в глаз, они проходят через глазное яблоко и приземляются на тонкой ткани сетчатки. В сетчатке содержатся миллионы чувствительных рецепторов, улавливающих фотоны света.

Кожа непрерывна, и сетчатка, выстилающая заднюю часть глазного яблока, тоже представляет собой непрерывный слой. Сетчатка, как кожа, тоже характеризуется наличием топографии. В частности, в сетчатке есть заметное углубление – центральная ямка. Когда вы смотрите, скажем, на красный сигнал светофора, свет от этого источника попадает в глаз и встречается с чувствительным рецептором в центральной ямке. Поскольку свет распространяется по прямой, а рецепторы глаза зафиксированы на месте, рецептор центральной ямки улавливает и отображает только тот свет, который поступает из центра поля зрения – оттуда, куда вы смотрите в этот момент. Аналогичным образом рецептор, расположенный на отдалении от центральной ямки, обнаружит и отобразит только свет, идущий из другой точки пространства, удаленной от того места, куда направлены ваши глаза. Итак, рецепторы глаз, как и рецепторы кожи, имеют рецептивные поля, позволяющие сетчатке и в конечном итоге мозгу отображать информацию, собираемую глазами, – отображать то, что мы видим.

Но хотя кожа и сетчатка – непрерывные поверхности, наша способность чувствовать прикосновение кожей или свет глазом не является непрерывной. Она формируется как сумма маленьких сигналов, идущих от мельчайших участков. Как мозаика из цветных фрагментов, формирующих единую осмысленную картину, наши ощущения света и прикосновения составляются воедино из отдельных фрагментов информации. То же самое справедливо и в отношении слуха.

Как эти обрывки восприятия интегрируются, образуя более цельный тактильный, зрительный или звуковой опыт? Ученые пока не знают окончательного ответа на этот вопрос, но им известно, что интеграция происходит не единовременно. Мозаика информации, которую мы получаем от наших чувствительных рецепторов, складывается за несколько этапов (рис. 1). Эти этапы реализуются по мере перемещения информации об отображении из одной части мозга, имеющей свою карту, в другую часть. Возможно, кажется удивительным, что наше восприятие мира активно создается мозгом из тысяч точек, и странно представлять себе, как эти точки возникают и постепенно сливаются на нескольких картах, создавая знакомый нам опыт. Однако именно такова реальность восприятия и удивительная природа наших чувств.

Рис. 1. Схема превращения рецептивных полей в нейронные отображения в тактильной (вверху) и зрительной (внизу) системе. Художник Пол Ким.

В конце XIX века, незадолго до того, как Тацудзи Иноуэ начал изучать пулевые ранения и исследовать поля зрения, большинство ученых пришли к выводу, что зрительный образ формируется где-то в задней части мозга. Они уже знали, что отображение является пространственным и что схема образа в мозге отражает картину световых сигналов, попадающих в глаз. Однако не было известно точно, где и как располагается эта странная карта.

Шведский невропатолог Саломон Хеншен, обследовавший более сотни пациентов, правильно указал место в задней части мозга, где формируется зрительный образ[2]. Он даже предложил теорию формирования карты в этом участке, но его объяснение оказалось неверным. Повреждения мозга его пациентов были слишком разнообразными для проведения более тщательных наблюдений. Примерно через десять лет молодому Иноуэ удалось сделать то, чего не смог Хеншен, и в значительной степени его успех стал возможен благодаря жестокой эффективности новых русских винтовок. Чистые и четко очерченные отверстия от пуль, выпущенных из этих винтовок, и создаваемые ими небольшие скотомы позволили связать пулевые отверстия со слепотой и в результате обнаружить зрительные карты, спрятанные в мозге у солдат.

Иноуэ понимал, насколько важны доскональные измерения. Чтобы построить точную карту зрительного центра мозга, он должен был тщательно измерить как скотому, так и пулевое отверстие в голове каждого солдата. Измерения полей зрения уже проводились точно и регулярно, но Иноуэ нуждался в собственном методе измерения и сравнения повреждений мозга у раненых. Он придумал инструмент, названный краниокоординометром, который представлял собой набор линеек, соединенных с помощью регулируемых зажимов (рис. 2). Эта конструкция надевалась на голову человека, как шлем, и Иноуэ мог аккуратно измерять параметры разных голов. Он экстраполировал траекторию движения пули через голову и сопоставлял ее с локализацией и размером слепого участка в поле зрения каждого пациента.

В 1909 году Иноуэ опубликовал результаты осмотра 29 солдат. В его отчете содержалось подробное описание реальной карты зрительного пространства в человеческом мозге. В отличие от Хеншена, Иноуэ почти все детали установил правильно. Его карта распадается на две половины – каждая на одной стороне головы. И обе располагаются в самой задней части мозга – в области, которую теперь называют первичной зрительной корой, коротко – V1. Отображение в этой области перевернуто по сравнению с тем, что происходит в поле зрения, на котором оно основано: в тканях мозга изображение травы и земли находится над изображением неба и облаков. Изображение также перевернуто слева направо, так что правое поле зрения отображается слева, и наоборот. Более того, этот зрительный образ сильно искажен, как будто в то место, где на карту нанесена информация из центра поля зрения, положили сильное увеличительное стекло. Но открытия Иноуэ на этом не закончились. Он представил интригующие доказательства того, что карта V1 не единственная: в человеческом мозге спрятаны и другие зрительные карты.

Рис. 2. Фотография солдата, обследованного Иноуэ, на ней продемонстрировано применение краниокоординометра (слева) и показана траектория движения пули через тело солдата (справа). Источник: Die Sehstörungen bei Schussverletzungen der kortikalen Sehsphäre (Зрительные нарушения как результат пулевого ранения в зрительной области коры). Leipzig: W. Engelmann, 1909.

Прослеживая непосредственную связь между локализацией повреждения в мозге и местом расположения слепого пятна, Иноуэ обнаружил первую из известных зрительных карт мозга. Впрочем, утверждение, что в мозге существует зрительная карта (не говоря уже о том, что их несколько), может показаться нам абсурдным. Возможно, это связано с нашим привычным опытом обращения с географическими картами. Мы привыкли к таким зрительным указателям, как туристические планы или схемы линий метро. А эти карты состоят из материи – реальной физической материи, такой как краска на бумажном листе, изготовленном из древесной целлюлозы.

Конечно, сегодня мы часто видим карты на экранах, и это показывает, в какой степени несущественно, из чего сделана карта. Когда мы загружаем на экран компьютера маршрут передвижения, этот маршрут представлен в виде световых волн разной длины, исходящих от экрана. Если мы распечатаем этот план на бумаге, чтобы взять с собой в дорогу, мы воссоздаем его на бумаге, но изображение остается тем же самым. И в этом прелесть отображения: оно позволяет нам обмениваться информацией о сущностях и явлениях без необходимости их воспроизведения. Мне не нужно заново строить пирамиды, чтобы показать вам, как они расположены в Гизе. Мне нужны лишь ручка и лист бумаги, палец и запотевшее стекло или палочка на песчаном пляже. Короче говоря, совсем не важно, из чего сделана карта. Она может быть фактически из любого материала.

Карты мозга не нарисованы на бумаге и не отображены на экране; они сделаны из клеток. В мозге содержится несколько видов клеток, половину из которых составляют нейроны. Нейроны связаны между собой красивыми ветвистыми отростками, переносящими электрические и химические сигналы от одного нейрона к другому. Нейрон может производить электрические импульсы один за другим, и скорость испускания этих импульсов зависит от той информации, которую отображает нейрон.

Когда я говорю о скорости испускания импульсов, называемой скоростью возбуждения, я сразу представляю себе школьный класс, в котором младшие школьники стараются привлечь внимание учителя: “Меня, меня, спросите меня! А меня?!” Чем чаще они выкрикивают, тем настоятельнее звучит их призыв – будь то желание ответить на вопрос учителя или просьба отлучиться в туалет. Выкрики учеников в школьном классе, как импульсы, посланные разными нейронами мозга, могут иметь совершенно разный смысл. Но в любом случае частота испускаемых сигналов отражает срочность или важность сообщения. Когда скорость возбуждения нейрона возрастает и происходит быстрый залп импульсов, значит, в этот момент нейрон хочет передать важную информацию.

Представьте себе, что мы вскрываем чей-то череп и расправляем складки задней части мозга, так что область V1 предстает в плоском виде. Эта плоская поверхность мозга состоит из нейронов, как бумага – из древесной массы. Лист нейронов аналогичен листу бумаги, на которой печатают обычную карту. Но вместо красок разного цвета карты мозга представляют информацию через частоту возбуждения нейронов, из которых они состоят: одни возбуждаются активно, а другие почти совсем не возбуждаются. В техническом аспекте частота возбуждения нейрона – это число электрических сигналов, которые он посылает за определенный промежуток времени. Можно сказать, что в картах мозга электричество и время играют такую же роль, как краска на обычных картах.

Клетки, электричество и время. Это сырье, необходимое мозгу для создания карт.

Возможно, к концепции карт мозга нужно привыкнуть. Они не похожи на обычные карты. Однако карта в области V1 по своей сути не отличается от карты в бардачке автомобиля. Аналогично тому, как мы превращаем карту на экране компьютера в карту, распечатанную на бумаге, мы переносим эту же карту с листа бумаги в область V1, просто глядя на нее. Одна не хуже другой, и все они вполне реальные.

Еще одно отличие карт мозга от обычных географических заключается в том, что первые изменчивы. Географическая карта, начерченная на папирусе или выгравированная на панно, неподвижна и неизменна. И это нормально, поскольку ландшафтные ориентиры неподвижны, а географические изменения происходят медленно. Когда такие изменения случаются, печатные карты устаревают. Они не могут автоматически обновляться, чтобы соответствовать изменениям, происходящим в мире. Так что нам остается только выбросить старые карты и сделать другие.

Но некоторые карты могут обновляться. Представьте себе карту на приборном экране автомобиля или мобильного телефона. Компьютерные карты могут обновляться и включать в себя информацию о новых торговых центрах или закрытых на ремонт съездах с шоссе. В этих картах используется технология GPS, определяющая наше теперешнее положение в пространстве. Таким образом, наша динамическая компьютерная карта обновляется по мере передвижения. Когда мы движемся к северу, карта на экране тоже движется на север, и мы всегда видим ориентиры, находящиеся в непосредственной близости от нас. Такая карта полностью сбивала бы с толку вне контекста нашего путешествия и в отрыве от знакомой и важнейшей реперной точки – нас самих. Но хотя совмещенный с GPS экран постоянно изменяется или обновляется по мере передвижения, он по-прежнему остается картой. И поскольку на нем есть точка отсчета (наше теперешнее положение в пространстве), мы без труда понимаем эту динамическую карту.

Карта области V1 тоже динамическая. Когда мы перемещаемся из одной точки в другую, обводим глазами пространство или когда движутся окружающие нас предметы, информация на карте обновляется. Но, как и в случае с экраном навигатора, изменение информации, отображаемое в зоне V1, не дезориентирует нас, поскольку оно тоже привязано к знакомой и важной точке отсчета: положению нашего тела и направлению взгляда.

Каким бы странным это ни казалось, карты могут быть сделаны из клеток мозга и могут обновляться и изменяться. Но понять концепцию карт мозга непросто еще вот почему. Даже карту, нарисованную на запотевшем стекле или прочерченную на песке, можно увидеть. Но карта V1 не подсвечивается синим светом, когда мы любуемся океаном, и не разделяется на темные квадраты, когда мы смотрим на шахматную доску. Разве карта не должна быть такой, чтобы мы могли ее видеть?

Ответ на этот вопрос отрицательный. Чтобы понять, почему это так, давайте рассмотрим один короткий мысленный эксперимент из истории разведки. Хотя мы привыкли думать, что шифры и шпионские сообщения являются современным изобретением, невидимые чернила применяются для передачи секретной информации уже на протяжении сотен лет. Во время американской революции Джордж Вашингтон и его шпионы использовали невидимые чернила, изготовленные по специальному рецепту; такие чернила можно было увидеть только при контрастном окрашивании[3]. Написанные ими разведывательные данные, а также планы и, вполне возможно, карты, начерченные невидимыми чернилами, передавались незамеченными и изменили ход войны.

Представьте себе, что один из шпионов Вашингтона использовал такие чернила для зарисовки плана оккупированного Нью-Йорка, отметив места сосредоточения британских войск. Была ли такая невидимая карта настоящей картой? Конечно, да. И Джордж Вашингтон смог бы подтвердить это, обработав бумагу контрастной краской, чтобы чернила стали видимыми. Информация на карте при нанесении красителя не изменилась. Карта отражала план города Нью-Йорка до и после того, как стала видимой невооруженным глазом.

Эта сказка о невидимых чернилах Вашингтона вызывает интересный вопрос: нельзя ли нанести на карту V1 контрастную краску и сделать ее видимой? В 1988 году группа специалистов, занимающихся зрением, проделала именно это и продемонстрировала карту области V1 макаки[4]. Как человек и другие приматы, макаки в значительной степени ориентируются с помощью зрения и имеют карты V1, аналогичные нашим картам.

В этом эксперименте обезьяны смотрели на изображение, вспыхивающее на мониторе компьютера, а им в кровь в это время вводили похожее на сахар вещество, но только с радиоактивной меткой. Наиболее активные нейроны в области V1 захватывали радиоактивное вещество (по той причине, что активно возбуждающиеся нейроны требуют больше энергии). Далее обезьян усыпляли, так что у них переставало биться сердце, и после этого ученые вводили в ткани мозга консерванты, вынимали мозг из черепа и отделяли зрительную кору от остальных частей мозга. Они разравнивали V1, так что она превращалась в плоский лист, замораживали ее и делали срезы с помощью замороженного лезвия. Затем они клали на замороженные срезы рентгеновскую пленку и оставляли на срок от двух недель до трех месяцев, до проявления. Ученые обнаружили удивительные изображения того, что видели обезьяны за несколько недель или месяцев до смерти. Один пример показан на рис. 3: слева изображено то, на что смотрела обезьяна, а справа – картина активности на карте V1, которую удалось визуализировать на срезе мозга животного.

Рис. 3. Соответствие между изображением в правой части поля зрения (слева) и отображением этой информации в виде активности левой половины зоны V1 зрительной карты мозга (фотография среза мозга справа). Источник: The Journal of Neuroscience, vol. 8, no. 5. Copyright © 1988 by the Society for Neuroscience.

Подобно тому, как генерал Вашингтон использовал контрастный краситель, чтобы сделать видимыми полученные им письма и планы, ученые смогли сделать видимой карту V1 путем обработки, развертывания, замораживания и проявки мозга. Иными словами, да, мы можем открыть мозг и увидеть карту в области V1, но это сложно. Новые технологии дали нам более простые способы визуализации карт мозга. Вообще говоря, для этого подходит любой метод, который может превратить возбуждение нейронов в свет в видимом диапазоне длин волн.

Даже беглый взгляд на эти изображения позволяет выявить очевидное несоответствие: картинка в мозге достаточно сильно отличается от изображения на экране. И это не ошибка. Активность нейронов в области V1 мозга обезьяны не является некачественным отображением того, что видела обезьяна перед смертью. Карта области V1 очень сильно искажена. Маркерные точки на рис. 4 показывают, как именно. Вертикальная прямая линия в левой части исходного рисунка в мозге растягивается в широкую С-образную полосу, тогда как ровный полукруг в правой части исходного рисунка уплощается и даже слегка инвертируется. Рисунок переворачивается, так что верхняя часть экрана оказывается в нижней части карты V1. Но это еще не все: что-то не так с отображением концентрических окружностей, так что самый маленький полукруг занимает слишком много места. Именно эти аномалии обнаружил Иноуэ более ста лет назад.

Рис. 4. Маркерные точки на видимом изображении (слева) и на соответствующей карте активности в зрительной области V1 в мозге обезьяны (справа) показывают, каким образом инвертировано и искривлено изображение на карте V1. Источник: Paul Kim, The Journal of Neuroscience, vol. 8, no. 5. (с модификациями). Copyright © 1988 by the Society for Neuroscience.

Благодаря работам Иноуэ и нескольких других ученых до и после него было обнаружено неизвестное ранее место, где происходит зрительное восприятие. Этот участок спрятан в складках задней части нашего мозга. Он содержит нейронную карту, которая отображает зрительную информацию при помощи электричества и времени. На рис. 5 показано, где спрятана область V1 и как выглядит на ней зрительное изображение. Именно эту карту продырявили пули у пациентов Иноуэ, оставив прорехи в поле зрения, хотя оба глаза у них функционировали нормально.

Существование такой карты в нашем мозге может показаться странным и неправдоподобным. Однако такие карты, как V1, являются не исключением, а правилом. Мозг больших и маленьких существ переполнен подобными картами. В последующих главах мы поговорим об их замечательном разнообразии и о том, как их особенности и искривления формируют наши мысли и опыт. Но сначала нужно ответить на важнейший вопрос: зачем мозгу столько карт? Ответ можно найти в устройстве электронных приборов и в эволюции, и связан он со столь разными темами, как голодный мозг и фантастическая способность примитивного пустынного муравья ориентироваться в пространстве. Вы увидите, что на самом деле невероятной является наша способность вообще что-либо видеть. Такие зрительные карты, как в области V1, являются решением проблемы, о существовании которой вы никогда даже не подозревали. Они уникальным образом обеспечивают нас зрением и другими чувствами в мире голода, дефицита и хищничества.

Рис. 5. Отображение зрительной информации в левой и правой частях зрительной карты V1 у человека. Художник Пол Ким.

Инженеров из Лаборатории Белла не интересовал мозг. Их интересовало создание полезных устройств. Однако в конце 1950-х годов Лаборатория Белла и зарождавшаяся электронная промышленность столкнулись с той же проблемой, которая на миллионы лет затормозила эволюцию мозга и сделала карты мозга биологическим императивом.

Тогдашний вице-президент Лаборатории Белла дал проблеме название: тирания чисел[5]. Электрические устройства функционируют благодаря внутренним электрическим компонентам, которые обеспечивают их главные функции. Потребители хотели иметь более мощные и многофункциональные устройства, чтобы один и тот же аппарат мог выполнять несколько функций. И поэтому инженеры пытались создавать новые устройства, состоящие из огромного количества деталей. Непросто придумать, как упаковать миллион деталей внутри устройства разумного размера. Но добавление деталей влечет за собой и еще более сложную проблему: при присоединении каждого нового элемента инженер должен встроить массу новых проводов, соединяющих его с другими элементами устройства. Эту проблему и назвали тиранией чисел. Повышение мощности и функциональности устройства требовало дополнительных элементов, но чем больше элементов, тем больше проводов, а это повышало стоимость производства и увеличивало размер устройства.

Результат? Неуклюжие машины из чудовищного набора деталей.

Решение проблемы тирании чисел пришло из другой сферы. Его предложил Джек Килби из компании “Тексас инструментс”: он придумал интегральную схему, позволявшую инженерам включить множество элементов в единственную деталь из германия, что очень сильно сократило количество проводов. Роберт Нойс из компании “Фэйрчайлд семикондактор” в Маунтин-Вью в Калифорнии изобрел кремниевую версию интегральной схемы, которая заложила основы и дала название Силиконовой долине в том виде, в котором мы знаем ее сегодня. Интегральные схемы позволили включать в устройство больше элементов. Эти инновации положили начало современной эре электроники и позволили создавать мощные многофункциональные мобильные устройства, определяющие нашу современную жизнь.

Однако тирания чисел не исчезла полностью. Перенеситесь в сегодняшний день и подумайте о мобильном телефоне, который наверняка сопровождает вас повсюду. Многие мобильные телефоны являются многофункциональными: это одновременно телефон, фотокамера и плейер, на нем можно слушать музыку, смотреть фильмы и играть в видеоигры. Чипы современных мобильных телефонов содержат миллиарды транзисторов и многочисленные элементы, позволяющие им осуществлять столь разные функции. Но при этом мобильные телефоны должны быть легкими и достаточно компактными, чтобы помещаться в карман или сумочку. Эти конфликтующие факторы – больше функций в меньшем объеме – будут оставаться источником головной боли (и рабочих мест) для инженеров еще долгое время.

Многие аспекты процесса создания современных мобильных телефонов связаны с вопросами, в равной степени относящимися и к головному мозгу. Какими свойствами должен обладать конечный продукт, чтобы быть функциональным, обрабатывать большие объемы информации и быстро решать задачи? Для чего служит каждая деталь устройства и как эти детали должны быть связаны друг с другом? Сколько будет стоить создание такого аппарата? Насколько компактным и легким должен быть конечный продукт?

В отличие от устройств, тщательно разработанных инженерами, структура мозга и его функции формировались на протяжении многих поколений за счет естественного отбора. Никто сознательно не подбирал критерии для построения мозга; на протяжении многих поколений генетические мутации, воспроизведение и смерть совместными усилиями оптимизировали структуру мозга живых существ методом проб и ошибок. И все же проще понять компромиссы в эволюции мозга, если рассматривать этот процесс как инженерную задачу. Что нужно, чтобы сконструировать мозг? Ответ зависит от того, что этот мозг должен уметь делать.

Когда люди рассуждают о способностях мозга (о способности обрабатывать информацию и поддерживать разумное поведение), они обычно делают это в терминах плохо и хорошо. В целом считается, что любого человека и любое существо можно расположить на определенной ступени интеллектуальной лестницы, так что простенькие оказываются у земли, а превосходные – в поднебесье. Однако более детальное и менее предвзятое исследование способностей животных показывает, насколько ошибочна такая позиция.

Рассмотрим в качестве примера пустынного муравья, который постоянно перемещается по суровой Сахаре в поисках чего-нибудь съедобного. По отношению к собственному размеру эти муравьи за день проделывают путь, который для нас составлял бы несколько километров, а затем находят дорогу домой по совершенно безликой пустыне точно в то место, где живет их колония. Другой пример – киты-убийцы, которые держатся группами (стадами) и общаются на диалекте, уникальном для каждого конкретного стада[6]. Когда стадо рассеивается и члены группы оказываются в нескольких километрах друг от друга, они должны “настроиться” на сигналы других китов, общающихся на этом диалекте, и игнорировать сообщения всех остальных. Это позволяет им отслеживать месторасположение собратьев и вновь объединяться. А птица, называемая щелкунчиком Кларка, каждую осень собирает сосновые семена и закапывает их в небольших норках[7]. Птица запоминает более трех тысяч таких тайников и проверяет их за зиму и весну, добывая пропитание для себя и своих птенцов.

Эти животные обладают мозгом с массой от 0,001 грамма (муравей) примерно до 3650 граммов (кит-убийца)[8], но способны на такие когнитивные подвиги, которые трудны или вовсе невозможны для нас с нашим мозгом массой около 1500 граммов. На удивление, многих живых существ можно назвать разумными, но они разумны только в каких-то определенных аспектах, необходимых для преодоления специфических трудностей. Разнообразие способностей, обеспечиваемых мозгом, у обитателей нашей планеты чрезвычайно велико, и поэтому этих существ нельзя сравнивать по какому-то одному показателю.

Разнообразие способностей мозга у разных видов и родов возникло при участии естественного отбора. Генетические вариации вызывают изменения в структуре мозга, что, в свою очередь, создает основу для появления новых способностей или поведения. Мозг существ может различаться по целому ряду параметров. Конечно, он бывает большим или маленьким. Но он также может иметь разное количество нейронов и разную плотность их упаковки[9] – количество нейронов в единице объема. Например, слоны и киты имеют гигантский мозг с крупными, свободно упакованными нейронами, тогда как у человекообразных обезьян мозг меньшего размера с плотно упакованными более мелкими нейронами. Размер мозга и плотность упаковки нейронов определяют общее количество нейронов в мозге. Корова и шимпанзе имеют мозг примерно одинакового размера, но в мозге шимпанзе нейроны упакованы плотнее, так что общее количество нейронов у шимпанзе, по-видимому, намного больше. Это важно по той причине, что количество нейронов в мозге животного является ключевым фактором для выживания. Слишком много или слишком мало для реализации нужд организма – это вопрос жизни и смерти.

Снабжение мозга дополнительными нейронами имеет очевидные преимущества. Поскольку нейроны – это ячейки обработки информации, увеличение их числа повышает производительность мозга. Значительная часть мозга большинства животных отводится на обработку информации, поставляемой органами чувств: в нашем случае это зрение, слух, тактильные стимулы и т. д. Недостаточно иметь пару функциональных глаз, чтобы видеть; необходимо иметь в мозге такие области, как V1, которые отражают и обрабатывают поток собранной глазами информации. Чем больше нейронов, тем лучше мозг обеспечивает восприятие, усиливая способность организма обнаруживать пищу или хищника. Кроме того, дополнительные нейроны способствуют выполнению более сложных или точных движений, что также позволяет эффективнее добывать пищу или скрываться от хищников. Нейроны поддерживают и другие способности, такие как ориентирование, память, самоконтроль, планирование или рассудительность, – и каждая из них благоприятствует выживанию организма.

Но дополнительные нейроны достаются дорогой ценой. Прежде всего, нейроны активно потребляют энергию. В частности, головной мозг является третьим по счету человеческим органом, потребляющим максимальное количество энергии на единицу массы – после непрерывно бьющегося сердца и неутомимых почек. Но поскольку наш мозг крупнее и тяжелее этих органов, он потребляет максимальное количество энергии во всем теле. Этот комок ткани составляет лишь 2 % массы тела взрослого человека, но расходует около 22 % получаемой нами энергии[10]. У других видов другое соотношение, но во всем царстве животных нейроны являются активными потребителями энергии. Количество потребляемой нейронами энергии велико по той причине, что для производства каждого импульса они в буквальном смысле втягивают в себя одни молекулы и выделяют другие. Это перекачивание происходит постоянно во всех нейронах мозга. Чем больше у существа нейронов, тем больше ему нужно миниатюрных насосов, работающих день и ночь и нуждающихся в большом количестве топлива.

Поскольку нейроны обходятся так дорого, мозгу с большим количеством нейронов требуется больше калорий. Для удовлетворения этой потребности существо либо больше ест, либо ест более качественную пищу с более высоким содержанием калорий. Получить доступ к высококалорийной пище в современном индустриальном мире не трудно. Во многих развитых странах полки продовольственных магазинов забиты недорогими готовыми продуктами. Но это современное достижение – буквально один миг на шкале человеческой эволюции. Большую часть времени, пока наши предки бродили по земле, они сталкивались с суровой реальностью, с которой сегодня сталкиваются дикие животные. Не так уж много вокруг съедобных и питательных продуктов. Каждую калорию приходится добывать тяжким трудом. И если ваше тело и мозг требуют больше энергии, чем вы можете отыскать, добыть на охоте или украсть, вам недолго придется жить. Привет и прощай.

Кроме того, нейронам нужно много места. Каждый нейрон должен сообщаться с другими нейронами, и делают они это с помощью отростков, называемых дендритами и аксонами. Эти выросты, напоминающие щупальца, служат проводами, передающими информацию в форме электрических импульсов от одной клетки к другой. Эти провода выполняют специализированные функции. Дендриты нейронов принимают входные сигналы, а более длинные аксоны отправляют сигналы от нейронов дендритам других клеток. Можно сказать, что дендриты – уши нейрона, а аксон – его голос.

Увеличение количества нейронов в мозге повышает его способность думать, воспринимать и действовать, но лишь в том случае, если нейроны соединены друг с другом для передачи информации. Эту функцию поддерживает, главным образом, аксон, похожий на провод. Аксоны могут передавать сообщения либо между соседними нейронами, либо переносить импульсы через весь мозг. Чувствительные рецепторные клетки, такие как тактильные рецепторы нашей кожи, тоже представляют собой вид нейронов и имеют собственные аксоны, с помощью которых передают сигналы в мозг. Некоторые аксоны протянуты даже на длину всего тела; они передают тактильную информацию от пальцев ног до мозга, позволяя нам испытывать удовольствие от массажа стоп или боль от ушибленного пальца.

Аксоны играют важнейшую роль в осуществлении мозгом его многочисленных функций. Но они занимают уйму места. На самом деле, когда эволюция стала добавлять в мозг нейроны, новые связи, по сути, заняли больше места, чем сами новые нейроны[11]. Длинные провода занимают больший объем, чем короткие, и для их поддержания требуется больше усилий. Несколько десятилетий назад инженеры из Лаборатории Белла столкнулись с этой же проблемой: добавление к устройству новых элементов требует добавления многочисленных громоздких и дорогих проводов. То, что инженеры называли тиранией чисел, мы можем назвать тиранией нейронов. И если вам это не кажется серьезной проблемой, думайте дальше.

Нейроны бывают самых разных видов и имеют разные свойства, но каждый конкретный нейрон для выполнения своей функции должен быть напрямую связан с сотнями других нейронов мозга. Без разумного решения этой инженерной задачи дорогостоящие провода займут в мозге место и отнимут энергию, так что существо будет с трудом удерживать непомерно большую голову и удовлетворять потребности в калориях, и, следовательно, будет голодать. В человеческом мозге около 86 миллиардов нейронов. Если бы каждый из них соединялся со всеми остальными случайным образом, такой орган имел бы протяженность более 20 километров[12], хотя каждый аксон тоньше человеческого волоса. К счастью, каждый отдельный нейрон не должен быть связан со всеми остальными; он работает во взаимодействии лишь с небольшим количеством из этих 86 миллиардов нейронов мозга.

Но даже при этом любой мозг со случайным соединением нейронов был бы непомерно велик.

Электронные устройства показывают, как это работает. Конструкторы размещают как можно ближе друг к другу те элементы устройства, которые должны работать сообща и обмениваться информацией. Это позволяет экономить пространство за счет сокращения длины (и, следовательно, объема) проводов, соединяющих эти элементы. Такой же принцип реализуется в мозге. Если два нейрона совместно выполняют какую-то работу, они должны быть связаны между собой. И поэтому, если такие нейроны располагаются в мозге рядом друг с другом, это экономит энергию и позволяет использовать короткие провода.

Каждый нейрон в мозге должен переговариваться с другими нейронами. Но с какими? Вспомните о фрагментарной природе наших тактильных ощущений, которые начинаются как мозаика тактильных сигналов, воспринимаемых отдельными чувствительными рецепторами в коже. Я сравнила тактильный рецептор, спрятанный в коже вашего правого колена, с необщительным землевладельцем, интересующимся исключительно своим небольшим участком на поверхности земли (колена). Эта территория составляет его рецептивное поле. Если что-то касается кожи на этом участке, рецептор подает сигнал тревоги, создавая быстрый залп импульсов возбуждения. “На моей территории что-то происходит!” Эти сигналы отправляются в мозг к нейронам, у которых тоже есть рецептивные поля. В мозге есть нейроны, активность которых отражает давление на правое колено, хотя никакого реального колена в мозге нет. И с кем нейрон правого колена должен общаться в первую очередь? С другими нейронами, отражающими прикосновение к правому колену. А с кем еще? С нейронами, которые отражают прикосновение к верхней части правой голени или нижней части правого бедра. В целом нейроны в первую очередь должны сообщаться с теми клетками, которые отображают состояние тех же самых или соседних участков тела.

Есть причина, почему нейроны должны в большей степени общаться со своими партнерами-единомышленниками, и у этой причины есть название: локальная обработка. Локальная обработка, по сути, заключается в сравнении ситуации в одной точке пространства с ситуацией в другой точке. Это могут быть точки в пространстве нашего тела в случае прикосновения или в нашем поле зрения в случае зрения. Важно, что локальная обработка связана с поисками ответа на следующие вопросы: происходит ли здесь что-то, что не происходит там? там, но не тут? где-то еще? или нигде? Такие специфические сравнения кажутся банальными, но они чрезвычайно важны. Они дают информацию о том, где именно что-то происходит, например, болезненное ощущение в области колена. Эти сравнения также обеспечивают важный контекст для обработки других сенсорных сигналов. В частности, поступление информации о боли в одном участке колена может помочь другим нейронам, отображающим состояние других участков кожи, также обнаружить боль. Этот тип коммуникации играет наиболее важную роль для нейронов, имеющих соседние рецептивные поля. На уровне нейронов, как и в нашей каждодневной жизни, те события, которые происходят по соседству, с большей вероятностью связаны с нашей текущей ситуацией. Если горит соседний дом, хорошо бы нам об этом знать. А если горит дом в другой точке планеты? Это не так важно. Часто сравнение нашей ситуации с ситуацией у соседей также доставляет важную информацию о том, какова наша собственная ситуация. Например, представьте себе, что в вашем доме или квартире отключилось электричество. Если это случилось только у вас, вам нужно вызвать электрика для наладки или проверить, оплатили ли вы последние счета. Но если у соседей тоже нет электричества, возможно, источник проблемы находится на расстоянии нескольких километров, и вам ничего другого не остается, как ждать городскую службу или представителей энергетической компании. И такая же ситуация с нейроном, отображающим прикосновение к правому колену. На колено действует давление, если на вас слишком узкие брюки или вы заснули на животе. Но в обоих случаях давление оказывается на многие части тела. Нет необходимости осознавать ощущение именно в колене. Однако сравните это ощущение с прикосновением к вашему колену чьей-то руки или с ударом о него мяча. Это давление действует только на колено и означает, что происходит нечто особенное, связанное только с коленом. Бросьте все и обратите внимание на колено! Если маленький коленный нейрон собирается помочь нам распознать разницу между этими событиями, он должен сообщаться с нейронами, отображающими давление на кожу выше коленной чашечки, под ней и с обеих сторон от нее.

А теперь представьте себе два нейрона, которые передают тактильную информацию в головной мозг: один имеет рецептивное поле в правом колене, а другой – в верхней части правой голени. Каждый из них должен знать, что происходит на соседней территории. Им необходимо обмениваться информацией и сравнивать ее, а это означает, что они должны быть связаны между собой. Если в мозге нейрон коленной чашечки расположен рядом с нейроном голени, они смогут болтать о своих сердечных делах по коротким проводам. Конечно же, коленные чашечки и голени – лишь две зоны на общем ландшафте кожи. Коленный нейрон должен также переговариваться с нейронами нижней части бедра, а нейрон голени – с нейронами икры и щиколотки. Чтобы провода были короткими, этим нейронам тоже нужно располагаться по соседству друг с другом. Этот же принцип распространяется на плечи, шею и лицо в одном направлении и на пальцы ног в другом. Соседние нейроны в головном мозге отображают соседние точки на ландшафте кожи. И каков результат? В наш мозг встроена изумительная, настоящая карта поверхности нашего тела.

В мозге много таких карт тела. Одна из самых известных называется первичной соматосенсорной корой, S1. Подобно тому, как V1 является первым участком поверхности мозга (коры мозга), получающим информацию от световых рецепторов глаз, участок коры S1 первым получает информацию от тактильных рецепторов. Он расположен в самой верхней части мозга. И его схема соответствует схеме поверхности нашей кожи, включая язык и губы, нос, два глаза, десять пальцев рук, десять пальцев ног, один живот и две коленные чашечки. Эта карта мозга позволяет использовать максимально возможное количество нейронов для обнаружения прикосновения при небольшом количестве соединительных проводов, иметь небольшой размер головы и скромный аппетит.

Это элегантное решение также объясняет строение зрительной карты, обнаруженной Иноуэ в мозге раненых солдат. Клетки мозга, отображающие свет, который попадает в соседние точки сетчатки, тоже должны располагаться по соседству друг с другом, что дает им возможность обмениваться информацией при минимальной длине соединительных проводов. Этот обмен информацией позволяет мозгу быстро и точно отслеживать важные контуры видимого пространства, в том числе границы линий или поверхностей. Эти контуры сообщают важную информацию, показывая, где начинаются и заканчиваются окружающие нас предметы и, по сути, что они собой представляют.

Этот принцип “разговора по-соседски” также объясняет существование карт для других способностей, таких как слух и движение, причем он реализуется у всех представителей царства животных. Карты позволили эволюции увеличить мощность мозга с помощью дополнительных нейронов и при этом контролировать общий размер мозга и его энергетические потребности. Карты мозга полезны и для существ с меньшим количеством нейронов, поскольку позволяют им сохранять мозг минимально возможного объема и с минимальными энергетическими запросами. Благодаря картам эти животные извлекают максимальную пользу из имеющихся нейронов, остаются шустрыми и не страдают от голода. Короче говоря, природа нашла схему, одинаково удачную для сложного и простого, крупного и маленького мозга. Карты мозга позволяют преодолевать главное препятствие на пути к выживанию. В нашем мире с ограниченным запасом ресурсов и жесткой конкуренцией эти карты позволяют выжить пустынным муравьям, китам-убийцам и нам с вами.

Есть много причин быть благодарными нашим картам мозга. Альтернатива – голод, неподвижность и вымирание – не очень привлекательна. Можно благодарить карты за быстроту и четкость наших ощущений, не говоря уже о том, что в нашей голове есть место для пяти чувств, а не для одного или двух. Но карты дают и другие преимущества. Они идеально устроены для обнаружения и исправления неизбежных ошибок и упущений в информации, которую мозг получает от глаз, ушей и кожи.

Прекрасный пример того, как карты мозга корректируют восприятие, представил нам священник и ученый-самоучка XVII века Эдм Мариотт. Он был аббатом в небольшом городке Сен-Мартен-де-Бомон-сюр-Ванжанн неподалеку от Дижона во Франции[13]. И интересовался столь разными науками, как физиология растений и физика, астрономия и анатомия. Он организовал одно из первых в истории международное научное сообщество и был отмечен Ньютоном в знаменитом трактате “Математические начала натуральной философии”. Но самым важным вкладом Мариотта в науку было открытие, заключавшееся в том, что все мы слегка подслеповаты.

Мариотт многократно участвовал в анатомировании, изучая тела сельскохозяйственных животных, иногда экзотических животных и даже людей. Особенно его интересовала анатомия глаз. В задней части глазных яблок (как животных, так и человека) он обнаружил вдавленный внутрь овальный участок, отличающийся от остальной поверхности сетчатки. Он не первым обнаружил этот овал, который, как было известно, является местом выхода зрительного нерва, передающего информацию от глаза в головной мозг. Овал называли диском глаза, но его функция в зрении оставалась неизвестной. Большинство ученых того времени считало, что диск глаза является участком наиболее четкого зрения. Однако при анатомировании Мариотт обнаружил, что этот диск никогда не располагается в центре глазного дна (которое соответствует наиболее острому центральному зрению). У человека он располагается чуть выше и ближе к носу. Мариотта заинтересовало это несоответствие. И поэтому при помощи лишь нескольких бумажных контуров он принялся изучать природу зрения в области диска глаза.

Эксперименты Мариотта относятся к разряду самых простых. На рис. 6 показано, что он сделал. Мариотт прикреплял маленький кружок из белой бумаги на черном фоне на уровне глаза, а второй кружок диаметром около 10 сантиметров – чуть ниже и примерно на 60 сантиметров правее[14]. Он закрывал левый глаз и смотрел на первый кружок, а потом медленно отходил назад. Когда он отдалялся примерно на три метра, второй кружок исчезал. Заинтригованный этим наблюдением, Мариотт медленно переводил взгляд, и бумажный диск появлялся вновь. Но как только он фиксировал взгляд на первом кружке, второй опять немедленно исчезал.

Рис. 6. Схема эксперимента Мариотта. Художник Пол Ким.

Мариотт повторил тот же эксперимент с закрытым правым глазом и открытым левым, на разном расстоянии, каждый раз с соответствующим расположением и размером второго кружка. Слепое пятно появлялось всякий раз. Он повторил эксперимент со своим знакомым Реверендом Билли, а потом с другими французскими учеными. Оказалось, что все они в какой-то степени слепы и эта слепота всегда обнаруживается в двух точках пространства, с двух сторон, соответствующих дискам двух глаз. Теперь мы называем эту зону слепоты слепым пятном.

Вы сами можете обнаружить у себя слепое пятно, пользуясь рис. 7. Начните с верхнего изображения креста и цыпленка. Закройте левый глаз и смотрите на крест, поместив страницу книги примерно в 30 сантиметрах от лица. Если нужно, подвиньте книгу ближе или дальше, но при этом смотрите на крест; на определенном расстоянии цыпленок исчезнет. Проделайте то же самое с нижним рисунком. В этот раз, когда птица попадает в зону слепого пятна правого глаза, она исчезает, а клетка останется на месте – но пустая. Если хотите повторить это с левым глазом, просто переверните книгу вверх ногами, закройте правый глаз и повторите эксперимент.

Рис. 7. Слепое пятно. Используйте эти рисунки и объяснение в тексте, чтобы обнаружить слепые пятна у себя в глазах. Художник Пол Ким.

Теперь мы знаем, что зрительный нерв – это пучок аксонов, переносящих сигналы от сетчатки в головной мозг. Эти аксоны занимают место на выходе из глаза, так что там негде расположиться рецепторам, собирающим информацию о поступающих фотонах света. В глазах у всех людей есть зрительный диск, и каждый диск создает овал слепоты.

Простой эксперимент Мариотта заставил всю Европу говорить о слепом пятне и вызвал новый всплеск научных дебатов о зрении и глазах. Кроме того, возник интересный вопрос: почему мы не осознаем, что у нас есть эти слепые пятна? Почему мы не замечаем их в обычной жизни? Мариотт предложил несколько веских гипотез. Обычно мы смотрим на мир одновременно двумя глазами, так что тот участок пространства, который мы не видим одним глазом, мы видим другим. Кроме того, мы достаточно быстро переводим взгляд, и в результате никакие участки видимого пространства не закрыты слепым пятном на долгое время.

Оба эти довода справедливы, но ни один из них не объясняет, почему слепое пятно оставалось невидимым, когда один глаз Мариотта был закрыт, а другой неподвижен. Они не объясняют, почему второй кружок Мариотта исчезал, попадая в слепое пятно, и заменялся черным фоном, а при исчезновении птицы сохранялась птичья клетка. Когда птица исчезала, она не погружалась в темноту. Она заменялась чем-то другим – белым фоном страницы или прутьями клетки. Почему это так? Этот вопрос оставался без ответа на протяжении столетий, даже тогда, когда люди открыли электричество, рецептивные поля и карты мозга. В конце концов ответ был найден в картах V1 живого мозга.

Вспомните, что карта V1 соответствует организации сетчатки двух глаз. Хотя каждый глаз собирает поступающую световую информацию независимым образом, в области V1 эта информация от двух глаз соединяется на одной общей карте. Зрительная карта области V1 разделена между правым и левым полушариями мозга; находящаяся в левом полушарии половина карты V1 отражает информацию из правой половины поля зрения, и наоборот. На рис. 8 представлены фотографии срезов человеческого мозга[15], демонстрирующие левую и правую половины карты V1. Из мозга умершего человека выделили соответствующую ткань, расправили ее и окрасили с помощью вещества, позволяющего видеть некоторые детали карты, включая ее границы. На этих окрашенных срезах также видны участки карты, соответствующие слепым пятнам обоих глаз. Для ясности под срезами представлены их очертания. Крупный фрагмент в левом полушарии, обозначенный стрелкой, соответствует участку поля зрения, попадающему в слепое пятно правого глаза. Аналогичный фрагмент правого полушария, обозначенный стрелкой, соответствует участку поля зрения, попадающему в слепое пятно левого глаза.

Рис. 8. Фотографии (вверху) и очертания (внизу) карты V1 зрительной области человеческого мозга. Фотографии окрашены для визуализации рельефа. Участки V1, соответствующие двум слепым пятнам, четко выделяются в виде светлого и темного островков соответственно в левой и правой половине области V1. Различимый полосатый рисунок в остальных участках V1 соответствует входному сигналу от обоих глаз (подробности в главе 11). Источник: The Journal of Neuroscience, vol. 27, no. 39. Copyright 2007 by the Society for neuroscience.

Преобладающую часть времени у нас открыты оба глаза, и в этих участках все нормально. Та часть карты, которая соответствует слепому пятну правого глаза, по-прежнему передает зрительную информацию об этой части видимого пространства от левого глаза, и то же самое верно для слепого пятна левого глаза. Но как только мы закрываем один глаз, как проделывал в своих экспериментах Мариотт, один из этих слепых участков на карте V1 уже не получает сообщений ни от одного глаза. Этот участок карты – по-прежнему живая и активная ткань мозга, но она отрезана от обычного источника зрительной информации. Мы не видим темное пятно, как пациенты Иноуэ со скотомами, а воспринимаем нечто, восполняющее или заполняющее это пятно, так что оно напоминает окружающее пространство.

Как именно мозг восполняет этот недостаток информации, оставалось неизвестным до самого последнего времени, пока эксперименты с обезьянами не позволили получить новые данные. С помощью тончайших электродов нейробиологи измерили активность нейронов, соответствующих одному из участков в слепом пятне карты V1 в мозге обезьяны[16]. Как Мариотт и другие люди, при закрытии одного глаза обезьяны видят слепые пятна заполненными теми же цветами или рисунками, как в соседних точках пространства. Ученые обнаружили, что специфический набор нейронов на участке карты V1 обезьяны, который соответствует слепому пятну одного глаза, активируется при закрытии второго глаза, когда прерывается сигнал, поступающий в этот участок. Эти особые нейроны имеют гигантские рецептивные поля, соответствующие части слепого пятна и окружающего его зрительного пространства. Эти клетки получают сигналы из той части сетчатки, которая окружает слепое пятно, и с их помощью восполняют изображение в лишенном информации участке мозга. Подобно тому, как можно заштопать дыру в носке или связать края ткани вокруг дыры, можно заполнить информацией слепое пятно с помощью этих специфических клеток.

Это заполнение, или “штопание”, слепого пятна на карте V1 является ярчайшим примером того, что ученые называют перцептивным заполнением. Мозг воссоздает недостающие данные, используя поступающую от глаз частичную информацию. И это лишь один из многих примеров заполнения пробелов в нашем чувственном опыте. Многие оптические иллюзии срабатывают по той причине, что наша зрительная система изначально обладает способностью восполнять информацию, которая кажется недостающей, даже когда это не так. Например, если мы смотрим на изображение двух движущихся полос, которые выровнены между собой, но разделены неподвижным пробелом, нам кажется, что они перекрывают пробел и соединяются друг с другом, хотя это не так. Группа ученых проанализировала эту ситуацию, чтобы понять, что происходит на участке карты V1, соответствующем пробелу, когда люди наблюдают эту иллюзию. Отражает ли активность мозга в этой области информацию, которую получают глаза (а именно – отсутствие движения через пробел), или субъективное восприятие участников эксперимента (то есть заполняющийся пробел)?

Для изучения карт V1 у живых людей[17] ученые используют популярный способ сканирования мозга, который можно осуществить на аппарате для магнитно-резонансной томографии (МРТ). Этот метод, называемый функциональной МРТ (фМРТ), позволяет понять, как активность мозга изменяется во времени или в ответ на манипуляции экспериментатора. Если при проведении фМРТ участники эксперимента смотрят на яркий вспыхивающий экран, по результатам сканирования можно проанализировать их зрительные карты V1. Именно так ученые исследовали активность в области V1 у людей, смотревших на движущиеся полосы и наблюдавших оптическую иллюзию. Активность нейронов в области V1, отображающей неподвижный пробел, усиливалась, когда люди наблюдали эффект иллюзии и видели, как движущиеся полосы заполняют пробел. Короче говоря, воображаемые полосы, продолжавшие движение через пробел, видны на самой карте V1. Полосы пересекали пробел и на картах V1 у участников эксперимента, и в их осознанном зрительном восприятии.

Перцептивное заполнение происходит постоянно, хотя мы почти никогда этого не осознаем. В большинстве случаев мы этого не замечаем, поскольку мозг правильно дополняет информацию, основываясь на зрительных данных, и в результате позволяет нам ориентироваться в окружающем пространстве. Следовательно, такие тщательно построенные оптические иллюзии показывают, что наше восприятие постоянно проверяется. Но зачем мозг восполняет недостающую информацию? Возможный ответ заключается в том, что преимуществом нашей зрительной системы является возможность предчувствовать непрерывность. Зрительная система, которой мы с удовольствием пользуемся, эволюционировала и развивалась таким образом, чтобы осмысливать наш беспорядочный трехмерный мир. Вид отдаленных предметов обычно заслонен от нас более близко расположенными предметами. Когда мы впервые входим в комнату, наша зрительная система может переполняться (и переполняется) дезориентирующим скоплением новых линий, углов, цветов, текстур и оттенков.

На самом деле обычно мы не обращаем внимания на эти линии, текстуру и другие детали. По-настоящему нас интересуют только характеризуемые ими предметы. Чтобы помочь нам увидеть эти предметы, мозг должен учитывать вероятность. Например, вряд ли в пространстве имеются случайные дыры и сверхъестественные совпадения. В случае иллюзии движущихся полос: какова вероятность того, что две независимо движущиеся полосы случайным образом расположились рядом и синхронизировались? Не выше ли вероятность, что это две части общей картины, на которой какая-то посторонняя полоса закрывает нам вид? И в результате мы воспринимаем этот неподвижный пробел между движущимися рисунками в качестве чего-то постороннего. Мы мысленно представляем движение полос через линию раздела, пытаясь отразить суть, а не углы, линии и текстуру, о которых деловито сообщают наши глаза.

А вот другой пример. Узкая полоса ткани, протянутая от одного края стола к другому, – это и есть полоса ткани на целом столе, а не два стола с провалом между ними. К счастью, мы в своем восприятии не пытаемся заменить эту тканевую дорожку поверхностью стола; мы способны воспринять и полосу ткани, и цельный стол под нею. Но опять-таки фМРТ показывает, что карта V1 отражает информацию о предметах или частях предметов, временно скрытых предметами, расположенными более близко[18]. Короче говоря, перцептивное заполнение, которое имеет место во многих случаях обмана зрения, – это ярчайший пример более тонкого и важного явления: на основании сигналов от глаз мозг автоматически дополняет или экстраполирует разворачивающуюся перед нами ситуацию.

Такие карты мозга, как V1, прекрасно подходят для подобных экстраполяций, поскольку они непрерывны и построены таким образом, чтобы быстро и легко провести сравнение между соседними точками пространства. Локальные сравнения на карте мозга позволяют идентифицировать места, где происходит нечто важное, но они же помогают найти участки зрительного пространства, которые с малой вероятностью отличаются от соседних участков. Карты мозга быстро выявляют и исправляют входящие сигналы, которые кажутся ошибочными, как текстовый редактор с функцией автоматического исправления ошибок. Учитывая достаточную тренировку (или опыт) и правильное функционирование программы (или связи), наш процессор и наши карты мозга могут находить ошибки и избегать ловушек, так что мы их даже не замечаем.

Нам кажется, что восприятие – совершенно очевидное явление. В конце концов, оно происходит естественно и без усилий с нашей стороны. Нас никогда не учили воспринимать, и мы никогда не перегружались от избытка восприятия. Многое из того, что мы делаем или о чем думаем, требует от нас усилий, но восприятие происходит само. Оно динамическим образом осуществляется в каждый момент жизни – от дня нашего появления на свет до дня смерти. И поэтому так легко не замечать, каким же чудом на самом деле оно является. Многие сложности в восприятии пространства, энергии, движения и информации вполне могли бы привести к тому, что мы не умели бы распознавать предметы на нашем пути или ощущать чью-то ладонь на нашем колене. Карты мозга – ключ к преодолению физических и вычислительных ограничений такого рода.

Но хотя карты мозга позволяют преодолевать подобные трудности, их существования недостаточно. Чтобы создавать такой мощный, но при этом практичный мозг, какой появился на Земле, эти карты должны обеспечивать очень сильные искажения. Как вы увидите, такие искажения – важнейшая характеристика отображения мира нашим мозгом. А это, в свою очередь, определяет наше восприятие мира и всего, что в нем есть.

С пуститесь в подземное метро Бостона в Массачусетсе, и вы повсюду обнаружите карты: встроенные на стенах платформ, приклеенные в вагонах и отпечатанные на бумаге в виде брошюр. В городе с 1,3 миллиона пассажиров карты метро в равной степени выполняют функцию информационного ресурса и декора. Но еще они иллюстрируют неожиданную вещь, которая справедлива как для планов метро, так и для карт мозга: иногда искаженная карта лучше отображает то, что нужно знать людям.

Линии бостонского метро расходятся, как спицы колеса, с центром в сердце города, это показано на рис. 9. Переход с одной линии на другую осуществляется на четырех станциях. Однажды я проехала по красной линии от одной станции (“Парк Стрит”) до другой (“Даунтаун Кроссинг”) и обнаружила, что пересекла лишь одну часть города. Сравните это с расстоянием между станциями “Дейвис” и “Эйлуайф” – двумя соседними станциями на одном конце красной линии. Хотя точки, соответствующие станциям “Дейвис” и “Эйлуайф”, на плане располагаются ближе, чем точки “Парк Стрит” и “Даунтаун Кроссинг”, на самом деле станции “Дейвис” и “Эйлуайф” отстоят друг от друга больше чем на километр. Короче говоря, изображение на плане метро искажено по отношению к реальности. Тогда как расстояние в 1 сантиметр между станциями “Парк Стрит” и “Даунтаун Кроссинг” соответствует 10 метрам реального расстояния на местности, 1 сантиметр между станциями “Дейвис” и “Эйлуайф” соответствует 140 метрам.

Рис. 9. Упрощенная схема бостонского метро. Художник Пол Ким, редакция Майкла Квиришвили (CC BY 2.0)

Интересно, что благодаря этой неточности план метро становится более удобным. Когда мы выезжаем из центра, нам нужно знать только порядок станций на нашей линии, чтобы вовремя выйти. Но когда мы движемся к центру и готовимся к пересадке, нам нужна еще и пространственная информация. Можно ли доехать до аэропорта с одной пересадкой или придется делать две? На какой станции следует пересаживаться и в какую сторону ехать после пересадки? За счет увеличения разрешения в области пересадочных пунктов карта метро снабжает нас более четкой пространственной информацией именно там, где это больше всего необходимо.

Многие карты мозга, включая зрительную карту V1, используют тот же прием. Часть зрительной карты V1, которая отображает зрительную информацию из области центральной ямки (оттуда, куда направлен взгляд), очень сильно увеличена по сравнению с остальными частями. Вообще говоря, это увеличение объясняет одно из открытий Иноуэ: хотя пули от винтовки Мосина имели диаметр 7,6 миллиметра, они создавали области слепоты разного размера. У пациентов Иноуэ были сравнительно небольшие слепые участки в центре и более крупные на периферии. Это различие в размерах скотомы показывает, что информация от центральной ямки на карте V1 представляется в сильном увеличении, как карта центральной части города на плане метро.

Почему информация от центральной ямки на карте V1 отображается с более сильным увеличением? Главным образом потому, что она более значима. Световые рецепторы в области центральной ямки упакованы гораздо плотнее, чем в других частях сетчатки. Поскольку там больше рецепторов, мы получаем больше информации о той части зрительного пространства, куда непосредственно направлен наш взгляд. Это различие создает в сетчатке неравенство и делает зрение в области центральной ямки чуть более острым, чем в других зонах. Но это еще не все.

Представьте себе два световых рецептора сетчатки: один расположен в центральной ямке (“Флоранс”), другой на периферии (“Перри”). Допустим, оба рецептора регистрируют фотон (порцию) света одновременно и отправляют одинаковые сигналы о его обнаружении. Меньше чем за одну двадцатую секунды сигналы проходят через другие клетки сетчатки, делают короткую остановку на железнодорожной станции в глубине мозга и достигают области V1 в задней части головы. На этом пути сигнал от “Перри” объединяется с сигналами от соседних рецепторов, тогда как сигнал от “Флоранс” остается неизменным. Хотя в начале пути два сигнала были идентичными, к моменту прибытия в зону V1 они уже не похожи друг на друга. Здесь информация от “Флоранс” займет в сто раз больше места, чем информация от “Перри”[19]. Тот факт, что входные сигналы от “Флоранс” и ее соседей в центральной ямке занимают более обширную территорию на карте V1, имеет реальные последствия для нашего восприятия. Чем больше территория, тем больше нейронов V1 занимаются отображением точных деталей световой картины, обнаруженной в области центральной ямки.

История о “Флоранс” и “Перри” вызывает очевидный вопрос: не стали бы мы лучше видеть, если бы сохраняли сигналы от “Перри” так же бережно, как сигналы от “Флоранс”? Почему увеличена только одна часть карты, а не вся карта целиком? Такие же вопросы можно задать в отношении схемы метро. Почему бы не создать карту с единым масштабом и просто распечатать ее крупнее, чтобы она была аккуратнее и яснее? Ответ таков: если бы карта бостонского метро отражала всю схему в том же масштабе, как центральную часть, ее площадь была бы примерно в 100 раз больше. Вывесить такую карту на платформе, не говоря уже о том, чтобы распечатать ее в виде схемы, было бы просто невозможно. Карта метро представляет собой компромисс: она дает подробную информацию там, где это необходимо, при этом ее общие размеры остаются в разумных пределах.

То же самое справедливо для зрительной коры. В идеальном мире V1 могла бы одинаково хорошо отражать сигналы от центральной ямки и от периферии. Но иметь такую карту невозможно; наша карта V1 в таком случае была бы в 13 раз шире[20]. Еще хуже, что дополнительная информация обрабатывалась бы в других отделах мозга, так что и они тоже стали бы крупнее. Если бы мозг был организован по такому принципу, только зрительные области занимали бы слишком много места, чтобы поместиться в человеческом черепе.

Наш мозг, вынужденный расставлять приоритеты и приносить жертвы, принимает решение в пользу центральной ямки и в ущерб периферии. Эта жертва возможна и даже разумна по той причине, что наши глаза чрезвычайно подвижны. При бодрствовании люди постоянно делают глазами примерно пять быстрых движений в секунду. Эти движения глаз настолько часты и обычны и так хорошо сцеплены с мозгом, что мы чаще всего их не замечаем, хотя и можем осознать, если сконцентрируем на них внимание. Если вы попытаетесь прочесть это предложение, не двигая глазами, вы обнаружите вклад этого специфического действия.

Центральную ямку мы используем так, как использовали бы единственный телескоп для сбора информации обо всем ночном небе. Мы переводим телескоп туда и сюда, от одной точки к другой, собирая подробную информацию об интересующих нас участках, а затем объединяем эти мгновенные снимки и получаем более цельный портрет неба. Использование одного телескопа с высоким разрешением, его вращение и получение последовательных мгновенных снимков неба – это прекрасный компромисс между тем, чтобы видеть четко и видеть много.

Информация из периферических областей имеет значение, однако мы используем ее с другой целью, и она соответствующим образом усваивается. Периферическое зрение не такое острое, как центральное, но оно хорошо улавливает движение и функционирует в темноте или при тусклом освещении. Оно обеспечивает необходимый обзор для обнаружения неожиданностей. Когда “Перри” и его соседи регистрируют неожиданное движение на периферии и отправляют отчет в мозг, наши глаза незамедлительно поворачиваются в ту сторону, чтобы обнаружить источник движения. И тогда в дело вступает “Флоранс” с коллегами, посылая подробные сигналы, которые помогают уловить источник движения и осознать его потенциальную опасность.

Увеличение – важнейший принцип карт мозга. Это пример тонкого физического и нейронного компромисса в основе анатомии, восприятия и поведения любого существа. В случае карты V1 увеличение в области центральной ямки осмысленно, поскольку глаз может вращаться. И поскольку такое увеличение возможно, мы активно день ото дня производим движения глаз. Наш мозг, как и мозг всех существ, развивает наши сильные стороны, специализируясь и адаптируясь в том, что мы воспринимаем и делаем хорошо, оставляя в стороне то, что мы делаем хуже.

Как увеличение на картах мозга сказывается на восприятии? Оно обеспечивает достаточную “рабочую силу” нейронов для отображения большего количества материала. Часто дополнительный материал – это тонкие детали, такие как декоративные элементы или изогнутые линии, образующие буквы в словах на этой странице. Способность воспринимать такие тонкие детали называется пространственной остротой. Проверка пространственной остроты зрения обычно состоит в том, что человеку показывают два близко расположенных предмета и спрашивают, воспринимает ли он их в качестве одного или двух объектов. Взгляните, к примеру, на эти параллельные линии: ||. Когда вы смотрите прямо на них, вы используете центральную ямку с плотно упакованными рецепторами и подробное отображение этих двух линий на карте V1. Если у вас нормальное зрение, вам понятно, что здесь изображены две отдельные линии. Но если вы смотрите на них краем глаза, зрение становится менее острым. И теперь эти две линии выглядят как одна… если вы вообще можете их разглядеть.

У людей со здоровыми глазами острота зрения всегда выше вблизи центра поля зрения, чем на периферии. Но насколько она выше, зависит от каждого конкретного человека. Ученые заинтересовалась, не связаны ли эти персональные различия в зрительном восприятии с особенностями карт в области V1[21]. Они проверяли пространственную остроту зрения в разных точках поля зрения, а также использовали фМРТ, чтобы увидеть, как зрительные карты искажены в результате увеличения. Выяснилось, что люди различаются по степени увеличения отображения сигналов из центральной ямки по отношению к отображению сигналов с периферии. И люди также различаются в том, насколько выше острота их зрения в отношении деталей из центра поля зрения по отношению к деталям с периферии.

Когда ученые сопоставили увеличение на карте V1 в области центральной ямки и различия в остроте зрения в разных точках поля зрения, они обнаружили, что эти два параметра связаны между собой. Люди с большим увеличением в зоне V1, соответствующей центральной ямке, также имели более высокую остроту зрения в отношении элементов в центре поля зрения по сравнению с элементами с периферии. Люди с менее выраженным увеличением на карте V1 демонстрировали менее значительное различие пространственной остроты зрения между центром поля зрения и периферией. Иными словами, различия в искажении карты V1 влияют на то, что воспринимает конкретный человек и где он это воспринимает.

Возможно, вам потребуется некоторое время, чтобы все это осознать. То, что вы обнаруживаете и воспринимаете в своем поле зрения, отличается от того, что обнаруживает ваш лучший друг, ваша сестра или сосед. Более того, острота зрения в различных участках поля зрения определяется не состоянием наших глаз, а скорее уникальной структурой карт нашего мозга.

Научные открытия за последние сто с лишним лет позволили связать активность зрительной карты V1 с тем, что мы видим осознанно. Это не означает, что V1 самостоятельно создает наш осознанный зрительный опыт; многие данные указывают на то, что этот опыт возникает за счет координированной активности многих отделов мозга. И все же существует стабильная связь между тем, что происходит в области V1, и тем, что мы осознанно воспринимаем. Рассмотрим доказательства. Карта V1 дополняет изображение в области слепого пятна на основании информации из соседних участков, примером тому служит белый фон на странице с исчезающей птицей. Повреждения зрительной карты V1, как у пациентов Иноуэ, создают слепые зоны в осознанном зрительном восприятии. Оба эти наблюдения указывают на специфическую связь между картой мозга с одной стороны и осознанным восприятием с другой.

Подобные наблюдения бесценны, но самый прямой путь исследования этой связи заключается в том, чтобы намеренно воздействовать на зрительную карту V1 человека и выяснять, что он видит. Очевидно, что неэтично повреждать человеческий мозг для удовлетворения научного любопытства. К счастью, теперь нейробиологи получили возможность на время изменять активность человеческого мозга без его повреждения. При использовании метода транскраниальной магнитной стимуляции ученые посылают короткий, но мощный магнитный импульс в определенную точку на поверхности головы, чтобы повысить вероятность возбуждения находящихся ниже нейронов. Если бы я применила этот метод в задней части вашей головы, нацеливаясь на участок карты V1, вы бы увидели светящуюся точку, называемую фосфеном. Локализация фосфена в поле зрения соответствует локализации точки, которую я стимулирую. Иными словами, подключаясь на мгновение к карте вашего мозга, я заставляю вас осознанно увидеть свет, которого на самом деле нет.

Более инвазивный способ манипуляций с картой V1 заключается во вскрытии черепа и передаче электрических сигналов непосредственно нейронам. В 1968 году это попытался сделать доктор Джайлс Бриндли, работавший над созданием протезов для слепых[22]. Бриндли с коллегой накладывали матрицу из 80 радиоприемников и 80 электродов на поверхность карты V1 пятидесятидвухлетней пациентки, ослепшей на оба глаза. Когда ученые стимулировали части карты V1 с помощью электродов, слепая пациентка видела фосфены. Понятно, что, не имея видящих глаз, женщина не могла наблюдать реальные вспышки света. Однако путем манипуляций с картой V1 Бриндли позволил женщине увидеть несуществующий свет.

Пациенты доктора Иноуэ имели нормальные глаза, но тем не менее не осознавали происходящего в области скотомы. А пациентка Бриндли осознанно видела свет, хотя ее глаза не функционировали. Эти странные наблюдения приводят к еще более странному выводу: зрение в знакомой нам форме рождается в темноте заднего отдела черепа и в большей степени отражает то, что происходит на наших зрительных картах, чем то, что происходит в двух глазах.

Вот почему так важно понимать, как именно искажены карты нашего мозга: эти карты, в свою очередь, искажают наше осознанное восприятие. Этот удивительный факт составляет ядро данной книги и лежит в основе концепции ландшафтов мозга. Ландшафт мозга – это территория, описываемая картой мозга. Это искаженная версия реальности, нанесенная на карту внутри нашей головы. Если бы план бостонского метро был картой мозга, его ландшафтом был бы город Бостон – растянутый и искаженный в масштабе, соответствующем масштабу этой карты. Аналогичным образом ландшафт нашей карты V1 – это версия зрительной сцены у нас перед глазами, которая искажена в результате увеличения.

На рис. 10 отражена попытка визуализировать ландшафт на карте V1. Вообразите, что разглядываете знаменитую “Мону Лизу”. Когда вы на нее смотрите, то, что вы видите в конечном итоге, искажено картами вашего мозга. Воображаемый пузырь на рисунке показывает, что наблюдатель воспринимает больше информации и подробностей в центре той части полотна, на которую направлен его взгляд.

По этой причине Мона Лиза в мысленном пузыре может показаться вам искаженной: естественно, каждый раз, глядя кому-то прямо в лицо, вы не воспринимаете его нос или губы слишком объемными. Но вы получаете большой объем информации о носе или губах – а это важнейшая информация для узнавания человека или определения его эмоционального состояния. К счастью, наша зрительная система умеет корректировать эффект увеличения в соответствии с воспринимаемым размером предметов. Представьте себе, как бы мы занимались спортом или пользовались инструментами, не делая подобных поправок. Предметы казались бы крохотными, пока мы не переводили бы взгляд прямо на них – тогда они внезапно увеличивались бы в размере в сотни раз. Как в таком мире можно взять в руки чашку с кофе или поймать мяч? Другие области мозга помогают скорректировать наше восприятие размера предметов, так что каждый раз при перемещении взгляда предметы не раздуваются и не сжимаются из-за увеличения на карте V1. Такой механизм позволяет видеть тончайшие детали легкой улыбки Моны Лизы и не воспринимать ее губы размером с комнату.

Рис. 10. Концептуальное представление искаженного зрительного ландшафта, который отражен на карте V1. Воспринимаемые зрительные подробности зависят от особенностей искажения карты мозга, прежде всего от увеличения деталей, находящихся в центре поля зрения. Художник Пол Ким.

Несмотря на такое полезное устройство, мы все же иногда ошибаемся в оценках размера, что, по-видимому, связано с увеличением на картах мозга. Когда психологи анализируют мнения людей о размерах предметов, находящихся в разных точках их поля зрения, выясняется, что восприятие размеров предметов действительно в некоторой степени зависит от того, в каком участке поля зрения они находятся[23]. Мы достаточно хорошо оцениваем размеры предметов, находящихся в центре того пространства, куда направлен наш взгляд, но мы систематически недооцениваем размеры предметов на периферии поля зрения. Чем дальше на периферии зрения находится предмет, тем меньшим по размеру он нам кажется. Короче говоря, увеличение на карте V1 оказывает значительное влияние на восприятие деталей и также в некоторой степени сказывается на восприятии размеров предметов.

Уайлдер Пенфилд был новатором в области нейрохирургии и нейробиологии начала XX века. Он заложил основы лечения пациентов, страдавших от разрушительных эпилептических припадков, и в процессе этой работы он первым очертил в живом человеческом мозге соматосенсорную карту S1.

Для купирования приступов эпилепсии Пенфилд направлял свой скальпель прямо на источник болезни – на мозг[24]. Пациентам обеспечивали местную анестезию, вызывавшую онемение черепа, что позволяло Пенфилду и его коллегам открыть череп и разглядеть внутри змеевидные складки коры головного мозга[25]. Прежде чем удалить опухолевую или поврежденную ткань, ставшую причиной приступов, Пенфилд должен был эту ткань найти. Ему также необходимо было понять функцию соседних участков коры, чтобы отделить скальпелем важные ткани, так чтобы в дальнейшем человек продолжал чувствовать, говорить и двигаться. Для этого Пенфилд подводил электрод непосредственно к поверхности мозга пациента. Мозг не имеет собственных болевых рецепторов, так что пациенты не испытывали от электрода никакого дискомфорта.

С помощью электрода Пенфилд посылал в каждую выбранную точку мозга слабый электрический импульс. Этот импульс нарушал естественную активность нейронов, так что становилось понятно, что они делают. Когда Пенфилд стимулировал участки карты S1, пациент мог чувствовать покалывание или оцепенение в какой-то части тела. Пациенты во время операции не спали, а играли активную роль: сообщали о своих ощущениях и выполняли просьбы хирурга говорить, читать или двигаться в нужный момент. Они также должны были сообщать, если чувствовали приближение приступа, что означало, что зонд Пенфилда, вероятно, коснулся поврежденной ткани, являющейся триггером приступа.

Когда процесс поисков завершался, Пенфилд с коллегами знали, где находится ткань, вызывавшая приступы, и какие важные функции мозга реализуются по соседству. Вооружившись этими знаниями, они могли наиболее эффективно извлечь проблемную ткань, сохранив пациенту способность говорить и двигаться. Эта техника стимуляции мозга в процессе хирургической операции давала пациентам максимальную возможность выкарабкаться, сохранив способность двигаться, говорить и функционировать, как раньше, но с меньшим количеством мучительных приступов или вообще без них. На самом деле этот метод настолько хорош, что широко применяется до сих пор.

В результате анализа мозга сотен людей Пенфилд и его коллеги узнали о расположении карт, описывающих движения и прикосновения, в том числе о расположении соматосенсорной карты S1. У человека, как и у других животных, правая сторона тела представлена в левой стороне мозга, и наоборот. В каждом полушарии мозга эта карта простирается от боковой части мозга (примерно за ухом) до верхушки. Схема строения и расположения карты показана на рис. 11. На одном краю карты (на одной стороне мозга) отображается одна сторона внутренней части рта, язык и губы. По мере продвижения вверх, к верхней части мозга, на карте появляются внешние поверхности лица, а затем большой палец и остальные пальцы руки, а также другие части руки и плеча на этой же стороне тела. Наконец, под самой верхушкой черепа располагается карта торса, таза, ног и ступней этой стороны тела.

Рис. 11. Схема человеческой тактильной карты S1. Представлена половина карты, соответствующая участкам на противоположной стороне тела. Художник Пол Ким.

На рисунке наблюдается странность: создается впечатление, что на этой карте элементы “перемешаны”, как в неправильно собранном пазле. Самое странное несоответствие выражается в резком переходе ото лба к большому пальцу руки, хотя в человеческом теле нет функциональной связи между этими частями тела.

Странное соседство лица и большого пальца на карте S1 – пример нарушения непрерывности; это точка, в которой карта отходит от идеального и точного отображения строения тела. В таких точках разрыва нарушается принцип отображения соседних сигналов из внешнего мира (например, прикосновений к соседним точкам на коже) на соседних участках ткани мозга. На большинстве карт эти разрывы невелики, но в некоторых случаях, как на человеческой соматосенсорной карте S1, они могут быть огромными. Чтобы понять смысл этих разрывов, представьте себе кожуру апельсина (рис. 12). Не существует способа представить сферическую поверхность в плоском виде, не разрезав ее или не растянув. Картографы сталкиваются с такой же проблемой, когда создают двумерное изображение поверхности Земли. Где-то нужно сделать разрез, разрушающий непрерывность поверхности сферы. Если читать карту мира буквально, восточная и западная части Тихого океана окажутся на максимальном расстоянии друг от друга, хотя в реальности у них общая вода и одни и те же волны.

Рис. 12. Трудности изображения трехмерных поверхностей на двумерных картах. Художник Пол Ким.

Чтобы превратить поверхность сферы в плоский прямоугольник, картографам приходится еще и растянуть части земного шара у полюсов, что приводит к увеличению размера Европы, Северной Америки и Австралии по сравнению с размерами Южной Америки, Африки и других территорий, расположенных ближе к экватору. В таком типе карт, как гомолосинусоидальная проекция Гуда, такого искажения нет, поскольку эта карта не прямоугольная и имеет больше разрезов, как показано на рис. 12.

Конечно, человеческое тело – не сферическое. Оно имеет протяженные выросты (такие как руки, ноги, пальцы) и глубокие и сложные углубления (такие как внутренняя полость рта и горло). И поэтому действительно сложно аккуратно превратить его поверхность в двумерную карту коры мозга. Нужны разумные разрезы и разрывы, как при расплющивании апельсиновой кожуры.

Но человеческая карта S1, обнаруженная Пенфилдом, не только прерывистая, но и чрезвычайно искаженная. Как и на карте V1, отображение в некоторых участках имеет значительно большее увеличение, чем в других. Человеческие пальцы, включая большой палец, и кисти сильно увеличены, так же как язык и лицо. Подобно тому, как увеличение на карте V1 усиливает остроту зрительного восприятия, увеличение на карте S1 усиливает чувствительность кожи. Экспериментатор, проверяющий остроту ваших тактильных ощущений, может попросить вас нащупать крохотные выпуклости на поверхности и определить, расположены ли они равномерно или неравномерно. Или может надавливать на отдельные точки на коже и спрашивать, чувствуете ли вы одно прикосновение или два. Острота тактильных ощущений у человека выше в тех частях тела, которые на карте S1 отображаются с увеличением. В частности, возможно, вы почувствуете два надавливания на кончик указательного пальца, если расстояние между двумя точками надавливания около миллиметра, то есть меньше толщины десятицентовой монеты. Но различить два прикосновения в области спины можно лишь при условии, что это расстояние в 70 раз больше – примерно в ширину женской ладони.

Конечно же, это усредненные показатели. Как и острота зрения, острота тактильных ощущений у разных людей разная. Те же ученые, которые анализировали остроту зрения и искажения карты V1, с помощью фМРТ проверяли еще и остроту тактильного восприятия четырех пальцев рук, чтобы выявить искажения на карте S1 в области пальцев[26]. Они обнаружили, что у людей с наиболее сильными различиями в остроте тактильной чувствительности четырех пальцев также имеет место наиболее значительное различие размеров соответствующих территорий на карте S1: указательному пальцу отведена самая обширная территория, а мизинцу – гораздо более скромная. У людей с более схожей остротой чувствительности разных пальцев соответствующие площади на карте S1 тоже ближе по размеру. Короче говоря, результаты анализа V1 и S1 совпадали: особенности восприятия у людей соответствовали характеру увеличения на их картах.

На самом деле между V1 и S1 можно провести несколько параллелей. Как показала работа Пенфилда, стимуляция нейронов в области S1 заставляла людей чувствовать прикосновение, когда их кожи ничто не касалось. Искажения на карте определяют различия в том, как и где люди воспринимают наиболее чутко. Кроме того, люди допускали ошибки в оценке размеров[27], основываясь на тактильном опыте, – то же самое мы наблюдали в случае зрительного опыта. Два укола, произведенные на одинаковом расстоянии друг от друга, воспринимаются более отдаленными, если уколоть указательный палец (с увеличенным отображением на карте S1), чем если уколоть предплечье, бедро или спину. Мы оцениваем расстояние точнее, если воспринимаем теми частями тела, которые на карте мозга представлены с увеличением. Однако люди недооценивают расстояние, когда чувствуют теми частями тела, которые отображены на карте S1 “мелким шрифтом”. Восприятие зрительных и тактильных сигналов зарождается внутри черепной коробки. И в случае V1 и S1 пределы того, что мы в состоянии воспринимать, и точность этого восприятия в значительной степени определяются тем, как искажены карты мозга.

Подобные эксперименты прекрасно демонстрируют фундаментальную связь между увеличением на карте нашего мозга и возможностями восприятия. На самом деле нейробиологи уже некоторое время назад это предсказывали. И такая удивительная связь имеет значимые последствия. Если способность человека к осознанному ощущению и описанию словами определяется отображением информации на его мозговых картах, есть надежда, что мы сможем узнать о его субъективном перцептивном опыте путем изучения реальных и видимых схем этих карт. По сути, я смогу в какой-то степени понять, что значит быть вами, если посмотрю на карты вашего мозга. Даже если мы говорим на разных языках и вы совсем не владеете моим, я могу вглядеться в содержимое вашей головы и получить истинную информацию о том, что вы видите, чувствуете и ощущаете.

Более того, возможность осознавать субъективный опыт других существ на основании анализа карт их мозга не ограничивается представителями нашего вида. Если бы эволюция описывалась поэмой, в этой поэме, совершенно очевидно, были бы рифмы. Многие мотивы в организации мозга и тела, в том числе и в картах мозга, выглядят одинаково у представителей всего царства животных. У целого ряда животных, включая всех млекопитающих, карты, подобные S1, принимают тактильную информацию от рецепторов на коже фактически тем же самым образом, как наша карта S1 получает информацию от рецепторов на нашей коже. Такие же, как у нас, общие принципы отображения и обработки тактильных сигналов реализуются на карте S1 у крыс. Конечно, строение нашего тела отличается от строения тела крысы, и поэтому поверхность нашей кожи имеет другую топографию. И уже это отличает нашу карту S1 от карты крысы. Но самые поразительные различия между картами S1 разных существ связаны именно с тем, как эти карты искажены.

Хотя карта S1 каждого конкретного существа искажена уникальным образом, в человеческих картах S1 больше сходства, чем различий, и на них области пальцев и губ невероятно увеличены по сравнению с областями, которые соответствуют другим частям тела, таким как спина и ноги. В результате у всех нас обычно наиболее чувствительными являются одни и те же участки тела, в частности кончики пальцев. Кончики пальцев человеческих рук, снабженные дополнительными тактильными рецепторами на коже и увеличенным отображением в коре S1, выполняют в тактильных ощущениях такую же функцию, как центральная ямка в зрении. А что можно сказать о других существах с другим строением тела и другим способом существования? Как искажены их карты S1 и что это позволяет узнать об ощущениях этих животных? Я могу в некоторой степени определить ваши ощущения путем анализа вашей мозговой карты, и то же самое мы можем сделать для обезьяны, крысы или енота.

Одним из новаторов в данном направлении исследований был профессор Кембриджа Эдгар Адриан, занявшийся этим вопросом в начале 1940-х годов. Этот худой активный человек одинаково ловко манипулировал электрическими измерительными приборами, фехтовал и гонял по тихим улочкам на мотоцикле[28]. Десятью годами ранее Адриан был удостоен Нобелевской премии за работу, в которой показал, как общаются между собой нейроны. Когда на политической арене сгустились облака, вылившиеся в хаос Второй мировой войны, Адриан сконцентрировал внимание на изучении тактильных ощущений. Кожа посылает в мозг сигналы о давлении, которое на нее действует, но как? И что мозг делает с этими сигналами? Адриан исследовал это в своей лаборатории – в пыльном полуподвале, заполненном старым оборудованием, которое один из посетителей назвал “самым знаменитым скопищем хлама”[29].

Первыми в лабораторию профессора прибыли кошки. Затем кролики, собаки и несколько обезьян – ничего подобного факультет физиологии ранее не видывал. Потом начали прибывать овцы, козы и свиньи, безусловно, привлекшие к себе внимание. Когда прибыли шетлендские пони, удивился даже верный ассистент профессора. Но это разнородное сборище существ было намеренно эклектичным. Все эти животные были частью плана Адриана, намеревавшегося раскрыть секреты их карт S1.

Адриан имел электрическое записывающее устройство, которое позволяло ему анализировать активность мозга живых существ напрямую с помощью электрода. Система напоминала систему Пенфилда, с той разницей, что Адриан с помощью электрода регистрировал активность нейронов, а не вызывал их искусственное возбуждение. Устройство Адриана было подключено к громкоговорителю, так что в тот момент, когда электрод регистрировал всплеск электрической активности из-за возбуждения нейронов, громкоговоритель издавал звук. В результате Адриан научился различать, что делают клетки, к которым подходил электрод. Когда электрод касался нейронов, которые были готовы реагировать и ожидали получения информации, но не сигнализировали о каком-то ощущении, он слышал “глухой” клеточный сигнал. Но когда клетки возбуждались, он слышал “шипящий” звук – шквал щелчков, обозначавших быструю волну возбуждения[30].

Когда профессор приводил в лабораторию животное – будь то кот, кролик, собака или обезьяна, – он его усыплял с помощью наркоза, чтобы животное не двигалось и не чувствовало боли. Затем он вскрывал часть черепа и вводил электрод, чтобы регистрировать тактильные сигналы, прибывающие в область S1. Каждый раз, помещая электрод в новое место, он ходил вокруг животного, методично дотрагиваясь до разных участков тела и регистрируя “шипящий” звук, который свидетельствовал о возбуждении клеток. Когда раздавался этот звук, он отмечал расположение электрода в мозге и участок кожи, прикосновение к которому вызывало возбуждение именно этих нейронов. Так с помощью рук, ушей, ручки и терпения Адриан находил и отображал соматосенсорную карту S1 каждого животного.

Когда дело дошло до шетлендских пони, ассистент помогал профессору располагать животных стоя при помощи деревянных подпорок; гладкая голова пони покоилась на мешках с песком. Когда животное засыпало, профессор отпускал ассистента и начинал неторопливо исследовать тактильную карту[31]. Он вновь и вновь обходил тело, дотрагиваясь до морды, боков, узкого сустава (бабки) прямо над копытом. Он трогал животное руками, покалывал перышком или надавливал на кожу стеклянной или деревянной палочкой. Должно быть, это было довольно интимное зрелище: профессор наедине со спящим существом, покалывающий все поверхности его тела и вслушивающийся в музыку его мозга.

Адриан обнаружил, что главное место на карте S1 у пони отводилось ноздрям. Вот что он писал: “Эта область разделена на две части примерно равного размера. Передняя часть полностью отводится сенсорным сообщениям из области вокруг ноздрей; задняя часть имеет отношение ко всей остальной поверхности тела, площадь которой во много тысяч раз больше площади ноздрей”[32]. Искаженный ландшафт тактильной карты S1 пони представлен на рис. 13. Профессора изумила эта поразительная непропорциональность карты мозга пони, и он задумался над ее смыслом. Он заметил, что пони сначала приближают к свежей траве ноздри, а не губы, прежде чем решат, съесть ее или нет[33]. Не может ли быть, что для пони ноздри, как для нас кончики пальцев, – наиболее чувствительная зона тактильного восприятия?

Рис. 13. Соматосенсорная карта S1 пони, демонстрирующая увеличение в области ноздрей. Художник Пол Ким.

Адриан обнаружил сильнейшее искажение соматосенсорной карты S1 у всех существ, которых он изучал. Однако специфический характер искажения (какие именно части тела увеличены и насколько), по-видимому, уникален для каждого конкретного вида. У овец и коз на карте доминировали губы. У обезьян была увеличена область передних лап. У кошек и собак была увеличена вся морда, но особенно кончики вибрисс (жестких волосков на морде, которые мы называем усами)[34]. Сильнее всего профессора поразил пятачок свиньи, который, насколько он мог судить, занимал всю карту S1 этого животного. Адриан отметил невероятно большое значение этой части тела для свиньи: “Пятачок свиньи – важнейший функциональный и главный тактильный орган, который копает наряду с передними ногами, тогда как задние ноги – лишь опора для тела”[35]. В более поздних исследованиях на карте S1 свиньи был выявлен еще один участок, который Адриан не нашел, поскольку он скрыт в складках мозга. Этот скрытый участок карты отображает все остальные части тела свиньи, но его площадь составляет лишь около половины площади территории, отведенной под пятачок[36] (рис. 14).

Рис. 14. Соматосенсорная карта S1 свиньи, отражающая непомерно большой пятачок. Художник Пол Ким.

У всех изученных видов животных Адриан обнаружил одну универсальную характеристику: на карте S1 была увеличена какая-то часть головы или морды[37], возможно, по той причине, что у четвероногих существ голова и морда выделяются на передней части туловища и первыми из всех частей тела сталкиваются с новыми предметами в окружающем пространстве.

А что можно сказать об обезьянах и их родственниках людях? Мы редко исследуем мир с помощью ноздрей или губ, хотя наши лица и губы снабжены дополнительными тактильными рецепторами и этим частям тела соответствуют крупные зоны на наших картах S1. Почему это так? Адриан пришел к выводу, что “объяснение, по-видимому, заключается в том, что мы произошли от животных без кистей рук, которые использовали рыло и длинные волоски на морде (вибриссы) в качестве самых точных тактильных инструментов”[38]. Иными словами, мы ощущаем лицом больше, чем это необходимо, поскольку наши отдаленные предки передвигались на четырех ногах, как свиньи, и имели повышенную вероятность выжить при наличии большого количества тактильных рецепторов на морде. В таком случае наше тактильное восприятие соответствует не только форме нашего тела и нашим нуждам, но и форме тела и нуждам существ, от которых мы произошли.

Со времен ранних работ Адриана ученые изучили характер искажения карт S1 разнообразных экзотических существ, живущих в самых разных условиях. Мой любимец – голый землекоп; этот родственник крысы выбрал жизнь под землей в засушливой Африке. В своих темных норах землекоп познает мир через ощущения четырех выдающихся вперед зубов. Резцы землекопа – идеальный инструмент для тактильных исследований. Когда он наталкивается в норе на незнакомый предмет, он тычет в него зубами, чтобы выяснить, что это такое. И хотя на эти четыре резца в сумме приходится не более 1 % поверхности тела животного, их отображение занимает почти треть его карты S1[39].

Другой подземный житель, звездонос, предпочел влажную почву Северной Америки. Это существо обладает удивительным носом в форме звезды с 11 отростками, отходящими в виде воронки от каждой ноздри. Животное использует этот чрезвычайно чувствительный нос для ориентирования в темных глинистых туннелях и для добычи червей, насекомых и другой пищи. Когда звездонос находит нечто интересное, он дотрагивается до него одним из коротких отростков, чтобы понять, не съедобно ли это. Важная роль удивительного тактильного органа звездоноса отражается на его карте S1: примерно половина карты отводится под отображение крохотного носа этого существа[40]. Но искажение на этом не заканчивается. На карте S1 звездоноса отражены все 11 отростков, окружающих каждую ноздрю, но отражены неравномерно. Хотя отросток 11 является самым маленьким придатком каждой звезды, ему на карте S1 отводится в пять раз больше места, чем некоторым более крупным отросткам (рис. 15).

Искаженность карт наводит на очевидные мысли. Карты мозга любого существа специфическим образом отображают признаки, которые необходимы животному для наилучшего удовлетворения его нужд. Животные рождаются с неравномерным строением кожи; некоторые участки более удобно расположены для решения важнейших тактильных задач, и в результате эволюции они приобрели больше тактильных рецепторов, чем другие участки. Как зрительная система учитывает небольшое неравенство между центральной ямкой и периферией сетчатки и увеличивает его в сотни раз на зрительных картах мозга, так и соматосенсорные карты мозга тоже используют различия в чувствительности участков кожи и создают еще большую диспропорцию в мозге.

Эта диспропорция направляет наши действия и наш выбор. Если вы хотите понять, изготовлена ли ткань из хлопка или полиэстера, чем вы будете ее трогать – пальцами или локтем? Если вы хотите понять, созрела ли груша или свеж ли салат, вы пощупаете их костяшками или кончиками пальцев? Ощупывание кончиками пальцев – то же самое, что перемещение взгляда таким образом, чтобы интересующий предмет оказался в зоне наилучшего восприятия – в центральной ямке. Искаженные карты мозга заставляют нас перевести взгляд, чтобы видеть, или протянуть руку, чтобы потрогать, поскольку мы можем чувствовать, видеть и распознавать намного больше, когда используем эти зоны наилучшего восприятия. Благодаря такой искаженности кончики пальцев позволяют нам отличить хлопок от полиэстера, а отросток 11 у звездоноса позволяет ему отличить червя от несъедобного камня. Эта диспропорция обеспечивает всех животных зонами наилучшего восприятия – от губ овцы до ноздрей пони и зубов голого землекопа, – позволяющими распознавать окружающий мир через прикосновение.

Рис. 15. Фотография звездоноса (слева) и одной из его звездчатых ноздрей с пронумерованными отростками (справа вверху), а также окрашенный срез мозга из области соматосенсорной карты S1 этого животного, демонстрирующий соответствующее отображение отростков на карте (справа Optimal Foraging. PNAS, vol. 109, supplement 1. Copyright © 2012 by the National Academy of Sciences. внизу). Источник: Kenneth C. Catania. Evolution of Brains and Behavior for for Optimal Foraging. PNAS, vol. 109, supplement 1. Copyright © 2012 by the National Academy of Sciences.

Поскольку карты мозга функционируют по одним и тем же основным принципам у всех видов организмов, их можно использовать для сравнения нашего перцептивного опыта с опытом других существ. Точно спроецировать перцептивный опыт одного животного на перцептивный опыт другого невозможно. Но Адриан попробовал это сделать, когда изучал в своей полуподвальной лаборатории копытных животных. Он хотел оценить, насколько сильно увеличена карта пятачка свиньи по сравнению с картой человеческой руки[41]. Он сопоставил площадь поверхности пятачка с площадью участка мозговой карты S1, соответствующей пятачку. На каждый квадратный сантиметр коры, отображающей пятачок, приходилось около 10 квадратных сантиметров кожи пятачка: соотношение 1 к 10. А затем он получил аналогичные значения для человеческой ладони. На каждый квадратный сантиметр коры мозга, отображающей человеческую ладонь, приходится 75 квадратных сантиметров поверхности ладони: соотношение 1 к 75. Эти грубые подсчеты показывали, что свинья с помощью пятачка может чувствовать больше тонких деталей, чем мы с помощью руки.

Зная карту S1 свиньи и человека и имея собственный перцептивный опыт, можно порассуждать на тему о том, что ощущает свинья. Когда штанина фермера касается ее морды, она чувствует не то же самое, что чувствуем мы, когда ткань касается нашего лица. Она чувствует гораздо больше. И лучшее, что мы можем сделать для аппроксимации ее ощущений, это представить себе, что в центре лица у нас не нос, а ладонь, открытая в сторону этой ткани и всего мира. Мы можем ощутить волну ткани, след касания, тепло и тяжесть. И если бы наш свинячий мозг имел какое-то представление о подобных вещах, мы бы тут же поняли, сделаны ли эти штаны из хлопка или из полиэстера.

Если вы в первый раз представляете себе, что означает быть свиньей, вы уж наверняка никогда не воображали жизнь в теле крысы. Вибриссы для крысы – то же, что пятачок для свиньи. Кожа у основания каждой вибриссы чрезвычайно чувствительна к малейшим отклонениям этих специализированных волосков. Вибриссы – хитроумное изобретение, поскольку они позволяют животным выносить тактильные ощущения наружу, за пределы морды. В ночной темноте крысы могут быстро перемещаться по канализационным трубам, полям или подвалам именно благодаря вибриссам, выступающим вперед и в стороны от морды. Когда животное приближается в темноте к предметам или преградам, вибриссы сдвигаются, и так крыса понимает, что в непосредственной близости от нее что-то есть. За счет лицевых мышц крысы способны двигать вибриссами вперед и назад долгими непрерывными волнами, что позволяет собирать тактильную информацию разного типа, включая подробности о природе, форме и текстуре предметов на ее пути. Область соматосенсорной карты S1 крысы, отвечающая за вибриссы, по площади намного превосходит все остальные области[42], занимая как минимум четверть всей карты. Область вибрисс разделена на зоны, и каждая зона отображает отклонение одной конкретной вибриссы. Как показано на рис. 16, расположение этих зон на карте S1 в точности отражает расположение вибрисс на морде животного. На первой панели рис. 17 показано, в какой степени отображение вибрисс доминирует на соматосенсорной карте S1 крысы. На второй панели представлена фотография окрашенного мозга крысы[43], позволяющая увидеть карту S1.

Рис. 16. Схема отображения вибрисс на соматосенсорной карте S1 крысы соответствует расположению вибрисс на ее морде. Художник Пол Ким.

Рис. 17. Соматосенсорная карта S1 крысы (слева) показывает ключевое значение ее вибрисс и морды. Фотография окрашенного среза мозга из участка карты S1 крысы (справа) отражает схему карты тела, включая хвост, лапы, спину и несколько вибрисс. Художник Пол Ким. Источник: Current Biology, vol. 26, no. 1. Copyright © 2016 by Elsevier Inc.

У нас нет таких вибрисс, как у грызунов, но наши ногти и волосы во многом на них похожи. Как и в вибриссах, в них нет тактильных рецепторов, вот почему мы не испытываем боли, когда стрижем ногти или волосы. Но, совершенно определенно, кожей головы мы чувствуем, если нас тянут за волосы, а кожей под ногтем чувствуем, если под ноготь попала заноза или он содран. Вероятно, крысы аналогичным образом ощущают движения вибрисс, но с гораздо большей остротой и чувствительностью. Представьте себе, что у вас из подушечек пальцев растут длинные и гибкие ногти. Когда вы двигаете руками, ногти сгибаются и отклоняются, направляя кончики пальцев в разные стороны под разным углом. Если бы кончики пальцев находились на носу, а не на руках, возможно, вы бы в какой-то степени поняли, что крыса ощущает с помощью вибрисс.

Это упражнение по превращению в крысу выходит на новый уровень, когда мы говорим о том, как крысы используют вибриссы для общения друг с другом[44]. Это можно назвать крысиной версией рукопожатия, однако такая аналогия принижает значение и не отражает интимность этого общения. При встрече или приветствии животные встают нос к носу, так что носы соприкасаются, а вибриссы перекрещиваются. Вместо длительных и непрерывных движений вибриссами крысы совершают короткие неупорядоченные движения. Как будто теребят друг друга за вибриссы. А это приводит к интенсивной стимуляции самого чувствительного органа обеих крыс. В процессе такого социального контакта нейроны на участке карты S1 возбуждаются наиболее активно. Искаженная карта S1 и активность нейронов в этой области обеспечивают связь между простейшим поведением крыс и их ощущениями, что позволяет нам оценить интенсивность опыта, переживаемого крысами при обычном социальном контакте.

Карты мозга очень сильно влияют на наше восприятие мира. Эти карты и описываемые ими ландшафты многое могут рассказать о том, почему мы чувствуем, видим и действуем тем или иным образом. Они показывают, как искажено наше восприятие, и обосновывают наш способ взаимодействия с окружающим миром и способ извлечения из него информации. Они позволяют понять, что в наших чувствах, мыслях и поведении универсально, а что уникально. Они связывают между собой объективную видимую реальность и субъективные переживания у разных людей и даже у разных видов организмов.

Зрительные и соматосенсорные карты мозга показывают, как мозг может транслировать и трансформировать информацию о пространстве на поверхности кожи или о пространстве в поле зрения. Но это только начало истории. Хотя карты по определению описывают пространство, карты мозга не ограничиваются отображением пространства. В частности, наша способность отбирать звуковую информацию определяется спектром невидимых частот. Как мы увидим, этот спектр доступен нам только благодаря изумительной анатомии и чудесам мозговых карт.

Однажды утром в 1940-е годы шестилетний Джеральд Шеа проснулся у себя дома на севере Манхэттена с ощущением необычной усталости[45]. Пришел семейный доктор и диагностировал у мальчика одновременно ветрянку и скарлатину. На протяжении двух тяжелых недель у Джеральда были сыпь, жар и слабость. Прошло еще несколько недель, пропали волдыри и зажили оспинки на коже. Однако долгосрочные нарушения, вызванные болезнью, оставались невидимыми для Джеральда, его семьи и даже для доктора. Они произошли в глубине внутреннего уха с обеих сторон, и болезнь разрушила ценнейшие клетки улиток, так что мальчик перестал слышать высокочастотные звуки.

Юный Джеральд не осознавал этой глухоты, хотя его мироощущение изменилось. Он больше не слышал порывов ветра, гнущего деревья, стука капель дождя по крыше или успокаивающего звука собственных шагов. Но еще важнее то, что он потерял способность слышать многие звуки речи. Хотя он все еще мог участвовать в разговоре, ему стало трудно понимать речь других людей, и эта проблема осталась на всю жизнь.

История Джеральда позволяет понять структуру и неожиданную сложность природных звуков. Мы не воспринимаем эту структуру осознанно, но используем соответствующую информацию для осмысления окружающего мира. Когда Джеральд утратил способность улавливать высокие частоты, для него полностью исчезли звуки, создаваемые некоторыми предметами. Если он слушал симфонию или арию, там не было флейты, скрипки или сопрано, тогда как виолончели, тубы и другие низко звучащие инструменты продолжали издавать различимые звуки. Из речи исчезли такие звуки, как “с”, “ж” или “т”, но гласные вроде “а” остались. Звуки с разными частотами передают информацию разного типа.

Звуковые частоты – важнейший элемент, определяющий производство и осмысление звуков. Однако, в отличие от расположения предметов в видимом пространстве или точек прикосновения на поверхности тела, частота не является пространственным параметром. Можно ли отобразить частоту на пространственной карте? Да, безусловно. На самом деле на примере слуховых карт проявляется многофункциональность карт мозга.

Звук начинается с физического явления – какого-то движения, заставляющего колебаться один или несколько предметов. Это физическое явление может быть любого рода: соударение подметки ботинка с поверхностью пола, разделение бумажных волокон при разрыве листа бумаги или разрезание воздуха винтом вертолета. Результатом в любом случае является колебание. Сначала начинают колебаться предметы, участвующие в физическом явлении. Затем их колебания толкают окружающие молекулы воздуха, в результате чего колебание распространяется от предметов на соседние молекулы воздуха. Эти молекулы воздуха толкают соседние с ними молекулы и т. д., что приводит к возникновению волн давления. Таким образом, вибрация, возникшая в объекте, теперь передается от него по воздуху. О любом колебании нужно знать две вещи. Во-первых, его амплитуду. Амплитуда определяет, в какой степени смещается колеблющийся предмет. Этот параметр соответствует громкости звука, который мы слышим. События с большим выбросом энергии, такие как оружейный выстрел, создают колебания, сильно смещающие молекулы воздуха, и поэтому, если событие происходит поблизости от нас, такие звуки оказываются достаточно громкими. По мере того как колебание распространяется от места события во всех направлениях, оно теряет энергию. Вот почему звук отражает события с большим выбросом энергии вне зависимости от того, происходят они близко или далеко от нас, но о событиях с небольшим выбросом энергии он сообщает только в том случае, если они происходят рядом с нами. Мы усваиваем эту идею с самого раннего детства, хотя, возможно, в другой терминологии. По этой причине мы говорим в полный голос с приятелем, стоящим на другой стороне улицы, но шепотом сообщаем секретную информацию сидящему позади однокласснику.

Во-вторых, нужно знать частоту колебаний. Частота показывает, сколько раз за секунду что-то (предмет или молекулы воздуха) движется вперед и назад. Частоту измеряют в герцах или в циклах в секунду. Частота определяет воспринимаемую высоту звука – слышим мы его высоким или низким. Но это лишь часть информации, которую мы извлекаем из частоты, поскольку в природе все колебания являются сложными и смешанными. События происходят не с какой-то одной частотой, а одновременно с несколькими разными частотами.

Все звуки – от соло саксофона до капель подтекающего крана – являются богатыми и сложными и характеризуются целым спектром частот. Спектр частот, составляющих конкретный звук, несет важнейшую информацию об этом звуке. Для физика, инженера-акустика или нашего мозга наилучший способ охарактеризовать звук заключается в том, чтобы разложить его на профиль индивидуальных частот. Этот профиль – скрытая структура звука. Наш мозг использует его для определения тембра, который, по сути, сообщает, как звучит какой-то предмет или каков этот конкретный звук. Благодаря тембру труба и скрипка, играющие одну и ту же ноту, издают совсем разные звуки. Благодаря тембру мы распознаем знакомые голоса – и понимаем больше, чем просто слова.

К счастью, тело и мозг превосходно приспособлены для выявления и использования скрытых внутренних структур звука. Хитроумное устройство начинается от ушей, где находится важнейший аппарат, обеспечивающий функцию слуха. В человеческом ухе есть несколько миниатюрных косточек и мембран. Эти совместно действующие структуры – чудо инженерии, созданное эволюцией методом проб и ошибок за многие тысячелетия. Каждая часть системы тем или иным образом вносит вклад в решение задачи сбора звуков. Но сам процесс слушания осуществляется в крохотной свернутой улитке уха. Здесь входящие колебания переводятся на язык мозга, так что в результате мы можем воспринимать их в качестве звука.

Улитка уха закручена в виде спирали. Она малюсенькая – не больше горошины, но это наша дверь в мир звука. Развернуть спираль улитки уха так же сложно, как развернуть раковину улитки, но если бы нам удалось это сделать, мы бы обнаружили заполненную жидкостью трубочку длиной около 35 миллиметров. В этом водном туннеле существует хитрая система клеток и тканей, но самая главная часть – ряды вытянутых вдоль трубочки щетинок. Эти щетинки – окончания нежных звуковых рецепторов.

Когда волна давления от происходящего поблизости события достигает нашего уха, весь крохотный механизм внутри уха приступает к работе, усиливая звук и направляя его в заполненную водой улитку, где волна продолжает продвигаться уже не по воздуху, а по жидкости. Волна нарушает миниатюрную архитектуру трубочки и заставляет двигаться крохотные ворсинки звуковых рецепторов. Это движение приводит к усилению возбуждения рецепторов, которые посылают в мозг сигнал об обнаружении звука. Но у рецепторов есть скрытая организация. Это не беспорядочное скопление 14 тысяч случайно собранных клеток. Их укомплектованные ряды выстроены по всей длине трубочки улитки в соответствии с профилем частот. Рецепторы на одном конце трубочки, образующем внешнюю спираль, возбуждаются под действием высокочастотных компонентов колебательного движения. Рецепторы на другом конце, вблизи центра улитки, возбуждаются под действием низкочастотных компонентов звука. Если развернуть улитку и медленно продвигаться от внешнего конца трубочки к внутреннему, мы обнаружим ряды рецепторов, каждый из которых настроен на обнаружение более низких частот, чем предыдущий.

Красота улитки и ее рецепторов заключается в том, что они автоматически разлагают каждый сложный природный звук на простые составляющие частоты в соответствии с законами физики. В этом процессе они выбирают частоту – параметр, связанный со временем, – и отображают ее в пространственном измерении: в данном случае – в одномерном пространстве вдоль трубочки улитки. Активность клеточных рецепторов на одном конце трубочки отражает высокочастотные звуки, а активность на другом конце трубочки соответствует низкочастотным звукам. Когда рецепторы посылают сигналы в мозг, это пространственное отображение частот сохраняется. Сигналы рецепторов передаются через несколько спрятанных глубоко в мозге участков, откуда попадают в первичную слуховую кору A1.

По аналогии с первичной зрительной корой, содержащей карту сетчатки (и, следовательно, карту поля зрения), и первичной соматосенсорной корой, содержащей карту поверхности кожи (и, следовательно, карту тактильных сигналов), первичная слуховая кора отображает звук, используя карту улитки уха. Рис. 18 показывает, что A1 представляет собой непрерывную карту звуковых частот[46]: низкие частоты отображаются с одной стороны карты, а высокие – с другой. Эта карта позволяет нам осознанно воспринимать звуки. Стимуляция этих участков с помощью электрода заставляет человека слышать гудение или свист[47], а их повреждение может привести к глухоте.

Важнейшим ключом к пониманию карты в области A1 и любой другой карты являются рецептивные поля – фрагменты реальности, на отображение которых специфическим образом настроена каждая клетка на карте мозга. Нейроны зрительной карты V1 имеют рецептивные поля, покрывающие участки поля зрения. Нейроны тактильной карты имеют рецептивные поля, охватывающие участки поверхности кожи. А клетки слуховой карты имеют рецептивные поля, отражающие часть диапазона звуковых частот, скажем, звуки с частотой около 1000 Гц. Нейрон на карте A1, предпочитающий частоты в области 1000 Гц, с одной стороны имеет соседей, предпочтительно реагирующих на более низкие частоты (скажем, 900 Гц), а с другой стороны – соседей, реагирующих на более высокие частоты.

Рис. 18. Схема человеческой карты звуковых частот A1. Художник Пол Ким.

Карта частот в области A1 дает такие же преимущества, как карта поверхности тела в области S1 или зрительная карта в области V1. Подобно карте V1, карта A1 позволяет заполнять необъяснимые и маловероятные провалы в восприятии[48]. Если звук прерывается громким шумом, люди продолжают его слышать сквозь шум, даже если в реальности в момент появления шума этот звук отсутствует. Это звуковое заполнение можно обнаружить на карте A1, на которой недостающий звук продолжает отображаться таким образом, как будто он не прерывался. Благодаря этому заполнению мы можем переговариваться с приятелем в кафе, не подключаясь заново каждый раз, когда рядом кто-то кашляет или начинает гудеть кофейная машина.

Подобно другим картам мозга, A1 поддерживает локальную обработку сигналов, но в данном случае локальная обработка подразумевает сравнение между сходными частотами, а не сходными точками в зрительном или тактильном пространстве. Нейроны в области A1, настроенные на близкие частоты, тесно связаны маленькими короткими проводками, что сохраняет ценную энергию и пространство мозга. Локальная обработка информации в области A1 помогает слуховой системе идентифицировать ключевые частотные структуры, составляющие сложные звуки. А это, в свою очередь, помогает определять, что это за звуки.

Чтобы понять, насколько действительно важен этот процесс, достаточно проанализировать человеческую речь. Когда мы говорим, мы производим колебания, проталкивая воздух через голосовые связки в гортань. Мы используем резонирующие свойства рта и горла и, изменяя положение языка, губ и зубов, производим специфические сложные звуки, выходящие изо рта.

Если бы я произнесла фразу “Easy come, easy go”[49], колебания воздуха, выходящего из моего рта, были бы такими, как показано на рис. 19. Этот график отображает частоты через пространственное измерение. По вертикали отложены частоты в составе звука: более низкие частоты изображены в нижней части рисунка, а более высокие – в верхней части. Горизонтальная ось соответствует времени, и вдоль нее разворачиваются звуки моей речи. Чем темнее точка на рисунке, тем больше амплитуда этой составляющей частоты в произносимом звуке в конкретный момент времени. Если бы вы слушали, как я произношу эту фразу, вертикальные темные и светлые полосы на рисунке превратились бы в активность звуковых рецепторов улиток ваших ушей и активность нейронов вашей звуковой карты A1. Локальная обработка сигналов в области A1 помогла бы вашему мозгу обнаружить важнейшие звуковые структуры и непринужденно превратить эту смесь звуков в произносимые мной понятные слова.

Темные горизонтальные линии на рисунке называются формантами. Они есть во всех гласных звуках, которые произносятся в основном с открытым ртом, так что воздух может проходить более или менее свободно. Когда мы произносим “ай” или “оу”, рот и язык находятся в разных положениях и колебания воздуха, выходящего изо рта и гортани, происходят по-разному. Каждая гласная характеризуется специфическим набором формант, соответствующих разным частотам. Положение трех самых низких формант определяет, какой именно гласный звук мы слышим. На рис. 20 показаны частоты моего голоса при произнесении слов eyes, as и owes[50] – трех слов, различающихся только гласными звуками. Три нижних форманты в каждом случае помечены стрелкой. В разных языках используются разные гласные звуки, со специфической расстановкой формант. Однако, поскольку гортань и рот у всех людей на земле похожи, гласные звуки во всех человеческих языках похожи на те, что показаны на рисунке, и их можно идентифицировать по соответствующим формантам.

Рис. 19. График частот моего голоса при произнесении фразы “Easy come, easy go”.

Рис. 20. Идентичность гласных звуков определяется расстановкой формант (темные полосы) в словах eyes, as и owes. Расположение формант указано стрелками.

Согласные звуки формируются по-разному, и каждый имеет уникальные акустические характеристики. При произнесении некоторых согласных звуков движение воздуха на мгновение прекращается, а потом возобновляется с хлопком, как при произнесении согласных “т” или “б”. Другие согласные, такие как “с”, производятся путем проталкивания воздуха через слегка приоткрытый рот. При этом возникают турбулентные потоки воздуха, создающие высокочастотный звук одобрительного свиста.

Распознавание звуков и, следовательно, построенных из них слов определяется частотами, формирующими эти звуки. Вот почему Джеральд Шеа с трудом понимал речь. Когда он потерял способность слышать высокочастотные звуки, информация о структуре звуков стала неполной. Он просто не мог улавливать частоты многих звуков речи, определяющие суть этих звуков. Обращая пристальное внимание на губы говорящего и рассматривая каждое неполное сообщение в качестве пазла, который требуется сложить, он мог заполнять многие пробелы и участвовать в разговоре[51]. Однако это требовало усилий, и он допускал ошибки. Фраза “Прекрасное северное сияние” могла превратиться в “Красный веер Яни”, а “С утра пораньше пели птицы” – в “У трапа съели пиццу”. В разговорной речи – главном способе общения для большинства людей на Земле – звуковые частоты являются мостиком между тем, что подразумевает один человек, и тем, что слышит другой. Каждый день понимание каждой произнесенной фразы достигается именно за счет информации, заключенной в звуковых частотах.

Карты мозга позволяют не только анализировать наш слух, но и понять, как другие существа извлекают информацию из колебаний воздуха. Человеческий слух в лучшем случае (в случае молодых людей, избегающих концертов с громкой музыкой и другого сильного шума) позволяет регистрировать звуковые частоты в диапазоне примерно от 20 до 20 000 Гц. Этот диапазон кажется весьма солидным, но он несравним с диапазоном восприятия других существ, ползающих и бегающих по земле. Например, обычной крысы. Как вы уже знаете, крысы очень общительные животные. Кроме варианта “рукопожатия” путем перекрещивания вибрисс они общаются еще и с помощью свистящих звуков с частотой более 30 000 Гц, что намного выше, чем может уловить человеческое ухо. Взрослые крысы переговариваются с незнакомцами короткими звуками с частотой вплоть до 60 000 Гц, а детеныши призывают мать более долгими жалобными криками с частотой до 40 000 Гц[52].

Это отражено на карте звуковых частот в области A1 мозга крысы, где нейроны с предпочтением к низким частотам порядка 1000 Гц с одной стороны плавно сменяются нейронами с предпочтением к частотам до 70 000 Гц с другой стороны. Когда крыса слышит высокочастотные звуки, они отображаются на высокочастотной стороне карты A1. Активность нейронов на нашей карте A1 отображает внешний звуковой ландшафт, и то же самое происходит на карте A1 крысы. Но из-за разницы наших слуховых возможностей эти ландшафты различаются, даже если мы находимся в одном и том же помещении. Как-нибудь вечером, сидя дома в спокойной обстановке, задумайтесь о том, что, возможно, где-то совсем рядом крысы приветствуют друг друга, но вы в буквальном смысле остаетесь глухи к их приветствиям.

Частота – основной “язык” слуха и важнейший параметр слуховых карт мозга, но это не единственный параметр звука. Мы используем звук не только для того, чтобы определить, что что-то происходит, но и понять, где это происходит. Наш летающий родственник, летучая мышь, являет собой прекрасный пример того, как карты мозга отображают локализацию источника звука. Эти ночные хищники умеют ориентироваться и хватать добычу в темноте. Не ожидая, что жертва издаст звук, летучая мышь сама подает сложные звуковые импульсы и определяет местонахождение жертвы в ночной темноте, анализируя ушами возвращающееся эхо.

Вот пример усатых летучих мышей (подбородколистых рукокрылых), названных так за эффектную полоску длинной шерсти вокруг рта. Усатые летучие мыши живут большими колониями в лесах и засушливой местности и по ночам охотятся на насекомых. Процесс охоты состоит из трех этапов. Сначала летучая мышь должна обнаружить добычу (этап поиска). Когда она что-то нашла, она стремительно приближается к цели (этап приближения) и наконец нападает с близкого расстояния (завершающий этап). Исключительно с помощью звуковых импульсов и эха[53] усатая летучая мышь может обнаружить маленькую фруктовую муху на расстоянии более трех метров и оценить скорость передвижения жертвы с точностью до 10 сантиметров в секунду, и все это в темноте. Когда летучие мыши нацеливаются на добычу, они определяют расстояние до жертвы на основании времени возвращения звуковых импульсов в виде эха: чем позже слышится эхо, тем дальше добыча. В мозге летучих мышей задержка эха определяет расстояние. Иными словами, время приравнивается к расстоянию.

Усатые летучие мыши имеют в слуховой коре специфический отдел, обрабатывающий информацию о задержке эха[54]. Нейроны этой части мозга возбуждаются в ответ на эхо, но только в том случае, если издаваемый животным сигнал и его эхо разделены конкретным временным интервалом. Эта область коры содержит непрерывную карту задержки эха: нейроны, отвечающие на кратчайшую задержку (менее 0,5 миллисекунды), находятся с одной стороны, а те, которые предпочтительно реагируют на более длительную задержку (около 18 миллисекунд), локализованы с другой стороны. На рис. 21 представлена карта задержки эха; пунктирными линиями и подписями помечены ключевые элементы этой непрерывной карты. Хотя мы описываем и размечаем эту карту в терминах времени (миллисекунды), в конечном итоге это карта пространства: по сути, это карта ночного охотничьего пространства летучей мыши, находящейся в полете. Это пространство начинается на расстоянии нескольких сантиметров от усатой морды животного и простирается в темноту на несколько метров.

Рис. 21. Карта задержки эха в мозге усатой летучей мыши: задержка эха (время) коррелирует с пространственным параметром (расстоянием между летучей мышью и ее жертвой). Художник Пол Ким.

Эта пространственно-временная карта задержки эха является еще одним примером искажения карт мозга за счет увеличения для наилучшего соответствия нуждам животного. Если задержка эха составляет от 3 до 8 миллисекунд, значит, добыча находится от летучей мыши на расстоянии от 50 до 140 сантиметров. Такое расстояние достигается на этапе приближения, когда летучая мышь стремительно бросается на жертву. Нейроны, предпочтительно реагирующие в этом диапазоне, занимают непропорционально много места на карте задержки эха, уточняя соответствующую информацию и отдавая ей приоритет, что помогает этому стремительному полету.

Слуховые карты мозга отражают сложность структуры звука и демонстрируют удивительные возможности для извлечения жизненно важной информации из колебаний среды. Они также показывают, каким образом пространственные карты могут отображать непространственные явления. В этом заключается красота отображения. Мы можем начертить расположение египетских пирамид почти на чем угодно (на запотевшем стекле или на прибрежном песке), и аналогичным образом мы можем построить карты расстояний, времени, частот, температуры и многого другого, пользуясь одним и тем же набором материалов: в случае карт мозга это нейроны, электричество и время.

Расстояния на поверхности кожи, время задержки эха и частота колебаний – непрерывные параметры. Каждая конкретная температура соотносится с другой конкретной температурой очевидным математическим образом. Вообще говоря, два значения температуры – это просто две точки на единой шкале тепла. И то же самое можно сказать о частотах, расстояниях или временны!х задержках. Мозг отображает многие такие параметры с помощью карт.

Однако некоторые проявления нашего мира лучше характеризовать категориями, нежели параметрами. Как соотнести вкус темного сахара со вкусом горчицы или запах сосновой хвои с запахом талька? Многое в нашем мире не описывается простым определением и единственным параметром. Создает ли мозг карты для таких вещей? Два химических ощущения – вкус и запах – описываются с помощью категоризации и идентификации веществ. Через отображение этих ощущений на уровне нейронов проявляется как чрезвычайная гибкость мозговых карт, так и их значительные ограничения.

Чтобы выжить и размножиться на Земле, любое существо должно питаться материей, спариваться с материей и избегать опасной материи. Если приглядеться, жизнь заключается во взаимоотношении с материей. А что важно для живых существ – важно для их мозга. Наши ощущения запаха и вкуса нацелены соответственно на определение качества материи у нас в носу и во рту. Более пристальное изучение этих двух чувств и их отображения в мозге позволяет выявить специфические и очень неожиданные пути, посредством которых они защищают животных и человека. Изучение этих чувств также показывает, что возможности отображения с помощью карт мозга ограниченны, и в тех случаях, когда не справляются карты, помогает другой механизм (нейрональный код).

Вкус легко связать с ощущением удовольствия. Каждый прием пищи – это возможность насладиться ожидаемым, возбуждающим или приятным вкусом. Но главная задача вкуса заключается не в том, чтобы доставлять удовольствие, а чтобы уберечь от гибели.

Вкус важен по той причине, что, по большому счету, каждый из нас представляет собой большой мешок с химическими веществами. Это относится ко всем нам. Чтобы выжить, необходимо отделять жизненно важную материю внутри тела от множества опасностей снаружи. Наше тело должно запасаться всеми молекулярными строительными блоками и топливом, которые нужны для поддержания жизни, и избегать токсичных веществ, которые могут нанести вред. Хотя кожа поглощает некоторые вещества, главным образом она играет роль защитного барьера и ограждает нас от непрошеных гостей. Любой город в период осады сталкивается с важной проблемой: как отразить врага при недостатке пищи, воды и других ресурсов. Наше тело решает эту задачу каждый день на протяжении всей жизни.

Что мы собой представляем и что позволяет нам продолжать жить, зависит от содержащихся внутри нас химических соединений. Поглощение вредных веществ (ядовитых, испорченных, загрязненных) может положить конец нашему существованию. Недостаток потребления полезных веществ на протяжении нескольких дней тоже приводит к гибели. В нашем мире много веществ, которые мы, мышь или плодовая муха (дрозофила) можем попытаться проглотить. К счастью, нам не нужно понимать разницу между аминокислотами и алкалоидами, чтобы сделать выбор между ними за столом или в кормушке. Природа, точнее эволюция, дала нам шпаргалку – практическое наставление, благодаря которому полезные вещества поступают внутрь, а вредные остаются снаружи.

Специалисты, занимающиеся изучением химических чувств, разграничивают вкус и аромат, но обычно мы используем эти термины как взаимозаменяемые. Восприятие пищи складывается из ее вкуса, запаха и даже текстуры. Присущий пище аромат, ее температура и ощущение на языке – все эти детали важны для восприятия вкуса. Если вы когда-нибудь пытались насладиться изысканной едой с заложенным носом, вы имеете представление о том, в чем разница между вкусом и ароматом.

Ощущение вкуса начинает формироваться на вкусовых рецепторах, покрывающих язык и другие поверхности ротовой полости. Существуют вкусовые рецепторы разных типов, и каждый распознает специфические компоненты пищи. Но вкусовые рецепторы всех типов связаны с одной из двух врожденных реакций: проглотить пищу (и взять еще) или выплюнуть ее изо рта. Притяжение или отталкивание. Внутрь или наружу. Да или нет. Наше ощущение вкуса и многие сотни тысяч вкусовых рецепторов, объединенных в тысячи вкусовых сосочков, определяют этот бинарный выбор[55].

Возможно, вас удивит, что при всем удовольствии, которое мы можем получать от еды, наше притяжение к пище определяется лишь тремя видами вкусовых рецепторов. Рецепторы сладкого обнаруживают сахара и другие углеводы – важнейший источник энергии для мозга и остальных частей тела. Иногда они бывают обмануты другими молекулами[56], похожими на сахара, вот почему искусственные подсластители кажутся людям сладкими, хотя не являются ни питательными веществами, ни источниками энергии. Рецепторы умами обнаруживают аминокислоты, которые указывают на высокое содержание белка в пище. Аминокислоты – это кирпичики, из которых состоят белки, которые, в свою очередь, служат исходным материалом почти для всего, что позволяет функционировать сложным организмам. Некоторые аминокислоты наше тело способно синтезировать, но многие оно производить не умеет. Поэтому человек и другие животные должны получать эти строительные кирпичики из пищи с высоким содержанием белка[57].

На примере соленого вкуса можно показать, насколько тонким является равновесие химических веществ в нашем теле. Земная жизнь эволюционировала в воде, когда соли натрия (морская соль, NaCl) были легкодоступны. В результате главные клеточные функции, обеспечивающие жизнь на нашей планете, зависят от соли. Чтобы наше тело функционировало, оно должно быть изнутри солоноватым. Вот почему пациентам в больницах вводят в вену растворы соли, по сути, представляющие собой воду с добавлением небольшого количества соли натрия. По той же причине многие сухопутные животные проделывают длинный путь в поисках соли[58]; для нормального функционирования их внутренности должны оставаться солеными. Однако слишком большое количество соли может навредить. Избыточное потребление соли на протяжении долгого времени приводит к росту кровяного давления и нарушению работы почек. А если наши внутренности внезапно становятся чрезмерно солеными, не избежать обращения за срочной медицинской помощью.

Для поддержания этого тонкого равновесия у нас есть два типа вкусовых рецепторов соли[59]. Рецепторы одного типа реагируют на соли натрия в низкой концентрации (на такую соль, в которой нуждается тело) и вызывают реакцию притяжения. Закуски и ресторанная еда обычно соленые, поскольку при таком содержании соли наши рецепторы притяжения посылают в мозг сигналы влечения к пище, а это заставляет нас съедать и покупать больше. Это третий и последний тип вкусовых рецепторов, который стимулирует желание.

Однако природа предусмотрела гораздо большее разнообразие и проявила творчество для обеспечения нашего умения распознавать и отвергать некоторые продукты. Один пример – рецепторы соли второго типа, реагирующие на пищевую соль в избыточной концентрации. Эти же рецепторы реагируют на присутствие в пище других солей, таких как соли лития, которые бывают ядовитыми. При активации этих рецепторов в мозг подается сигнал, создающий неприятное вкусовое ощущение и немедленное желание выплюнуть то, что находится во рту.

Следующий тип рецепторов – рецепторы кислого вкуса, которые обнаруживают в пище присутствие кислот. Если микробы заразили продукты, вызвав брожение или гниение, в продуктах повышается содержание кислот. И если мы пробуем такую пищу, вкусовые рецепторы чувствуют кислоту и посылают в мозг сигнал, так что мы ощущаем подозрительный кислый вкус. Новорожденные дети непроизвольно выплевывают кислое. По мере взросления мы обучаемся ценить присутствие кислоты в некоторых продуктах, таких как лимонад или кисло-сладкий соус. Но даже для взрослых людей необычно кислый вкус пищи сигнализирует о том, что она испорчена и есть ее не нужно.

Наконец, существуют рецепторы горького вкуса. У нас во рту и на языке есть около 30 вариантов рецепторов горького вкуса[60], хотя все другие вкусы распознаются лишь одним или двумя типами рецепторов. Это обилие вариантов рецепторов горького вкуса защищает нас от многих вредных и ядовитых веществ. Все маленькие дети выплевывают горькую еду. По мере взросления мы знакомимся с горькими пищевыми продуктами, такими как пиво, кофе, некоторые овощи, и учимся ценить легкую горчинку. Но вещества с интенсивным горьким вкусом запускают одну и ту же реакцию у детей и взрослых, не говоря уже о собаках, крысах и многих других животных. На лице у каждого появляется специфическое выражение, означающее отвращение, а язык высовывается изо рта как бы в попытке исторгнуть неприятное вещество.

Удивительным аспектом этой реакции и, вообще говоря, всего, что касается вкуса, является произвольность. Горький и сладкий вкус – не свойства самих продуктов. Например, вещества, называемые бета-глюкопиранозидами, кажутся человеку очень горькими, тогда как мыши вовсе не ощущают их вкуса. Но когда ученые вырастили генетически измененных мышей с человеческой версией рецепторов горького вкуса на языке[61], такие мыши тоже стали воспринимать эти вещества горькими и выплевывали их. Аналогичным образом мышиные рецепторы сладкого вкуса не реагируют на аспартам[62] – искусственный заменитель сахара в составе большинства диетических газированных напитков. Мышам аспартам кажется безвкусным, и у них диетические газированные напитки не вызывают большого интереса. Но когда ученые создали мышей с человеческой версией рецепторов сладкого вкуса[63], мыши начали ощущать сладость аспартама и получать от него удовольствие. Путем замены части мышиного рецептора сладкого вкуса частью рецептора горького вкуса ученые создали линию мышей, поглощавших такую пищу, которую нормальные мыши отвергали из-за слишком сильной горечи. Но мутантных мышей эта пища не отвращала, а скорее притягивала.

Вообще говоря, в аспартаме нет ничего, что придавало бы ему сладость. Сам по себе сахар не обладает сладостью. Сладость – это метка, категория, которую язык и мозг используют для принятия быстрого и безопасного решения о том, что можно съесть. Варианты рецепторов у нас во рту создают небольшой, но важный набор вкусовых категорий. Но, конечно же, именно мозг превращает эти категории в то, что мы воспринимаем в качестве вкуса. Что происходит с этой вкусовой информацией, когда она завершает путешествие изо рта в мозг?

Как это ни печально, многие знания о мозге, накопленные нами за всю историю, стали результатом наблюдений за людьми или другими существами с повреждениями мозга. Ничто не подчеркивает важность какого-либо участка мозга лучше, чем его повреждение. Чтобы понять, каким образом одна конкретная область мозга задействована в восприятии вкуса, выслушайте историю семидесятипятилетней женщины[64], которую я назову Мэри.

Мэри готовила ужин, как вдруг почувствовала слабость в правой стороне тела. Она упала на пол и оставалась в состоянии замешательства, не имея возможности говорить и реагировать на то, что происходило вокруг. Ее кровообращение было заблокировано сгустком крови, застрявшим в крупной артерии, питающей мозг. Без подачи кислорода нейроны в некоторых частях мозга начали отключаться и умирать.

Мэри увезли в больницу, где ей провели процедуры для растворения кровяного сгустка, чтобы артерия могла приносить кислород задыхающимся клеткам. К счастью, лечение сработало, и кровоток в мозге восстановился. И все же после инсульта в мозге Мэри сохранились повреждения. По результатам сканирования врачи обнаружили зловещую темную зону в левой части мозга, внутри складчатой области коры, включавшей первичную вкусовую кору, где находится карта вкуса. Затемнение означало, что лечение подоспело слишком поздно, чтобы спасти нейроны в этой части мозга. Эти клетки были окончательно повреждены или умерли.

Мэри вернулась домой, и ее состояние начало улучшаться, хотя некоторые повседневные дела все еще давались ей с трудом. Только тогда, оказавшись дома и начав питаться как обычно, Мэри обнаружила, что с ее вкусовыми ощущениями произошло нечто ужасное. Вся еда имела гадкий вкус. Раньше она любила ветчину, курицу, картофель и овощи, но теперь она их не переносила. Не было вкуса ни у вина, ни у кофе. Точнее, эти продукты имели какой-то вкус, но не тот, который она могла бы назвать вкусом еды. Мэри обнаружила, что должна заставлять себя есть. Она перестала получать удовольствие от совместной трапезы с близкими людьми и почувствовала себя одинокой. За полгода после инсульта она похудела на семь килограммов.

Опытным путем Мэри все же нашла продукты, которые могла есть. Она поняла, что ей нравятся макароны и мясо с томатным соусом. Вместо кофе она стала пить чай. Удовольствие от сладкого после инсульта не исчезло, так что она по-прежнему ела десерты и шоколад. Она привыкла к новым вкусам и перестала худеть, но прежние вкусовые ощущения не вернулись. Даже через год после инсульта она не получала удовольствия от блюд из курицы или картофеля. Эти когда-то любимые продукты теперь имели вкус опилок.

Ученые знают об отображении нейронами вкуса меньше, чем об отображении зрительной картины, прикосновения и звука. По историческим и анатомическим причинам отображение вкуса в мозге исследовалось гораздо реже. И все же у нас есть интересные данные. Мы знаем, что вкусовая информация идет изо рта к некоторым промежуточным участкам в глубине мозга, а затем прибывает в первичную вкусовую кору в обоих полушариях. У человека эта область коры находится внутри островковой доли[65] – участка коры внутри глубокой складки на каждой стороне мозга. Повреждение мозга, нарушившее вкусовое восприятие Мэри, произошло именно в этой области – в островковой доле левого полушария. Когда ученые с помощью электричества стимулировали нейроны этого участка островковой доли любого полушария, пациенты сообщали об ощущении неприятного, металлического или кислого вкуса[66].

Рассказ о строении первичной вкусовой коры лучше всего начать с того, что нам известно о животных. Нейробиологи часто изучают тончайшие структуры головного мозга на животных. По понятным этическим причинам нельзя использовать инвазивные методы для детального анализа человеческого мозга, кроме как по медицинским показаниям. Технологии визуализации мозга, такие как фМРТ, позволяют наблюдать за активностью человеческого мозга, не нанося никакого вреда. Но эти методы имеют плохое пространственное разрешение, что означает, что они выявляют расплывчатую картину активности многих нейронов одновременно. По сравнению с прямыми методами исследования, которые ученые применяют для наблюдения активности мозга у животных, неинвазивные методы визуализации, такие как фМРТ, напоминают разглядывание мозга без очков.

Когда ученые исследовали вкусовую чувствительность у животных напрямую, они получали интересные результаты. В одном важном исследовании, проведенном на мышах, представлена очень четкая картина строения вкусовой карты в первичной вкусовой коре животного[67] (рис. 22). С помощью точного молекулярного метода ученые отслеживали, какие нейроны живого мозга возбуждаются, когда мышей (находящихся под действием анестезии) кормили химическими веществами со сладким, соленым, кислым и горьким вкусами и вкусом умами. Они обнаружили карту с зонами разных вкусов. Эти зоны располагаются в форме вытянутого бриллианта, при этом зоны горького и сладкого максимально удалены друг от друга, а между ними располагаются зоны соленого вкуса и умами. Ученые не нашли участок кислого вкуса и предположили, что он находится за пределами ткани, которую им удалось исследовать в этом эксперименте.

Рис. 22. Зоны вкуса в первичной вкусовой коре мыши. Художник Пол Ким.

В другом исследовании было показано, насколько важны эти участки для вкусового опыта мышей[68]. В данном случае ученые применили иной способ активации нейронов в специфических участках карты: они направляли луч лазера непосредственно в эти участки мозга. Замечательно, что они смогли это сделать в такой ситуации, когда мыши бодрствовали и вели себя обычным образом. Когда мыши пили воду из поилки, ученые с помощью лазера активировали зону горького вкуса в их первичной вкусовой коре. Хотя животные пили обычную воду, они реагировали так, как будто вода была очень горькой. Они высовывали язык, срыгивали и пытались избавиться от неприятного вкуса во рту с помощью лап. Напротив, когда ученые стимулировали лазером зону сладкого вкуса, мыши припадали к поилке, как будто пили не воду, а сироп[69].

Несмотря на эти интересные результаты, ученые все еще не полностью понимают природу и структуру карт вкуса у мышей и других грызунов. В некоторых исследованиях показано, что зоны вкуса перекрываются[70] и что карта строится скорее по принципу притягательности вкуса, нежели по принципу разграничения отдельных вкусов, таких как сладкий или кислый. Также обнаружено, что многие нейроны на карте вкуса реагируют на другие свойства пищи, такие как аромат, текстура и температура[71].

О картах вкуса у животных известно далеко не все, но еще меньше ясности в отношении карты вкуса у человека. Попытки исследовать организацию человеческой карты вкуса с помощью метода фМРТ привели к не согласующимся друг с другом и неоднозначным результатам. В некоторых исследованиях было установлено, что в первичной вкусовой коре человека есть зоны вкусов, но они слегка перекрываются[72]. Исследования, выполненные с помощью более тонких технологий[73], показали нечто совсем другое: вкус отображается без всякой карты.

Это может показаться удивительным, учитывая, насколько упорно мозг использует карты для отображения многих типов информации: в частности, мы уже знаем, что такая пространственная информация, как расстояние и локализация на картах мозга, соответствует информации о важнейших событиях в окружающем мире. Но хотя мозг переполнен картами, он может передавать информацию и другим способом – через распределенное кодирование.

Отображение информации с помощью распределенного кодирования в корне отличается от отображения на картах мозга. На карте соседние нейроны отображают события в соседних точках пространства, частот, времени и т. д. Кроме того, такие карты отображают информацию в основном через локализацию – в соответствии с тем, где в мозге нейроны проявляют наибольшую активность. Напротив, в областях мозга, использующих распределенное кодирование, нет очевидной связи между соседними нейронами. Эти области передают информацию через картину активности в целом отделе мозга, а не через локальную активность внутри каких-то зон. Эта картина активности представляет собой код.

Что я называю кодом и чем он отличается от карты? Представьте себе, что я пригласила вас на вечеринку и должна отправить вам указания, как дойти. Это задача на отображение: у меня есть информация (ваш путь ко мне), которую я должна отобразить на бумаге или в виде электронного сообщения. Если я хорошо это сделаю, вы поймете указания и придете на вечеринку. Я могу послать информацию двумя способами. Я могу нарисовать карту, на которой помечу путь от вашего дома к месту встречи. Или я могу написать словами, по каким улицам вам нужно идти, где повернуть и т. д.

Если я выбираю второй путь, я использую код, который отображает и передает информацию. Устная или письменная речь – ярчайший пример кодирования. Как мы составляем слова из букв? Многие письменные языки основаны на использовании алфавита – небольшого набора буквенных символов. Чтобы придать этим буквам смысл, я должна объединить их в слова. Лишь только путем соединения букв я могу создавать уникальные картины, или слова, которые что-то означают для вас и для меня.

В областях мозга, использующих распределенное кодирование, отдельные нейроны играют такую же роль, как буквы в письменной речи, основанной на алфавите. Один и тот же нейрон способен возбуждаться в ответ на многие сигналы, а одна и та же буква может использоваться для написания многих слов. Для распределенного кодирования важен специфический набор нейронов, активно возбуждающихся в конкретный момент времени. Информация заключается в картине возбуждения многих нейронов, а не в активности какого-то одного из них.

Карты – удобный способ отображения информации мозгом, поскольку они компактны и обеспечивают эффективную обработку информации. А в чем преимущества отображения информации с помощью кода? В случае речи преимущество заключается в гибкости. Каждая карта имеет размеры и границы. В случае мозговых карт это могут быть поверхности тела или участки поля зрения. Каждая часть карты описывает какие-то специфические вещи, так что там нет места для отображения нового, например, прикосновения к новой части тела или зрения с помощью нового глаза, встроенного на затылке. Аналогичным образом, если моя вечеринка переносится в другой город, находящийся за пределами исходной карты, которую я для вас нарисовала, старая карта оказывается бесполезной. Я должна начертить новую карту, позволяющую вам добраться до места встречи. Короче говоря, карты плохо справляются с отображением новых вещей.

В случае кода такой проблемы нет. Для передачи нового смысла я могу создавать новые слова и сочетания слов с помощью существующего алфавита. Изменилось место встречи? Не беда! Я могу описать вам новый путь, используя тот же набор букв, только в другом сочетании. Эта гибкость очень важна для мозга, особенно в области таких явлений, для которых характерно что-то новое. Мозг создает новые картины активности нейронов для отображения новых вкусов, предметов или мест.

Хотя карты и коды во многом различаются, они не противоречат друг другу. Они функционируют совместно, поддерживая фактически любую нашу деятельность. Например, мы используем карты частот, такие как A1, и распределенное кодирование для превращения давления звуковых волн, зафиксированных ухом, в знакомые голоса (это мама) и слова, которые мы понимаем (она зовет меня домой). Карты и коды обычно существуют в разных областях мозга, которые действуют сообща, посылая сигналы туда и обратно. Но в некоторых частях мозга коды и карты совмещаются, особенно там, где карты разделены на зоны, такие как зоны вкуса в первичной вкусовой коре. Например, нейроны в зоне сладкого вкуса могут использовать распределенное кодирование для отображения специфических аспектов сладости. А нейроны на нейтральной территории, между зонами, с помощью распределенного кодирования могут отображать новый аромат. Этот счастливый союз позволяет совмещать гибкость кода с преимуществами карт. Возможно, человеческая карта первичной вкусовой коры как раз демонстрирует такое компромиссное решение. Ученым придется провести дополнительные исследования, чтобы узнать это наверняка.

Ощущение вкуса является жизненно важным, а ощущение запаха – самым удивительным и загадочным из всех наших химических чувств. Невозможно переоценить значение запахов для представителей всего царства животных. Акулы, змеи, комары, грифы, барсуки и колибри – лишь немногие из тех животных, которые пользуются обонянием в поисках пищи.

Запах может быть показателем социального статуса, как у термитов, распознающих королеву по пахучим выделениям. Запахи управляют репродукцией удивительно разнообразными способами: пятнистая гиена размазывает по траве пахучие анальные выделения, сообщая о своем репродуктивном статусе, а самец одного из видов бычков начинает ритуал многочасового ухаживания, когда чует выделения из яичников фертильной самки. Запах важен для установления родительских и семейных связей и позволяет новорожденным существам узнавать мать и приближаться к ее соскам для кормления. Альбатросы и другие морские птицы с помощью обоняния прокладывают путь над бескрайним океаном[74]. Короче говоря, обоняние важно буквально для всех аспектов жизни животных. Но как животные извлекают необходимую информацию из запахов и какие карты использует для этого их мозг?

Обоняние, или чувство запаха, – это замечательный пример распознавания на молекулярном уровне. Поговорим об обонянии у мышей. В выстилку носовых ходов мыши встроено около 10 миллионов рецепторов примерно тысячи разных видов[75]. Каждая молекула из воздуха может связываться с рецепторами разных видов, и каждый вид рецепторов может связывать несколько разных молекул. В результате мышь способна обнаруживать и идентифицировать намного больше, чем тысячу запахов, хотя имеет только тысячу видов рецепторов.

Когда молекула из воздуха взаимодействует с рецептором в носу животного, связанные с рецептором нейроны посылают в мозг сигнал. Такие сигналы направляются напрямую к двум структурам мозга, называемым обонятельными луковицами, которые выделяются на передней поверхности мозга у мыши, человека и других животных. В правой и левой обонятельных луковицах содержатся подробные карты запахов, свободным образом организованные в виде зон в зависимости от структуры молекул, которые они отображают, например, в зависимости от длины углеродной цепи или принадлежности к группе карбоновых кислот, фенолов или алифатических эфиров. Возможно, химическая терминология ничего вам не говорит, но эта структурная информация – ключ к пониманию того, к какому типу веществ относится данная молекула и, следовательно, насколько она для нас важна. Карта обонятельной луковицы играет роль на первом этапе процесса восприятия запаха, определяя и отображая информацию о том, какого типа молекула попала нам в нос.

Из обонятельной луковицы информация направляется в несколько отделов мозга. Среди них у грызунов и человека лучше всего изучена пириформная кора. Эксперименты показывают, что эта область играет ключевую роль в распознавании новых запахов. Как можно догадаться, учитывая небольшие возможности карт в отображении новой информации, пириформная кора представляет запахи не с помощью карт, а с помощью кода. На рис. 23 показано функционирование этого кода – то, как набор нейронов в пириформной коре мыши отображает разные запахи через разные картины активации[76]. Активно возбуждающиеся нейроны выделены черным цветом, нейроны со слабой активностью – серым.

В настоящий момент о пириформной коре и распределенном кодировании в ней мы знаем больше, чем о каких-либо других отделах мозга, занятых обработкой обонятельной информации. И все же ученые обнаружили в мозге несколько других интересных участков, организованных в виде обонятельных зон. Одна из трудностей в обнаружении таких зон связана со сложным строением обонятельной системы и невероятным разнообразием идентифицируемых молекул и видов рецепторов. В первую очередь трудности возникают из-за того, что запахи можно сгруппировать или связать друг с другом на картах огромным числом способов. Чтобы найти в мозге карту запаха, ученые сначала должны понять, какие признаки или категории следует искать. Это справедливо в отношении всех карт мозга, но в системе обоняния это особенно сложно.

Один подход к обнаружению обонятельных карт мозга заключается в том, чтобы изучать существ с наименее сложной обонятельной системой. Например, канальный сомик, обитающий в реках и озерах Северной Америки, имеет лишь около сотни видов обонятельных рецепторов и распознает только несколько групп молекул, включая нуклеотиды, аминокислоты и соли желчных кислот. Хотя молекулы нуклеотидов и аминокислот достаточно сильно различаются по структуре, обе группы молекул содержатся в живых организмах в большом количестве и для канального сомика означают одно и то же – пищу. Напротив, соли желчных кислот производятся печенью и выделяются с фекалиями или мочой других рыб. Как анальная паста для гиен, так эти соли желчных кислот служат сомам для общения, позволяя узнавать о других находящихся поблизости представителях вида.

Ученые, изучавшие обоняние у сомиков[77], в первую очередь проанализировали карты обонятельных луковиц (рис. 24). Они обнаружили три зоны для трех групп молекул – нуклеотидов, аминокислот и солей желчных кислот. Это соответствует данным для других видов животных: карты обонятельных луковиц организованы в зависимости от структуры молекул запаха. Однако обонятельные луковицы сомиков отправляют информацию в другой отдел мозга рыбы, где ученые обнаружили другую карту запахов. В этом отделе есть лишь две главные зоны – одна для солей желчных кислот и другая одновременно для нуклеотидов и аминокислот.

Рис. 23. Распределенное кодирование в пириформной коре. Художник Пол Ким.

Разница между этими двумя картами запаха небольшая, но существенная. Карта в обонятельной луковице содержит зоны, соответствующие структуре молекул – объективному свойству, характеризующему эти соединения в физическом мире. Но зоны на второй карте соответствуют значимости запахов для животного. Вне зависимости от того, почувствует сом аминокислоты или нуклеотиды, его пищевое поведение будет одним и тем же. Эти две группы молекул передают одинаковую информацию и вызывают одинаковое поведение, тогда как соли желчных кислот несут другую информацию и приводят к другому поведению.

Рис. 24. Карты запаха в обонятельной луковице (справа) и переднем мозге (слева) канального сомика. Художник Пол Ким.

Вторая карта в мозге канального сомика имеет поведенческий смысл. Только таким веществам, которые важны для выживания и размножения рыбы, на этой карте отводятся специфические зоны или отделы, и объединение этих веществ в группы производится в зависимости от того, что животное будет делать в ответ на их сигнал. Сила этой карты в том, что она проясняет и классифицирует важные для рыбы вещества. Как вы можете догадаться, такие карты в голове мыши, льва, грифа и человека различаются. И как мы судим о значении ноздрей пони по искажению его тактильной карты, точно так же мы судим о значении химических веществ для сома на основании его карты запахов.

У мыши тоже обнаружены карты запахов, которые важны для врожденных инстинктивных реакций на запахи[78]. Если вы поместите в клетку с лабораторной мышью каплю 2,3,5-три-метил-3-тиазолина, содержащегося в выделениях лисицы, мышь замрет или постарается удалиться от источника запаха на максимальное расстояние. Хотя лабораторное животное никогда не встречалось с лисицей, его мозг знает, что этого запаха нужно избегать. Мышь инстинктивно сторонится и других запахов, таких как мускусный букет, характерный для мочи рыси. Однако есть запахи, которые инстинктивно притягивают мышь, включая запах арахисового масла и фенилэтиловый спирт, содержащийся в розовом масле.

За эти инстинктивные реакции на запахи отвечает участок мозга мыши, расположенный рядом с пириформной корой. В нем есть отдельные зоны запахов хищников, которых следует избегать, таких как запах мочи рыси, и зоны запахов, которые притягивают, такие как запах арахисового масла. С помощью хитроумной технологии ученые вызывали активацию нейронов в одной или в другой зоне, не подвергая животное воздействию запаха[79]. Когда они стимулировали зону, ответственную за восприятие запаха хищника, мышь замирала или убегала, как если бы хищник был рядом. Когда стимулировали зону притягательного запаха, мышь настораживалась, как будто чувствовала еду. В другом исследовании была обнаружена соседняя зона, ответственная за реакцию на запах мочи мышей противоположного пола[80]. По-видимому, этот участок задействован в обработке химических сигналов, имеющих отношение к спариванию.

Еще многое нужно сделать, чтобы понять организацию мышиных карт запаха, но из приведенных данных следует вывод о существовании как минимум трех зон: одна зона для запаха хищников, одна – для запаха пищи, и одна – для запаха партнеров для спаривания. Каждая зона связана с определенным поведением и, по-видимому, осуществляет связь между обнаруженными мышью веществами и вызванными ими действиями.

Данные исследования проливают свет на строение обонятельных карт мозга и их поведенческое значение у сомов и мышей. Но что можно сказать о человеке? Чтобы найти карты запахов у человека[81], ученым нужно знать, какие зоны или признаки следует искать. У животных строение карт запахов определяется тем, как они используют обонятельную информацию, в частности, как эта информация приводит к действию, связанному с воспроизводством или выживанием. Возникает вопрос: как люди используют запах для выживания, если они его используют?

Моя мать Салли прожила всю жизнь, ни разу не почувствовав какой бы то ни было запах. Судя по всему, она от рождения была лишена способности распознавать запахи. Она даже не была уверена, понимает ли, что такое обоняние. В конце концов, как люди могут представить себе чувство, которое им не знакомо на опыте?

Салли рассуждала о своем недостающем обонянии как о курьезе или философской задачке, но вовсе не как о нарушении. Кажется, отсутствие обоняния ее не слишком беспокоило. Некоторые ее знакомые вообще не подозревали, что она лишена одного из пяти чувств. Вы можете себе представить, что не знаете о том, что ваш друг слеп или глух? Однако из-за отсутствия обоняния Салли находилась в некоторой опасности: она не могла почувствовать утечку газа, не чувствовала запах дыма (хотя глазами и ноздрями ощущала густой дым) и не могла сказать, что молоко прокисло, пока оно не вылезало из пакета в виде простокваши. Но по большей части отсутствие обоняния закалило Салли. Ее не беспокоил дурной запах в туалете, но и не возбуждал запах только что испеченного хлеба из соседней булочной. В каком-то смысле отсутствие этого чувства больше походило на сверхъестественную способность, чем на инвалидность. Но как такое вообще возможно?

Важно понимать разницу между людьми, родившимися без одного из пяти чувств, и теми, кто потерял его в какой-то момент жизни. Люди, которые утратили обоняние, когда уже научились связывать пищу, места и опыт с определенными запахами, обычно очень расстроены этой потерей. Однако, признавая существенный эмоциональный урон, такие люди обычно не считают себя увечными. Потеря обоняния не мешает им перемещаться из одного места в другое, выполнять необходимую работу – иными словами, самостоятельно функционировать. Этого нельзя сказать о людях, которые внезапно потеряли зрение или слух. Логично заключить, что обоняние не так уж важно для человека.

До недавнего времени научное сообщество придерживалось такого мнения. Повсеместно считалось, что у человека слабое обоняние по сравнению с другими представителями царства животных. Некоторые предполагали, что эволюция человеческого мозга сопровождалась ослаблением обонятельной активности нейронов. Для подтверждения этой точки зрения ученые указывали на обонятельную луковицу. Одна из вещей, удивлявших анатомов прошлого, заключалась в том, что наша обонятельная луковица очень мала для нашего крупного мозга. Как видно из рис. 25, обонятельные луковицы мыши составляют гораздо более значительную долю ее мозга.

Ученые заключили, что при эволюции мозга современного человека рост обонятельных луковиц прекратился и обонятельная способность наших предков снизилась. Некоторые утверждали, что это произошло по той причине, что люди в большей степени опираются на логику, чем на рефлекторные реакции на запах[82]. Другие считали, что эволюция мозга наших предков происходила с переносом акцента на зрение в ущерб обонянию[83], в результате чего мы очень хорошо видим и слабовато чувствуем запахи.

Рис. 25. Сравнение размера обонятельной луковицы (вверху) и всего мозга (внизу) человека и мыши. Художник Пол Ким.

Несмотря на эти устоявшиеся представления, в последние десятилетия было сделано удивительное открытие: люди воспринимают запахи намного лучше, чем считалось ранее. Непосредственное сравнение восприятия запахов у разных видов показало, что человеческое обоняние сопоставимо с обонянием мыши. Мышь побеждает человека в распознавании одних запахов, а человек побеждает мышь в распознавании других[84]. С собаками и кроликами в чем-то мы тоже стоим вровень, а в чем-то даже превосходим их. Более того, в результате точного подсчета количества нейронов в мозге животных разных видов[85] было выдвинуто предположение, что мышь, человек и многие другие млекопитающие имеют в обонятельных луковицах примерно одинаковое общее количество нейронов, несмотря на разный абсолютный или относительный размер этих структур.

Люди, подобно другим существам, осведомлены об изобилии запахов, информирующих о том, что находится вокруг нас. Мы чувствуем 1-октен-3-ол, который содержится в грибах и передает знакомый всем нам грибной запах. Мы чувствуем 2-изобутил-3-метоксипиразин из паприки, ванилин из ванили и эвгенол из гвоздики и вина, выдержанного в дубовых бочках. Мы наслаждаемся запахом геосмина, выделяемого почвенными микроорганизмами, который ассоциируется у нас с запахом земли после летнего дождя. Нам не нравится, как пахнет триметиламин из гниющих рыбных костей или тетрагидропиридин из тухлых мяса и овощей. Мир запахов содержит подробную информацию о предметах и физических процессах, протекающих вокруг нас. Но заставляет ли нас эта информация принимать жизненно важные решения в будничной жизни? Если судить на основании того, как люди живут после потери обоняния, кажется, что это не так.

Однако в этом уравнении недостает одной переменной. Почти все исследования человеческого обоняния, подобно подавляющему большинству психологических и нейробиологических исследований человека, проводятся на небольшой выборке людей западной культуры с характерным для них образом жизни. Но, вообще говоря, есть достаточные основания полагать, что культура и образ жизни имеют большое значение, когда речь идет об обонянии. Западные люди обычно не используют нос для поиска еды, но это не так для представителей других культур и почти наверняка было не так для наших отдаленных предков. Охотники и собиратели в большей степени, чем мы, полагаются на обоняние для получения информации об окружающем мире и имеют четкую классификацию для описания запахов. Охотники и собиратели племени джахаи[86] на Малайском полуострове используют слово cƞes для описания разнообразных запахов, включая запах бензина, экскрементов летучих мышей и пещер, где обитают летучие мыши, дыма, многоножек, корня дикого имбиря, листьев имбиря и древесины дикого мангового дерева. Запахи грибов, мертвой древесины, несвежих продуктов, меха и перьев – это pɂus. Когда ученые просили представителей племени джахаи и группу американцев идентифицировать знакомые западным людям запахи, джахаи побили американцев. Аналогичным образом охотники и собиратели племени семaк бери легко побеждают соседний сельскохозяйственный народ семелаев в распознавании запахов[87], хотя эти два народа говорят на родственных языках. Иными словами, запах обсуждается, используется и понимается по-разному в разных культурах, сформированных разным образом жизни. Если бы лишенный обоняния человек, как моя мама, родился в обществе охотников и собирателей, он был бы инвалидом. И подобно тому, как поведенческая роль запахов различается в разных культурах, могут различаться и структуры обонятельных карт мозга.

Рассуждения о человеческом обонянии основывались на предположении, что обоняние – это способ сбора информации, которую мы воспринимаем и передаем осознанно. Но неприятный маленький секрет обоняния (у западных людей и повсеместно) заключается в том, что в значительной степени его таинство совершается так, что мы не отдаем себе в этом отчет. На самом деле ценность запахов в информировании нас о происходящем вокруг не сравнима с их ценностью для передачи секретной информации.

Мы отправляем такую информацию постоянно, хотя и не осознаем этого[88]. На коже человека имеются мириады желез, в которых живут бактерии. Не обязательно потеть, выполняя физические упражнения, чтобы наше тело начало источать запах; небольшое количество этих выделений исходит из наших желез фактически постоянно. Люди могут не замечать или не комментировать запах нашего тела, но это не означает, что у нас его нет или что они его не чувствуют, как минимум подсознательно. Растущее количество данных показывает, что запахи, испускаемые нашим телом, содержат массу информации о нас – о нашем поле, возрасте, физическом здоровье, эмоциональном состоянии и фертильности[89]. Хотя ученые пока не могут сказать точно, какие вещества передают эти специфические подробности, понятно, что такие вещества существуют, поскольку они оказывают влияние на других людей.

Например, если люди чувствуют наш запах, когда мы чего-то боимся или обеспокоены, они почти буквально ощущают наш страх, даже если этого не осознают[90]. Запах пота, вызванного нашим страхом, поможет им быстрее выявить внешнюю опасность. Кроме того, наш запах способен повлиять на эффективность действий других людей в стрессовой ситуации, из-за чего они могут хуже выполнить какую-то работу или сдать экзамен[91]. Подобные факты позволяют предположить, что наши тела постоянно посылают сообщения другим людям посредством запахов – эти сообщения отсылаются и воспринимаются неосознанно, но они предупреждают нас о потенциальной опасности (болезнь или угроза) или возможности (фертильный партнер для спаривания) и влияют на наше поведение.

Передача страха – лишь один пример влияния людей друг на друга посредством запаха. Запах тела сообщает, кто мы такие. Новорожденные дети узнают запах матери, а члены семьи после рождения ребенка быстро обучаются распознавать его запах. Запах тела может синхронизировать менструальные циклы[92] у живущих рядом молодых женщин[93]. Запах слез ослабляет сексуальное влечение мужчин к женщинам[94]. Люди неосознанно обнюхивают пальцы, пожав руку незнакомцу, хотя остается тайной, почему они это делают и что пытаются обнаружить[95].

Ученые только начинают понимать, как мы используем обоняние при выстраивании отношений с другими людьми и собственного поведения. Еще меньше они знают о роли культуры и образа жизни в этом процессе. И поэтому не стоит удивляться, что нам еще только предстоит открыть человеческие карты запахов, кроме тех, которые содержатся в обонятельных луковицах. Конечно, возможно, что мы их не найдем, поскольку их просто нет. Но пока ученые не поймут, как люди на самом деле используют запахи – повсеместно и в специфических культурах, – маловероятно, что они найдут карты, которые позволяют это делать.

В первые карта в человеческом мозге была обнаружена в XIX веке в Лондоне благодаря странному и жутковатому опыту некоторых больных. В историю они вошли в виде списка: часть имени или инициалы, возраст и непослушная часть тела. У пятидесятидвухлетнего мужчины, известного в медицинских анналах под инициалом C., судороги начинались с большого пальца левой ноги[96]. Далее они распространялись на внутреннюю часть стопы, на голень и в конечном итоге, когда мужчина был уже в бессознательном состоянии, на предплечья и лицо.

У девятилетней Элизабет Ф. все началось с подергивания правого глаза, когда она говорила или пела[97]. Глаз удалили, но у нее открылся рот и так и остался открытым, а лицо перекосило на правую сторону. Рука обхватила голову, а нога задралась вверх. Во время приступов и еще несколько минут или даже часов после приступов девочка не могла говорить.

Был также Джеймс Р., 39 лет, у которого приступы начинались с правой руки[98]; также известно, что он страдал от ужасных головных болей. Он скончался через 12 дней после поступления в больницу. Вскрытие выявило разрастание ткани в левой части лобной доли. Извлеченная опухоль имела размер кубического дюйма; врач писал, что ткань была синеватой снаружи и мертвой и серой внутри.

И еще в списке упомянут двадцатидвухлетний мужчина, про которого известно только то, что он был “весьма упитанным”; у него конвульсии начинались при приступах туберкулезного кашля[99]. Однажды утром, когда он позавтракал и закашлялся, большой палец на его левой руке начал двигаться как бы по собственной воле. Через несколько секунд мужчина почувствовал болезненное оцепенение во всем теле и потерял сознание. Это был первый из его многочисленных приступов, которые всегда начинались с большого пальца левой руки и затем распространялись по предплечью на все тело. Через шесть недель после поступления в больницу несчастный пациент скончался от туберкулеза. Вскрытие выявило в правой лобной части коры “бугорок размером с лесной орех”. Врач достаточно легко отделил опухоль от тканей мозга и разрезал ее, обнаружив “слегка творожистую” сердцевину.

Кроме грустных историй болезни от этих пациентов остались близкие люди и ничем не примечательные истории жизни. Но с научной и медицинской точек зрения они предоставили возможность больше узнать о физиологии человека и его болезнях. Перечисленные люди – лишь немногие из сотен пациентов, которых обследовал и описал Джон Хьюлингс Джексон, знаменитый британский невролог XIX века. Джексон был известен в лондонских медицинских кругах как скучный докладчик, но очень внимательный врач[100]. А еще он был знаменит своей рассеянностью. Говорят, однажды во время обеда он достал из кармана носовой платок, чтобы высморкаться, и из платка на стол выпал большой кусок мозга.

В то время, когда Джексон обследовал пациентов, он немногое мог сделать для улучшения качества их жизни или их излечения. Но он мог учиться на их примерах, наблюдать за их симптомами и описывать то общее, что находил. А нашел он путь, по которому приступы распространялись по всему телу. Вот что он писал: “Когда приступ начинается [sic] в руке, он распространяется на предплечье и затем на ноги; когда приступ начинается со ступни, он поднимается по ноге и достигает предплечья”[101].

Этот тип приступов получил название джексоновских приступов. А конвульсии, которые наблюдал Джексон, стали называть джексоновским маршем. Это название основано на аналогии: конвульсии продвигаются, как войско, марширующее по определенному пути. У разных пациентов они могут начинаться в разных точках пути (например, у С. в левом пальце ноги, а у Элизабет Ф. в правом глазу) и протекать в одном из двух направлений или даже в двух направлениях одновременно. Но в результате этого установившегося порядка они всегда достигают определенных точек в определенном порядке. Конвульсии, начинающиеся с правой ноги, должны сначала распространиться на правую руку и только потом захватить правую сторону лица. Они не перескакивают с пальца ноги на щеку. Аналогичным образом они могут начаться с пальцев левой руки и с левой щеки, но не с пальцев левой и правой рук одновременно.

Джексон наблюдал сходство в том, как и где начинались приступы у его пациентов, и пришел к заключению, что в головном мозге человека есть специфическая схема, связанная с движениями частей тела. Он предположил, что в мозге есть некий маршрут, в соответствии с которым запускается движение в разных частях тела. Этот маршрут представлял собой карту тела, организованную в следующем порядке: палец ноги, голень, торс, предплечье, кисть, пальцы руки, лицо и голова. Поскольку приступы обычно распространяются вдоль одной стороны тела и поскольку повреждения одной стороны мозга вызывают конвульсии противоположной стороны тела, Джексон рассудил, что карта должна состоять из двух частей. Одна половина карты в левом полушарии в первую очередь контролирует движения правой стороны тела, а вторая половина в правом полушарии отвечает за движения левой половины тела. А вместе эти две части мозга составляют полную карту человеческого тела.

При здоровом мозге эта карта позволяет совершать движения телом в соответствии с нашими желаниями. Но если карта задета опухолью или воспалением, создаются зоны нестабильности, и эта нестабильность может вызывать непроизвольные движения (конвульсии) в тех частях тела, которые соответствуют затронутым участкам карты. И если процесс распространяется за пределы данной точки на двигательной карте мозга, конвульсии соответствующим образом распространяются по телу пациента. Например, нестабильность от опухоли в той области, которая контролирует правую стопу, может распространяться на правую голень и вверх до правой руки и правой части лица. При более обширных приступах нестабильность распространяется и на вторую половину мозга, так что конвульсии охватывают обе части тела.

Пристальные клинические наблюдения Джексона дали и другие ключи к пониманию структуры двигательной карты мозга. Он обнаружил, что у большинства пациентов конвульсии начинались с рук. Вторым наиболее распространенным местом было лицо или язык. Джексон гораздо реже видел пациентов, у которых приступы начинались со ступней. Кроме того, когда приступы начинались с рук, они чаще начинались с большого или указательного пальца, а не со среднего, безымянного или мизинца. А у тех пациентов, у которых приступы все же начинались со ступней, по наблюдениям Джексона, они всегда начинались с большого пальца. В целом он заметил, что конвульсии чаще всего начинались с тех частей тела, которые обладают максимальной подвижностью и которыми мы чаще всего пользуемся для осуществления обычных движений.

Наблюдения Джексона сообщают кое-что о размерах. Опухоль или абсцесс, развивающиеся в области двигательной карты мозга, с более высокой вероятностью возникают на обширных участках, чем на небольших. Так метеорит с большей вероятностью упадет на Землю в Индии, чем в Люксембурге, просто по той причине, что Индия больше по площади. Заметив, что приступы начинаются с большого или указательного пальца, лица или языка, Джексон получил первые подтверждения того, что соответствующие участки двигательной карты мозга являются наиболее крупными. Иными словами, двигательная карта мозга, как и другие карты мозга, искажена увеличением.

Когда в больничном отделении Джексона умирали пациенты, он иногда выполнял вскрытие, как в случае Джеймса Р. и туберкулезного больного. Часто Джексон обнаруживал абсцесс или опухоль в складках лобной доли на противоположной стороне мозга по отношению к той стороне тела, где у больного начинались приступы. Этот отдел фронтальной коры получил название первичной моторной коры, или M1. Примерно в это же время эксперименты с животными позволили обнаружить удивительно похожие двигательные карты в лобной доле у собак, обезьян, кроликов и других животных[102]. Казалось, что наблюдения и выводы Джексона вели в правильном направлении.

Около 1872 года Джексон использовал данные, полученные им при исследовании опухоли мозга у Джеймса Р., для предсказания локализации опухоли у нового пациента – женщины с частыми конвульсиями правой кисти и предплечья. Когда после нескольких приступов она скончалась[103], проведенное Джексоном вскрытие подтвердило справедливость его заключений: опухоль располагалась в том участке левой доли моторной коры, который соответствует кисти руки.

Метод Джексона для локализации мозговых повреждений по характеру приступов оказал глубокое и немедленное влияние на развитие медицины[104]. До этого времени хирурги редко проводили операции на мозге отчасти по той причине, что не имели представления о том, какая часть мозга отвечала за симптомы у конкретного пациента. Как писал уважаемый шотландский хирург Уильям Макюэн: “Мозг был темным континентом, на котором они не могли найти ни пути, ни проводника, способного провести их к конкретной болезнетворной области, и если бы они попытались туда попасть, это были бы поиски в потемках”[105]. Наблюдения Джексона за приступами у его пациентов стали важным первым этапом на пути к свету. Вскоре после того, как он объявил миру о существовании человеческой карты M1, хирурги начали проводить успешные операции на мозге, ориентируясь на симптомы пациентов и знания об этой карте.

Уильям Макюэн одним из первых сделал следующий шаг, когда в 1879 году использовал описания карты M1 для спасения жизни мальчика. Пациент Макюэна упал, разбив голову и лицо, и через шесть дней у него начались припадки. Начинались они всегда с подергивания левой части лица, затем распространялись на левую руку, а потом на левую ногу[106]. Макюэн распознал в этих припадках джексоновский марш. Поскольку конвульсии начинались на левой стороне лица, Макюэн заключил, что вызывающее их повреждение в мозге должно находиться в лицевом отделе двигательной карты в правом полушарии.

Из опыта таких же вскрытий, какие проводил Джексон, Макюэн знал, как найти лицевой отдел – в средней части правой моторной коры, ближе к низу. Он вскрыл череп в этой области и обнаружил, что при падении мальчик разбил череп, повредив находящуюся под ним ткань мозга. Макюэн удалил из раны две унции жидкости и свернувшейся крови, восстановил череп и зашил кожу. Мальчик полностью выздоровел, у него больше не было ни приступов, ни каких-либо других симптомов. Этот замечательный успех был первой из многих удачных хирургических операций на мозге в 1870-х и 1880-х годах. В то время, когда на планете Земля только появились первые самодвижущиеся экипажи и уличные фонари, Макюэн уже успешно удалял из человеческого мозга опухоли и инфицированные ткани. До изобретения компьютерной и магнитно-резонансной томографий он направлял свой скальпель и спасал жизнь людей, пользуясь знанием карты мозга.

Приблизительно через полстолетия после замечательного прорыва Макюэна другой выдающийся нейрохирург, Уайлдер Пенфилд, установил новые подробности строения карты M1 и отображения движений в человеческом мозге. Его наблюдения позволили получить столько же ответов, сколько вызвали вопросов. Пенфилд проводил исследования, стимулируя электричеством отделы мозга бодрствующих пациентов.

Цель процедуры заключалась в том, чтобы направлять скальпель и лечить пациентов, страдающих от эпилептических приступов. Но одновременно хирург оказался на удобной позиции, чтобы вживую наблюдать за работой человеческого мозга.

При исследованиях карты M1 Пенфилд повторил им же выполненные исследования соматосенсорной карты S1. Соматосенсорная карта S1 находится непосредственно за глубокой мозговой расщелиной, называемой центральной бороздой, проходящей через верхнюю часть мозга. Если провести пальцем по голове от верхушки одного уха до верхушки другого, мы приблизительно проследим путь этой борозды в головном мозге. Двигательная карта M1 находится на лицевой стороне от этой линии. На самом деле карты M1 и S1 находятся напротив друг друга, составляя два берега центральной борозды. Когда Пенфилд оперировал пациентов с джексоновскими приступами, он обычно исследовал ткани с обеих сторон от центральной борозды, стимулируя разные участки как соматосенсорной, так и моторной коры и регистрируя ощущения или ответы пациентов.

В 1937 году Пенфилд с коллегами подвели итоги своих исследований строения моторной коры[107]. Хотя этот обзор был основан на данных более чем для сотни пациентов, выводы Пенфилда проще рассмотреть на примере одного человека. Пациент Ф. В., которого мы будем называть Фредом, был “умным и общительным”[108] мальчиком, страдавшим от конвульсий, начинавшихся в правой руке. Хирурги отделили часть черепа с левой стороны и начали анализировать двигательную карту M1 и соседнюю соматосенсорную карту S1. Когда стимуляция вызывала у Фреда четкое ощущение или движение, Пенфилд помечал это место маленьким кусочком бумаги, накладывая его непосредственно на поверхность мозга мальчика. Эти бумажные метки позволили Пенфилду обозначить разные участки в процессе процедуры.

На фотографии на рис. 26 видны метки, которые Пенфилд разместил на поверхности мозга Фреда во время хирургической операции. Темная змеевидная разделительная линия – это кровеносный сосуд на поверхности центральной борозды. Слева от центральной борозды расположена моторная кора мозга мальчика, справа – соматосенсорная кора.

Рис. 26. Фотография (вверху) и иллюстрация (внизу) участков мозга Фреда, исследованных Уайлдером Пенфилдом. Источник фотографии: A Journal of Neurology, vol. 60, no. 4. Copyright © 1937 by Oxford University Press. Художник Пол Ким.

Пенфилд подтвердил, что строение двигательной карты M1 Фреда соответствовало тому, какое он наблюдал у других пациентов. У основания карты находятся участки, контролирующие движения языка, рта, горла и челюсти. Когда Пенфилд стимулировал эти участки в мозге Фреда (этот участок был обозначен буквой C, его нет на фотографии), губы мальчика двигались, а из горла доносился легкий непроизвольный звук. Другие пациенты при стимуляции этой области шлепали губами, вскрикивали, причмокивали или сглатывали. Чуть дальше на карте расположен участок, вызывающий движения лица. Когда Пенфилд стимулировал участок B (его тоже нет на фотографии), Фред непроизвольно закрывал глаза. Другие пациенты отвечали на стимуляцию этой области подергиванием или движениями носа или глазных яблок. Выше областей, ответственных за рот и лицо, находится участок, запускающий движения пальцев и кистей рук. Когда Пенфилд стимулировал участок 18, у Фреда подергивались кисти и предплечья. Стимуляция этих участков у других пациентов вызывала сгибание, разгибание или подергивание пальцев. Наконец, в верхней части мозга Пенфилд обнаружил участок, запускающий движения нижних конечностей. Стимуляция участка G приводила к тому, что у Фреда сгибалось правое колено.

В целом наблюдения Пенфилда о строении человеческой двигательной карты M1 подтверждали и расширяли выводы Джексона, сделанные более чем за пятьдесят лет до этого. Однако Пенфилд обнаружил и много несоответствий. Например, стимуляция участков D, 1 и 18 в мозге Фреда в каждом случае вызывала движение кистей рук. С этими участками сообщался участок A, связанный с движением предплечий, и участок 2, ответственный за подергивание плеч. Хотя в целом строение карты соответствовало предсказаниям Джексона, более тонкие исследования показали, что карта M1 – не гладкая и однозначная корреляция между частями тела и корой. Иными словами, двигательная карта оказалась на удивление путаной.

При исследовании моторной коры Фреда Пенфилд обнаружил небольшой участок аномально твердой ткани, который и вызывал у мальчика эпилептические приступы. Он удалил эту поврежденную ткань и спрятал мозг под темными сводами черепа. В письменном отчете Пенфилда ничего не сказано о том, что случилось с Фредом после операции. Дальнейшая история его жизни и болезни для нас утеряны. Остался только аннотированный ландшафт его мозга и то, что он позволил нам узнать о содержащейся внутри мозга двигательной карте.

После работ Пенфилда многие вопросы о мозговой карте M1 остались без ответа. Электрическая стимуляция вызывала у пациентов разные движения – от подергиваний и толчков до криков и жестов, требовавших одновременной координированной работы многих мышц. Разнообразие этих движений наряду с путаницей и видимыми противоречиями карты вызывали важный вопрос: что же на самом деле отражено на карте M1? Отображает ли карта M1 мышцы в разных частях тела, подготовленные и ожидающие движения, или она отображает полноценные действия в соответствии с какими-то другими признаками? Ученым понадобилось еще шестьдесят лет, чтобы ответить на эти вопросы и раскрыть удивительную природу карты M1.

Молодые ученые, совершившие революционный переворот в понимании строения моторной коры, поначалу не собирались делать ничего нового, а просто попытались использовать иной экспериментальный подход. Дело происходило в самом начале XXI века. Подобно многим нейробиологам до них, ученые направляли свои крохотные электроды в тот участок карты M1 мозга обезьяны, который вызывает движения кисти руки на противоположной стороне тела[109]. После ста с лишним лет исследований моторной коры уже было известно, что произойдет, если с помощью электрода послать короткий электрический импульс в мозг животного. Было установлено, что стимуляция M1 меньше чем на двадцатую долю секунды вызовет подергивание соответствующей части тела животного. Но молодые ученые поставили другие вопросы. Что произойдет, если продлить активацию M1? Что будет, если стимулировать ткань целые полсекунды? Что станет делать животное?

Существовало несколько веских причин для постановки вопросов таким образом. Одна причина заключается в том, что телу для осуществления движений требуется время. Одной двадцатой доли секунды достаточно, чтобы моргнул глаз или дрогнула мышца, но этого мало, чтобы совершить одно намеренное движение, например, протянуть руку за находящимся поблизости предметом. Возможно, стимулируя M1 на протяжении столь краткого периода, ученые и хирурги запускали начало более длительного движения, а затем немедленно его прерывали, прекращая стимуляцию. Пенфилд признавал такую возможность еще в 1951 году, когда писал: “Стимулирующий электрод часто убирали при первых признаках ответа, и поэтому, вероятно, была упущена возможность получить более сложный синергический ответ. Если это предположение справедливо, было бы правильно рассматривать многие двигательные эффекты как фрагменты незавершенного комплекса”[110]. На самом деле эксперименты с электрической стимуляцией коры животных и человека периодически указывали на наличие сложных координированных действий. Было ли это случайностью или на двигательной карте M1 каким-то образом отображены координированные действия, такие как вытягивание конечности и захват предметов?

Группа молодых ученых из Принстонского университета в составе Майкла Грациано, Шарлотты Тейлор и Тайрина Мура решила ответить на эти вопросы. Они поместили электрод в область моторной коры обезьяны, отвечающую за движения кисти руки, и стимулировали каждую точку на протяжении полусекунды – в десять раз дольше, чем в большинстве предыдущих экспериментов[111]. Ученые были поражены тем, что увидели. Когда они стимулировали правую моторную кору, большой и указательный пальцы левой руки сжимались, как будто выхватывали что-то из воздуха, в то время как предплечье, локоть и плечо поворачивались таким образом, чтобы левая ладонь обратилась в сторону лица; рот животного открывался, как будто собирался принять невидимый кусочек пищи. Это движение руки ко рту не было подергиванием. Это было координированное и плавное движение многих частей тела и групп мышц.

Позже Майкл Грациано описывал удивление и восхищение, которые испытали ученые, увидев это замечательное действие. “Когда мы впервые обнаружили участок коры, отвечающий за приближение кисти ко рту, и поняли, что можем его стимулировать, нажимая на кнопку, мы были настолько поражены, что выбежали из лаборатории в поисках кого-нибудь еще в здании, кто мог бы посмотреть и удостоверить нас, что мы не сошли с ума”[112].

Стимуляция другой точки на карте M1 заставляла обезьяну действовать так, как будто какой-то посторонний предмет касался ее правой щеки. Животное закрывало правый глаз, поворачивало голову влево, поднимало правое плечо и правую руку, как будто защищало лицо. Но все это время обезьяна не казалась встревоженной и другой рукой брала фрукты. Стимуляция других участков карты заставляла обезьяну тянуться за несуществующими предметами, жевать, подниматься или прыгать. Все эти движения были координированными и осмысленными, хотя исследователи вызывали их по своему желанию путем нажатия на кнопку.

По мере изучения всей карты M1 целиком ученые обратили внимание, что она состоит из основных зон, как это отражено на рис. 27. Стимуляция одной из зон в нижней части карты, которую Джексон и Пенфилд назвали бы отображением рта, заставляла животное жевать или облизываться, как будто оно ело. При стимуляции другой зоны, расположенной в предполагаемом участке ноги, животное подпрыгивало или приподнималось. Еще одна зона, частично перекрывавшаяся с классической зоной кисти руки, отвечала за защитное движение. Когда ученые стимулировали эту зону мозга, обезьяна могла закрывать лицо, прятать руки за спину или отступать, как при реакции на невидимого хищника.

Рис. 27. Зоны на двигательной карте M1 макаки. Художник Пол Ким.

Внутри классических областей моторной коры, ответственных за движения кисти и предплечья, исследователи обнаружили зоны, ответственные за протягивание руки. Когда они стимулировали точки в этой зоне, обезьяна всегда выставляла противоположную руку, но в какую именно точку пространства она ее протягивала, зависело от конкретного места стимуляции. Например, когда стимулировали одну точку на карте в левой моторной коре, правая рука животного всегда вытягивалась непосредственно вперед. Стимуляция других точек заставляла животное вытягивать руку в другом направлении, например вверх или влево.

По-настоящему удивительным свойством этой миниатюрной карты, встроенной в более общую двигательную карту мозга обезьяны, было то, что она описывала не столько специфические движения, сколько их конечную цель. Например, какое именно движение вызывала стимуляция участка, отвечающего за вытягивание руки прямо перед собой, зависело от того, где рука обезьяны находилась в момент начала стимуляции. Если рука находилась над головой, стимуляция вызывала движение руки вниз. Но если рука изначально была внизу, стимуляция того же участка заставляла руку подниматься. Вне зависимости от того, откуда начинала двигаться рука обезьяны, стимуляция этого участка приводила руку в одно и то же положение по отношению к телу животного. Это наблюдение позволило сделать важный вывод: двигательная карта не отражает движения отдельных мышц или конечностей. Она отображает конечную цель и положение участка тела в пространстве относительно туловища. По сути, это не карта движения или пространства, а скорее карта двигательного пространства.

Ученым удалось показать, что карта двигательного пространства, как и многие карты мозга, искажена за счет увеличения. Когда обезьяны совершают естественные движения по собственной воле, они почти всегда берут предметы или манипулируют ими на уровне лица или груди[113]. И участок карты мозга обезьяны, описывающий двигательное пространство на уровне груди и головы, непропорционально велик по сравнению с участками, отображающими другие области двигательного пространства. На самом деле примерно три четверти сложных движений рук обезьяны, вызванных стимуляцией моторной коры, приходились на эту часть пространства. Короче говоря, двигательная карта искажена в соответствии с наиболее частыми движениями животного. Самые обширные территории отведены под двигательное пространство, которое в наибольшей степени определяет поведение и выживание животного.

Со времен клинических исследований Джексона представления о строении карты M1 неоднократно пересматривались. Что же в целом известно о карте M1 и о тех параметрах, которые определяют ее строение? Во-первых, карта организована в соответствии с движущимися частями тела, но эта организация путаная и неточная. Во-вторых, карта построена в соответствии с целевыми точками в пространстве вокруг тела, но лишь в некоторых случаях. В-третьих, она разделена на зоны в соответствии с ключевыми типами действий, необходимых для выживания. На первый взгляд такие схемы организации кажутся если не несовместимыми, то как минимум запутанными. Но в действительности строение моторной коры является элегантным решением важнейшей проблемы: движения не предопределены. Существует почти бесконечный набор движений тела и несколько координат, связывающих одно движение с другим. Двигательная карта M1 представляет собой большой и сложный компромисс, объединяющий по меньшей мере три ключевые координаты на одной двумерной карте на поверхности мозга.

Подобно тому, как увеличение на сенсорных картах позволяет понять, от какой жизненно важной информации зависит восприятие, искаженность двигательных карт отражает ключевые способы взаимодействия живых существ с их средой. У макак на карте мозга есть обширные зоны для лазания, прыжков, вытягивания конечностей, жевания и лизания, поднесения предметов ко рту, перевода взгляда и защиты[114]. В моторной коре мыши есть зоны для бега, груминга, захвата передними лапами, вытягивания или прижатия вибрисс и передачи ультразвуковых сообщений[115].

А что известно о человеческой карте? Какие важнейшие действия можно вычислить по нашей двигательной карте M1? Вопрос может показаться излишним: разве мы сами не знаем, как движемся? На самом деле многие наши важнейшие движения совершаются настолько часто и свободно, что мы не рассматриваем их в качестве движений. Когда мы переводим взгляд с одного слова на странице на другое, мы, вполне вероятно, не осознаем, что используем глазные мышцы для быстрого и точного поворота глазных яблок. Когда мы окликаем знакомого, возможно, мы не замечаем удивительного танца языка, челюсти, горла и губ, создающих каждый звук речи. Когда мы берем ручку, чтобы расписаться, мы вряд ли удивляемся, что пальцы тянутся к предмету, расходятся ровно настолько, чтобы его ухватить, и искусно контролируют перемещение ручки по бумаге. Обычно мы рассуждаем о своих намерениях – о том, что мы собираемся сказать, использовать или выполнить в каждый конкретный момент времени. Физические действия, которые мы совершаем для реализации этих намерений, остаются более или менее скрытыми и неизученными.

Учитывая, что питание играет важнейшую роль в выживании любого человека, процесс поднесения пищи ко рту должен быть отличным кандидатом для увеличенного отображения на нашей карте M1. Как и другие приматы, мы используем для еды кисти рук: удерживаем ими еду или приборы для еды, поднимаем и подносим к открытому рту. Поднесение руки ко рту – одно из немногих сложных движений, которые дети могут выполнять от рождения. Существуют все основания полагать, что достаточно обширный участок человеческой моторной коры отвечает за перемещение кисти руки ко рту для приема пищи[116].

Группа хирургов, работавших с пациентами, которые проходили операции по избавлению от эпилептических приступов, анализировала движения руки ко рту при непосредственной стимуляции моторной коры. Хирурги использовали длительную стимуляцию (от 1 до 3 секунд), надеясь пронаблюдать законченное движение, а не только дрожь. Именно это они и увидели – координированные движения, при которых кисть сжималась, рот открывался, а локоть сгибался, чтобы подвести кисть к ожидающему рту. Хотя хирурги ограничили время стимуляции мозга, они наблюдали и несколько других сложных движений, вызванных стимуляцией карты M1. В одном случае у пациента повернулось предплечье, пальцы вытянулись и ладонь поднялась на уровень головы, как будто человек прикрывал лицо от приближающегося предмета. В другой момент рука согнулась в запястье, а пальцы сжались в кулак, как будто что-то схватили. Еще в одном случае рука согнулась в запястье, а большой палец прижался к остальным, сформировав зажим – такой зажим, с помощью которого удобно взять что-то маленькое, например камушек.

В этом исследовании такие сложные непреднамеренные действия совершали люди. Но их действия очень напоминали действия обезьян, за которыми наблюдал Грациано с коллегами. Люди и обезьяны состоят в близком эволюционном родстве и имеют много общего в строении тела, в частности, ловкие кисти рук с отставленным большим пальцем. Люди и обезьяны подносят пищу ко рту, а не приближают лицо к пище, как делает большинство животных. И они, и мы используем кисти рук, чтобы что-то доставать, хватать и защищаться. И если эти движения, извлеченные из двигательной карты M1 пациентов, на что-то указывают, мы, как обезьяны, должны иметь на карте зоны для этих движений.

Однако в других ситуациях обезьяны и люди движутся по-разному. Наилучшим примером в этом отношении, наверное, является речь. Не только человек, но и другие приматы передают информацию с помощью голоса. Однако человек по анатомическому, когнитивному и культурному складу способен производить удивительно разнообразные и четкие речевые звуки. Это действие требует больших навыков и точности. И зависит от контроля длительности и силы выдоха, координации движений гортани, а также продолжительности и частоты раскрытия и закрытия голосовых складок, которые создают звуки, вибрирующие в горле в тот момент, когда мы говорим. Кроме того, производство звуков речи требует быстрых и четких движений языка, губ и челюстей для преобразования выходящего воздуха в сложные колебания, которые воспринимаются слушателем в качестве гласных и согласных звуков. Разговорная речь – чудо физики, анатомии и восприятия, но в первую очередь она зависит от моторного контроля. Возможно, вы не спортсмен, нацеленный на рекорды, не акробат и не нейрохирург, но в определенном смысле ваше умение считать вслух от одного до десяти затмевает физическое мастерство этих профессионалов. Конечно, владение речью – распространенная способность, но от этого она не становится менее удивительной.

Давно известно, что на двигательной карте человека есть обширный участок, связанный с производством речи. Хотя для речи требуется работа мышц и левой, и правой половины тела, этот участок коры у большинства людей находится только в левом полушарии. Он включает в себя зону в основании левой моторной коры, контролирующую вокализацию и движения рта. Группа исследователей попыталась больше узнать об отображении речи в моторной коре путем непосредственной записи активности нейронов мозга пациентов, страдавших от эпилептических приступов[117]. Как и в исследованиях с применением стимуляции, в данном случае электроды размещали в мозге пациентов в связи с клинической необходимостью проведения операции. Но, в отличие от других исследований, описанных в данной главе, в этом случае ученые не посылали через электроды электрические сигналы, чтобы следить за реакцией пациентов. Они использовали электроды, чтобы слушать, что регистрирующие электроды формировали сетку на участке двигательной карты M1, который отвечает за лицо и рот, а также на соседней соматосенсорной карте S1. Исследователи просили пациентов читать слоги типа “па”, а электроды регистрировали активность нейронов. Затем ученые анализировали записи, чтобы понять, какие области коры активируются, когда люди произносят разные звуки.

Ученые обнаружили карту отделов голосовых путей, задействованных в производстве звуков речи. Схема этой карты представлена на рис. 28. Активность в нижней части карты проявлялась тогда, когда пациенты произносили звуки, требующие участия языка или гортани. Выше располагается зона, связанная со звуками, произносимыми с участием челюсти, а еще выше – зона звуков, создаваемых с помощью губ, и еще одна зона, требующая участия гортани. Короче говоря, в этой области коры содержится карта звуков, соответствующая отделам тела, которые мы используем для произнесения этих звуков. Но и эта карта очень запутанная и демонстрирует несколько противоречий, например, наличие двух зон для звуков, произносимых с участием гортани. Возможно, отделы тела, участвующие в производстве этих звуков, составляют лишь один параметр в построении общей схемы карты речи, подобно тому как отделы тела, задействованные в осуществлении других движений, являются одним из нескольких параметров в основе общей схемы карты M1.

Хотя моторная кора в лобной доле содержит важные карты для производства движений, это никоим образом не единственное место в мозге человека, где содержатся двигательные карты. Некоторые из этих карт позволяют без усилий осуществлять какие-то элементы движений, которые кажутся невозможными. Они демонстрируют удивительную картину того, как наш мозг трансформирует восприятие в действие.

Рис. 28. Схема голосовых путей и соответствующей артикуляционной карты в соматосенсорной и моторной коре человека. Художник Пол Ким.

Пожилая женщина лежала на больничной койке, окруженная резиновыми трубками, капельницами и звуками голосов медицинских сестер, переговаривавшихся в коридоре[118]. Ее запястья были обернуты бинтами поверх трубок для внутривенных вливаний. Женщина приходила в себя после инсульта, но находилась в сознании и была настроена решительно. В какой-то момент ей захотелось высморкаться. В правой руке у нее был платок, но левая рука схватила его и оттолкнула в противоположную сторону.

“Что это у меня с рукой?” – воскликнула женщина.

Две руки боролись за платок. Правой рукой женщина пыталась вывести предмет из сферы доступа левой руки, но левая рука настигала.

“Но… – с укором обратилась женщина к левой руке, обессилев. – Это мой платок. Отдай его!” Две руки продолжали бороться за приз и тянули его в противоположные стороны.

Отчасти в изумлении, отчасти в отчаянии женщина прикрикнула: “Прекрати, я тебе говорю!” Но левая рука не сдалась. Она метнулась, и платок разорвался на две части.

Пациентка отвела правую руку вверх и в сторону, пытаясь защитить то, что осталось от платка, однако левая рука сделала несколько попыток его ухватить. Женщина перевела дыхание и поглядела на свою левую руку, как будто увидела ее впервые. За 94 года жизни она привыкла, что обе руки подчинялись ее воле. “Что случилось с моей рукой?” – спросила она. Левая рука – упрямая и непослушная – не обратила на нее никакого внимания.

Правой рукой, все еще сжимавшей платок, женщина отодвинула левую руку. Один раз, потом другой она отталкивала левую руку в левую сторону, но рука вскидывалась вновь и вновь и хваталась за платок. Женщина попыталась сделать то же самое еще два раза, отталкивая левую руку с такой силой, что та ударилась о стойку кровати. И каждый раз левая рука возвращалась назад.

“Это невозможно!” – вскрикнула женщина.

Странное поведение руки стало возможным по той причине, что инсульт поразил значительную часть правой теменной коры – участок мозга в верхней задней части головы. Состояние женщины называют синдромом чужой руки, поскольку, как свидетельствуют многие пациенты, создается впечатление, что рукой управляет кто-то другой. Женщина описала врачу, что с ней произошло. “Такое чувство, как будто моей рукой управляет кто-то посторонний и я ее не контролирую. Она меня не слушается, совсем не слушается!”

Учитывая, что это нелепое и безумное состояние возникло в результате повреждения теменной области, можно предположить, что теменная кора содержит отделы мозга, являющиеся жизненно важными для осуществления действий. Но какие именно? Поломка какой системы или способа отображения приводит к такому странному состоянию?

Для ответа на этот вопрос полезно сделать шаг назад и заметить, насколько сложным, вообще говоря, является любое действие. Движение в реальном мире требует интеграции информации от многих чувств, не говоря уже об информации о положении тела в каждый момент времени. И сбор этой информации – непростая задача, поскольку тело и чувства имеют много разных систем координат. Представьте себе, что видите летящий вам в лицо мяч. Зрительную информацию о мяче вы получаете с помощью системы координат в сетчатке. Вы также можете получить тактильную информацию о мяче по движению воздуха или по холоду тени на вашей коже; эта информация откладывается в системе координат поверхностей тела. Чтобы объединить данные от двух источников и точнее локализовать появляющийся в пространстве предмет, нужно иметь возможность сопоставлять координаты сетчатки и поверхности лица. Но соотношение между этими двумя системами координат меняется каждый раз, когда вы поводите глазами, чтобы перевести взгляд.

Задача дополнительно усложняется, если нужно выставить руку и схватить летящий мяч. Даже если вы знаете, где находится мяч по отношению к вашему лицу и глазам, это ничего не говорит о том, где он находится по отношению к руке. Чтобы это понять, нужно знать, под каким углом к туловищу находится голова и какое положение по отношению к туловищу занимают кисть и предплечье. Если перечислить все вычисления, необходимые лишь для того, чтобы поймать мяч, цифра покажется астрономической. И если мы надеемся поймать мяч, они должны быть произведены за какую-то долю секунды. Такие же сложные вычисления требуются для управления автомобилем или для защиты от нападения.

В теменной доле есть несколько важнейших карт, участвующих в осуществлении движений и решении задач такого рода. Они не являются исключительно двигательными или сенсорными; они сочетают и сопоставляют тактильную, зрительную и слуховую информацию о положении тела и о пространстве вокруг тела, куда может быть направлено движение. Например, у обезьян и человека именно теменная зона участвует в защите лица. В данном случае информация о тактильных ощущениях в области лица сочетается со зрительной информацией о находящихся около лица предметах, так что в этой области сосуществуют карты лица (для тактильной информации) и сетчатки (для зрительной информации). Эти карты хорошо подготовлены для определения того, откуда приближается мяч, если он стремительно летит вам в нос, и для помощи моторной коре в определении того, куда и как следует отклониться или как закрыть лицо[119].

В теменной коре расположены и многие другие удивительные карты. Например, зрительная карта перекрывается с тактильной картой всего тела за исключением лица и рук. Эти карты сочетаются осмысленным образом, так что тактильная информация от ног и стоп перекрывается со зрительной информацией из нижней части поля зрения, ниже того пространства, куда направлен взгляд. Аналогичным образом предметы, которые мы чувствуем ногами или стопами, поначалу присутствуют в нижней части поля зрения, пока мы не переведем взгляд, чтобы посмотреть непосредственно туда.

Другие теменные зоны отводятся рукам и плечам. Один такой участок отвечает за вытягивание руки, а другой – за хватательное движение, тогда как участок между ними, по-видимому, участвует в обоих движениях[120]. Например, участок, отвечающий за вытягивание руки, должен учитывать зрительную информацию о расположении предмета и траекторию движения для физического действия[121].

Что мы имеем в виду, когда говорим, что карты для разной сенсорной информации перекрываются? Простейший ответ таков: нейроны в этой области карты получают информацию и реагируют на информацию от нескольких органов чувств. Однако они могут делать это по-разному. Некоторые нейроны теменной области имеют рецептивные поля, которые согласованно отображают сигналы из нескольких систем координат. Другие имеют рецептивные поля в одной системе координат (скажем, пространственное расположение по отношению к направлению взгляда), но интенсивность ответа этих нейронов усиливается или ослабляется информацией из другой системы координат, такой как положение руки в текущий момент времени[122]. Благодаря уникальным рецептивным полям и связи между нейронами на теменных картах эти нейроны комбинируют и сопоставляют разрозненные фрагменты информации о разных частях тела. Согласованная активность нейронов на этих специализированных картах позволяет мгновенно, без усилий и более или менее точно осуществить труднейшие вычисления по захвату летящего в лицо мяча.

Чтобы оценить важность интеграции этих модальностей и систем координат, стоит посмотреть, что происходит с людьми в результате повреждения теменной коры[123]. Повреждение одного участка коры лишает людей возможности использовать зрительную информацию для контроля движений предплечий и кистей рук; такие пациенты могут видеть и называть находящиеся перед ними предметы, но не могут до них дотронуться или взять их в руки. Повреждение других участков нарушает способность переводить взгляд на цель или отслеживать движение собственных конечностей в пространстве. А некоторые пациенты перестают воспринимать пространство (со всем, что в нем находится) с одной стороны тела.

Сложным и важным картам теменной коры, по-видимому, нельзя дать однозначных определений. Их называли зрительными картами, мультисенсорными картами, картами пространственного внимания или двигательными картами. Их можно рассматривать в качестве пространственных карт, отображающих расположение окружающих предметов, имеющих поведенческое значение. Чаще всего мы обращаем внимание на предметы и людей, на которые мы с наибольшей вероятностью влияем или с которыми взаимодействуем. Внимание к какому-то предмету в пространстве позволяет следить за ним и при необходимости подготовить специфическое направленное действие к нему или от него. Если я еду на машине по дороге за велосипедистом, я внимательно слежу за ним при обгоне. Внимание позволяет мне среагировать, если он неожиданно вихляет. Концентрация внимания на велосипедисте в контексте окружающего пространства позволяет быстро принять решение, как реагировать, например, как вести машину, чтобы избежать соударения. Короче говоря, внимание выделяет участки пространства для потенциально возможного действия.

Некоторые исследователи описывали карты теменной области в качестве карт намерения[124], подразумевая, что они отображают пространство, в котором мы с определенной вероятностью предпримем действие, направленное на какой-то предмет. На самом деле между этими концепциями очень небольшое расхождение. Различие между потенциально возможным действием, намеренным действием и инициацией физического действия может быть лишь вопросом степени нашей вовлеченности в процесс, по крайней мере в отношении отображения в теменной коре.

Теперь мы знаем, что теменная кора не отвечает непосредственно за выполнение движения. Она посылает сигналы моторной коре в лобной доле, которая, в свою очередь, генерирует физическое движение. Ученые изучали этот процесс на животных путем стимуляции участков теменной коры, которые обычно заставляют выполнять движения. Но при временном отключении моторной коры животного с помощью химических веществ или изменения температуры стимуляция теменной коры больше не вызывала движений[125].

Все эти данные помогают понять, что происходило с пациенткой с непослушной рукой после перенесенного инсульта. Симптомы синдрома чужой руки удивляют и сбивают с толку по той причине, что движения пораженной руки кажутся намеренными, но эти намерения как бы исходят не от того человека, которому принадлежит рука. Последствия инсульта у той женщины казались бы менее странными, если бы рука была парализована, ослаблена или совершала судорожные движения. Но движения руки были координированы и точны в преследовании определенной цели – в данном случае носового платка.

Теменная кора сопоставляет и связывает информацию о цели возможных действий, однако вызвать физическое движение она может только при помощи моторной коры. При поражении правой части теменной коры правая часть моторной коры не получает должной информации о преднамеренных движениях в пространстве. История другого пациента позволяет предположить, что при синдроме чужой руки моторная кора ведет себя неправильно[126]. Без контроля над намеренными движениями со стороны теменной коры правая моторная кора может получать неполную информацию из других частей мозга и запускать неправильные действия. Наша пациентка намеревалась взять платок правой рукой, и ее левая теменная кора отправляла правильный сигнал левой моторной коре, вызывая движения правой руки. Однако ее правая моторная кора, лишенная контроля со стороны поврежденной правой теменной коры, следовала тем же инструкциям, заставляя левую руку тоже хвататься за платок. В результате произошла война намерений между двумя руками, контролируемыми двумя полушариями мозга: одна функционировала так, как следует, а другая вышла из повиновения.

Особенности карт и зон моторной и теменной коры наводят на несколько мыслей. Отображение движения мозгом осуществляется в соответствии с рядом параметров: в зависимости от типа движения, задействованных частей тела и места в пространстве, в котором происходит движение к чему-то или от чего-то. Увеличение на картах указывает на особую важность ключевых частей тела, таких как кисти рук, которые мы чаще всего используем для реализации намерений. Кроме того, двигательные карты показывают, насколько велико значение цели любого действия. Движение производится с какой-то целью – ухватить желаемый предмет, справиться с врагом или достичь точки назначения, и от результата может зависеть выживание. Все остальное – системы координат, координация и бесконечные вычисления – просто встроено в карты и функционирует тихо и незаметно, обеспечивая возможность каждого нашего действия.

Формируются ли наши двигательные карты по той причине, что мы движемся определенным образом, или мы движемся определенным образом, поскольку у нас уже существуют двигательные карты? Или, если ставить вопрос шире: наши карты формируют нас или это мы формируем карты? Ответы на эти вопросы выявляют значение раннего жизненного опыта и среды в развитии мозга и искажении его карт. Этот опыт может иметь как положительные, так и отрицательные последствия для здоровья человека и его способности воспринимать или двигаться на протяжении всей жизни.

К арты вашего мозга начали формироваться тогда, когда вы были всего лишь группой клеток, которые складывались, как мокрое оригами. Клетки делились, перемещались, группировались и приобретали свои характерные особенности в качестве предшественников разных частей тела, обладателем которых вы стали в один прекрасный день. Зарождающийся мозг формировался на верхушке зарождавшегося спинного мозга. Закладывались структуры нервной системы. Новорожденные клетки покидали родное гнездо и отправлялись к тем участкам, которые впоследствии становились их домом. В результате их перемещения были заложены основы зон будущего мозга и определились относительные размеры и расположение таких областей, как V1, с первыми признаками, характерными для мозга человека, а не черепахи или кита. В этом теплом и темном исходном вареве клетки ориентировались так же, как бактерии движутся к источнику пищи или сперматозоид стремится к неоплодотворенной яйцеклетке, – ощущая химические вещества, которые их привлекают, и продвигаясь к их источнику. Все эти клетки вместе исполняли сложную хореографическую постановку, задуманную генами.

Как только нейроны поселились в своих новых домах, они выпустили побеги аксонов, смело и слепо устремившихся к невидимым мишеням. Движение аксонов тоже направлялось химическими веществами, которые выделялись из важнейших точек крошечного шарика-мозга и либо притягивали, либо отталкивали аксоны. Аксоны действовали весьма разборчиво и искали правильное сочетание химических веществ, указывавшее им точную целевую локализацию в развивающемся мозге. Среди этих пилигримов были аксоны, которые двигались от будущего глаза к будущему таламусу – важной области мозга, расположенной под покровом коры. Градиенты химических веществ обеспечивали необходимую информацию, чтобы аксоны соседних клеток сетчатки в обоих развивающихся глазах прибыли к соседним клеткам в той части таламуса, которая позднее стала отвечать за зрение. В свою очередь, соседние клетки в зрительной области таламуса выпустили аксоны, которые направились в будущую зону V1 и там образовали связи с соседними клетками. За счет этого паттерна связей карта сетчатки была воссоздана в таламусе, а также в области V1. В зарождающихся отделах мозга одновременно происходило много подобных перемещений. И что в результате? Еще до появления функциональных глаз ваш “протомозг” уже имел структурную основу зрительной карты в области V1, а также многие другие карты[127].

Когда аксоны из развивающегося таламуса достигли своих мишеней в коре мозга, они впервые принесли в кору сигналы от чувствительных рецепторов глаз, ушей, языка и кожи. Информации в них было мало. Амниотическая среда перекрывала путь многим сигналам из внешнего мира. Но когда в мозге были заложены основы карт чувств, функцию руководства взяло на себя тело. Клетки развивающейся сетчатки глаз начали производить медленные спонтанные волны нейронной активности[128]. По сравнению с обычной скоростью активности мозга эти волны были заторможенными и происходили лишь один раз за одну или две минуты. Поскольку клетки сетчатки соединялись с соседними клетками таламуса, которые, в свою очередь, были связаны с соседними клетками в области V1, волны активности из сетчатки естественным образом распространялись по этим связям и создавали параллельные волны в зрительной области таламуса и в области V1. Параллельные и почти синхронные волны в зрительных областях уточняли зрительные карты и усиливали связь между ними – и все это было еще до того, как у вас открылись глаза.

Слуховые карты формируются аналогичным образом. Временная структура в улитке плода запускает спонтанные волны активности в звуковых рецепторах, которые направляют волны в слуховую зону таламуса, а затем на карту звуковых частот A1[129]. Эти волны уточняют слуховые карты задолго до того, как ребенок покидает матку.

Развитие тактильных карт происходит несколько сложнее. Тактильные рецепторы, встроенные в восковую кожу плода, располагаются на всей поверхности тела и не могут, подобно клеткам сетчатки или улитки, создавать координированные волны. Вместо этого спинной мозг запускает случайные и быстрые подергивания рук и ног. Эти подергивания плода вызывают движения частей тела по отношению к амниотическому пузырю и стенкам матки и тем самым создают волны давления по всей поверхности кожи, активирующие тактильные рецепторы. Эти волны активности распространяются до области таламуса, ответственной за прикосновения. Отсюда они переходят на область S1, совершенствуя строение тактильной карты поверхности тела. Но роль подергиваний этим не ограничивается: область S1 перенаправляет волны соседнему фрагменту коры, который впоследствии становится двигательной картой M1. Таким образом, соматосенсорная карта уточняет отображение тела на будущей двигательной карте[130].

До этого момента я описывала области S1 и M1 так, как будто одна из них является исключительно тактильной, а другая связана только с движением. Хотя эти области часто именно так и описывают, на самом деле их трудно разделить. Даже в мозге взрослого человека в области S1 возникает ответ нейронов на движение, а нейроны в области M1 могут реагировать на прикосновение. Можно сказать, что карта S1 по большей части связана с тактильными ощущениями, а карта M1 связана в основном с движением. А многие ученые обобщенно называют эти области сенсомоторной корой. Возможно, зрелые карты S1 и M1 имеют взаимосвязанные функции по той причине, что движения и тактильные ощущения часто связаны в нашей обычной жизни вне матки. Движения тела вызывают ощущения на коже, а ощущения на коже часто заставляют нас совершать движения. Но возможно также, что это пережиток периода зарождения карт в матке, когда соматосенсорная кора сообщала двигательной коре информацию о теле, которым она будет управлять.

К концу третьего триместра беременности все главные связующие пути в мозге уже сформированы[131]. Кора становится морщинистой, как изюм, так что может увеличиться еще в пять раз, но при этом все еще помещаться в мягких и подвижных границах черепа. Карты мозга уже готовы воспринимать мир, в котором ребенку вскоре предстоит жить. И все это до того, как ребенок вдохнул воздух, испытал вес собственного тела и ощутил на себе прикосновение прямых солнечных лучей. Означает ли это, что карты нашего мозга окончательно сформированы генами еще до рождения? Вовсе нет. Гены определили первый важный этап. Говоря метафорически, из глины они слепили сложную основу, на которой строится конечный продукт. Они обеспечили сырой материал и базовую структуру мозга и его карт. Но когда эта структура была заложена, мозг начал чувствовать окружающий мир и учиться. В этот важнейший период обучения происходят уточнения и даже перестройки карт мозга, которые сказываются на всей последующей жизни.

Во время пребывания в утробе матери мы получили некоторое представление о мире, в котором нам предстояло родиться. Мы в какой-то степени слышали голос матери, передававший информацию о ней и о языке, которым нам позднее предстояло овладеть. Ритм ее сердцебиений и то, как ее движения подталкивали нас, составляли важную часть нашего существования в состоянии плода. А в момент рождения нас ввели в мир, наполненный ощущениями. Наши сенсорные карты, сформированные генами и натренированные волнами, теперь оказались засыпаны данными о нашем новом мире и о том, как наилучшим образом использовать эту информацию.

Один из способов изучения влияния раннего опыта на карты мозга заключается в изменении окружающей среды или сенсорного опыта новорожденных животных. Существует несколько возможностей для изменения окружающей среды новорожденного. Можно добавлять в среду нечто, что обычно не воздействует на новорожденное существо, можно удалять что-то, что обычно присутствует, а можно делать и то, и другое одновременно. Эксперименты на животных показывают, что удаление или добавление чего-то в нормальную среду новорожденного может приводить к перестройкам его карт мозга с долгосрочными последствиями.

Во многих исследованиях роль раннего опыта анализировали по его влиянию на карты звуковых частот, таких как A1, в слуховой коре крыс. В отличие от новорожденных детей, новорожденные крысята ничего не слышат и не видят еще более недели после рождения. При рождении крысята имеют грубую карту частот A1 в области от 1000 до 32 000 Гц с очень слабо развитым участком для восприятия частот выше 32 000 Гц[132].

Ученые идентифицировали несколько типов ультразвуковых криков, включая сигналы дистресса на 22 000 Гц, которые крысы посылают при боли или приближении хищника, а также сигналы радости примерно на частоте 50 000 Гц, которые крысы издают при игре, спаривании или щекотке[133]. Сигнал дистресса заставляет других крыс замирать или убегать, а крики радости призывают собратьев крыс приблизиться и активируют в их мозге центры удовольствия. Как смех у людей, так сигналы на частоте 50 000 Гц усиливают социальное взаимодействие и укрепляют связи между крысами.

Когда примерно через 12 дней после рождения крысята начинают слышать звуки окружающего мира, среди этих звуков, естественно, есть сигналы радости на частоте 50 000 Гц, издаваемые их матерью и другими сородичами. На карте A1 в мозге новорожденной крысы мало места уделено частотам выше 32 000 Гц, однако за две недели под влиянием звуков из окружающей среды карта A1 перестраивается, в результате чего какая-то часть ее территории, ранее обрабатывавшая звуки на частоте от 20 000 до 32 000 Гц, теперь обрабатывает звуки с частотой выше 32 000 Гц[134]. На самом деле около 40 % поверхности карты A1 взрослой крысы отводится под обработку звуков на частоте от 32 000 до 64 000 Гц.

Однако эта быстрая перестройка зависит от опыта. Ученые блокировали уши новорожденных крыс на протяжении двух недель с того момента, когда они начинают слышать. Их карта A1 все равно формировалась в соответствии со звуковыми частотами, но на ней гораздо более значительная территория отводилась обработке звуков с частотой около 25 000 Гц и гораздо менее значительная – обработке звуков с частотой около 50 000 Гц, чем у нормально слышащих собратьев. Это различие отражено на рис. 29. Короче говоря, у тех крысят, которые слышали важные звуки на частоте 50 000 Гц в первые недели жизни, увеличен участок карты A1, соответствующий этому диапазону частот. Но если в слуховом опыте крысят в этот важный период жизни после рождения не было этих сигналов, на их картах A1 нет обычного пространства для отображения звуков на таких частотах. Экспериментаторы не проверяли, какой будет жизнь крысят с измененной картой A1 после того, как им вернут слух. Но если бы крысы возвращались к нормальной жизни, они были бы вынуждены жить с мозгом, оптимизированным для улавливания сигналов страха, но не подготовленным для узнавания игривых трелей приятелей или партнеров для спаривания.

Другие эксперименты показали, что добавление неожиданных новых звуков в среду новорожденного животного тоже может перестроить его карту A1. Если крысят помещали в звуковую камеру и подвергали воздействию низкочастотных (4000 Гц) или высокочастотных (19 000 Гц) звуковых импульсов на протяжении нескольких первых недель жизни, их карты A1 перестраивались таким образом, что более значительная территория карты отводилась под отображение звуков с частотами около 4000 или 19 000 Гц соответственно[135].

Рис. 29. Влияние раннего опыта на развитие карты звуковых частот A1 у крыс. Художник Пол Ким.

Даже если через три недели крысята возвращались в нормальную звуковую среду и далее росли в обычных условиях, их карты A1 в зрелом возрасте по-прежнему предпочтительно отображали звуки с теми частотами, которые они слышали в детстве. Воздействие таких же монотонных импульсов звука на взрослых крыс не оказывает такого влияния на их карту A1.

Первые недели слухового опыта являются особенными: именно тогда структура карты A1 крыс наиболее податлива и подвержена влиянию внешних звуков. На самом деле это короткое время дает животным возможность адаптироваться к специфической окружающей среде, позволяя им подготовиться к обработке и восприятию тех звуков, которые им преимущественно предстоит слышать на протяжении жизни.

Анализ карт A1 крысят позволяет понять гораздо более общее и распространенное явление, касающееся карт всех непрерывных чувств у многих животных – от птиц до кошек, от овец до жаб и от мух до человека. На ранних этапах жизни карты мозга формируются окружающей средой и моделируются в соответствии с ней. Зарождающаяся карта, выстроенная в соответствии с генетической схемой, сначала “воспитывается” телом, а затем активно настраивается внешней средой. Обучение сдвигает сети и связи, приносящие информацию в карты мозга и выносящие информацию из них. В результате нейроны на карте меняют свои рецептивные поля. Например, группа нейронов на карте A1 крысы 12 дней от роду активируется при звуках с частотой около 30 000 Гц, но те же самые нейроны на карте крысы 22 дней от роду по большей части отвечают на звуки с частотой около 45 000 Гц. Поскольку меняются рецептивные поля нейронов на всех участках карты, вся карта в целом перестраивается и искажается. Расширяются области, которые отображают ключевые фрагменты мира (скажем, 50 000 Гц на карте A1 или центральная ямка на карте V1). Кто-то выигрывает, а кто-то проигрывает. Например, увеличение зоны кончика пальца на карте S1 происходит за счет территории лица.

Изменение увеличения на карте мозга путем сдвига рецептивных полей клеток – это лишь один способ, с помощью которого развивающийся мозг инвестирует ресурсы в соответствии с ранним жизненным опытом. Другой способ заключается в инвестировании в материалы, из которых строится карта. Обычно считают, что карты – это плоские отображения в двух измерениях (длина и ширина). Однако, конечно же, в трехмерном мире тоже существуют карты, в том числе в мозге и в других местах. Например, если вы держите в руках отпечатанную карту местности, карта имеет еще и третье измерение – это толщина бумаги и чернил. В случае бумажных карт толщина материала может определять срок службы и качество карты, но не влияет на ее информационное содержание.

Карты мозга тоже состоят из материи: из нейронов и их проводов, аксонов и дендритов, которые передают сигналы между нейронами. Еще один способ, с помощью которого развивающийся мозг может обучаться и инвестировать ресурсы, заключается в изменении этой материи таким образом, чтобы ключевые участки карты становились толще. Например, если в младенчестве няня часто щекотала вам пальчики ног или играла с ними, в результате этого раннего обогащающего опыта зона пальцев ног на вашей карте S1 могла расшириться (занять большую площадь на поверхности мозга), стать толще или претерпеть оба изменения. Когда опыт приводит к утолщению части карты, это обычно означает, что там содержится больше материи – больше нейронов, больше связей между нейронами или больше поддерживающих клеток, помогающих нейронам выполнять их работу. Если участок пальцев левой ноги на карте S1 утолщен, это может говорить о том, что нейроны, отображающие прикосновение к этим пальцам, лучше оснащены для коммуникации и координации друг с другом. Результатом является более эффективная локальная обработка информации, что позволяет лучше чувствовать и различать прикосновения к этим пальцам. В детстве и в меньшей степени в более позднем возрасте карты мозга могут изменяться и адаптироваться за счет расширения ключевых участков, укрепления этих территорий дополнительной материей или за счет обоих процессов.

Мы видели, как экспериментальные процедуры изменяют карты мозга новорожденных крысят. Однако то же самое можно сказать о маленьких детях и о влиянии раннего окружения на их нервную систему. Рассмотрим пример недоношенных детей, которым после рождения приходится оставаться в родильном доме для проведения интенсивной терапии. Такие дети остаются в отделениях интенсивной терапии недели или месяцы и постоянно слышат громкий высокочастотный шум вентиляторов, насосов, мониторов и сигнализации – дополнительные звуки по сравнению с той звуковой средой, в которой они находились бы в утробе матери. Кроме того, им чего-то не хватает. Если бы эти дети развивались в матке до окончания срока беременности, их бы окружал акустический мир с доминированием мелодичных низкочастотных компонентов голоса матери и предсказуемого ритма ее сердцебиений. Этих звуков нет в отделениях интенсивной терапии для недоношенных детей. Есть и другие отличия. Например, детям в больнице приходится переживать болезненные процедуры, такие как забор крови, и у них меньше тесных физических контактов по сравнению с ситуацией в матке или в родительском доме.

Хотя мы пока не знаем окончательно, как пребывание в больнице влияет на развитие карт мозга новорожденных детей, у нас все больше доказательств, что этот опыт действительно оказывает влияние на обработку звуковой и тактильной информации[136]. Понятно, что лечение этим детям необходимо для выживания. Однако растущая озабоченность ученых и врачей по поводу важной роли ранней среды для развития нервной системы ребенка приводит к пересмотру отношения к сенсорной среде в отделениях интенсивной терапии для новорожденных. Можно ли одновременно спасать жизнь ребенка и усилить влияние социального фактора? Можно ли ослабить шум сигнализации и оборудования? Многие родильные дома начали учитывать эти важнейшие замечания.

В некоторых случаях внести значительные изменения достаточно легко. Например, было показано, что просто включение аудиозаписи сердцебиения матери и низкочастотных составляющих ее голоса (тех звуков, которые были бы слышны ребенку в матке) на три часа в день, пока недоношенный ребенок остается в больнице, влияет на развитие его слуховой коры[137]. Исследователи обнаружили, что эта часть мозга, включающая в себя частотную карту A1, была толще у тех детей, которые слышали эти записи, по сравнению с теми, кто их не слышал.

Глубокое когнитивное и перцептивное влияние раннего сенсорного опыта касается всех детей, а не только тех, кто находился в отделении интенсивной терапии. Другой пример относится к детям, рожденным с катарактой (мутным пятном), затмевающей зрение в одном или обоих глазах. Если ребенок родился с такими пятнами, его глаза и зрительные карты мозга, такие как V1, лишены возможности получать структурированные зрительные сигналы. Исследования на людях и на животных показали, что эта депривация вносит хаос в строение карты V1 и других зрительных карт мозга. В результате карты формируются на основании размытых или односторонних сигналов, которые они все же могут получать. Если катаракту удалить хирургическим путем в течение нескольких недель после рождения, у ребенка высокий шанс иметь более или менее нормальное зрение во взрослом возрасте[138]. Но каждая неделя отсрочки операции снижает вероятность восстановления нормального зрения. Взрослые люди, имевшие катаракту в раннем возрасте, обычно хуже различают мелкие детали, улавливают некоторые сложные движения и распознают лица[139]. Эти трудности связаны не с тем, что происходит у них в глазах, а с тем, что уже произошло в их мозге.

Примеры такого рода показывают, насколько чувствительными являются карты мозга в отношении внешних факторов в первые дни жизни человека. Даже кажущиеся незначительными нарушения в этот период могут иметь долгосрочные последствия для карт мозга и сенсорного восприятия. Очень может быть, что вам такая чувствительность кажется странной или даже бессмысленной. Учитывая, что наши гены и эволюционные факторы формируют строение нашего тела самыми разными способами, удивительно и даже обидно, что мы в такой степени зависимы от каких-то звуков, зрительных образов и ощущений. Однако на самом деле эта странная чувствительность одновременно является нашей дополнительной способностью, поскольку дает каждому существу возможность адаптироваться к окружающей среде специфическим и адекватным образом.

В эволюционном контексте живые существа адаптируются к окружающей среде по той причине, что гены, которые помогают выживать и размножаться в конкретной среде, с большей вероятностью передадутся потомкам. Такой тип адаптации реализуется на протяжении поколений. Но я говорю о другом типе адаптации, которая происходит уникальным образом для каждого отдельного мозга на протяжении дней, недель или месяцев. В утробе матери и в первые яркие и бурные дни вскоре после рождения мозг собирает информацию о мире, в котором человеку предстоит жить. На основании этой информации карты мозга реконструируются и перестраиваются, перенаправляя ограниченные нейронные ресурсы на обработку специфических зрительных, звуковых и тактильных сигналов, которые человек получает, в ущерб обработке сигналов, которых нет. В общем и целом такая адаптация является значительной инвестицией. В мире природы окружающая среда сравнительно стабильна на протяжении коротких отрезков времени. С высокой вероятностью мы умрем в такой же среде, в которой родились. Учитывая все возможные состояния среды, в которой нам предстоит жить, имеет смысл инвестировать и подготавливаться к жизни в той среде, которую мы почувствовали в младенчестве. И только когда это общее правило не работает, как в случае детей, начинающих жизнь в отделениях интенсивной терапии или с временной слепотой от катаракты, эта форма адаптации оборачивается против нас.

Чтобы понять, как такая адаптация может помочь, а не помешать, рассмотрим пример ребенка, рожденного с нефункциональной сетчаткой. Такое случается по ряду причин, включая врожденные нарушения и очень преждевременные роды.

В отличие от катаракты, такие повреждения сетчатки нельзя исправить хирургическим способом. Поэтому такой ребенок будет слепым от рождения и, вероятно, на протяжении всей жизни. Ему не нужна зрительная кора и сложная карта V1. Без возможности приспособиться к обстоятельствам такой человек остался бы с большим бесполезным фрагментом мозга. И это плохо, поскольку, как мы видели, пространство в мозге стоит дорого. Кроме того, у такого ребенка возникнут специфические трудности – от ориентирования в пространстве до идентификации родственников и распознавания опасности. Однако в поисках информации ему придется опираться на другие чувства, например, читать тексты кончиками пальцев или находить предметы, например машины, по издаваемым ими звукам. Поэтому человек не может оставлять участок мозга неиспользуемым.

К счастью, он не останется с частично неработающим мозгом. Еще до рождения мозг меняется под влиянием слепоты. Отсутствуют волны сетчатки, которые в норме формируют зрительную карту. Из-за отсутствия нормальной зрительной активности до рождения и нормальных зрительных сигналов после рождения изменяются не только зрительные карты, но также карты тактильных ощущений и слуха. В конечном итоге у слепых детей зрительная кора очень сильно уменьшается[140]. Например, у слепых от рождения людей участок в задней части мозга, который обычно содержит зрительную карту V1, вместо этого поддерживает обработку речевых сигналов. В результате области мозга, которые обычно обрабатывают зрительные сигналы, в мозге слепого ребенка не будут лишними. Ребенок использует эти участки для обработки других важнейших сигналов, таких как речь. Короче говоря, радикальная перестройка “зрительной” коры дает слепому от рождения ребенку возможность адаптироваться к обстоятельствам и использовать мозг наиболее эффективным образом для конкретной ситуации и нужд.

Изменение границ зрительной коры помогает мозгу адаптироваться к жизни без зрения, но эти преимущества не всеми используются в одинаковой степени. Зрительная кора взрослых людей, которые были слепы от рождения или ослепли в очень раннем возрасте, ориентирована на выполнение других функций в гораздо большей степени, чем у взрослых людей, ослепших в более поздние годы[141]. Важный фактор – это возраст, когда человек ослеп, а не то, сколько времени прошло с тех пор, как он ослеп. Когда зрительная кора ребенка уже начала обрабатывать зрительную информацию и создавать зрительные карты, ограничиваются возможности последующей трансформации этой территории.

В целом это относится ко всем картам мозга: младенчество и в меньшей степени раннее детство – периоды наиболее активного формирования и уточнения карт мозга. Значительные перестройки, возможные в мозге новорожденного ребенка, у взрослых людей уже не происходят. И все же многие характеристики карт мозга остаются в какой-то степени моделируемыми, что позволяет взрослым животным подстраивать перцептивные и двигательные способности к требованиям окружающей среды. В этом типе обучения просматривается некоторое сходство с адаптацией, происходящей в младенчестве, но оно отличается как минимум по двум критическим параметрам. Во-первых, оно позволяет осуществлять изменения и перестройку карт в сравнительно небольшом масштабе. Во-вторых, движущим фактором является не воздействие зрительных, слуховых и других подобных сигналов, а значимость этих сигналов. Иными словами, такое обучение направляется целями и поведением взрослого животного.

В качестве иллюстрации рассмотрим крысят, слышавших пульсирующие звуки на протяжении нескольких первых недель жизни. В результате такого воздействия их карты A1 искажаются, увеличивая область отображения этой звуковой частоты. Те звуки ничего не означали. Они не сообщали, что что-то должно произойти, они просто были, и этого оказалось достаточно, чтобы перестроить слуховую кору детенышей.

Сравним это с результатами другого эксперимента, в котором взрослых крыс подвергали воздействию звука на частоте 6000 Гц[142]. В исследовании участвовали две группы крыс, которые испытывали жажду: одна группа слышала звук непосредственно перед получением подкрепления в виде воды, а другая тоже слышала звук, но он никогда не совпадал с моментом питья. После обучения только у крыс из первой группы произошло расширение области карты A1, отображавшей звуки с частотой около 6000 Гц. Однако у крыс из обеих групп наблюдалось расширение отдела карты в области частоты 1000 Гц. Когда экспериментаторы проанализировали звуки, раздававшиеся в крысиных клетках, они поняли, что устройство для подачи воды производило низкочастотный шум на частоте около 1000 Гц каждый раз, когда выдавало воду. Экспериментаторы этого не знали, но крысы научились обнаруживать и использовать дополнительный сигнал, означавший скорую выдачу долгожданной воды.

Взрослым крысам было важно, насколько значим для них звук. Вероятно, этот тип обучения направляется сигналами стресса и вознаграждения в мозге – нейромедиаторами, которые выделяются при хороших (еда или секс) или плохих (боль или угроза) обстоятельствах. Суть заключается в распознавании сигналов в окружающей среде, которые появляются непосредственно перед плохим или хорошим событием. Если карты мозга могут подстраиваться и изменяться для лучшего распознавания таких сигналов, возникает преимущество, которое заключается в возможности предсказывать что-то плохое или хорошее и реагировать на это.

Люди способны учиться реагировать на окружающую среду на протяжении всей жизни, но детство и особенно младенчество – это периоды, когда нервная система является наиболее гибкой и адаптируемой. В этот период карты мозга могут изменяться или полностью перестраиваться в соответствии с сенсорным опытом ребенка. В отличие от обучения во взрослой жизни, изменения в мозге в младенчестве бывают чрезвычайно сильными и долгосрочными и вызываются сенсорным опытом. Эти данные подчеркивают уникальное значение раннего жизненного опыта в формировании схемы карт мозга на всю последующую жизнь. Однако эта информация получена в результате изучения зрительной карты V1 и карты звуковых частот A1. А какие факторы влияют на формирование двигательной карты?

Двигательные карты мозга – особый случай. Хотя во многом они действуют по тем же принципам, что и сенсорные карты мозга, они играют совсем иную роль в нашей жизни. Как и сенсорные карты, наша двигательная карта M1 сформировалась под действием химических веществ, а затем “воспитывалась” телом еще в утробе матери. Это означает, что как минимум основа двигательной карты была заложена в мозге еще до того, как мы научились завязывать шнурки или писать свое имя. Какие двигательные способности были у нас на момент рождения? И каким образом более поздний жизненный опыт формировал двигательные карты, которыми мы пользуемся сегодня?

Двигательные способности новорожденного ребенка на удивление невыразительны. Младенцы не могут прыгать, ползать, ходить или плавать, чтобы перемещаться с места на место. Эти несчастные существа едва способны разглядеть перед носом свою ступню или вырабатывать необходимое количество тепла. Они не могут даже поднять голову. В поединке между муравьем и новорожденным ребенком разумно было бы поставить на муравья. И новоявленных родителей часто бывает жалко – так они устают и не досыпают, заботясь о своем полностью беспомощном младенце. Кажется, что дети рождаются с небольшим арсеналом средств, необходимых для достижения максимального эффекта. Наверное, самым сильным из этих средств является плач, которым они умеют пользоваться от момента рождения, а также улыбка и смех, которые они начинают использовать для общения через несколько недель после появления на свет. Родители находят эти действия крайне мотивирующими. И в результате дети применяют свой ограниченный набор возможностей, чтобы заставить тех, кто за ними ухаживает, обеспечить им выживание.

Кроме как плакать и улыбаться, новорожденные дети также могут подносить руки ко рту и сосать большой палец. Поднесение рук ко рту – важнейшее и рано проявляющееся действие, отраженное на карте M1 обезьян и человека. Возможно, это действие включено в структуру развивающегося мозга еще до возникновения опыта. Но также может быть, что оно является результатом опыта плода. Возможно, близкое соседство рук и рта способствует их частому контакту в матке, а тактильное возбуждение от трения этих чувствительных частей тела может усиливать действие. Вне зависимости от того, является ли приближение рук ко рту результатом программированного клеточного развития, опыта плода или обоих факторов одновременно, это действие прекрасно подготавливает ребенка к важнейшей для жизни функции, позволяющей самостоятельно питаться.

Многие другие движения определяют диапазон возможностей новорожденного и создают строительные кирпичики для последующего освоения более сложных действий. Младенец чмокает и кривит губки, открывает и закрывает рот, широко раскрывает глаза, хмурит брови, сжимает кулачки, толкается, воркует и лепечет. Близкие реагируют на это, поощряя одни действия и останавливая другие. То, как они это делают, зависит от многих условий, включая культурный фактор. Культура формирует общение и физический опыт, направляющий двигательное обучение.

Большинство людей воспитывались лишь в какой-то одной культурной среде и поэтому с легкостью верят в то, что новорожденные дети во всем мире учатся двигаться одинаковым образом. Но это не так. Например, если бы вы росли в сельскохозяйственной общине на западе Кении, первые месяцы жизни вы бы провели на коленях у матери, пока она пила чай, лущила кукурузу или разговаривала с другими взрослыми[143]. По сравнению с американскими детьми вы бы больше времени сидели и меньше лежали. Почти каждый день мать играла бы с вами в “прыг-скок”, поддерживая вас под мышки и подбрасывая у себя на коленях, чтобы вызывать шаговый рефлекс. Основываясь на ваших врожденных рефлексах, она активно учила бы вас сидеть, стоять и ходить, так что вы могли бы выполнять все эти действия примерно на месяц раньше, чем дети, выросшие в Америке. Но поскольку вы мало времени проводили бы лежа, вы бы дольше, чем западные дети, учились поднимать голову и ползать. Формируя ранний физический опыт, каждодневные действия матери и культурные нормы определяют, как и когда дети обучаются даже самым первым и простым движениям.

Хотя дети во всем мире в конечном итоге обучаются сидеть, ходить и говорить, наш ранний опыт и действия могут определять различия в том, как мы используем собственное тело для решения различных физических задач. Активность, в которую мы вовлекаемся в детстве и во взрослом возрасте, определяет диапазон наших действий и формирует структуру зрелой двигательной карты. Например, ранний опыт игры на музыкальном инструменте влияет на строение карты M1. У правшей область M1, отображающая правую руку, обычно шире области, отображающей левую руку, по-видимому, по той причине, что они больше движений выполняют правой рукой. Однако для игры на фортепиано требуются точные движения пальцев обеих рук. В одном исследовании с помощью сканирования мозга анализировали двигательную кору M1 у правшей-пианистов и у правшей, не занимающихся музыкой[144]. В целом участки карты M1, отображающие как правую, так и левую руку, у музыкантов обширнее, чем у не-музыкантов. Но даже среди пианистов этот эффект зависит от того, когда начались занятия музыкой. Участки карты M1, отвечающие за кисти рук, обычно обширнее у музыкантов, начавших играть в возрасте трех, четырех или пяти лет, по сравнению с теми, кто начал заниматься в восемь, девять или десять лет.

Влияние музыкальных занятий на карты мозга определяется не только тем, когда человек начал играть, но и спецификой инструмента и игры. Например, игра на фортепьяно требует точных движений пальцев обеих рук, тогда как для игры на струнных инструментах, например на скрипке, такие движения выполняет только левая рука. В то время как у пианистов расширены участки карты M1, отображающие движения как правой, так и левой руки, у струнников этот эффект заметен только для левой руки[145].

Всегда существует опасность ошибочной интерпретации подобных данных. Возможно ли, что люди с более обширной от природы областью M1, отображающей движения рук, с большей вероятностью начнут играть на музыкальном инструменте раньше или будут играть дольше? Как понять, что является причиной – структура карты мозга или игра на музыкальном инструменте? В одном эксперименте изучали этот вопрос, наблюдая за шестилетними детьми, которые на протяжении 15 месяцев раз в неделю либо брали индивидуальные уроки игры на инструменте, либо посещали групповые музыкальные занятия, не играя на инструменте[146]. До начала занятий и после их окончания была проведена проверка двигательных способностей детей и выполнена МРТ головного мозга, чтобы установить, какие структурные изменения произошли в мозге. До начала занятий дети из двух групп не различались по двигательным способностям или структуре мозга. Однако через 15 месяцев участки карты M1, отвечающие за левую руку, увеличились у тех детей, которые брали уроки игры на фортепьяно, но не у детей из второй группы. Иными словами, дети, бравшие уроки фортепьянной игры, в конечном итоге имели такую же структуру карты мозга, как у взрослых пианистов. Более того, чем ярче у них проявлялась такая картина, тем лучше они выполняли движения пальцами левой руки, не связанные с музыкой. Все это позволяет предположить, что взрослые пианисты имеют на двигательной карте обширные участки, отображающие движения рук, поскольку они много играли на инструменте, а не наоборот. Их опыт использования рук изменил карты M1, способствуя общему повышению ловкости рук.

В целом многочисленные исследования подтверждают тезис, что игра на музыкальном инструменте, особенно в детстве, влияет на структуру не только двигательных карт, но также тактильных и слуховых карт. Но это не означает, что карты мозга у детей, занимающихся музыкой, “лучше”, чем у их сверстников, не занимающихся музыкой. Уроки музыки не обеспечивают ребенка более качественным мозгом. Эти уроки (точнее, часы практических занятий) создают у ребенка мозг, более подготовленный для игры на фортепьяно и выполнения других задач, требующих ловкости рук. Но они не помогут ему стать лучшим футболистом или лучше всех крутить обруч. Не существует единственного правильного пути для тренировки мозга и формирования его карт. Решение заключается в том, чтобы использовать чувства и взаимодействовать с окружающей средой, практиковать навыки, которым вы уже обучились, и продолжать осваивать новые. Если вам нужна какая-то специфическая способность, нужно ее тренировать. Так тренируется молодой мозг, да и взрослый тоже.

Как показывают исследования влияния игры на музыкальных инструментах, наша деятельность формирует наши двигательные карты, что позволяет нам преуспевать в определенных занятиях. Никого не удивит, что физическая тренировка помогает легче и лучше выполнять какие-то упражнения в будущем. Но заметим, что это очевидное изменение может происходить из-за невидимых процессов в двигательных картах мозга. Как стимуляция карты M1 в коре обезьяны вызывает свободные и сложные движения, обычные для обезьян, так стимуляция нашей карты может выявить осмысленные, приобретенные на практике движения, которые мы выполняем каждый день.

Ученые пока не установили полный набор зон активностей на человеческой карте M1 и специфических практических действий, которые на них отображены. Такой анализ трудно провести путем сканирования мозга с помощью фМРТ, поскольку сложные движения мешают сканированию. Однако логично предположить, что не существует какой-то универсальной человеческой двигательной карты, как не существует единого набора человеческих движений. Те движения, которые мы выполняем изо дня в день, особенно в начале жизни, по-видимому, отпечатываются в моторной коре мозга. Если бы мы вскрыли череп пианиста и стали стимулировать участок его карты M1, отвечающий за левую руку, возможно, мы смогли бы увидеть, как пальцы его левой руки играют на невидимых клавишах. То же самое могло бы произойти, если бы мы исследовали участок карты M1, отвечающий за правую руку хирурга, изо дня в день сшивающего тонкие ткани, или детей, нанятых для утомительного и кропотливого вышивания текстильных изделий.

Возможно, наши двигательные карты могли бы рассказать длинную историю о том, кто мы такие, где и как живем. Занят ли человек тем, что часами играет в видеоигры, вяжет или молится? Передвигается ли он бегом, на машине, на велосипеде или на лодке? Ест ли он ложкой и вилкой, или палочками, или подбирает пищу с помощью кусочка хлеба? Сравните набор движений охотника из саванны и городского парикмахера или марафонца, бегущего на своих ногах, и марафонца в инвалидном кресле. Движение – это конечный результат взаимодействия опыта, среды, тела и мозга. В каком-то отношении наши двигательные карты такие же, как у обезьян или крыс. В другом отношении они могут отличаться даже от карт наших братьев или сестер или спутников жизни. Удивительная вещь: те самые карты, которые даруют нам способность двигаться, были сформированы нашими движениями в прошлом. Они связывают между собой прошлое и настоящее, так что наши предыдущие движения – это такие движения, к выполнению которых в будущем мы подготовлены наилучшим образом.

Замечательное свойство обучения и развития заключается в том, что они просто происходят. Им не нужно руководство кукловода или призрака из машины. Мозг развивается в соответствии с физическими и биологическими законами, которые направляют его обучение под влиянием окружающей среды. В таком обучении не существует “правильно”. Нет никакого руководителя, который подтвердил бы, что этот замечательный процесс адаптации происходит в интересах существа. Процесс просто слепо развивается, делая вас, и меня, и всех остальных такими, какие мы есть.

Ученые потратили море чернил, споря о том, природа или воспитание формирует человеческий мозг. Но так ставить вопрос неправильно. Гены обеспечивают базовую структуру мозга, которая уже достаточно сложна и изменчива, чтобы использовать свойства окружающего мира, в котором мы рождаемся. Наш опыт, особенно ранний, предоставляет важную информацию, обучающую и уточняющую эту структуру. Опыт начинается еще в матке, когда физические элементы тела передают в мозг первые сигналы. А гены направляют и поддерживают нейронные механизмы, позволяющие нам обучаться и адаптироваться на протяжении всей жизни. Просто не существует момента, когда влияние генов заканчивается, а влияние опыта начинается. Оба фактора связаны в плавном танце, который начинается в матке и продолжается до нашего последнего вздоха.

Мы родились с зачаточными зрительными картами, которые созревали в последующие месяцы жизни. Эти счастливые события позволили нам видеть. Но достаточно ли видеть для осмысленного восприятия? Достаточно ли зрения для получения важнейшей информации о том, где мы находимся, кто и что нас окружает? Конечно, нет. Для расшифровки такой информации требуется кое-что еще. Мы знаем это, поскольку видим, что происходит, когда это “кое-что” исчезает в результате повреждения мозга.

Джон был одним из многих людей, потерявших эту таинственную способность. Он жил обычной жизнью, не имея проблем со зрением, пока в среднем возрасте не перенес инсульт после операции по удалению аппендикса. Инсульт поразил обширные участки затылочной и височной долей обоих полушарий: эти области находятся за пределами зрительной карты V1, но поблизости от нее. Хотя карта V1 у Джона не была затронута, последствия повреждений мозга оказались катастрофическими и для него, и для его семьи.

Чтобы понять природу и глубину проблем Джона, рассмотрим простую картинку (рис. 30). Когда ученые показали Джону этот рисунок и попросили назвать изображенный на нем предмет, он просто тупо на него смотрел.

“У меня нет даже намека на ответ, – сообщил он. – Нижний конец выглядит твердым, а другие перистыми.

Рис. 30. Изображение корнеплода, который Джон не смог распознать. Источник: Journal of Experimental Psychology, vol. 6, no. 2. Copyright © 2016 by American Psychological Association. Художник Пол Ким, с модификациями.

Это кажется нелогичным. Если только это не какая-то щетка”[147].

Чтобы вы не подумали, что Джон никогда раньше не видел моркови, вот что он сказал, когда его в другой ситуации попросили ее описать. “Морковь – это корнеплод, его выращивают и едят повсеместно. Это однолетнее растение, которое растят из семян, у него тонкие длинные листья, выходящие из верхушки корня; корень растет в глубину и в ширину по сравнению с листьями и иногда достигает 12 дюймов в длину под верхушкой листьев такого же размера, если растет на хорошей почве. Морковь можно есть в сыром виде или приготовленную, и собирают ее любого размера и на любой стадии роста. Обычно корень моркови имеет удлиненную коническую форму, а ее цвет бывает разным, от красного до желтого”[148].

Джон был сообразительным, совершенно разумным и четко выражал свои мысли. Когда его попросили назвать предмет, он сумел разглядеть и описать рисунок и пришел к логичному выводу, что предмет с одним твердым и одним перистым концом вполне мог быть щеткой. Но Джон был не в состоянии, просто взглянув на рисунок, узнать, что на нем изображено. Хотя он видел на рисунке все отдельные линии, он не узнал морковь. Как показывает его случай, существует большая разница между тем, чтобы видеть что-то, и знать, что ты видишь.

Проблемы Джона не ограничивались неспособностью распознать на рисунках овощи. После инсульта он больше не мог читать. Он не узнавал такие простые предметы, как бритва, степлер или одежные плечики. Ему трудно было узнавать места, включая собственный дом и его окрестности. Жена Джона Айрис рассказывала: “Он не может найти дорогу в нашем городе и вообще узнать места, когда мы ездим по окрестностям, хотя прожил здесь больше двадцати лет… Иногда он думает, что знает, где находится, но, к сожалению, всегда неправ”[149].

Кроме того, у Джона возникла проблема с распознаванием лиц. Он считал ее наиболее неприятной. “Я не могу узнать ни жену, кроме как по звуку ее голоса, ни внуков, ни других членов семьи, ни друзей… Поджидая жену на выходе из супермаркета, я поражал незнакомых женщин тем, что забирал у них покупки и уходил, поскольку мне казалось, что это моя жена расплачивалась на кассе!”[150] Не лучше была ситуация, когда он смотрел на отражение собственного лица в зеркале. “Понятно, что я могу видеть лицо – и глаза, и нос, и рот, и все остальное, – но оно незнакомое; это может быть кто угодно”.

Эти бытовые трудности Джона не были связаны с недостатком памяти, снижением способности к мышлению и концентрации внимания. Проблемы были обусловлены нарушением распознавания – способности знать, что это или кто это. Слово recognition (распознавание) происходит от латинского “вновь узнать”. Это исходное значение отражает суть распознавания – оно заключается в знаниях, основанных на предыдущем опыте. Большинство из нас редко задумывается о разнице между тем, чтобы видеть и узнавать. Мы считаем, что немедленно и без усилий узнаем знакомые предметы, людей или места, поэтому нам кажется, что видеть и распознавать – две стороны одной медали. Но медицинские данные, описывающие таких людей, как Джон, показывают, что это далеко не одно и то же.

Распознавание не ограничивается знаниями, получаемыми посредством зрения. Мы узнаем людей, места или вещи с помощью зрения, слуха, прикосновения, вкуса или запаха. Но обычно люди, по крайней мере зрячие, при распознавании людей и предметов полагаются на зрение в большей степени, чем на другие чувства. В таких случаях, какой произошел с Джоном, когда эта способность исчезает, говорят о зрительной агнозии.

В результате инсульта у Джона оказались повреждены обширные участки обоих полушарий мозга. Другим пациентам повезло больше, и у них повреждения были гораздо менее значительными. Как можно догадаться, при менее обширных повреждениях наблюдается меньше нарушений или они менее выраженные. Со временем психологи обнаружили некую специфическую картину влияния повреждений мозга на распознавание[151]. В таких случаях, как у Джона, возможна полная зрительная агнозия, когда люди не узнают почти никакие предметы. Но часто зрительная агнозия распространяется только на определенные типы предметов. Наиболее важно распознать, живое ли это существо, которое движется по собственному усмотрению, или инертный неживой предмет. Например, бывает, что человек не узнает свинью, змею или кита, но без проблем идентифицирует стул или кувшин. А бывает наоборот. Если повреждение мозга сравнительно небольшое, нарушение бывает ограничено более специфическими областями: например, человек с трудом узнает других людей или плохо распознает буквы и слова. Однако все эти люди совершенно нормально распознавали предметы до повреждения мозга. Они узнавали лица своих детей и могли прочесть написанную от руки записку, пока повреждение мозга не лишило их этой способности.

Тот факт, что при разных повреждениях мозга мы лишаемся возможности распознавать какие-то определенные категории вещей, показывает, что разные участки мозга отвечают за распознавание разных типов предметов. Это также говорит о том, что мозг разделяет категории вещей в окружающем мире. Посмотрите на живых существ и на предметы вокруг вас. Вы можете распределить их по категориям почти бесконечным количеством способов. То, что делает меня счастливым. Пестрые вещи. Предметы с названиями, начинающимися с гласного звука. Существа, которые покусали меня в тот день, когда мне исполнилось тринадцать лет. Но мозг выделяет не такие категории. Прежде всего, мозг распределяет предметы по категориям в зависимости от того, одушевленные они или нет или могут ли двигаться самостоятельно. Кроме этого важнейшего разделения есть более тонкие. В категории одушевленных предметов есть животные, части тела и лица. В категории неодушевленных предметов есть маленькие, которые можно взять в руки, и крупные, такие как здания. У больных возникают разные трудности в зависимости от того, какой специфический тип вещей они больше не могут узнавать. Например, человек, не имеющий возможности распознавать здания, может потеряться на прогулке, а тот, кто не узнает лица, теряется при социальном общении.

Исходя из наблюдений о таких совершенно разных нарушениях, ученые долгое время предполагали, что формы распознавания в человеческом мозге неравноценны. Но только в 1990-х годах ученые впервые смогли увидеть своими глазами, как человеческий мозг распознает. Это стало возможным благодаря изобретению сканеров для фМРТ, которые показывают, когда и в каких частях мозга изменяется активность. С помощью фМРТ ученые пытались понять, где находится участок распознавания. Из ранних работ следовало, что если во время сканирования показывать людям изображения лиц, наиболее сильная активность наблюдается в боковых и задних отделах мозга, особенно в правом полушарии.

В 1996 году Нэнси Кэнвишер, тогда еще работавшая в Гарварде, попыталась выявить специализированные участки мозга, ответственные за распознавание лиц[152]. Они с Марвином Чаном и Джошем Макдермоттом использовали фМРТ для идентификации участков мозга, специфическим и согласованным образом активирующихся в тот момент, когда человеку, находившемуся внутри сканера, показывали изображения лиц. Позднее Нэнси Кэнвишер описывала это исследование: “Первое сканирование со мной в качестве испытуемой выявило интересный участок в нижней части моего правого полушария… Сигнал [тут] был выше, когда я смотрела на лица, чем когда я смотрела на предметы. И все же единственный результат такого рода мог быть случайностью. Поэтому Марвин и Джош просканировали меня еще раз. Потом еще и еще. К нашему удовольствию, это маленькое пятнышко каждый раз возникало точно в одном и том же месте”[153].

Кэнвишер с коллегами обнаружили это устойчивое маленькое пятнышко активности в мозге многих людей. Они даже дали ему название – веретенообразная зона лиц, от названия складки коры, в которой оно было найдено. Позднее эта зона была выявлена в бесчисленных исследованиях с помощью фМРТ, и выяснилось, что веретенообразная зона лиц почти всегда находится примерно в одном и том же месте – в нижней части височной доли правого полушария. У некоторых людей аналогичная зона лиц есть и в левом полушарии, но она почти всегда меньше, чем в правом.

Если повреждение мозга затрагивает веретенообразную зону, люди теряют способность распознавать лица. Они могут отличить морковь от щетки для волос и узнать знакомые места в окрестностях дома, но им, как Джону, трудно узнать собственного супруга, ребенка или даже собственное отражение в зеркале. Этот особый тип зрительной агнозии называется прозопагнозией – в переводе с греческого “отсутствие узнавания лица”. Люди с тяжелой формой прозопагнозии испытывают очень большие трудности в общении. Они чувствуют себя потерянными в море незнакомых лиц, даже если находятся в кругу семьи и друзей. Чтобы идентифицировать окружающих людей, они вынуждены ориентироваться на такие признаки, как прическа, растительность на лице, одежда или голос.

Даже среди здоровых людей, у которых никогда не было повреждений мозга, способность распознавать лица колеблется в очень широких пределах. Около 2 % здоровых людей при наличии нормального зрения и при отсутствии явных признаков повреждений мозга фактически не в состоянии распознавать лица[154]. В обществе такие люди часто испытывают неловкость или беспокойство. Сканирование показывает, что здоровые люди с прозопагнозией имеют веретенообразную зону лиц и их проблемы бывают вызваны легкими структурными вариациями этого участка[155]. Но даже при наличии таких вариаций эти люди не больны; они просто находятся на краю широкого спектра человеческой способности распознавать лица. Есть люди, которые не в состоянии узнать ни одно лицо, а есть такие, которые никогда ни одно лицо не забудут.

Таким образом, сканирование мозга и повреждения мозга предоставили ученым многочисленные доказательства того, что веретенообразная зона играет важную роль в распознавании лиц. И все же ничто не убеждает так, как наблюдение за изменениями восприятия в результате модуляции активности веретенообразной зоны лиц у конкретного человека. Вот что произошло с сорокапятилетним пациентом (я назову его Терренсом), ожидавшим операции на мозге[156]. Подобно многим описанным в книге пациентам, Терренс страдал от тяжелых приступов эпилепсии, не поддававшихся контролю медикаментозными средствами. Хирург вживил в его мозг электроды, чтобы понять, где начинаются приступы, в надежде, что сможет найти и удалить их источник. Но вышло так, что два электрода оказались в веретенообразной зоне лиц. Врачи и ученые захотели понять, что произойдет, если подать на электроды слабый электрический импульс для стимуляции этой части мозга. Будет ли Терренс видеть или воспринимать лица как-то иначе?

Нейрохирург Джозеф Парвизи из Стэнфордского университета попросил Терренса смотреть ему прямо в лицо.

Терренс, расположившийся на больничной койке, казался уставшим и даже мрачным. Его широкие плечи были накрыты больничным халатом, а голова замотана бинтами, покрывавшими пучок проводов от электродов.

Раздался резкий звук, и электрический импульс попал в цель. Лицо Терренса внезапно просветлело. Уголки губ приподнялись в слабой улыбке, и он удивленно потряс головой. – Вы вдруг превратились в кого-то другого, – сказал он. – Ваше лицо изменилось. – Он попытался изобразить это на своем лице: – Нос отвис и повернулся влево. Вы стали похожи на кого-то… кого я уже видел, но на кого-то другого. – Он вскинул брови и покачал головой: – Это был трип[157]. – Хм, – произнес хирург. – А глаза были на месте? – Я видел ваши глаза, но вы могли быть кем-то другим, у кого такие же глаза, как у доктора Парвизи, но вы были не доктором Парвизи, а кем-то еще. – Он опять качнул головой и приложил руки к щекам: – Изменилось все ваше лицо.

Ученые приготовились попробовать еще раз, и Парвизи обратился к Терренсу: – Все в порядке, готовы? – О’кей, – спокойно ответил тот. – Раз, два, три, – произнес хирург. Опять раздался щелчок.

Терренс сделал глубокий вдох, кивнул головой и загадочно усмехнулся. – Ну, лицо опять изменилось, и вы выглядели как кто-то, кого я, возможно, уже видел, но это какой-то другой человек из моих воспоминаний. Как будто ваш нос слегка сдвинулся влево, и взгляд изменился. – Пол сохранился? – Да, это да. – Откуда вы знаете, что я не стал женщиной? – Потому что на вас все еще были костюм и галстук.

– А, вы увидели костюм и галстук? – радостно воскликнул хирург.

Терренс кивнул и усмехнулся:

– Да. Изменилось только ваше лицо. Все остальное осталось прежним.

– А положение губ, носа и глаз оставалось прежним, когда они искривились?

– Они сдвинулись, я бы сказал, сдвинулись вбок и, возможно, вытянулись, но не стали больше или меньше. – Он сложил ладони чашей и вытянул руки, как будто хотел охватить свое описание и передать его врачу. – Скорее, дело в восприятии, в том, как я воспринимал ваше лицо.

– Интересно, – продолжал хирург. – Расскажите еще.

Терренс улыбнулся и качнул головой:

– Это почти все, что я могу сказать. До какого-то момента это были вы, и вдруг уже не вы. Вы могли быть кем-то другим, кто стоял здесь передо мной.

Должно быть, этот опыт Терренса действительно был удивительным – “трипом”, как он выразился. Но он продемонстрировал важную связь между активностью в веретенообразной зоне и распознаванием лиц. Многие исследования с участием пациентов и здоровых людей показывают, что эта зона играет важнейшую роль в обработке информации об относительном расположении или конфигурации частей лица. Если вам это кажется странным, подумайте, насколько трудной задачей на самом деле является распознавание лиц. Фактически все виденные вами лица имеют один и тот же основной набор черт, с одним и тем же расположением. И мы не воспринимаем их совершенно одинаковыми только по той причине, что нам помогают такие специализированные отделы мозга, как веретенообразная зона.

Эта зона – не единственный участок мозга, специализирующийся на обработке информации, касающейся лиц[158]. Например, в затылочной части коры есть другая зона, которая идентифицирует части лица, а не их относительное расположение, и помогает определить, лицо это или нет, но не распознает конкретные лица. Обнаружены и другие области, специализирующиеся на лицах, включая одну область, определяющую отраженные на лице эмоции. Эти отделы играют важную роль в нашей способности извлекать из лиц значимую информацию. Все вместе они позволяют нам легко справляться с трудной проблемой распознавания лиц и понимания их выражений.

Однако распознавание лиц было только началом работы. С помощью фМРТ ученые стали выявлять области мозга, специализирующиеся на обработке другой важной информации. Кэнвишер и ее коллеги совершили много других открытий. Они помогли охарактеризовать область мозга, которая активно реагирует в тот момент, когда люди видят дома и другие сооружения, а также сцены из уличной и домашней жизни – изображения, характеризующие конкретную среду[159]. Эту область мозга назвали парагиппокампальной областью мест – по названию извилины, в которой она расположена. Если повреждение мозга затрагивает этот участок, человек может терять способность распознавать ключевые элементы окружающего пространства[160].

Ученые наблюдали, что происходит при электростимуляции парагиппокампальной области мест. Группа врачей наблюдала это на одном молодом пациенте, который, как Терренс, ожидал операции в связи с эпилептическими приступами[161]. Стимулируя мозг, хирург спросил у пациента, чувствовал ли тот или видел что-нибудь. Пациент смутился и прижал руку ко лбу: “Ну, я чувствую, как будто я… Как будто я вижу какое-то другое место, как будто мы на вокзале”. Как стимуляция веретенообразной зоны лиц у Терренса изменяла восприятие лица, так стимуляция парагиппокампальной области мест у этого молодого пациента изменяла восприятие окружающей обстановки. И как ранее были обнаружены отдельные участки, обеспечивающие обработку информации о лицах, так теперь были найдены некоторые участки, включая парагиппокампальную область мест, вносящие вклад в обработку зрительной информации об обстановке.

Третье большое открытие было сделано, когда Кэнвишер и ее коллеги нашли область мозга, специфическим образом реагирующую на изображения тела или отдельных частей тела, таких как руки или ступни[162]. Ученые назвали эту область экстрастриарной. С тех пор этот участок многократно анализировали с помощью транскраниальной магнитной стимуляции: метод заключается в подаче на кожу головы сильных магнитных импульсов, временно нарушающих активность нейронов на поверхности мозга в соответствующих местах. Обычно воздействие на эту область изменяет суждения людей о форме и конфигурации тела[163].

Подобно тому, как мы недооцениваем трудность распознавания лиц, мы в значительной степени не отдаем себе отчета в сложности восприятия конфигурации тела и движений и в их интерпретации. Тела, как и лица, передают большой объем социальной информации. Форма тела и его движения могут сообщить, кто этот человек, даже если он смотрит в другую сторону или находится на некотором расстоянии. Положение, конфигурация и движения тела могут рассказать о намерениях человека, его последующих действиях и даже эмоциональном состоянии. Мы “читаем” человеческие тела гораздо активнее, чем можно предположить, и пытаемся понять, чего люди хотят и что чувствуют. И поэтому вряд ли стоит удивляться, что в нашем мозге есть такие специализированные отделы, как экстрастриарная область тел, которые нам в этом помогают.

В исследовании Кэнвишер, в котором я тоже принимала участие, был идентифицирован и обозначен второй участок, веретенообразная зона тел, который также участвует в этом процессе[164]. Этот участок непосредственно прилегает к веретенообразной зоне лиц в тканях нижней части височной доли. Меня восхищают эти смежные участки – веретенообразные зоны лиц и тел, которые в мозге всегда прилегают друг к другу, как прилегают друг к другу лицо и тело. Это исследование разожгло мой интерес к изучению того, как и где в мозге развиваются эти участки. А этот интерес, в свою очередь, привел меня к той тематике и тем вопросам, которые обсуждаются в данной книге.

После открытия экстрастриарной и веретенообразной зон тел ученые обследовали людей с повреждениями в одной или в обеих областях. На примере таких людей мы можем понять, за что отвечают эти зоны, поскольку видим, что происходит при их повреждении. Ученые выяснили, что эти пациенты с трудом запоминают и различают изображения разных частей тела[165].

Список категорий, имеющих собственные зоны на картах мозга, не ограничивается лицами, телами и сценами из жизни. Например, ученые обнаружили участки, специализирующиеся на отображении ручных инструментов[166]. А также зону, вовлеченную в обработку информации о форме букв и слов, но только в мозге грамотных людей и только для алфавита того языка, на котором они учились читать[167]. По соседству расположены участки, выполняющие более общую функцию в обработке информации о форме предметов и в распознавании предметов, не относящихся к перечисленным выше категориям.

Этот список категорий и соответствующих отделов мозга может показаться избыточным. Зачем нам нужны эти странные зоны для разных типов вещей? Для ответа на этот вопрос полезно обсудить явления и параметры, лежащие в основе распознавания. Хотя мозг отображает на картах непрерывные явления, такие как пространственное расположение или звуковые частоты, для отображения отдельных категорий он обычно использует специализированные зоны, или распределенное кодирование, или же сочетание обоих механизмов.

Вспомните, что предметы можно классифицировать разными способами. Судить о сходстве двух вещей можно по целому ряду параметров. И эти конкретные параметры, которые мы выбираем, определяют распределение по категориям. То же самое справедливо для отделов мозга. Уже известный нам пример – два отдела мозга сома: в одном отделе находятся зоны, отображающие запахи в соответствии с их молекулярной структурой, а в другом отделе запахи группируются в соответствии с их поведенческой значимостью (сообщают ли они о наличии пищи или других рыб). Несмотря на специфические различия, распознавание видимых предметов во многом напоминает распознавание вкусов и запахов. Во всех случаях задача заключается в том, чтобы понять, с чем мы имеем дело. И в каждом случае распределение по группам может происходить в соответствии с разными параметрами. В результате возникает очевидный вопрос: какие параметры важны?

Еще до того, как рассматривать результаты сканирования мозга, можно начать отвечать на этот вопрос на основании нашей интуиции в отношении возможных или невозможных сочетаний или групп предметов. Представьте себе предмет, который является наполовину зданием, а наполовину бальзамом для губ. Вы можете себе такое представить? Тюбик губной помады, встроенный в стену дома? Дом из нефтепродуктов? Или губная помада в тюбике в форме миниатюрного здания? Все эти варианты не позволяют осмысленно объединить эти два типа предметов в одну группу. Это не означает, что никакие предметы не сочетаемы. Может существовать прибор, который одновременно является вилкой и ложкой, или элемент одежды, сочетающий в себе юбку и шорты. Могут существовать животные, которые одновременно являются львами и тиграми или ослами и лошадьми (соответственно лигр и мул), не говоря уже о вымышленных существах, таких как грифон или кентавр. А если вы когда-нибудь играли в шалаше на дереве или спали в купе поезда, вы знаете, что дома можно комбинировать с другими объектами.

Если многие предметы сочетаются, то что мешает создать или хотя бы представить себе комбинацию дома и бальзама для губ? Для начала, дома большие. Они могут служить для нас ориентирами при передвижении по городу или убежищем, где можно скрыться и жить. Мы никогда не забирали и не сможем забрать их с собой. В отличие от тюбика с бальзамом для губ, дом нельзя положить в карман. Мы не связываем дом с каким-либо вкусом, текстурой или частью нашего тела. Не существует обычного способа взять дом в руки, открыть его или намазать им тело. Короче говоря, мы используем эти предметы совершенно разными способами, и это делает их несочетаемыми. Все различия между ними сводятся к одному – к масштабу. Мы можем перемещаться по отношению к крупным предметам, тогда как мелкие можем взять в руки и перемещать их по отношению к себе. Один тип вещей позволяет сказать, где мы находимся, а другой можно взять, держать в руках и использовать.

Но в мире есть еще и третий тип – непредсказуемые вещи. Я имею в виду живых, одушевленных существ: мух, пауков, хомяков, кошек, коров и представителей человеческого рода. Часто у нас нет возможности просто удерживать другое существо и делать с ним то, что захотим. В лучшем случае оно может сопротивляться или испугать нас. В худшем – укусить, раздавить или прогнать. Возможно, змея похожа на садовый шланг по форме и диаметру, но мы подходим к ним и обращаемся с ними по-разному. Короче говоря, нельзя рассчитывать на то, чтобы просто оказывать воздействие на живое существо: мы должны быть готовы отвечать еще и на его реакцию. Это справедливо в отношении обращения с животными, но, возможно, еще в большей степени справедливо при взаимодействии с другими людьми.

Для успешного общения мы постоянно собираем и оцениваем социальную информацию. Нам нужно знать, кто является нашим партнером, чтобы найти общее в нашей истории, оценить предыдущие действия человека и предсказать, как он станет действовать теперь. Мы должны извлекать информацию из нахмуренных бровей, расширенных зрачков или выразительного положения тела, чтобы определять настроение и намерения человека и корректировать предсказания о его последующих действиях. Абсурдно искать такую информацию в здании или предмете личной гигиены. Существует очевидная и важная граница между группами предметов, на которые мы можем воздействовать и с которыми мы взаимодействуем.

Такое интуитивное разграничение между типами объектов полезно для понимания особенностей зон распознавания предметов, которые ученые обнаружили в человеческом мозге. В целом эти зоны охватывают огромную область коры в задней части мозга, простираясь от внутренней нижней поверхности височной доли, через нижнюю внешнюю поверхность мозга вплоть до затылочной и теменной частей коры. Некоторые интересные данные позволяют предположить, что эти зоны являются островками на более крупной и всеобъемлющей карте распознавания предметов. Используя метод фМРТ, ученые показали, что эта всеобъемлющая карта организована в соответствии с двумя критериями – размером предметов и их одушевленностью[168]. В результате карта распознавания предметов делится на три большие области: крупных неживых предметов, мелких неживых предметов и живых существ любого размера. Карта устроена симметрично: крупные предметы отображаются на дальних концах вытянутой карты, а между ними по отдельности представлены мелкие предметы и живые существа всех размеров, как показано на рис. 31. Специфические зоны, которые специализируются на распознавании лиц и тел, такие как веретенообразная зона лиц, находятся в областях общей карты, отображающих информацию о живых существах. Такие зоны, как парагиппокампальная область мест, отвечающие за здания и другие пространственные ориентиры, располагаются в тех частях карты, на которых в основном отображаются крупные неодушевленные предметы.

Эта карта представляет собой ландшафт мозга, отображающий людей и предметы в окружающем нас пространстве и, что важнее всего, их значение для нас. Наиболее важные элементы, требующие точного распознавания, отображаются в крупных специализированных зонах. Это напоминает увеличенные области кистей рук на человеческой соматосенсорной карте S1 или увеличенное отображение центральной ямки на зрительной карте V1. Наиболее важным объектам отводится дополнительное пространство. А для людей такими важнейшими источниками информации являются другие люди. Распознавание лиц окружающих людей и их выражений играет для нас первостепенную роль – не только если мы хотим общаться, но и если хотим остаться в живых. То же самое справедливо в отношении распознавания окружающего пространства: важно знать, где мы находимся и как нам попасть в другое место. Но, возможно, самая важная информация, которую мы можем извлечь из карты предметов, заключается в понимании того, как мы формируемся под влиянием окружающего мира. Свойства окружающих нас предметов и существ предоставляют нам специфические возможности для действия или взаимодействия с ними[169]. В свою очередь, эти возможности и наш опыт их использования формируют структуру этой особой карты мозга.

Рис. 31. Основные зоны на человеческой предметной карте мозга. Художник Пол Ким.

Как сформировались специализированные зоны на нашей карте предметов? Учитывая, что зрительные и слуховые карты существуют в мозге зародыша еще до того, как у него появляются зрение и слух, возможно, дети рождаются, уже имея зоны предметов, которых еще не видели? Этот вопрос некоторое время был предметом горячих дискуссий. Но теперь у нас есть правдоподобные версии того, как развиваются (а в некоторых случаях не развиваются) зоны на карте предметов.

Повернем время вспять и окажемся в материнской матке. Волны активности из сетчатки, которые настраивали наши первые зрительные карты, не останавливались в области V1. Но к тому моменту, когда они дошли от сетчатки к таламусу и области V1, в ее ближние и дальние уголки, их сила и связность значительно уменьшились. Под влиянием этих слабых волн отдаленные территории еще незрелой зрительной коры сформировали слабое предпочтение по отношению к сигналам из определенных частей поля зрения[170]. Некоторые из этих клеток также приобрели слабое предпочтение по отношению к движению или простейшим видимым признакам, таким как форма или изгиб линий. Но по большому счету эти клетки оставались в химическом и структурном плане незрелыми для формирования строгих предпочтений и мощных сигналов еще на недели дольше, чем клетки зрительной карты V1, клетки карты звуковых частот A1 и клетки других первичных сенсорных карт. К моменту рождения человека зарождающаяся карта предметов была своего рода ничейной территорией, занятой молодыми нейронами, ожидавшими руководящих указаний.

С момента появления на свет мы получаем зрительный опыт, позволяющий тренировать клетки на этой ничейной территории. Новорожденные дети не выбирают, на что смотреть; обычно они видят то, что взрослые помещают непосредственно у них перед глазами. И в большинстве случаев это лицо самого взрослого. До трехмесячного возраста малыши чаще всего с близкого расстояния видят людей, которые о них заботятся[171]. В одном исследовании при анализе зрительного окружения маленьких детей выяснилось, что на каждый час записи 15 минут приходилось на изображение лиц крупным планом. Расположение человеческих сосков также может быть одним из факторов, способствующих восприятию лиц в младенчестве, поскольку в длительные периоды кормления новорожденный ребенок находится в непосредственной близости от материнского лица. Такое близкое и интенсивное раннее наблюдение за лицами – прекрасный способ обучения незрелых зрительных нейронов, особенно тех, которые уже имеют слабое предпочтение к сигналам из центральной ямки, в результате чего крупный фрагмент карты отводится на отображение и обработку информации о лицах. Важно, что эта территория будет включать в себя веретенообразную зону лиц.

Чтобы лучше понять, как на карте предметов возникают специализированные зоны, группа нейробиологов изучала детенышей макак. У взрослых макак карта предметов похожа на соответствующую карту у взрослых людей[172]; на обеих картах есть специальные зоны, участвующие в обработке образов лиц, частей тела, предметов и сцен. Исследователи показывали изображения новорожденным макакам и сканировали их формирующиеся карты предметов с помощью фМРТ[173]. В результате сканирования не удалось обнаружить признаков существования специализированных зон распознавания лиц или предметов. Наблюдались различные паттерны активности нейронов, соответствовавшие положению предъявляемых изображений на сетчатке, но не типам показанных на них предметов. Специфические и устойчивые ответы на лица и предметы возникали постепенно через пять или шесть месяцев после рождения животного.

Означает ли этот важный процесс возникновения специализаций в первые месяцы жизни, что для формирования таких зон, как веретенообразная зона лиц, в этот период обезьяны должны видеть лица? Чтобы ответить на этот вопрос, ученые выращивали трех обезьян с момента рождения в таких условиях, когда они не видели лиц ни людей, ни обезьян[174]. Люди, которые ими занимались, носили на лице маски. Когда обезьянам было около трех месяцев, им показали несколько изображений человеческих лиц – это были первые лица, которые они увидели. Возможно, вы думаете, что обезьяны уставились на лица, поскольку увидели их впервые. Но обезьяны стали рассматривать руки людей на картинках более внимательно, чем их лица, – между тем как обезьяны такого возраста обычно направляют внимание именно на лица. Через пять месяцев с помощью метода фМРТ ученые показали, что в мозге этих обезьян нет зон, ответственных за распознавание лиц. Если обезьяны в раннем возрасте не имели возможности видеть лица, на их картах предметов не формировались соответствующие зоны. Однако появились зоны, ответственные за восприятие наиболее подвижных, важных и социально значимых элементов из окружающей среды – частей тела, особенно кистей рук.

Это исследование было проведено на обезьянах, но есть доказательства, что такой же процесс происходит у людей. В результате сканирования мозга маленьких детей методом фМРТ выяснилось, что основные зоны, ответственные за обработку информации о лицах и сценах, можно обнаружить у детей в возрасте от четырех до шести месяцев[175]. В младенчестве и в раннем детстве реакция на предметы разного рода на формирующейся карте предметов становится более устойчивой и четкой. На общей карте выделяются специализированные зоны для наиболее значимых категорий, таких как лица или тела, и они занимают более обширные территории[176]. В частности, зоны лиц продолжают увеличиваться и специализироваться и в подростковом возрасте, что сопровождается постоянным улучшением способности распознавать лица.

Предполагается, что этот длительный период уточнения и нейронной специализации зависит от того, видит ли ребенок лица, однако экспериментально это не подтверждено. Из этических соображений нельзя лишать ребенка возможности видеть лица в первые месяцы или годы жизни. Однако некоторые дети рождаются или воспитываются в таких условиях, в которых они видят лица по-другому. В эту категорию попадают дети, родившиеся с катарактой. Катаракту можно удалить, но время проведения операции влияет на развитие мозга. В частности, если у маленького ребенка левый глаз был временно закрыт плотной катарактой, возможно, у него никогда не разовьется нормальная способность распознавать лица[177]. Не давая левому глазу возможности видеть лица, катаракта лишает правое полушарие информации о лицах в первые месяцы жизни ребенка. Даже после операции и многократных наблюдений лиц в последующие годы у таких людей обычно присутствует как минимум частичное нарушение распознавания лиц. Это долгосрочное нарушение подтверждает, что возможность видеть лица в первые месяцы жизни играет особую и незаменимую роль.

Возможно, дело в том, что через четыре месяца после рождения ребенка мозг уже недостаточно восприимчив для развития зон, ответственных за обработку информации о лицах. Или, может быть, к этому времени ребенок лишается возможности жить в окружении лиц. В первые четыре месяца он преимущественно видит человеческие лица, но ситуация довольно быстро меняется, когда он учится сидеть, ползать, трогать различные предметы и держать их в руках. Время наблюдения за лицами резко сокращается. Вместо этого ребенок гораздо чаще видит руки – как свои собственные, так и руки того, кто его растит, – обычно с игрушкой, чашкой или каким-то другим предметом[178]. Теперь дети исследуют мир, выбирая, с чем они хотят взаимодействовать, и их зрительный опыт определяется новыми положениями и движениями тела. По мере того как лица в поле зрения сменяются руками и предметами, новый зрительный опыт специфическим образом способствует отображению на предметной карте мозга уже не лиц, а частей тела и мелких предметов.

Следующий важный этап в развитии карты предметов наступает примерно в пятилетнем возрасте, когда дети учатся читать. В процессе овладения грамотой у детей развивается новая зона мозга, которая специализируется на обработке написанных слов и последовательностей букв, особенно того алфавита и языка, на котором дети учатся читать[179]. Эта зона развивается прямо рядом с веретенообразной зоной лиц в левом полушарии и со временем захватывает некоторую часть территории лиц, превращая нейроны, ранее предпочитавшие реагировать на лица, в нейроны, предпочитающие письменные символы. Одновременно у детей увеличивается веретенообразная зона лиц в правом полушарии, как бы компенсируя потери в левом.

Если люди учатся читать не в детстве, а уже будучи взрослыми, зона лиц на карте предметов не перестраивается. К этому времени зрелость и опыт, вероятно, фиксируют зоны лиц, предотвращая любые возможные притязания на территорию левой веретенообразной зоны лиц. Конечно, это не означает, что взрослые люди не могут научиться читать; многие могут. Но данное наблюдение помогает объяснить, почему этот процесс происходит труднее и не позволяет достичь такого же быстрого и плавного чтения. Оно также показывает, что такие же принципы, как при построении карт M1 и A1, работают и при построении предметных карт: участки карты экспроприируются и сдаются в жестокой борьбе за пространство мозга. Когда время проходит и пыль оседает, вовлечение территории мозга в обработку чего-либо (какого-то типа предметов или диапазона звуковых частот) оказывает глубокое влияние на нашу способность обнаруживать, различать и идентифицировать.

Этот жесткий процесс захвата территории в процессе развития не означает, что взрослые не могут узнавать новые типы предметов. Хотя островки на зрелой карте предметов отводятся под обработку информации о каких-то специфических типах предметов, таких как лица, даже в мозге взрослых людей остается пространство для отображения менее привилегированных типов предметов или для узнавания новых предметов. Отображение новых предметов производится с помощью распределенного кодирования, как в пириформной коре для отображения запахов. Мы изо дня в день видим новые устройства и в результате этого опыта наносим их на свою карту предметов. Распределенное кодирование обеспечивает гибкость, необходимую для распознавания новых типов предметов.

В одном хитроумном эксперименте было показано, как нейронное отображение новых предметов становится менее распределенным по мере того, как люди больше узнают об этих предметах и их использовании. Ученые тренировали взрослых людей использовать самодельные приспособления, собранные из детских конструкторов, чтобы тянуть, толкать, поднимать или разбрасывать другие предметы[180]. Когда люди видели изображения этих приспособлений до тренировки, сканы показывали рассеянные или распределенные картины активности на их картах предметов. Но когда им показывали изображения приспособлений после тренировок, повторное сканирование демонстрировало наличие специфической активности в островке предметной карты, ответственном за отображение инструментов. Иными словами, одно и то же изображение вызывало на картах предметов разную активность до и после того, как люди узнавали, как использовать эти самодельные устройства. Отображение устройств поменялось не из-за изменения зрительной информации, а из-за накопленных знаний и опыта. Этот результат прекрасно подтверждает, что распознавание не сводится к зрительному восприятию.

На самом деле ученые уже задумались о том, имеет ли смысл вообще воспринимать карты предметов и составляющие их зоны в качестве зрительных областей. Эти зоны никоим образом не ограничиваются обработкой только зрительных сигналов[181]. Если мы закрываем глаза и слышим слово “молоток” или стук молотка, усиливается активность зоны мозга, ответственной за отображение инструментов. То же самое происходит, если мы изображаем рукой движение, как будто пользуемся молотком, или даже просто представляем себе это действие. Более того, слепые от рождения люди имеют такие же карты предметов, как зрячие люди. По многим аспектам строения и расположения их карты предметов очень похожи на карты зрячих людей, хотя одни люди при распознавании предметов в основном ориентируется на зрение, а другие никогда предметов не видели[182].

Мы еще многого не знаем о том, как карты предметов и их специализированные зоны выполняют важную функцию распознавания, но организация этих специфических зон позволяет делать интересные заключения. Важнейшие разграничения на карте между предметами разного размера и одушевленными и неодушевленными объектами указывают на неочевидную, на первый взгляд, истину: свойства каждого предмета определяют возможность нашего взаимодействия с ним. Все в нашем мире содержит важную информацию, но какую именно информацию мы извлечем, зависит одновременно от характеристик предметов и от наших нужд. Островки на карте, которые отвечают за распознавание лиц, тел и сцен, показывают, насколько информация об обществе и окружающей среде важна для нас в каждодневной жизни.

Эта информация достается нам не сразу, мы получаем ее с годами обучения и опыта. А многие из нас по самым разным причинам вообще не получают возможности пользоваться этой информацией. В следующий раз, когда знакомый вас не узнает или ваш друг потеряется на прямой дороге, вспомните, насколько сложными, вообще говоря, являются способности распознавания. Каждый раз, когда мы вновь что-то узнаем, совершаются чудеса обучения и отображения.

Наши чувства и движения удивительно разнообразны, однако все они служат ответом на конкретные физические явления. Если бы восприятие и действие определялись тем, что происходит здесь и сейчас, было бы логично предположить, что карты чувств и движений ограничиваются отображением моментальных событий, происходящих вокруг и внутри нас. Однако это не так. Скорее напротив, карты мозга могут уносить нас за пределы этого “здесь и сейчас”, отображая то, что произошло давно, две минуты назад или вообще никогда не происходило.

Самый удивительный пример действия этой способности мозга переносить нас в прошлое или будущее, который мне известен, связан с рассказом молодой женщины об одном дне, который, вероятно, был худшим днем в ее жизни. Уайлдер Пенфилд называл ее ММ[183], а я назову Мириам. Она была в сознании и бодрствовала, пока врачи готовили ее к хирургической операции. Ей разрезали кожу головы и вскрыли череп, обнажив мозг, так чтобы Пенфилд с коллегами могли найти источник мучительных приступов. В отличие от других пациентов Пенфилда, о которых мы уже говорили, у Мириам приступы начинались не с конвульсий. На нее накатывало ощущение, как будто она “все это уже переживала раньше”[184]. В другие моменты ее возвращало к прошлому, иногда к такому, о котором она уже не помнила. После подобных переживаний она куда-то шла в бессознательном состоянии или произносила бессвязные фразы, о чем не помнила после прекращения приступов.

В поисках причины приступов Пенфилд исследовал правую сторону мозга пациентки с помощью электрода. Он начал со стимуляции участков височной доли, продвигаясь к гиппокампу, расположенному под поверхностью коры и играющему очень важную роль в функции памяти. После одной такой стимуляции пациентка сказала: “Мне кажется, я слышала, как мама где-то звала своего маленького сына. Наверное, это происходило давно”[185]. Когда ее попросили объяснить, что она слышит, она добавила: “Это было где-то по соседству с тем местом, где я живу”.

Когда Пенфилд вновь стимулировал эту точку, пациентка сказала: “Я слышу те же знакомые звуки. Кажется, это зовет женщина, та же самая. Но это не рядом. Похоже, это в дровяном сарае. – А потом добавила: – Я никогда подолгу не бывала у дровяного сарая”.

Пенфилд продолжал работать, исследуя новые точки мозга с помощью электрода. Когда он простимулировал еще одну точку, женщина произнесла: “Я слышу голоса. Поздняя ночь, какой-то карнавал – что-то вроде бродячего цирка. Я видела много больших фургонов, в которых перевозят животных”. И в другой точке: “Ой, это очень-очень знакомое воспоминание, в каком-то кабинете. Я вижу столы. Я была там, и кто-то меня позвал – сидящий за столом мужчина с карандашом в руке”. Пенфилд приближался к участку, откуда начинались приступы. Медленно, но уверенно работая скальпелем, он вырезал большой участок коры из боковой части мозга, а затем простимулировал более глубокие ткани, которые теперь оказались на поверхности. При одной стимуляции пациентка сказала: “Я чувствую очень скорое приближение приступа. Думаю, он начинается – знакомое воспоминание”. И при следующей: “Ой, это больно, и это знакомое чувство – знакомое воспоминание, – это место, где я вешала пальто, когда ходила на работу”.

Это последнее, что мы услышали от Мириам. Пенфилд закончил операцию, используя ее ответы и пробужденные воспоминания, чтобы локализовать поврежденный участок, с которого начинались приступы. Он нашел его рядом с гиппокампом. Ткань затвердела, возможно, из-за сдавливания в результате осложнения при родах. Хотя Пенфилд этого не рассказывал, вероятно, его скальпель продвинулся глубже, чтобы извлечь остатки поврежденной ткани. Мы можем только надеяться, что Мириам выжила после операции, поправилась и вернулась к более нормальной жизни.

Кроме тяжелых обстоятельств хирургической операции Мириам и того, что в процессе операции ей удалили часть мозга, в рассказе Пенфилда есть еще один тревожный элемент. Высказывания Мириам от первого лица о ее опыте ментальных путешествий кажутся странными, а этот опыт – почти магическим. Крохотный электрод в мозге переносил ее в разные места и в разное время. Чувства заставляли ее воссоздать то, чего не было рядом. Она находилась в стерильной операционной, обернутая простынями и бинтами и окруженная медицинским персоналом, но она слышала голос чьей-то матери, видела фургоны и незнакомого человека и чувствовала, что была где-то еще. Все это напоминает научную фантастику.

Несмотря на исключительность истории Мириам, ее опыт перемещения за пределы “здесь и сейчас” исключительным не является. Нас каждый день переносят, или мы по собственной воле переносимся в другие место и время. На самом деле примерно половину времени бодрствования мы думаем о чем-то ином, а не о том, что делаем или воспринимаем в данный момент[186]. Мы часто слышим, видим и чувствуем то, что не находится перед нами. С помощью воображения мы представляем себе вымышленные события или возможное будущее. Мы можем вызвать у себя прошлые ощущения, вспомнить выражение чьего-то лица или звук голоса. Мы фокусируем внимание на недавних ощущениях или действиях, словно мысленно повторяем список покупок или мысленно проделываем обратный путь в поисках потерянной связки ключей. Ночью мы попадаем во власть снов, наполненных чувствами и действиями, существами и эмоциями, – и слюнявим в темноте подушку.

Зачем нам эта способность испытывать то, что не происходит прямо сейчас, в этот конкретный момент? И как наш мозг выполняет эту поразительную работу? Как вы могли догадаться, ответ, хотя бы отчасти, кроется в изобилии карт мозга.

На первый взгляд может показаться, что в нашем мире нет наименее подходящего предмета для научного исследования, чем мысленные образы. Они невидимы и нематериальны, выхвачены из пустоты, чтобы мгновенно промелькнуть и вновь прекратить существование. Что такое воображаемые объекты? Кто вызывает их в своем сознании? И как они возникают и исчезают? На эти вопросы трудно ответить. Как изучать что-то, что нельзя объективно наблюдать, чувствовать или измерять? И неужели ученые настолько наглы и безрассудны, что пытаются это сделать?

Одна из первых серьезных попыток заняться мысленными образами и сделать их предметом научных изысканий была предпринята в Англии в 1870-х годах. Людей просили ответить на вопросы с необычными мысленными упражнениями такого рода:

“Подумайте о чем-то конкретном – представьте себе, что вы сидите утром за завтраком, – и внимательно рассмотрите картину, возникающую у вас перед глазами[187].

Освещение. Изображение смутное или достаточно четкое? Сравнима ли его яркость с яркостью реальной сцены?

Четкость. Одинаково отчетливо очерчены все предметы или в каждый момент времени какой-то участок выделяется четче, чем в реальности?

Цвета. Насколько различимы и естественны цвета фарфора, хлебного тоста, хлебной корочки, горчицы, мяса, петрушки и всего остального?”

Возможно, у вас за завтраком не было фарфоровой посуды или хлебной корочки, но вы, вероятно, можете вспомнить, что делали и что вас окружало сегодня утром. Неважно, чтó вы вспомнили, но тот факт, что вы можете увидеть это мысленным взором, кажется вам нормальным. Однако все ли люди одинаково вспоминают и визуализируют события и места из прошлого? До составления этого странного опросника никто данной проблемой не интересовался. Другие упражнения, вроде описанного ниже, помогают выявить другие формы воображения и позволяют проанализировать, что участники опроса испытывали под действием разных чувств.

“Представьте себе вещи, перечисленные в каждом из шести пунктов, обозначенных буквами от А до Е, и оцените, является ли ваше мысленное представление о них очень смутным, смутным, удовлетворительным, хорошим или же живым и сопоставимым с реальным ощущением[188].

А. Свет и цвет. Небо, ровно затянутое облаками (без учета ландшафта): сначала светлое, затем хмурое. Густой туман: сначала белый, затем последовательно голубой, желтый, зеленый и красный.

Б. Звук. Стук дождя в оконное стекло, удар хлыста, церковный колокол, жужжание пчел, железнодорожный свисток, звон от соприкосновения чайной ложки с блюдцем, хлопанье двери.

В. Запах. Смола, розы, потухшая масляная лампа, сено, фиалки, меховое пальто, газ, табак.

Г. Вкус. Соль, сахар, лимонный сок, виноград, шоколад, желе из черной смородины.

Д. Прикосновение. Бархат, шелк, мыло, клей, песок, тесто, хрупкий опавший лист, сосновая иголка.

Е. Другие ощущения. Тепло, голод, холод, жажда, усталость, жар, дремота, сильная простуда”.

Все эти вопросы, от горчицы и петрушки до шелеста опавших листьев, родились в голове Френсиса Гальтона – необузданного мыслителя, занимавшегося самыми разными вещами. Он изучал статистику, метеорологию, особенности человеческого восприятия и психологию и писал на эти темы. Возможно, в наши дни он больше всего известен в качестве основоположника евгеники – псевдонаучного политического направления мысли, постулировавшего генетическое и умственное превосходство одних рас над другими и защищавшего возможность общественного вмешательства в жизнь отдельных людей, чтобы подчеркнуть приоритет “высших рас” и их “лучших генов” в ущерб остальным. Эти ужасные идеи использовались для оправдания расового неравенства, насильственной стерилизации и даже геноцида.

Термин “евгеника” был предложен самим Гальтоном в одной из его книг. В ней он посвятил целую главу описанию своих революционных исследований в области воображения. Представленный выше опросник был предложен сотням людей, включая ученых, художников, школьников и уличных прохожих, однако Гальтон уделил особое внимание ответам сотни взрослых мужчин, из которых “как минимум половина отличились в области науки или другой интеллектуальной деятельности”. По мнению Гальтона, их ответы характеризовали лучшее порождение человечества – европейского мужчину из аристократического общества.

Если Гальтон надеялся увидеть, что у всех этих идеальных индивидуумов было либо слабое, либо сильное воображение, и показать, что это знак высшего интеллекта, он был горько разочарован. Их способности создавать мысленные образы различались в широком диапазоне. Например, один человек заявлял, что “все предметы в мысленном представлении столь же ярки, как в реальной картине”. Другой описывал воображаемую картину как “достаточно четкую, но не сопоставимую с реальностью”. А третий отвечал: “Мои способности нулевые. Для меня память фактически не связана с объективными зрительными впечатлениями. Я помню стол за завтраком, но не вижу его”. Самый очевидный вывод, который можно сделать на основании выборки Гальтона, заключается в том, что в целом никакие обобщения невозможны. Люди сильно различаются по живости и четкости мысленных образов, если они вообще способны их создавать.

Для того времени исследование Гальтона носило революционный характер и представляло собой первое глубокое изучение человеческой способности создавать мысленные образы. В нем также впервые был применен подход, который стал обычным для современных исследований: проведение опросов. Однако, подобно многим первым специалистам в области психологии и нейробиологии, Гальтон думал, что открывает окно в человеческий разум и мозг, но при этом закрывал двери для большей части человечества[189]. Его работа напоминает нам о том, что поиски научной истины всегда связаны с контекстом – временем, местом и конфликтом взаимосвязанных тенденций и представлений. Задача в том, чтобы беспристрастно взглянуть на прошлое и произвести отсев: одновременно признать то, что имеет ценность, и четко увидеть и назвать то, что под прикрытием науки прячет ненависть и страх.

Из исследований Гальтона и большой последующей работы мы знаем, что люди по-разному и с разной степенью интенсивности создают мысленные образы. Но большинство людей в той или иной степени и в той или иной форме их создают. Некоторые даже обладают настолько живым воображением, что считают его разрушительным и отвлекающим. Во всех случаях воображаемое ощущение запускается какой-то искрой: желанной мечтой, согласно письменным трудам Гальтона, или электрическим импульсом, направленным непосредственно в мозг, как в случае Мириам. Воображение запускается многими путями. Но из чего оно создается и почему оно во многом сходно с восприятием?

Ответ на этот вопрос на удивление прост. Мысленные образы ощущаются так же, как и непосредственное восприятие, поскольку в их создании задействованы многие участки мозга, которые задействованы в восприятии реальности. Воображение и прямое восприятие происходят почти одинаково. Современные технологии, такие как сканирование мозга с помощью фМРТ, позволили совершить прорыв в нашем понимании того, как создаются мысленные образы. Сканирование показывает, что активность нейронов зрительной карты V1 отображает содержание мысленных образов человека, буквально формируя картину в мозге[190]. На рис. 32 показано, что воображение и восприятие создают похожие картины активности в области зрительной карты V1, хотя эта активность в случае воображения слабее, чем при восприятии реальности.

Область V1 далеко не единственная зрительная зона мозга, вовлеченная в создание мысленных образов. Например, соседняя с М1 зрительная карта в области V2 тоже участвует в игре[191]. Воображение движения вызывает активность в зоне зрительной коры, предпочтительно реагирующей на движение[192]. Представление лица вызывает активность в веретенообразной зоне лиц, а представление пространства активирует парагиппокампальную область мест[193]. Повсеместно для разных карт мозга мысленное представление чего-либо связано со слабой активацией тех же участков мозга, которые необходимы, чтобы видеть соответствующий предмет.

Рис. 32. Сравнение зрительного восприятия и процесса создания мысленного образа с помощью зрительной карты V1. Художник Пол Ким.

Подумайте об этом. Зрение возникает за счет паттернов света, достигающих глаза и стимулирующих сетчатку. Мысленные образы полностью формируются внутри головы темной массой мозговых клеток, которых никогда не касался ни один луч света. Но эта темная масса может почти так же активировать зрительную кору, как глазное яблоко. В области V1 эта активность формирует точную картину того, что мы себе представляем, только “нарисованную” не чернилами, а возбужденными нейронами. Если речь идет о зрительной коре, воображение напоминает ослабленный вариант истинного зрения[194].

И это только начало. С помощью воображения можно создавать не только зрительные образы. Какой бы образ мы ни создавали, мы делаем это путем активации соответствующих карт мозга, имитируя специфическую активность, которая возникала бы при реальном восприятии воображаемой вещи. Если мы представляем себе звук или слышим песню в голове, это можно увидеть по активности в области карт звуковых частот, включая A1[195]. Если мы представляем себе прикосновение к какой-либо части нашего тела, это воображаемое ощущение возникает благодаря активности тактильных карт, включая карту S1[196]. Когда мы представляем себе, что говорим, активируются те области мозга, которые на самом деле функционируют при производстве речи[197]. Когда мы воображаем, что двигаем пальцами или рукой, усиливается активность нейронов в некоторых участках моторной коры, включая участок M1, ответственный за отображение движений руки[198].

Это сходство нейрональных основ воображения и реального ощущения или действия удивительно само по себе, но еще удивительнее то, как часто мысленные образы возникают в мозге. У большинства из нас их создание занимает преобладающую часть времени, когда мы погружены в размышления, не относящиеся к тому, что происходит здесь и сейчас. Фантазии – одно из очевидных проявлений воображения в нашей обычной жизни. Они помогают представить себе будущие события и подготовиться к ним. Однако воображение – не только основа фантазии. Например, люди часто видят, слышат или как-то иначе ощущают мысленные образы, когда читают или слушают рассказы или истории. Появление этих образов связано с активностью карт мозга, ответственных за зрительное, слуховое или тактильное восприятие[199]. Через эти образы мы видим, чувствуем и слышим мир, созданный для нас автором или рассказчиком.

Вспоминая, человек воспринимает образы людей, мест и события из прошлого[200]. Активность в области зрительной, слуховой и других карт мозга отображает эти вспоминаемые образы точно так же, как и образы, полностью созданные фантазией. Если бы мы не в такой степени привыкли использовать мысленные образы для доступа к информации о прошлом, мы бы оценили, какое это удивительное свойство. Мы не можем вновь войти в свою детскую комнату; возможно, ее уже больше не существует. Тем не менее большинство людей могут почувствовать, что вновь туда заходят, и могут увидеть комнату и детали находящихся там предметов. Пока наш разум и мозг этого хотят, мы буквально оказываемся там, даже если это место теперь существует только в наших мыслях.

Иммерсионная природа памяти может оказывать чудесное или чудовищное действие – в зависимости от того, хотим ли мы пережить эти воспоминания. Например, при посттравматическом стрессовом расстройстве или при депрессии людей часто посещают навязчивые и давящие образы из прошлого[201]. Эти болезненные или страшные воспоминания не имели бы такой силы, если бы память только перечисляла случившееся, не показывая, как все происходило и – особенно – что мы при этом чувствовали.

Мысленные образы позволяют нам возвращаться в далекое прошлое. Но мы пользуемся ими также для запоминания того, что произошло только что. Психологи называют это рабочей памятью – способностью удерживать “под рукой” информацию на короткий период времени. Допустим, вы увидели, как один автомобиль на скорости врезался в другой припаркованный автомобиль и скрылся. Вам нужно запомнить номер, пока вы не сможете его записать или кому-то сообщить. Что вы сделаете? Если у вас под рукой нет ручки или мобильного телефона, вы можете повторять про себя последовательность букв и цифр: NJ612B5. NJ612B5. NJ612B5. Эта “внутренняя речь” является вариантом мысленного образа.

Психологи много лет изучали это явление и сделали несколько интересных наблюдений[202]. Для рабочей памяти такого рода важен не смысл или зрительный образ слов или чисел, которые мы пытаемся запомнить, а то, как эти слова или числа звучат при произнесении вслух. Запомнить последовательность созвучных слов, таких как “цвет, свет, слет, сетка, ветка”, гораздо труднее, чем последовательность слов с непохожим звучанием. Аналогичным образом для рабочей памяти важна длительность произносимого слова, а не его длина на бумаге. Люди способны повторить в уме фразу, длящуюся не более двух секунд. Если она звучит дольше, к концу фразы они уже забывают начало.

Исследования с помощью фМРТ выявили роль карт мозга в функционировании рабочей памяти и тем самым помогли объяснить ее особенности. Исследования показали, что мы используем карту тела в моторной коре и карту звуковых частот в слуховой коре соответственно, чтобы вообразить, как мы произносим слова и как мы их слышим[203]. Вот почему трудно повторять в уме слова и одновременно с этим говорить или петь; реальная и воображаемая речь в значительной степени используют одни и те же участки мозга. Аналогичным образом, когда мы слушаем, как кто-то говорит, это мешает нам отображать звуки нашей внутренней речи с помощью слуховой коры. Короче говоря, эти области мозга могут обрабатывать реальные и воображаемые движения или звуки речи, но плохо справляются с тем и с другим одновременно.

Схожий процесс имеет место во второй форме рабочей памяти, которую мы используем для сохранения зрительной информации, такой как узор на ткани или расстановка фигур на шахматной доске[204]. Когда мы рассматриваем изображение, воссоздаем его в уме и сохраняем в рабочей памяти, активируется один и тот же участок зрительной карты мозга[205]. И как при звуках реальной речи нарушается рабочая память, основанная на внутренней речи, так способность удерживать в памяти изображение нарушается при рассматривании реального рисунка. Нейрональные отображения двух разных образов интерферируют друг с другом на зрительной карте мозга.

Воспоминания, рабочая память, восприятие истории и фантазия переносят нас в другие место и время, когда мы бодрствуем, но когда мы спим, работает иной тип воображения. Хотя сны и мысленные образы, намеренно создаваемые нами в дневное время, это не одно и то же, между ними есть родственная связь. Подобно воображению и воспоминаниям, сны запускаются сигналами из таких отделов мозга, как гиппокамп, использующих для отображения событий, действий, места и времени распределенное кодирование. И во всех случаях эти сигналы действуют через сенсорные и двигательные карты мозга, активируя их и заставляя нас переживать чувства и ощущать движения, хотя мы ничего такого не делаем. Как и мысленные образы, сны вызывают в мозге активность, соответствующую содержимому конкретного сна. Например, нейроны веретенообразной зоны лиц активируются, если мы видим во сне лицо[206].

Тот факт, что сны и воображение разыгрываются на картах мозга, указывает на большое значение этих структур, их зон и границ. Ландшафт мозга, который мы используем для восприятия мира, также формирует и искажает содержимое наших снов, памяти и фантазий. Например, именно поэтому даже во сне мы не видим, что происходит у нас за спиной. На наших зрительных картах нет территорий, отображающих пространство позади нас, и этого места нет ни в снах, ни в воображении.

На самом деле индивидуальные особенности карт мозга человека, такие как соотношение размеров отдельных зон на специфических картах, по-видимому, влияют на четкость мысленных образов. Поскольку на больших зрительных картах V1 отдельные нейроны обычно имеют маленькие рецептивные поля, люди со сравнительно большими картами V1 обычно отличаются более острым зрением или способностью различать более мелкие детали[207]. Примечательно, что люди с обширными картами V1 также часто имеют лучшую зрительную рабочую память и точнее определяют местоположение в зрительных мысленных образах[208].

Слабости мозговых карт могут объяснять, почему респонденты Гальтона так сильно различались по силе воображения. Но они не могут объяснить одного из его самых интригующих наблюдений: некоторые люди вообще не способны создавать мысленные образы. Гальтон писал: “К своему изумлению, я обнаружил, что значительное большинство ученых мужей, к которым я обратился в первую очередь, возразили, что мысленные образы им неведомы, и восприняли странным и нелепым, что я считал слова “мысленные образы” обозначением того, что, по моему мнению, знакомо всем людям. Они имели об их истинной природе не большее представление, чем не различающий цветов человек, не знающий о своем дефекте, имеет о природе цвета. У них был ментальный недостаток, о котором они не подозревали, и эти люди естественным образом полагали, что те, кто говорил о наличии у себя [этой способности], – выдумщики”[209].

Современные исследования подтверждают наблюдение Гальтона: у некоторых людей вообще не бывает мысленных образов. Но почему это так? Наука пока не нашла убедительного ответа на этот вопрос, но есть несколько интересных наблюдений. Ясно одно: поскольку способность создания мысленных образов зависит от активации сенсорных карт мозга, таких как зрительная карта V1, нарушения, затрагивающие восприятие, также ухудшают способность создавать мысленные образы. Если инсульт, травма головы или другие повреждения затрагивают зрительные области коры мозга и нарушают зрительное восприятие, они аналогичным образом вредят процессу создания зрительных образов[210]. Например, в результате повреждения определенного отдела зрительной коры мозга люди теряют способность различать цвета. Они по-прежнему видят мир, но только в черно-белой гамме. Они также все еще могут создавать отчетливые мысленные образы, но и эти образы лишены цвета. Люди с повреждением мозга, затронувшим веретенообразную зону лиц, не могут больше узнавать лица окружающих и мысленно представлять конкретные лица. Даже временное нарушение активности нейронов карты V1 у здорового человека путем транскраниальной магнитной стимуляции снижает эффективность выполнения упражнений, требующих как зрительного восприятия, так и создания мысленных образов[211].

Однако, хотя повреждения, нарушающие восприятие, обычно ухудшают воображение, обратное происходит не всегда. Вот пример мужчины, которого я назову Майклом. У этого шестидесятипятилетнего человека в результате хирургической операции на коронарных артериях возникло, казалось бы, незначительное осложнение[212]. До операции Майкл часто в связи со своей работой мысленно видел здания, а перед тем, как заснуть, видел лица и различные события. После операции он обнаружил, что не может воссоздавать зрительные образы в бодрствующем состоянии и не может видеть их ночью во сне. Проверка зрения и неврологических функций не выявила нарушений. Видел он хорошо. Он также мог запомнить то, что видел. Но ему не удавалось вызвать в памяти образы. Майкл отмечал: “Я могу вспомнить детали, но не могу их увидеть… Не знаю, как это объяснить… Время от времени мне не хватает способности видеть”. Состояние Майкла – неспособность создавать мысленные образы – получило название только недавно: афантазия[213].

Ученые исследовали мозг Майкла с помощью фМРТ. Когда он смотрел на изображения знакомых лиц, в веретенообразной зоне лиц и на зрительной карте, в том числе V1, наблюдалась нормальная активность. Но когда его просили представить себе знакомое лицо, эти области проявляли значительно меньшую активность по сравнению с активностью у обычных людей, выполняющих такое же задание. Зрительные области мозга Майкла были функциональными и по виду нормальными, но по какой-то причине они не вовлекались в создание мысленных образов. Почему-то не разгоралась искра, которая должна была бы привести в действие нейроны в этой области.

Майкл потерял способность визуализировать образы после хирургической операции, однако другие люди, включая научных собратьев Гальтона, сообщали о том, что никогда не обладали таким умением. Эти люди не имели зрительных или когнитивных нарушений. У них были прекрасные творческие способности и память. И многие из них говорили, что до десяти или двадцати лет не подозревали, что другие люди действительно что-то видят мысленным взором[214].

Все это позволяет предположить, что создание мысленных образов не является важнейшей особенностью человеческого мышления. Хотя многие из нас используют возможности мозга для зрительного восприятия и привлекают его для запоминания, воображения и мысленной обработки информации, мозг может решать эти частные задачи другими путями. Мысленные образы – лишь одна из нейронных стратегий, один ловкий трюк, помогающий нам в наибольшей степени раскрыть возможности мозга. Зрительная карта V1 замечательно отображает зрительную информацию для восприятия. Почему бы мозгу не использовать ее еще и для отображения зрительной информации, которая содержится в воспоминаниях и в рабочей памяти, для понимания рассказов и воображения?

Явление, которое заключалось в том, что части мозга могут привлекаться для решения разных, но связанных задач, было названо переиспользованием нейронов[215]. Услышав этот термин, вы можете вообразить, будто мы берем забракованную неиспользованную вещь и находим для нее новое применение, однако это не так. Скорее мы находим дополнительное применение для того, что уже достаточно активно используется. В таком контексте, возможно, точнее было бы говорить об адаптивном соиспользовании нейронов. По сути, это все равно что посадить двух или трех человек за стол, за которым уже успешно работает один. Если у нас ограниченное количество столов, но нет недостатка в рабочей силе, такое уплотнение будет полезным; в таком случае мы извлечем из этого стола больше пользы. Однако есть и обратная сторона: теперь наши три работника конкурируют за пространство и ресурсы. Чем выше производительность одного работающего, тем дольше другие ожидают доступа к инструментам и пространству. Вот почему рабочая память на изображения или слова разрушается, когда мы что-то видим или слышим: у нас просто нет достаточного количества клавиатур и степлеров.

Тот факт, что мысленные образы и восприятие мешают друг другу, позволяет понять, почему люди так сильно различаются по способности создавать мысленные образы[216]. Хотя создание мысленных образов дает несколько очевидных преимуществ, вероятно, за это умение также приходится расплачиваться. Вынуждая восприятие делить рабочее пространство с воображением, люди, создающие мысленные образы, могут в какой-то степени проигрывать в четкости и точности восприятия. В таком случае афантазия не является “дефектом”, как описал ее Гальтон. Скорее это другой способ использования мозга, создающий другие преимущества и недостатки для восприятия, мышления и запоминания. Короче говоря, хотя оппортунистические стратегии, такие как мысленные образы, помогают извлекать из физически ограниченного мозга дополнительные возможности, они все же вступают в конкуренцию и вынуждены довольствоваться компромиссом, что характеризует любые аспекты функционирования карт мозга и отображения информации нейронами.

Благодаря бесстрашным ученым и новым технологиям теперь у нас появилась реальная возможность ответить на вопрос, что же такое мысленные образы. Однако мысленные образы – не единственный продукт разума, который, вообще говоря, мог бы оставаться недоступным для науки. Другой знакомый, но не всегда доступный для научного анализа элемент разума – внимание. Внимание невидимо, неуловимо и с трудом поддается описанию. Однако, как и создание мысленных образов, внимание функционирует благодаря картам мозга, и его можно обнаружить путем сканирования мозга.

Читая эту книгу, вы воспринимаете мои слова и извлекаете из них смысл. Вместо этого вы могли бы делать уйму других дел:

оценивать давление ботинка на большой палец ноги, слушать пение птиц или размышлять над извечным вопросом “Что у нас на ужин?” Возможно, теперь вы перестали читать и занялись чем-то подобным, но если вы это делаете, вы отчасти упускаете мои слова и их смысл. Есть нечто, что отводится либо книге, либо ужину, либо распределено тонким слоем между ними, как недостаточное количество приправы. Это нечто, знакомое нам с детства, и есть внимание. Заинтересованность, неожиданность или угроза плохой отметки заставляют нас уделять внимание какому-то одному предмету, событию или месту, полностью отключая наши ментальные ресурсы от всего остального. И мы делаем это постоянно и с легкостью. Когда речь идет о настройке и переключении этого эфемерного когнитивного ресурса, каждого из нас можно сравнить с дельцом с Уолл-стрит. Но что такое внимание и как наш мозг его создает?

Влиятельный американский психолог XIX века Уильям Джеймс описывал внимание так: “Каждый знает, что такое внимание. Это мысленное обладание в чистой и живой форме каким-то одним из нескольких одновременно возможных предметов или идей. Его суть заключается в локализации, концентрации и осознанности”[217].

Наверное, действительно все знают, что такое внимание. Но давайте представим себе на минуту человека или существо, которое этого не знает. Представьте себе существо с другой планеты, мозг которого регистрирует и обрабатывает сенсорные сигналы из окружающего мира точно и полностью – как некий вариант мультисенсорной видеозаписи всего видимого, слышимого и ощущаемого. Это существо не поймет определение Джеймса. Как разум может чем-то обладать? Как мы можем не замечать предметов или событий прямо у себя перед глазами? И что именно должно концентрироваться? Что локализуется, и где, и как? Природа опыта этого существа настолько далека от нашей, что мы, возможно, признали бы бессмысленными попытки объяснить, что такое внимание.

Но давайте все же попробуем. Одна из возможностей заключается в том, чтобы описать, как внимание влияет на наше поведение. Что мы получаем, если уделяем внимание какому-то месту или предмету? Если коротко, внимание позволяет нам лучше чувствовать некоторые вещи – то, что нас интересует, или то, что мы ищем. Мы лучше воспринимаем и различаем явления – размытые очертания, неясные звуки и все такое, – если обращаем на них внимание. Мы также быстрее их обнаруживаем. Концентрация внимания на каком-то предмете сравнима с использованием бинокля для наблюдения за удаленными объектами или инфракрасных очков для обнаружения людей в темноте; все это усиливает способность видеть нечто и понимать, что бы это могло быть.

Но у внимания есть и оборотная сторона. Обеспечивая нам лучшее восприятие конкретной цели, оно ухудшает восприятие всего остального. По-видимому, это ограниченный ресурс, который следует стратегическим образом перемещать с одного элемента на другой, как войска на поле битвы. Джеймс и многие другие считали, что одна из причин, почему внимание столь полезно, заключается в том, что оно защищает нас от волн несущественной информации, которую в противном случае доставляли бы нам наши чувства. По мнению этих ученых, если бы мы не концентрировали внимание, мы бы переполнялись и перегружались информацией. Однако для нашего пришельца из космоса дело обстоит иначе. Наш приятель счастливо пьет из рога изобилия полнейшего сенсорного опыта. Нет причин запрещать его мозгу воспринимать и обрабатывать всю информацию одновременно. И все же абсолютно ясно, что наш мозг этого делать не может. Почему?

Для ответа на этот вопрос вспомним о жестком компромиссе, возникшем в ходе эволюции мозга. Наш мозг не должен быть слишком большим, или слишком тяжелым, или потреблять слишком много энергии. Карты мозга – одно из естественных решений этой проблемы, это возможность извлекать максимум из ограниченного пространства мозга. Но просто наличия карт недостаточно. Они искажены увеличением, отводящим обширные территории для отображения сигналов от предпочтительных участков тела, поля зрения или звукового спектра в ущерб другим сигналам. Но даже при наличии искаженных мозговых карт огромный мир слишком суетен и обширен, чтобы мы могли воспринимать его целиком в любой конкретный момент времени. Чтобы получать и обрабатывать информацию обо всех местах, предметах и чувствах от всех наших карт одновременно, нам понадобился бы гораздо более крупный мозг. Невероятно крупный. Наш пришелец мог бы обладать такой способностью только при наличии огромной головы, немногочисленных или неразвитых чувств или и того, и другого. Внимание – превосходное решение для преодоления этих ограничений. Мы имеем маленькую голову и острые чувства, но при этом можем динамически повышать интенсивность обработки важной для нас информации за счет той, которая является второстепенной (по крайней мере в данный момент времени).

Легко увидеть, как внимание творит свое волшебство на всех картах мозга, которые мы уже знаем и любим. Когда вы концентрируете внимание на словах, напечатанных на этой странице, усиливается активность нейронов в участке зрительной карты V1, соответствующем центральной ямке. То же самое происходит в зоне предметной карты мозга, ответственной за отображение букв. Но когда вы переключаете внимание на то, как ботинок давит на большой палец правой ноги, активность на зрительной и предметной картах падает и повышается активность участка большого пальца ноги в левой части соматосенсорной карты S1. Проделайте это сейчас, переключите внимание от того, что вы видите, на то, что чувствуете. Заметим, что до и после переключения внимания на сетчатке глаз отображалась одна и та же картина светлых и темных точек и паттерн давления на кожу большого пальца тоже не изменился. Этот сдвиг вашего намерения отразился на том, насколько часто нейроны на картах V1 и S1 разряжаются при изменении вашего восприятия. Мы можем намеренно создать в голове мысленный образ, используя карты мозга, и точно так же мы можем намеренно повысить или понизить активность разных карт путем переключения внимания.

Подумайте, насколько легко и при этом значительно это действие изменило ваш опыт – от почти исключительно зрительного, основанного на картине отражения фотонов, до почти исключительно тактильного, основанного на механическом отталкивании молекул кожи от молекул ботинка. А теперь, если вы отвлечетесь от чтения и тактильных ощущений и прислушаетесь к звукам в окружающем пространстве, вы усилите активацию нейронов слуховой коры и одновременно осознаете существование звуков, которых раньше не замечали, – возможно, тиканья часов или птичьей трели. Настройте по очереди каждое из своих чувств. В каждом случае вы обнаружите множество поджидающих вас ощущений, незаметных до тех пор, пока вы не начнете их искать.

Но внимание – это не только моментальная привилегия для одного ощущения по отношению к другим. Даже в рамках одной сенсорной модальности оно может способствовать обработке информации из разных мест. И эту функцию внимания тоже можно обнаружить на наших мозговых картах. Например, когда вы концентрируете внимание на предметах в центре поля зрения, повышается активность в области зрительной карты V1, соответствующей центральной ямке, вне зависимости от того, что еще происходит в поле вашего зрения[218]. А теперь вы, не переводя взгляда, концентрируете внимание на другом, не на том, что перед вашими глазами. Возможно, вы пользовались этой уловкой, когда хотели украдкой на кого-то посмотреть. Когда вы смещаете зрительное внимание таким образом, активность нейронов падает в области V1, соответствующей центральной ямке, и повышается в соответствующем периферическом отделе карты V1.

Внимание также способствует выборочной обработке некоторых типов информации. Если мы хотим выделить лицо на сложной визуальной сцене, нам нужно сконцентрироваться на лицах, где бы они ни находились. Концентрация внимания на лицах усиливает активность зон на предметных картах, ответственных за лица, таких как веретенообразная зона лиц[219]. Это также помогает локализовать лица намного быстрее. Но если мы хотим обнаружить на рисунке здание, мы концентрируем внимание на зданиях и одновременно усиливаем активность парагиппокампальной области мест. Если мы хотим вычленить специфический звук речи, мы повышаем активность соответствующего отдела слуховой коры. А если хотим проверить, сладкая ли на вкус жидкость, то повышаем активность зон вкусовой коры[220].

Но когда мы пытаемся более детально разобраться в том, как именно концентрация внимания влияет на активность отдельных нейронов на картах мозга, дело значительно усложняется[221]. В некоторых случаях направление внимания на какой-либо предмет или место, которое является предпочтительным для конкретной клетки мозга, может напрямую влиять на частоту возбуждения этой клетки. Но нередко концентрация внимания оказывает более сложное действие. Она может усилить чувствительность нейрона, повышая вероятность его возбуждения при малейшем появлении сигнала. Или внимание может дополнительно повышать частоту спайкования в тех случаях, когда она уже высокая, то есть усугубить состояние активности и сделать различие между “нет ничего” и “да, что-то есть” более явным для остальных частей мозга.

Намеренная концентрация внимания на каком-то предмете оказывает заметное влияние на сенсорные карты мозга и восприятие. Но что запускает эти изменения? Если внимание подобно легиону солдат, стратегически перемещаемых между чувствами и частями сенсорных карт, какой генерал ими командует? На сегодняшний день мы знаем несколько ключевых элементов в этой командной цепи, и каждому из них соответствует собственная карта. Вспомните о пространственных картах значимости или намерений в теменной коре, которые собирают информацию от многих чувств и координируют их. Эти карты получают от разных чувств сведения о том, что важно и где это происходит, в каждый конкретный момент. Они передают ценную информацию моторной коре, так что мы способны реагировать на эти важные вещи или на поведение этих людей. Но эти карты также отсылают информацию назад к сенсорным областям, усиливая и активируя участки сенсорных карт в соответствии с текущими нуждами[222]. Моторная кора играет важную роль в концентрации внимания. Фронтальные поля глаз – это участки моторной коры, имеющие собственную зрительную карту. Нейроны фронтальных полей глаз обеспечивают движение глаз и отвечают за направленность взгляда на интересующие нас предметы и события. Но они также регулируют связанную с вниманием активность других участков мозга, в том числе сенсорных карт.

Хотя в мозге нет какой-то одной области, играющей главную роль в управлении вниманием, основные игроки сосредоточены в местах пересечения действия и восприятия. Внимание “знает”, что важно в поведенческом плане в конкретный момент времени, поскольку прислушивается к двигательной системе. В этом красота нашего мозга в качестве единого целого: восприятие всегда формирует действие, а действие постоянно на фундаментальном уровне формирует восприятие.

Среди всех мыслей и способностей, порождаемых разумом, внимание и мысленные образы кажутся наиболее личными и эфемерными. И поэтому удивительно, как много мы уже знаем о сути этих явлений и их связи с мозговыми картами.

Еще одной важной задачей нейробиологии является понимание того, как мозг отображает понятия и смыслы. Такие абстрактные понятия, как числа, время, любовь и неудача, не связаны с тем, что происходит здесь и сейчас. Их нельзя увидеть или потрогать, но их необходимо отображать, понимать и обсуждать. Замечательно, что карты мозга также играют определенную роль в отображении этих нематериальных сущностей.

В нашем путешествии по картам мозга пока полностью понятно одно: эти карты основаны на нашем теле и физических чувствах. Они информируют нас о важнейших объективных свойствах окружающего мира. Общей характеристикой этих карт является их физическая сущность – особая в каждом случае. Даже когда мы обсуждаем ментальные явления (мысленные образы и внимание), мы понимаем, что они имитируют на картах мозга физические ощущения и действия и их можно обнаружить на этих картах.

Но многое из того, о чем мы думаем и говорим, является абстрактным и неуловимым для восприятия. Попробуйте дотронуться до долга или сложного процента. Посмотрите, можете ли вы удержать в руках время или положить в карман любовь. Многие идеи, определяющие наше финансовое, социальное или эмоциональное состояние, не имеют формы, цвета, запаха или веса. Как мы схватываем эти неосязаемые сущности? Выясняется, что мы часто делаем это, снабжая абстрактные концепции физическими параметрами, а затем подключаем к работе карты мозга.

На первый взгляд, математика кажется вершиной человеческих абстракций. То, что в реальной жизни может быть тремя комочками земли или тремя галактиками мерцающей звездной пыли, изображается одним неясным символом. Говорим ли мы о семейном бюджете, траектории астероида или распространении новой заразной болезни, мы можем представить их, рассчитать и предсказать с помощью одного и того же простого набора чисел и математических операций. Математику можно использовать для описания вещей здесь и сейчас, однако ее возможности выходят далеко за пределы “здесь и сейчас”. Цифра 3 – это символ, но мы не можем потрогать или увидеть абстрактную концепцию тройки в физическом мире. Как мозг отображает подобные вещи?

Основы нашего понимания чисел связаны как минимум с двумя способностями мозга. Одна из них – понимание примерного количества[223]. Эта способность оценки количества свойственна не только людям; большинство видов животных умеют приблизительно оценивать количество предметов. Как иначе животное выбирает дерево, на котором больше съедобных фруктов, или почему покидает местность, где больше хищников?

Однако это ощущение примерного количества дает нам неточную информацию. Оно позволяет с ничтожной долей погрешности различать лишь малые числа (отличить 1 от 2 или 3). По мере увеличения чисел точность падает. Для приблизительной оценки 6 и 7 – почти одно и то же, а более крупные числа, такие как 12, 14 и 20, идентичны и соответствуют понятию “много”. Приблизительная оценка никогда не позволяет точно отобразить большие числа, такие как 1109. И не позволяет выполнять даже простейших вычислений, например: 14 + 18 = 32.

Нейробиологи обнаружили карты, поддерживающие приблизительную оценку чисел, в мозге обезьян и людей начиная с трехмесячного возраста[224]. Сканирование с помощью фМРТ выявило в мозге взрослых людей шесть карт приблизительной оценки чисел в каждом полушарии, больше всего в теменной коре[225]. Это гладкие непрерывные карты количества, для которых организующим параметром является приблизительная количественная оценка. Диапазон отображения на всех картах колеблется от одного до примерно четырех, пяти, шести или семи (несколько).

С помощью этого оценочного представления о количестве мы создаем ассоциации между числами и пространством[226]. Эти ассоциации возникают не только у математиков или людей, способных выполнять простейшие арифметические действия. Многие исследования показывают, что птицы, обезьяны и маленькие дети связывают между собой количество и расстояние или пространство[227]. У людей эти ассоциации усиливаются и дополнительно согласуются в процессе школьного обучения. Они также зависят от культурной среды. Например, в тех культурах, где читают слева направо, небольшие числа строго ассоциируются с пространством с левой стороны от тела, а большие – с правой стороны от тела. Дело в том, что при усвоении письменных чисел в школе и в другой среде люди привыкают к рядам чисел, возрастающих слева направо. Взгляните на временнýю шкалу или любую горизонтальную ось на школьном графике, и вы убедитесь, что это универсальная договоренность. Однако дети, растущие в культурной среде, где читают справа налево, связывают пространство и числа противоположным образом; для них небольшие числа ассоциируются с пространством с правой стороны[228].

Неудивительно, что дети обучаются этим договоренностям. Удивительно то, как их мозг усваивает пространственные ассоциации и использует их для отображения чисел. Этот процесс подразумевает использование карт мозга, отображающих физическое пространство, для отображения чисел. Результирующее перекрытие между отображением пространства и чисел в мозге называют мысленной числовой линией.

Однако мы связываем числа и пространство не единственным способом. Любой человек может использовать несколько видов связи между пространством и числами. Например, люди выстраивают для этого вертикальную мысленную числовую линию, связывая небольшие числа с нижней частью пространства, а большие – с верхней частью. А выбор шкалы лево/право или низ/верх зависит от конкретной задачи и контекста[229].

Для того чтобы понять, как переплетены между собой отображения пространства и чисел на мысленной числовой линии, лучше всего проанализировать их взаимодействие. Например, когда люди видят небольшие числа в центре поля зрения, они обычно переводят пространственное внимание в ту сторону поля зрения, которая для них ассоциирована с небольшими числами[230]. Люди также быстрее оценивают, является ли большое число четным или нечетным, если оно находится в той части поля зрения, которое для них связано с большими числами, чем если оно находится в той стороне, которая связана с малыми числами. А какие числа относятся к большим или малым, зависит от контекста. Если вы обдумываете, сколько шариков мороженого купить, один шарик, вероятно, ассоциируется с пространством слева, два – с пространством прямо перед вами, а три – с пространством справа. Но если вы сравниваете цены на автомобили, даже числа, соответствующие пространству слева и, следовательно, считающиеся сравнительно небольшими, могут составлять десятки тысяч. Короче говоря, мы используем мысленную числовую линию для гибкого сравнения конкретных чисел и вынесения суждения о них, даже о таких больших, которые находятся далеко за пределами нашей оценочной карты. И поскольку мы привлекаем к решению этой задачи пространственные карты, размышления о числах влияют на распределение нашего пространственного внимания, подобно тому как внимание к частям пространства влияет на наше понимание чисел.

Эту связь можно наблюдать на примере пациентов с синдромом одностороннего игнорирования. Такое состояние часто возникает после инсульта или другого травматического события с повреждением теменной коры в правой части мозга. Вспомните, что теменная кора важна для концентрации внимания на окружающем пространстве и находящихся в нем предметах. Подобно тому, как зрительная кора правой части мозга отображает левую половину поля зрения, теменная карта правого полушария отображает пространство с левой стороны от нашего тела, к которому приковано внимание. Пациенты с синдромом одностороннего игнорирования, вызванного повреждением правой части теменной коры, отличаются полным отсутствием внимания (или отсутствием осознания) по отношению к предметам, событиям и даже частям собственного тела с левой стороны. Во время еды такой человек может съедать все, что лежит на правой стороне тарелки, а затем просить добавку, не подозревая, что его тарелка опустела только наполовину. Но если кто-то доброжелательно повернет тарелку на 180 градусов, так что оставшаяся еда окажется справа, человек осознает это и радостно все доест.

Интересно, что синдром одностороннего игнорирования влияет на способность людей справляться с простыми упражнениями с числами[231]. Допустим, перед нами пациент, выросший в обществе, где читают слева направо. Он сидит перед экраном компьютера, в центре которого поочередно появляются цифры. При появлении каждой цифры (от 1 до 9, кроме 5) его просят как можно быстрее указать, больше ли она 5 или меньше. Хотя этот человек способен дать правильный ответ во всех случаях, он делает это медленнее в случае 4, чем в случае 6. Почему это так? Дело в том, что для ответа на вопрос человек должен представить самого себя в позиции 5 на мысленной числовой линии. Это превращает числовую задачу в пространственную: находится ли данная цифра слева или справа от меня? Но в результате синдрома одностороннего игнорирования пациент не способен концентрировать внимание на числах, находящихся слева, и поэтому не может указать, что цифра 4 находится слева от цифры 5. Для правильного ответа на вопрос ему нужно использовать другую стратегию, на которую требуется больше времени.

Мы достоверно знаем не только то, что мозг осмысляет числа через пространство, но и то, что он использует для этой цели наше собственное тело. Первые указания на это появились в 1924 году, когда известный австрийский невролог Йозеф Герстман описал случай пациентки с необычными симптомами, продолжавшимися на протяжении месяцев после перенесенного инсульта. Герстман обратил внимание, что у женщины наблюдалась “явная неспособность оперировать числами и понимать их. И серьезные нарушения способности к счету”[232]. У нее также обнаружились “отдельные нарушения умения узнавать и называть собственные пальцы. Каждый раз она не может отличить указательный палец от среднего и безымянного, мизинца или большого и кажется растерянной. Если ее просят дотронуться до конкретного пальца, показать его, выпрямить или назвать, она совершает много ошибок и демонстрирует типичную беспомощность, связанную с отсутствием осознания или с замешательством”. Когда похожие нарушения были обнаружены у других пациентов, ученые установили, что виновато в этом повреждение специфического участка теменной коры.

Герстман выдвинул гипотезу о том, каким образом распознавание пальцев и расчеты могут быть связаны между собой в мозге. Он отметил, что дети часто учатся считать и выполнять простейшие арифметические действия на пальцах. Связь между пальцами и числами настолько прочная, что в большинстве культур используется десятеричная система счета, в которой числа группируются десятками, и многие слова, включая “диджитал”, происходят от слов, ранее использовавшихся для описания пальцев или кистей рук. Если дети и культурная традиция используют пальцы для перехода в царство чисел, возможно, мозг делает то же самое.

Несколько десятилетий спустя Элизабет Уоррингтон и Марсель Кинсбурн, в то время работавшие в Национальном госпитале на Квин-сквер в Лондоне, обследовали пациентов с повреждениями теменной коры и такими же симптомами, как у пациентки Герстмана. Они очень подробно описали трудности пациентов в распознавании собственных пальцев. Вот что они писали: “Пальцы потеряли индивидуальность не только в плане очередности, но и на более глубоком уровне. Потеряно отличие одного от другого, как минимум в отношении прикосновения, тактильной схемы. Как будто пальцы слились в единый комок”[233]. Эта утрата ясности, возможно, является отражением потери карты мозга, которая связывает тактильные и пространственные координаты тела и привлекает внимание к пальцам и кистям рук.

Недавние исследования с помощью современных технологий подтверждают гипотезу, что в теменной коре есть участок, ответственный за распознавание пальцев и обработку информации о количестве. В одном исследовании у здоровых участников эксперимента активность нейронов в этой области подавляли с помощью транскраниальной магнитной стимуляции[234]. После стимуляции участники плохо справлялись с упражнениями по распознаванию пальцев и обработке информации о количестве. Другая исследовательская группа с помощью электродов напрямую стимулировала этот участок теменной коры пациентов во время хирургических операций по удалению опухолей мозга[235]. Когда ученые стимулировали этот участок мозга, у пациентов возникали трудности с распознаванием пальцев и расчетами. Один пациент, которому во время стимуляции задали простую арифметическую задачу, многократно просил ученых повторить числа, поскольку, как он выразился, он их не понимал.

В экспериментах с применением фМРТ также была выявлена активность в этом участке теменной коры и вокруг него у здоровых участников, которые идентифицировали собственные пальцы и осуществляли арифметические расчеты. Однако ученые считают, что выполнение этих двух дел может сопровождаться активностью в двух отдельных, близко расположенных участках мозга, а не на одной территории[236]. Возможно, мы используем для вычислений не всю мультисенсорную пространственную карту пальцев, а лишь часть ее территории аналогично тому, как мы задействуем часть веретенообразной зоны лиц в левом полушарии для распознавания букв, когда учимся читать.

Связь между пальцами и числами также подтверждается при анализе процесса обучения математике. Способность детей различать пальцы является очень хорошим предсказательным критерием их способности выполнять численные задачи через три года после момента тестирования[237]. Возможно, дети с лучшей способностью к мысленному отображению отдельных пальцев и концентрации внимания на них лучше подготовлены к использованию такого рода внимания или мысленных образов для отображения чисел или для вычислений. Вероятно, это помогает им сделать шаг от решения математических задач на пальцах к их решению в уме.

В то же время ясно, что счет на пальцах не является необходимым условием для обучения арифметике. Например, слепые дети обычно не считают на пальцах, но у них нет проблем с обработкой чисел и вычислениями[238]. Аналогичным образом дети с врожденным центральным параличом, которые с трудом двигают руками, обычно плохо распознают пальцы, но при этом хорошо справляются с арифметическими задачами[239]. Короче говоря, по-видимому, счет на пальцах – полезная и эффективная стратегия для обучения отображению чисел и манипуляциям с ними, но это вовсе не единственный путь к вычислительному опыту.

Остается еще много тайн, касающихся наших вычислительных способностей, но в этой теме четко прослеживаются два аспекта. Прежде всего, ясно, что мы не отображаем абстрактные понятия, такие как цифра 3, абстрактным способом. Наша способность понимать и вычислять имеет глубокое физическое основание и использует для рассуждений о числах карты мозга, описывающие физическое пространство нашего тела и его окружения.

Второй аспект, возникающий в результате исследований в данной области, сводится к тому, что рассуждать о числах можно многими способами. Культура, в которой дети обучаются числам, определяет, как они ассоциируют числа с физическим пространством и, следовательно, как их мозг использует карты для вычислений. Связь между отображением чисел, пространства и частей тела зависит от культуры, языка и конкретной ситуации. Американские школьники учатся считать на пальцах от большого пальца левой руки до большого пальца правой руки. А дети из племени юпно в Папуа – Новой Гвинее начинают с левого мизинца, переходят к большому пальцу правой руки, затем к пальцам левой ноги, правой ноги, потом к глазам, ушам и другим точкам на лице и на теле[240]. Дети из обеих культур могут вычислять простые суммы и получать один и тот же ответ, но у них разные способы оперировать числами и находить решения.

Время – еще одно абстрактное понятие; это нечто, что нельзя увидеть или потрогать, но от чего мы, вероятно, зависим еще сильнее, чем от понятий о числах. Мы должны знать, когда происходит то или иное событие, чтобы понять, почему оно происходит, или предсказать, что может случиться в дальнейшем. Мы должны знать, как долго длятся какие-то события, чтобы оценить, когда они закончатся, и подготовиться к этому. И поэтому и вы, и я, и любой другой человек должны иметь возможность отображать время и рассуждать о времени, невзирая на его невидимую и нематериальную природу.

Наше представление о числах возникает из оценочного ощущения количества в теменной коре, а представление о течении времени, или длительности, может зарождаться из приблизительного отображения длины, размера или объема в той же теменной коре[241]. Причина в том, что мы используем для оценки затраченного времени такие пространственные параметры, как размер или расстояние. Например, мы можем оценить время, которое понадобится на преодоление какого-то расстояния, исходя из расстояния, которое мы проделываем за такое время. Или мы можем оценить, как долго наливаем воду в кувшин, исходя из расстояния между поверхностью воды и дном кувшина.

Как и в случае чисел, наши ассоциации между временем и пространством связаны с культурой и с контекстом[242]. Эти ассоциации позволяют нам отслеживать и сообщать информацию о времени. Психологи показали, что мы используем мысленную ось времени подобно тому, как используем мысленную линию чисел. Часто эта мысленная ось времени расположена горизонтально. У народов, читающих слева направо, прошлое располагается слева, а будущее – справа. У народов, читающих справа налево, картина обратная и будущее находится слева. Но эти оси времени изменчивы и зависят от контекста. Например, если стоит задача определить, соответствует ли определенная дата прошлому или будущему, нужно совместить центр временного отрезка с сегодняшним днем. Но если задача в том, чтобы определить, относится ли конкретная дата ко времени до или после какого-то события в прошлом, такого как начало войны, центр отрезка времени может располагаться на моменте этого события, так что более отдаленное прошлое окажется слева, а менее отдаленное – справа.

Такая горизонтальная ось времени – не единственный тип мысленных осей времени, который используют люди. У англоязычных народов в ходу другая важная мысленная ось времени, идущая вперед и назад. “Сейчас” соответствует той точке, где вы находитесь, будущее перед вами, а прошлое позади. А у народа аймара в Андах связь обратная: для них прошлое находится впереди, а будущее – за спиной. Носители китайского языка имеют вертикальную ментальную ось времени, на которой более ранние события связаны с пространством вверху, а более поздние – с пространством внизу. Люди из племени юпно описывают время в соответствии с местным ландшафтом: прошлое находится в низине, ближе к устью местной реки, а будущее – на вершине холма, у ее истока[243]. Как и для мысленной линии чисел, для мысленной оси времени контекст тоже важен. Например, люди, свободно говорящие на китайском и на английском, с большей вероятностью располагают события по вертикальной оси времени, если получают задание на китайском, а не на английском языке.

Синдром одностороннего игнорирования позволил выявить нейрональные основы мысленной линии чисел, но он также позволяет узнать кое-что о мысленной оси времени. В частности, люди с односторонним игнорированием испытывают трудности с использованием мысленной оси времени для рассуждений о временном порядке событий[244]. В одном исследовании пациенты выслушивали истории о вымышленных событиях, которые либо произошли десять лет назад, либо произойдут через десять лет. Позднее им напоминали об отдельных событиях и спрашивали, относятся ли они к прошлому или к будущему. Люди, обучавшиеся читать слева направо, решают такие задачи с помощью мысленной оси времени, связывающей настоящее время с их положением в пространстве, так что события из прошлого располагаются слева, а события из будущего – справа. Как мы знаем, пациенты с односторонним игнорированием не обращают внимания на левую часть пространства. Они правильно идентифицировали будущие события, но по ошибке относили к будущему и большинство событий из прошлого.

Подобно многим примерам из анналов неврологии, глубокие когнитивные нарушения у пациентов с односторонним игнорированием могут казаться необычными или даже странными. Однако эти примеры раскрывают нечто действительно странное в каждом из нас. Для размышлений о том, что происходит за пределами “здесь и сейчас”, мы экспроприируем карты мозга, которые поддерживают нашу жизнь именно здесь и сейчас. Мы захватываем их и используем иначе, направляя одну способность на службу многим другим, что позволяет расширять наши мысленные горизонты без увеличения размера мозга. Мы возвышаемся над своими чувствами и телами, но лишь путем иного использования тех когнитивных функций, которые они нам обеспечивают.

Числа и время – важнейшие понятия, которые должен усвоить любой ребенок. Но это лишь два понятия из многих, направляющих нас по жизни и определяющих наше благополучие. Риск, конфликт, любовь и ревность – вот несколько примеров из многочисленных вещей, которые нельзя в буквальном смысле увидеть или потрогать, но которые ощущаются по их влиянию на наши взаимоотношения и судьбу. Они неосязаемы, но мы без труда понимаем эти идеи и рассуждаем о них. Вообще говоря, часто именно они являются излюбленной темой бесед у кофейных автоматов или за обеденным столом. Как наш мозг отображает понятия и обеспечивает их понимание? И как, поняв, мы обмениваемся своим пониманием с другими?

До настоящего момента мы искали ответы на свои вопросы в отдельных картах мозга отдельных людей. Мы обсуждали строение карт, их искажения и роль в поддержании и формировании нашей способности воспринимать и действовать. Однако карты мозга не могут функционировать в изоляции. Если извлечь из мозга первичную зрительную кору, в ней не будет карты. Да и зрительной эта кора уже не будет. Это будет лишь кусок умирающей плоти. Зрительная область V1 становится картой только благодаря информации, которая входит туда и выходит оттуда, а также благодаря паттерну связей, по которым передается эта информация.

Взаимная зависимость карт становится наиболее очевидной, когда мы рассматриваем нейрональные механизмы мышления, а не только чувств или действий. Подумайте о тех многочисленных картах, которые подключаются к работе, когда мы оцениваем время или рассуждаем о нем. Сенсорные карты, такие как V1 или A1, сначала обрабатывают сенсорную информацию о событиях, которые нужно рассмотреть в соответствии с категорией времени, например, нужно видеть и слышать, что происходит, когда мы ставим в духовку пирог. Карты зрительной и теменной коры обрабатывают численную и пространственную информацию, а карты теменной и фронтальной коры направляют пространственное внимание в соответствии с мысленной осью времени. Чтобы оценить, как долго продолжались события или действия, мы также подключаем двигательную зону префронтальной коры и две структуры, находящиеся под поверхностью мозга[245]. Эти три отдела участвуют в производстве движений, и все три содержат собственные варианты карт. Таким образом, на первый взгляд кажется, что мы говорим о сенсорных картах, мультисенсорных картах значимости и двигательных картах мозга, действующих совместно для поддержания единого понятия времени. Однако даже это описание неполное, поскольку в отображении времени важную роль играют и такие области, как гиппокамп, функционирующий не с помощью карт, а с помощью распределенного кодирования[246].

На страницах книги мы обсуждали, как повреждение специфических областей мозга лишает нас самых важных способностей: Джеймс перестал узнавать лицо жены, а пациентка Герстмана утратила способность совершать простейшие вычисления. Заманчиво думать, что эти навыки закодированы на соответствующих специализированных картах. Но мозг работает иначе. Например, информация для карты V1 поступает из других отделов мозга и тела: возможно, это детальная информация от сетчатки о поступающем свете или от лобной доли мозга о том, что мы ожидаем или надеемся увидеть. Другие отделы, такие как предметная карта и ее зоны для отображения лиц, мест и участков тела, получают информацию от V1 и используют ее, чтобы помочь нам распознавать то, что мы видим, и действовать соответствующим образом. В этом смысле мозг сравним со сложной сетью метро со многими линиями и пересадочными пунктами. Если на одной станции путь заблокирован, проходящие через нее линии перестанут функционировать. Но, хотя вся линия функционирует при условии, что эта конкретная станция работает, линия не сводится к станции. Она не сводится ни к одной станции, поскольку зависит от движения. Она может функционировать только в том случае, если открыты все станции и через них проходят поезда.

Чтобы осознать, что такое понимание, представьте себе карты в виде ключевых станций на более общей схеме. Смысл кроется не в каких-то конкретных картах: для создания смысла многие карты работают совместно. Когда мы говорим с друзьями, ведем машину или смотрим фильм, мозг бурлит активностью. И смысл зарождается в результате совместного действия многих клеток на многих картах одновременно.

Нейробиологи обнаружили интересное отражение этого процесса осмысления на уровне отдельных карт мозга. Например, когда мы читаем слово “бить”, слегка повышается активность на участке двигательной карты M1, ответственном за движения ноги, а когда мы читаем слово “пить”, слабо активируются нейроны области лица на карте M1[247]. Активность нейронов на двигательных картах при чтении слов, связанных со специфической физической активностью, напоминает ослабленную версию активности этих же карт при реальном выполнении соответствующих действий. Аналогичным образом, когда мы видим, как кто-то что-то делает, некоторые карты нашей фронтальной или теменной коры активируются таким же образом, как если бы мы сами совершали это действие[248]. Тот же принцип применим к картам мозга, которые отображают информацию, приходящую в мозг от органов чувств. Когда мы видим, как кто-то гладит собаку, или слышим звуки барабана, у нас активируются тактильные карты[249]. Когда мы читаем слово, концептуально связанное со звуком, такое как “телефон”, у нас активируются отделы слуховой коры; когда мы видим такие слова, как “соль”, активируется вкусовая кора, а при чтении слова “корица” активируется обонятельная кора[250].

Сотни исследований с привлечением фМРТ показали, что наши карты движения и восприятия могут рассказать не только о том, что мы делаем или чувствуем в настоящий момент. Когда мы видим слово, предмет или действие, моторные, сенсорные или пространственные участки мозга через тысячные доли секунды начинают отображать информацию о смысле того, что мы видим, слышим или чувствуем. Это так, когда мы думаем и о конкретных вещах, таких как корица, и об абстрактных понятиях, таких как числа или время.

Учитывая сложность наблюдения за живым дышащим мозгом, мы не знаем наверняка, отвечают ли одни и те же нейроны за движения ноги и обработку смысла при чтении слова “бить”. Это могут быть две группы нейронов, вынужденные делить жилплощадь. Но в любом случае связь существует. Заманчиво думать, что эта связь заключается в смысле: мысленная имитация удара ногой позволяет понять, что означает бить. Но это объяснение неправильное. Парализованный от рождения человек, не способный двигать ногой, все равно прекрасно знает, что значит бить, и в свободное время вполне может болеть за футбольную команду. Вероятно, делать и знать – это родственные процессы, но это не одно и то же. К примеру, я знаю, что космонавты в невесомости летают, но сама никогда не испытывала невесомости и не была в космосе. Я знаю, что слоны тяжелые, но никогда не поднимала ни одного слона. И я совершенно уверена, что когда-нибудь умру, хотя никогда раньше, насколько мне известно, не умирала.

И все же мой суммарный опыт в отношении предметов, людей или действий формирует и обогащает отображение их моим мозгом. Если я видела, как люди бьют по мячу, но никогда не била сама, возможно, я отображаю слово “бить” в большей степени с помощью зрительных карт, чем двигательных. Если я годами играла в футбол, вероятно, это отображение происходит совсем иначе. Я в любом случае понимаю, что означает бить, но мой разный опыт и его сенсомоторные элементы встраиваются в мое представление об этом действии и влияют на то, как мой мозг его отображает.

Ученые до сих пор обсуждают, как эти элементы опыта интегрируются и хранятся в мозге таким образом, что, когда я в следующий раз представлю себе удар по мячу или прочту слово “бить”, эти элементы опыта вновь всплывут в разуме и займут место на мозговых картах. Вероятно, особую роль в поддержании мультисенсорного отображения обобщенного смысла того, что мы чувствуем при ударе по мячу, как это выглядит, как это делают другие и как это называется, играет участок мозга в верхней части височной доли[251]. Если в результате дегенеративного заболевания нейроны в этом участке умирают, у людей возникает так называемая семантическая деменция[252]. Для этого состояния характерно отсутствие способности думать о словах, понимать слова других людей и общая потеря представления о людях, предметах, действиях, чувствах и понятиях. В отличие от Джона, который утратил способность узнавать морковь, но сохранил все свои знания о том, как ее выращивают и едят, пациент с семантической деменцией может пожать плечами и сказать: “Я точно не знаю, что такое морковь. Может быть, ее едят?”

В целом понятно, что в отображении любого конкретного смысла одновременно участвуют многие отделы мозга и их карты. Как же мы обмениваемся смыслом с другими людьми, так что два мозга отображают один и тот же смысл в одно и то же время? Одинаковое понимание смысла необходимо для общения. Но что это такое и как это удается обнаружить в мозге?

Мы видели, насколько наш прошлый опыт в отношении предметов, действий, ощущений или понятий определяет их детальное отображение нашим мозгом и, следовательно, насколько сенсорное, моторное и пространственное отображения предмета, действия или понятия могут быть разными у вас и у меня. И все же наш опыт должен во многом совпадать, поскольку все мы живем на планете Земля и имеем одинаковое строение тела, одинаковые чувства и физиологические надобности. Мое сердце, как и ваше, бьется быстрее, когда я бегу. Мои легкие, как и ваши, расширяются, чтобы набрать воздух. Если мы происходим из разных культур, между нами неизбежны различия. Например, в одних культурах люди едят при помощи кусочка хлеба, в других – руками или специальными приспособлениями, такими как палочки. Этот опыт действительно различается. Однако ощущения пережевывания и глотания, а также чувство утоления голода одни и те же. И это вызывает интересный вопрос. У нас с вами похожие карты мозга. У нас также есть одинаковый опыт в отношении предметов, действий, ощущений и понятий. Означает ли это, что ваш и мой мозг отображают понятия одинаковым образом?

В последние годы с помощью метода фМРТ ученые пытались найти общие картины отображения смысла в мозге разных людей. Один путь состоит в том, чтобы вовлечь людей в одинаковый смысловой опыт, например, просмотр одного и того же фильма. В одном новаторском исследовании во время просмотра классического вестерна “Хороший, плохой, злой” мозг людей сканировали с помощью фМРТ. В любой момент времени картина активности в мозге произвольно выбранного зрителя удивительным образом совпадала с картинами активности в мозге других людей, смотрящих ту же сцену фильма[253]. Почти третья часть поверхности мозга каждого зрителя была синхронизирована по активности с мозгом других зрителей. Эта синхронизация активности происходила в первую очередь в задней части мозга, охватывающей затылочную, височную и теменную кору.

В другом исследовании аналогичный эксперимент с просмотром фильма использовали для того, чтобы дальше продвинуться в изучении этого явления[254]. Ученые анализировали, насколько общие паттерны активности в мозге разных людей соответствуют изображениям специфических типов предметов, событий и действий, представленных на экране. Выявив такие общие паттерны, ученые использовали их для расшифровки активности мозга отдельных людей. В частности, они пытались установить, какой тип предметов – скажем, машину, дерево или спортсмена – видели участники эксперимента на экране в конкретный момент времени в процессе сканирования. Используя удивительное сходство паттернов активности мозга разных людей, они смогли точно установить, чтó люди видели на протяжении 76 % времени.

В каком-то смысле эти исследования помогли описать, как мозг с его великолепными картами распределяет ответственность за обработку и отображение разных понятий в контексте того, что происходит на экране. В этом участвуют сенсорные, мультисенсорные и двигательные карты. В частности, вид двух людей, пожимающих друг другу руки, активирует участки двигательной коры, ответственные за кисти рук и за хватательный жест в лобной и теменной коре, участки кистей рук в соматосенсорной коре, зоны лица и тела на зрительной карте предметов и другие. Это не означает, что все эти области заняты исключительно отображением рукопожатия: на самом деле ни одна из них не занята только этим. Но все они задействованы в обработке и отображении этого действия. И они задействованы в этом процессе не только в вашем мозге, но и в моем, и в мозге других людей тоже.

Почему ваш и мой мозг имеют похожую общую структуру активности? По той причине, что у всех нас мозг развивается по одной и той же генетической и химической схеме, в результате чего у нас формируются одинаковые основные структуры мозга, встроенные в одинаковую основную структуру тела. По той причине, что у нас одни и те же чувства, мы одинаково ощущаем силу тяжести и наши тела функционируют по одним и тем же принципам. По той причине, что при рождении, открыв глаза, вы увидели обращенное к вам лицо, как и я. По той причине, что для всех нас солнце одинаково восходит из-за горизонта и заходит за горизонт. Наша жизнь – ваша и моя – во многом устроена одинаково. И наш мозг в целом устроен одинаково. И сам этот факт, это сходство между нами, обусловливает то, что ваш и мой мозг придают вещам одинаковый смысл.

Новаторские исследования со сканированием мозга методом фМРТ приподняли завесу над тайной взаимопонимания. Они показали, что при общении между людьми происходит синхронизация работы их мозга. Когда мы слушаем, как кто-то рассказывает историю из своего прошлого, активность нейронов на картах нашего мозга в каждый момент времени напоминает активность мозга рассказчика[255]. В большинстве отделов нашего мозга эта активность отстает от активности рассказчика на 1–3 секунды, поскольку столько времени нам требуется, чтобы услышать и обработать его слова. Чем больше активность нашего мозга напоминает активность мозга рассказчика, тем лучше мы понимаем историю и тем точнее сможем пересказать ее впоследствии. Эта синхронизация активности мозга рассказчика и слушателя специфическим образом отражает взаимопонимание. Если рассказчик говорит на языке, которого слушатель не знает, синхронизации нет.

Синхронизация важна не только для понимания рассказов других людей. Она важна также для обучения. Когда преподаватель дает урок ученикам, активность нейронов на обширных территориях мозга учащихся синхронизируется с активностью нейронов в соответствующих участках мозга учителя[256]. Чем сильнее синхронизация, особенно в ключевых участках теменной и зрительной карт, тем лучше ученик впоследствии справится с заданиями по данному материалу. Короче говоря, наш общий опыт, запечатленный в общих паттернах активации мозга, помогает людям одинаково понимать смысл и обмениваться знаниями.

Эта связь между синхронизацией активности мозга и приданием одинакового смысла понятиям предлагает возможность по-новому анализировать процесс общения. Вот реальный пример общения через время и пространство. В 1924 году одиннадцатилетний Алан Тьюринг, учившийся в школе-интернате в Англии, с помощью авторучки собственного изобретения писал письмо родителям в Индию. Это было одно из многих писем, которые он им написал, рассказывая о событиях из своей жизни.

В письме молодой Тьюринг поделился информацией о событии: как в результате одного негативного опыта его недостаточные знания о мятном соусе (основанные на том, что он слышал и, возможно, видел) превратились в более обширные знания. Для обмена этой информацией он использовал самодельную авторучку и с ее помощью превратил свои мысли в чернильные знаки на листе бумаге – достаточно надежный и портативный формат для передачи информации через континенты в руки родителей. У Тьюринга не было сомнений, что родители развернут письмо и правильно расшифруют чернильные знаки, вновь превратив их в смысл – его смысл о его недавнем знакомстве с мятным соусом. Весь этот процесс от начала до конца совершенно обычный. Нет никаких технологических трудностей в том, чтобы написать или прочесть письмо.

Этого нельзя сказать о том, что произошло через пятнадцать лет, когда во время Второй мировой войны Тьюрингу была поручена секретная миссия помочь Британии и ее союзникам в расшифровке немецких военных кодов[258]. Для шифровки и расшифровки сообщений немцы использовали систему под названием “Энигма”. Считалось, что этот код невозможно вскрыть, и это позволяло немцам передавать зашифрованные сообщения по радио. Немцы знали, что союзники тоже получают сигнал, но это их не беспокоило. Зашифрованный сигнал как таковой является мусором. Он становится сообщением только тогда, когда получающая сторона имеет ключ для расшифровки.

В системе “Энигма” каждой букве из реального сообщения соответствовал знак шифра. Замена букв знаками шифра производилась сложным и постоянно меняющимся образом, так что буква “А” в сообщении могла быть обозначена буквой “Х” в одном месте шифровки и буквой “Е” в другом месте того же сообщения. Задачу кодирования и раскодирования сообщений осуществляла машина “Энигма”, напоминавшая одновременно печатную машинку и старый телефонный коммутатор. Любая правильно настроенная “Энигма” могла превращать любое сообщение в шифровку и любую шифровку в исходное сообщение.

Чтобы зашифровать сообщение, оператор последовательно печатал все составлявшие его знаки. При нажатии каждой клавиши маленькая лампочка освещала соответствующую замену – знак шифра. Например, если кто-то хотел зашифровать слово “ВОЗВРАТ”, он печатал на клавиатуре “В-О-ЗВ-Р-А-Т” и записывал буквы, которые при этом высвечивались, например, “М-И-С-Т-У-К-А”. И это зашифрованное сообщение, “МИСТУКА”, можно было передавать по радио. Оператор “Энигмы” на немецкой подводной лодке, получавший сообщение, записывал слово “МИСТУКА” и садился за свой аппарат. При условии, что установки на принимающей “Энигме” были такими же, как у отправителя, получатель просто печатал слово “М-И-С-Т-У-К-А”. При введении каждой буквы шифра над расшифрованной буквой загоралась маленькая лампочка. И в результате, букву за буквой, можно было воспроизвести исходное слово “ВОЗВРАТ”.

Польские математики и французские шпионы активно занимались трудным делом расшифровки кода “Энигмы”. К их работе подключились Тьюринг и другие британские математики, и в конечном итоге за счет инноваций и упорства они смогли расшифровывать сообщения немцев и способствовали успеху союзников.

Хотя работа Тьюринга по раскрытию шифра “Энигмы” имела более важные последствия, чем его детское письмо, и то, и другое имеет отношение к кодированию. Коды содержат информацию в виде условных символов, которые можно передавать в письменной форме, с помощью звука или даже путем прикосновения, как в брайле. Успешно передавать сообщения с помощью кода можно при условии, что отправитель и получатель знают ключ для превращения сообщения в символы и обратно.

В отношении речи мозг можно сравнить с мощнейшей машиной “Энигма”. Мозг воспринимает смысл и превращает его в разговорную или письменную речь. Он решает и обратную задачу, превращая речь в исходный смысл. В таком контексте смысл – это сообщение, речь (язык) – код, а мозг – аппарат, превращающий одно в другое. Но, учитывая важность одинаковой активности нейронов в создании одинакового для всех смысла, можно рассуждать и по-другому: активность мозга, или его состояние, сама является сообщением. А ключ к расшифровке кода и к обеспечению возможности общения между людьми кроется в общей архитектуре мозга и общем физическом опыте, которые отвечают за то, что наши похожие мозги формируют похожий смысл.

Когда юный Тьюринг посылал такие чудесные письма родителям, находившимся от него на расстоянии пяти тысяч миль, он отправлял им не только слова. Он отправлял им состояния мозга: паттерны активности зрительной, слуховой, вкусовой, обонятельной, тактильной, пространственной, двигательной и других карт, отображавших ручку, чернила, почерк, отвращение, тапиоку, семью Тьюрингов, правдивость и, конечно же, мятный соус. Мысли заразны. Заразны они по той же причине, что и болезнь: у нас с вами одинаковые тела. Микробы и смысл чувствуют себя как дома внутри меня и внутри вас, поскольку все мы, несмотря на различия, очень похожи.

Если рассуждать о смысле в таком ключе, это имеет следствия для искусственного интеллекта и перспективы осмысленного и непосредственного общения людей с компьютерными программами. Как известно, на протяжении своей короткой, но необыкновенной жизни Алан Тьюринг размышлял о том, смогут ли машины обладать интеллектом и, в частности, думать и общаться как люди. Этот вопрос находит отклик в сегодняшнем дне. Если человеческий мозг – всего лишь устройство для перевода, превращающее смысл в слова и обратно, очевидно, компьютерная программа может делать то же самое. Но задача усложняется, если смысл создается и отображается через наш опыт в физическом мире и через наши физические тела. Бестелесная программа не имеет таких ограничений, какие есть у нас. Ее производительность не ограничена необходимостью иметь маленькую голову и удовлетворять аппетит. Но она также не может ощущать голод или вкус тапиоки, или держать ручку, или чувствовать хотя бы что-то отдаленно напоминающее такие вещи. У программы нет наших ограничений, но это не становится ее преимуществом. Позвольте пояснить: я не хочу сказать, что машины не могут быть умными. Компьютерные программы уже превосходят нас в способности обрабатывать и хранить информацию, распознавать образы и играть в стратегические игры. Когда мы рассуждаем о наличии разумной жизни на других планетах и о том, увидим ли мы настоящий искусственный интеллект на Земле, мы не учитываем нечеловеческий разум других живых существ вокруг нас и искусственный интеллект, который уже способен распознавать наши лица, организовывать наше расписание и хранить наши коллективные знания. Чего мы на самом деле ожидаем?

Под интеллектом мы понимаем (всегда понимали) способность мыслить так, как мыслит человек. Создавать смысл и обмениваться им так, как делаем это мы. Мы ценим те же достижения, которые есть у нас, и видение мира таким же образом, каким его видим мы. Разумное существо для нас – это то, с которым мы можем общаться, достигая взаимопонимания. Но в таком определении есть очевидный недостаток. Мы понимаем мир в терминах, глубоко укорененных в нашем физическом опыте – в способностях и ограничениях наших тел и чувств, в специфических особенностях этой конкретной планеты и, главное, в нуждах и возможностях выживания.

Вопрос заключается не в том, сможем ли мы создать искусственный интеллект, а в том, сможем ли создать интеллект, который понимает мир так, как мы, хотя и не имеет такого физического тела, таких нужд и такой среды, какие есть у нас. Для нас такое простое понятие, как дом, указывает не только на здание, в котором можно укрыться. Это контекст, среда, архитектурный памятник, точка отсчета или место назначения. Мы узнаем дом по внешнему облику, но также по материалу, звукам и, быть может, даже по запахам. Какие-то ваши представления о доме отличаются от моих, а какие-то совпадают с ними. Вы и я трогали свой дом руками и ступали по нему ногами. Мы искали в нем убежище. Мы ходили по нему и вокруг него бессчетное количество раз, но редко над или под ним. Мы не плаваем и не летаем через дом. Мы не уносим его с собой, но и он не забирает нас. Никто и никогда не учил вас, что дом имеет такие свойства дома. Но если настанет день, когда вы сможете вести с компьютером осмысленный, а не абсурдный разговор, то это случится лишь потому, что кто-то научит компьютер всем этим и каким-то другим вещам. А если окажется, что мы никогда не сможем поговорить с компьютером по душам, то это произойдет не по той причине, что наш интеллект несовместим. А из-за нашей физической сущности и ограничений, которые она накладывает на наше понимание мира.

Достижение взаимопонимания – непростое дело. Возможно, это одна из самых замечательных вещей, которые мы можем делать. Наше сходство – физическое, перцептивное и нейрональное – делает этот процесс возможным, по крайней мере, его облегчает. Это позволяет мне воспроизвести в голове многое из того, что происходит в вашей голове, просто слушая, что вы говорите, или наблюдая, как вы движетесь и взаимодействуете с предметами и людьми. В таком качестве это воспроизведение сродни чтению мыслей, которым мы заняты постоянно и автоматически.

Новые научные данные о картах мозга открывают нам возможности для чтения мыслей по-новому. Как открытие двигательной карты в мозге Джексона более ста лет назад позволило Макюэну находить и удалять опухоли, так сейчас ученые используют научные знания о картах мозга для новых технологических прорывов, ранее казавшихся невозможными. Такие достижения, как восстановление двигательной способности парализованных людей и налаживание общения с людьми в вегетативном состоянии, помогают людям с повреждениями или заболеваниями мозга, но одновременно они поднимают вопросы о неприкосновенности и суверенности личной жизни человека.

Очень важно понимать механизм отображения. Если мы знаем, как что-то отображается, мы способны узнать, что отображается, и подействовать на это. И теперь эта возможность открыта для нас в отношении человеческого мозга. Ученые, врачи и коммерческие компании имеют необходимые знания и технические возможности для чтения мыслей как минимум в некоторых формах. С этим все соглашаются. Но что это означает с практической точки зрения и не стоит ли по этому поводу беспокоиться?

Ответы на эти вопросы зависят от трех факторов. Первый – реальная доступность различных форм чтения мыслей на сегодняшний день или в ближайшем будущем. Ниже мы рассмотрим несколько направлений, где карты мозга уже стали дверьми, открывающими доступ к чтению из мозга или записи чего-либо в мозге людей. Такие технологические подходы обобщенно называют интерфейсами “мозг – компьютер”. Мы увидим, как сочетание универсальных и уникальных свойств карт мозга уже теперь делает возможными некоторые формы чтения и записи мыслей, тогда как другие, вероятно, останутся недоступными для нас.

Второй фактор – практическая значимость. Даже если какая-то технология реализуема на практике, может оказаться, что ее нерационально внедрять в широком масштабе. Например, Форд представил миру автомобиль “Мэч 1 Левакар” более шестидесяти лет назад. На протяжении десятилетий казалось, что мы вот-вот начнем отправляться на работу на летающих машинах. Если мы способны полететь на Луну, уж тем более сможем слетать в магазин. Однако подобный персональный автомобиль так и не был создан. Технологии появляются и развиваются только при условии, что физические трудности преодолимы, необходимые материалы доступны, существует значительный потребительский интерес и мало альтернативных решений. Хорошо, что мы не стали тратить время на разработку трехмерной системы дорожного движения для летающих автомобилей “Левакар” и “Скай Комматер”; мы могли надолго увлечься технологиями, которые так никогда и не воплотились в жизнь. Но если технология действительно реализуема на практике и способна изменить общество, было бы глупо ее игнорировать. Только приближая появление новых технологий, мы понимаем, в какой степени они способны изменить наш мир. И поэтому важно понять, являются ли технологии чтения и записи мыслей практичными и пригодными для широкого круга людей.

Третий фактор связан с возможными последствиями внедрения технологии. Каким именно целям будут служить развивающиеся технологии? И какого рода вторичные последствия они могут иметь для нашего здоровья, личной защищенности и независимости? Мы вернемся к этому вопросу и обсудим, что мы собираемся выиграть и в чем можем проиграть, если такие технологии войдут в нашу обыденную жизнь.

С самого начала важно учесть мнения, страхи и надежды, которые уже имеются у многих из нас в отношении подобных концепций. Чтение мыслей – многогранный термин. Этот распространенный элемент научно-фантастических утопий и параноидальных фантазий часто подразумевает обман и вторжение в ценнейшую частную собственность – чужие мысли. Однако на самом деле большинство работ по развитию технологии чтения мыслей нацелены на то, чтобы помогать людям, которые больны или страдают в результате поражения мозга или тела. В таком варианте чтение мыслей в первую очередь и в наибольшей степени сосредоточено на желаниях человека, которому оно должно помочь. Иными словами, разум, который читают, хочет, чтобы его прочли. Этот простой, но важный факт идет вразрез с нашими стойкими страхами по поводу чтения мыслей других людей.

Чтобы оценить уникальные возможности, которые чтение мыслей предоставляет для помощи немощным людям, давайте рассмотрим случай двадцатитрехлетней женщины, которую я назову Кэрол. Кэрол перестала говорить в тот день, когда пыталась перейти оживленную улицу и ее задели две машины[259]. Удары сильно повредили мозг, растянув и сдавив важные ткани лобных долей и других отделов. Кэрол выжила, но находилась в тихом и безмолвном состоянии, которое врачи называют вегетативным, и не реагировала на просьбы, на звуки и на окружающих людей. Она лежала на больничной койке месяц за месяцем, не проявляя никаких признаков осознания окружающей действительности.

Подобно другим людям, находящимся в вегетативном состоянии, Кэрол не давала наблюдателям никаких оснований полагать, что она в сознании, не говоря уже о наличии у нее способности думать или следовать инструкциям. Однако нейробиолог Адриан Оуэн, работавший тогда в Университете Кембриджа, решил провести сканирование мозга с помощью фМРТ и понять, в сознании ли Кэрол и другие подобные ей люди. В этой задаче есть неожиданная сложность: не существует однозначной границы, отделяющей людей в сознании от тех, кто находится в бессознательном состоянии[260]. Можно использовать метод фМРТ, чтобы проверить, активируется ли у пациента зрительная карта V1, когда ему показывают цветные картинки, или карта звуковых частот A1, когда в его наушниках играет музыка. Однако наличие такой активности в сенсорной коре не дает окончательного ответа на вопрос, действительно ли человек осознает происходящее. Например, Эдгар Адриан слышал сообщения нейронов из соматосенсорной карты S1 шетлендского пони, когда животное находилось под наркозом и его обмякшее тело держалось на скамье и мешках с песком. В полностью функциональном мозге активность первичных сенсорных карт играет ключевую роль в осознанном восприятии сенсорных событий. Но и в отсутствие этой глобальной сети данные участки мозга могут по-прежнему обрабатывать сигналы от кожи, глаз и ушей. Однако это не означает, что человек, скажем так, “в себе” и воспринимает и осознает эти сигналы.

Оуэн и его коллеги искали более строгий показатель. Им нужен был тест, который бы однозначно доказывал то, что пациент находится в сознании. Они стали давать пациентам словесные инструкции и просили выполнять их. Если люди слышали инструкции, понимали их и инициировали ответное действие, их считали находящимися в сознании. На самом деле это высокая планка: требовалось, чтобы люди с тяжелыми повреждениями мозга бодрствовали, обрабатывали словесные инструкции, удерживали их в рабочей памяти и реагировали в ответ. Возможно, никто из людей в вегетативном состоянии не способен был бы это сделать. Но чтобы разобраться, Оуэн с коллегами должны были найти способ, который позволил бы пациентам, не владеющим своими телами, неспособным пошевелить даже большими пальцами ног или перевести взгляд, следовать инструкциям.

Решение было найдено в картах мозга – благодаря их воспроизводимому сходству у разных людей. Как мы видели, создание зрительных образов активирует зрительные карты, а создание двигательных образов активирует двигательные карты. Возможно, человек в сознательном состоянии, но в обездвиженном теле все еще способен создавать мысленные образы, которые Оуэн мог бы обнаружить с помощью фМРТ. Поэтому Оуэн и его коллеги помещали пациентов в аппарат для МРТ и просили их представить себе, что они играют в теннис. Если пациенты слышали и понимали, анализ должен был показать воображаемую игру в теннис как повышение активности двигательных карт. Пациентов также просили представить себе, как они ходят по своему дому. Если пациенты слышали и понимали, ученые видели бы соответствующий зрительный образ по усилению активности в парагиппокампальной области мест. С Кэрол этот эксперимент был проведен в первый раз. И ученые увидели активность, которую надеялись увидеть, в правильных отделах мозга и в правильное время. Очевидно, что Кэрол слышала их и следовала их инструкциям. Ее тело оставалось недвижным, но мозг был в сознании и бодрствовал, и теперь ученые это знали[261].

На протяжении нескольких лет Оуэн и его команда работали над усовершенствованием метода. С его помощью они обнаружили, что примерно каждый пятый пациент из тех, которых считали находящимися в вегетативном состоянии, был способен понимать словесные команды и мысленно следовать им, создавая двигательные или зрительные мысленные образы[262]. Далее ученые стали использовать свой метод, чтобы задавать вопросы пациентам, способным по команде создавать мысленные образы. Например, они могли попросить пациента представить себя играющим в теннис, если их ответ был положительным, или ходящим по дому, если ответ был отрицательным. И они начали задавать вопросы, ответы на которые можно было проверить. Например: “Вашего отца зовут Томас?” или “У вас есть братья или сестры?” Правильные ответы подтверждали, что метод пригоден для общения с пациентом. Можно было даже задавать практические вопросы: не болит ли у пациента что-нибудь или не хочет ли он посмотреть что-то конкретное по телевизору. Это был первый замечательный шаг для налаживания общения с такими пациентами, как Кэрол.

Но, несмотря на невероятные возможности, у такого подхода есть значительные недостатки. Один из них – стоимость. Современные аппараты для МРТ стоят миллионы долларов. Любое сканирование обходится в сотни долларов в час. По этой причине группа Оуэна и другие исследователи работали над поиском менее дорогих альтернативных методов, применимых в больничной палате[263]. Например, приложенные к голове электроды позволяют регистрировать идущие из мозга электрические сигналы. Эта техника измерения активности мозга, называемая электроэнцефалографией (ЭЭГ), применяется уже более столетия и гораздо дешевле и проще в использовании, чем фМРТ.

Второе ограничение заключается в том, что мы не знаем, что означает отсутствие явной реакции пациента на подобные инструкции. В такую категорию попадают 80 % обследованных. Слабее ли их сознание, чем у других 20 %, или отсутствует вовсе? Мы этого не знаем. Но у нас есть доказательства того, что в эти 80 % иногда попадают люди, которые находятся в сознании. Мы знаем это благодаря случаю Хуана – молодого человека в вегетативном состоянии, которого ученые обследовали дважды[264]. И оба раза они не обнаружили явных признаков сознания. Однако через несколько месяцев Хуан быстро пошел на поправку. Он начал говорить, двигаться и даже ходить. Когда ученые из группы Оуэна беседовали с ним после выздоровления, он живо вспоминал эксперимент в аппарате для МРТ и лица ученых, которые были с ним в тот день. Несмотря на все внешние признаки вегетативного состояния и результаты сканирования, Хуан бодрствовал и осознавал происходящее. Очевидно, что невозможность обнаружить сознание не обязательно свидетельствует о его отсутствии. Родственники этих 80 % людей остаются в таком же состоянии неопределенности относительно ментального статуса родного человека после исследования, как и до его проведения. Не зная, как часто исследование дает ошибочный результат, мы не понимаем, правильны ли наши предположения, и ставим семью пациента в крайне затруднительное положение.

Невзирая на все эти трудности, распознавание состояния обездвиженных пациентов, находящихся в сознании, и возможность общения с ними представляется поистине грандиозным достижением. Настанет ли день, когда любого пациента в вегетативном состоянии будут проверять на наличие сознания по показателям активности мозга? В конечном итоге судьба технологии – усовершенствование, модернизация, отвержение или широкое внедрение – зависит от статистики. Как часто она дает сбои и сколько стоит? В какую сумму обойдется одно исследование? Насколько практична и полезна получаемая информация? Ответы на эти вопросы определят, сможем ли мы помочь таким пациентам, как Кэрол, обрести голос и каким образом.

На сегодняшний день большинство успешных вариантов чтения мыслей, таких как сканирование мозга, позволившее установить контакт с Кэрол и другими пациентами в вегетативном состоянии, позволяют ответить на вопросы “Да или нет?” или “Который?”. Иными словами, эти методы позволяют использовать мысли и мысленную активность для выбора из двух или большего числа вариантов. В случае Кэрол наличие или отсутствие усиливающейся активности на двигательной и предметной картах мозга в соответствующие моменты времени показывало ученым, бодрствует ли и осознает ли происходящее пациент, находящийся в вегетативном состоянии.

Другой похожий вариант чтения мыслей основан на том, что концентрация внимания усиливает активность нейронов в специфических отделах карт мозга. Если при сканировании мозга с помощью фМРТ людям показывают наложенные друг на друга изображения лиц и зданий, по активности в специфических отделах мозга, включая веретенообразную зону лиц и парагиппокампальную область мест, видно, обращают ли люди внимание на лица или сцены[265]. Вспомните, что активность в веретенообразной зоне возникает, когда внимание сосредоточено на лице, а активность в парагиппокампальной области возрастает, когда мы сосредоточены на каких-то значимых объектах в пространстве, таких как дома. Эта информация позволяет ученым следить за переключением внимания пациента в процессе сканирования и также может использоваться для тренировки концентрации внимания[266].

Однако многое из того, что мы хотели бы прочитать в мозге, удается обнаружить лишь с привлечением более хитроумных методов. Например, давайте вернемся к сканированию мозга Кэрол. Цель исследования заключалась в том, чтобы понять, способна ли Кэрол создавать мысленные образы по команде. Но нельзя ли было узнать еще что-нибудь по степени активности ее мозга? Если она воображала, как играет в теннис, нельзя ли было расшифровать, когда именно она взмахивала ракеткой, наносила ли она удар слева или справа и был ли это короткий удар или удар с лета?

Понятное дело, гораздо труднее расшифровать, какой именно тип удара появлялся в воображении Кэрол, чем понять, возникал ли у нее вообще этот мысленный образ. На самом деле еще примерно десять лет назад такое было невозможно. Почему? По той причине, что карты мозга, как и материя в физике, при большом приближении оказываются искаженными. Материя ведет себя по-разному в масштабе атомов, в масштабе ботинка или астероида; так и схема мозга выглядит иначе, когда вы пристально вглядываетесь в ткани коры.

Когда мы увеличиваем приближение и начинаем разглядывать на картах мозга кластеры нейронов, называемые колонками, мы обнаруживаем замечательное разнообразие и гораздо большее число параметров для исследования, чем представлялось ранее. Рассмотрим пример зрительной карты V1, которая построена в соответствии с координатами сетчатки. Координаты сетчатки – это стандартные пространственные координаты: верх – низ и лево – право. Однако зрение имеет гораздо больше параметров, и некоторые из них тоже отражаются на карте V1. Так, некоторые клетки V1 отвечают на входной сигнал только от левого или только от правого глаза. Другие специфичны в отношении пространственной ориентации (вертикальной, горизонтальной или диагональной) любой линии, находящейся в их рецептивном поле. А третьи реагируют на цвет. Входной сигнал от определенного глаза, угол наклона и цвет – некоторые ключевые параметры, которые мозг использует для осмысления формы, поверхности и глубины картины на основании попадающего в глаз света. Если вы вживляете электрод в область центральной ямки на карте V1, любой из находящихся там нейронов имеет рецептивное поле, соответствующее центру поля зрения человека. Однако интерпретация смысла возбуждения отдельных клеток зависит от того, на какие именно параметры зрительного сигнала реагируют эти конкретные клетки.

При исследовании детальной организации различных параметров карт мозга был выявлен тонкий рисунок. На рис. 33 представлен один и тот же небольшой участок карты V1[267]. В первой рамке изображены полоски, соответствующие нейронам, предпочитающим сигналы от разных глаз. Нейроны в темных участках предпочтительно реагируют на сигналы от левого глаза, а нейроны в светлых участках – от правого глаза. Во второй рамке показано предпочтение к ориентации: светлые участки содержат нейроны, которые предпочитают горизонтальные линии, а темные участки содержат нейроны, предпочитающие вертикальные линии. Затемненные участки в третьей рамке, называемые цветовыми каплями, избирательно реагируют на цвет. Как вы видите, эти предпочтения перекрываются. Например, большинство цветовых капель сосредоточено в центре полос с предпочтительной реакцией на сигнал одного или другого глаза, а это означает, что находящиеся там нейроны лучше всего реагируют на информацию о специфическом цвете, которая поступает от конкретного глаза.

Рис. 33. Тонкая многомерная организация зрительной карты V1, отражающая такие параметры, как источник сигнала (левый или правый глаз), ориентация линий и цвет. Художник Пол Ким.

Другие сенсорные карты тоже учитывают дополнительные параметры. Хотя соматосенсорные карты, такие как S1, в целом организованы в соответствии с координатами, задаваемыми поверхностью тела, они отображают и многие другие параметры тактильной информации. К ним относятся разные физические характеристики прикосновения (давление, вибрация и колебание), а также боль, тепло и холод[268]. Эти параметры могут быть специфическими для конкретного существа или конкретной части тела. Например, на картах S1 существ с вибриссами увеличены зоны, которые отображают прикосновение к каждому усику. Если рассмотреть с увеличением одну из таких зон, мы обнаружим большой объем информации об отклонении вибриссы, то есть о ее движении влево и вправо или вверх и вниз по отношению к положению в покое при контакте с предметами, находящимися прямо перед животным. На самом деле в зоне каждой конкретной вибриссы на карте S1 ученые обнаружили еще одну крохотную карту, выстроенную радиальным образом по типу завитка в соответствии с направлениями отклонения вибриссы[269].

Вероятно, вам кажется, что тонкая структура карт мозга сложна для понимания и они напоминают загадки субатомного строения о локализации кварков и электронов. Такие микроструктуры могут быть предметом отдельной книги, однако для наших целей достаточно знать, что мозг в мелком масштабе (порядка десятых долей миллиметра, примерно сотых долей дюйма) имеет одновременно тонкую и сложную структуру. По размеру элементы этой структуры сравнимы с линиями на человеческих отпечатках пальцев, и, как рисунок отпечатков пальцев, паттерны организации карт мозга у всех людей строятся по одинаковым правилам, но каждая уникальна.

В контексте чтения мыслей эта уникальность усложняет ситуацию, как и другие различия между вашим и моим мозгом. Как мы видели, особенности строения наших мозговых карт различаются. Например, у нас могут быть разные когнитивные стратегии и возможности создания мысленных образов. И хотя микроструктура карт вашего мозга организована по тем же правилам и создает тот же рисунок, что и у меня, детальное расположение паттернов уникально. И поэтому, если задача технологии заключается в получении доступа ко всей информации, содержащейся в вашем мозге, на основании активности ваших нейронов, эта технология обречена на неудачу, если только не установлено точно, что каждый конкретный нейрон специфическим образом отображает в вашем мозге.

Я выскажусь откровенно: мы никогда не создадим технологию, которая откроет доступ ко всей информации, отображенной в мозге другого человека. Не потому что этой информации очень много, а потому что она спрятана в бесконечном количестве нейронов, организованных в виде специфических полос, капель и завитков и взаимодействующих между собой специфическим и часто изменчивым образом. Чтобы получить доступ ко всей информации, отображаемой мозгом в конкретный момент времени, нужно знать, что происходит в каждом нейроне мозга и что каждый нейрон отображает. Учитывая ограничения анатомии и физики, мы, скорее всего, никогда не получим полного доступа к человеческому мозгу. Развитие мозга построено на компромиссах, и наблюдение и измерение того, что происходит внутри него, тоже требует компромиссов. Поэтому любая технология чтения мыслей должна стремиться читать мысли достаточно хорошо.

Упомянутые компромиссы обусловлены тремя специфическими трудностями: насколько четко мы можем регистрировать активность отдельных нейронов, можем ли мы получать информацию от нейронов по всему мозгу и способны ли переносить данный алгоритм с одного уникально устроенного мозга на другой. Рассмотрим первую трудность: нам нужен максимально четкий сигнал от каждого нейрона мозга. Чем ближе мы подойдем к определению активности отдельных нейронов в любой момент времени, тем точнее будет информация, которую мы сможем из этой активности извлечь. Благодаря картам мозга мы много знаем о том, что, вероятнее всего, делают нейроны на основании их расположения в мозге. Но из-за сложной микроструктуры рисунка, такой как полосы или завитки, даже соседние нейроны могут отображать разное. Единственный способ измерить активность отдельных нейронов состоит в том, чтобы ввести электроды непосредственно внутрь мозга. А это сопряжено со вскрытием черепа и физическим воздействием на мозг человека. Это огромный недостаток. Еще один серьезный недостаток заключается в том, что каждый электрод регистрирует активность лишь нескольких нейронов. Достаточно легко ввести в мозг большое количество электродов, однако существует некий практический предел для количества нейронов и участков мозга, к которым можно подвести электроды, не повредив мозг и не убив человека.

Вторая трудность связана со сбором информации об активности во всем мозге. Вспомните, что смысл отображается одновременно во многих частях мозга. И поэтому информация от одного конкретного нейрона или одной конкретной зоны мозга лишь ограниченно полезна для чтения мыслей. В настоящий момент лучшей технологией для мониторинга активности всех нейронов во всем мозге является фМРТ. Дополнительное преимущество метода в том, что он безопасен и не требует вскрытия черепа. Но он не позволяет получить четкий сигнал от каждого конкретного нейрона. Лучшее, чего можно ожидать, это усредненный сигнал от сотен тысяч соседних нейронов в разных частях мозга. Это важная информация, но это менее четкий сигнал, чем тот, который регистрируется при прослушивании нейронов через вживленные в мозг электроды. Кроме того, стоимость оборудования ограничивает возможность использования фМРТ для чтения мыслей в широком масштабе. А еще эти аппараты громоздкие и стационарные и поэтому бесполезны для помощи людям в каждодневной жизни.

Третья трудность связана с уникальностью каждого конкретного мозга. Технология чтения мыслей, разработанная для оптимального прочтения моих мыслей на основании детальной микроструктуры карт моего мозга, окажется бесполезной для чтения ваших мыслей. Никакая технология не подойдет для массового применения, если нужна команда ученых, чтобы разобраться, как подгонять ее для каждого отдельного случая. Однако теперь для преодоления этой трудности есть решение: искусственный интеллект или, точнее, раздел исследований в области искусственного интеллекта, называемый машинным обучением. Суть идеи машинного обучения заключается в следующем. Вместо того чтобы обучать компьютерную программу многим вещам, чтобы она стала умнее, ей дают возможность учиться самостоятельно, а затем обеспечивают доступ к большому объему данных. Обучаясь методом проб и ошибок на многочисленных примерах, программа сможет находить лучшее решение задачи или выявлять важнейшие детали в многопараметрическом клубке информации. Такие программы становятся мощным и распространенным элементом многих технологий, которыми мы пользуемся, – от поисковых программ в интернете до программ распознавания голоса. Они великолепно находят ключевые элементы, спрятанные в массивах данных.

Программы машинного обучения жадны и всеядны. Они заглотят все, что мы им предложим, и в любом количестве. Они учатся предсказывать погоду на основании спутниковых данных для сегодняшнего дня, предвидеть популярность новых продуктов исходя из объема предыдущих продаж или находить первые признаки заболевания по результатам сканирования. Чем более близкие по смыслу данные мы в них закачиваем, тем лучше они обнаружат и предскажут события, когда мы представим им нечто новое, например, результаты сканирования нового пациента, которому еще не поставлен диагноз. В конечном итоге, возможно, диагностическая и предсказательная способность программы превзойдет способность ее создателя. И вот тогда программа станет по-настоящему полезной. Тогда мы сможем обращаться к программе за постановкой диагноза или за ответом на вопрос, стоит ли брать зонт при выходе из дома.

Для чтения мыслей машинное обучение обладает особенным преимуществом, поскольку преодолевает главное препятствие: нахождение особенностей в отображении вещей и явлений каждым конкретным мозгом. В результате оно помогает сэкономить время и подогнать технологию чтения мыслей для применения на новом мозге без привлечения к работе ученых, чей труд стоит дорого. Программу машинного обучения, натренированную распознавать состояния мозга на основании измерений его активности, называют декодером. Вне зависимости от того, зарегистрирована ли активность с помощью электродов или аппаратов для МРТ, результатом всегда являются числа, много-много чисел. Некоторые числа показывают, в какой части мозга производилось измерение. Другие отражают частоту спайкования нейронов или изменения кровотока при изменении активности нейронов. Суть в том, что декодеры учатся на больших массивах данных. Они не знают и не задумываются о том, что эти числа означают: это может быть процесс разрастания лесов, продажа хот-догов или активность мозга. Функция декодера состоит лишь в том, чтобы найти в массивах данных полезный рисунок.

Самое быстрое обучение декодера происходит при помощи мозга, который и подлежит прочтению. Процесс начинается с того, что “владелец” мозга приступает к какой-то деятельности, например, выполняет ряд движений или зрительно представляет себе что-то по команде. Декодер анализирует активность мозга при выполнении каждого такого действия. По сути, выполняя действия по команде, мозг показывает декодеру, как его следует читать. Этот странный факт имеет несколько следствий. Одно из них заключается в том, что чтение мыслей происходит не мгновенно даже при помощи декодера; для обучения всегда требуется время или примеры, как в случае машинного обучения. Другое следствие состоит в том, что декодирование наиболее успешно происходит при сотрудничестве и терпении того самого мозга, который читают. Это важно, поскольку затрудняет чтение мыслей того, кто этого не желает.

Допустим, машинное обучение помогает в той или иной степени преодолеть третью трудность в чтении мыслей, но какие решения существуют для первой и второй проблем? В частности, как достичь компромисса между отчетливой регистрацией отдельных нейронов и одновременной регистрацией многих нейронов во всем мозге? Выясняется, что машинное обучение – столь мощный инструмент, что он позволяет получить достаточно хороший результат с разными компромиссными условиями. Один путь заключается в использовании паттернов активности, собранных с помощью фМРТ. Каждое измерение методом фМРТ дает усредненные показатели активности сотен тысяч нейронов. Но если дать декодеру достаточное количество примеров таких паттернов, когда участник исследования находится в состоянии X или Y, программа выявляет тонкие связи между бесчисленными параметрами мозга в этих двух состояниях и позволяет распознать их природу.

Вооружившись этим методом, ученые уже больше десяти лет используют фМРТ для чтения мыслей. Основываясь на паттерне активности, выявленном при сканировании мозга человека с помощью фМРТ, ученые довольно точно могут узнать, какого рода предмет из небольшого круга вариантов этот человек рассматривает, воображает, вспоминает или пытается удержать в рабочей памяти в данный момент времени[270]. В одном исследовании изучали даже содержание снов; на основании активности зрительной коры мозга человека во время сна ученые с точностью около 60 % определяли, снился ли человеку, скажем, другой человек, улица, машина или какой-то другой объект[271].

Технология декодирования не ограничивается извлечением из мозга образов увиденных или воображаемых предметов. Декодировать можно все, что человек чувствует и представляет себе или о чем он думает. В одном исследовании в процессе проведения МРТ людям давали слушать музыку или речь[272]. Декодер, натренированный на паттернах активности их мозга, на основании активности нейронов на карте звуковых частот A1 и других слуховых отделов височной коры расшифровывал, какой именно звук речи человек слышал в конкретный момент времени. Тренируя новый декодер по-другому на тех же результатах сканирования, ученые смогли разобрать, чей голос слышал человек. В других исследованиях была продемонстрирована возможность установить, чувствует ли человек боль, понять смысл слов, которые он читает (из набора в 60 слов), какое действие совершил или совершает в игре и выигрывает он или проигрывает[273]. И это лишь несколько примеров экспериментов с применением декодеров к сканам мозга, которое становится распространенным методом исследований.

В нескольких экспериментах ученые пытались воспроизвести то, что видит человек, находящийся в аппарате для фМРТ, исходя исключительно из активности его мозга. Это гораздо труднее, чем определить, в каком из нескольких состояний находится мозг. Выбрать нужно не из двух, десяти или даже шестидесяти возможностей, а почти из бесконечного их числа. В рамках нескольких смелых проектов эту задачу решали путем сочетания программы машинного обучения с тоннами информации, полученной нейробиологами в ходе экспериментов по определению свойств нейронов зрительной карты V1[274]. Сначала программы тренировались на паттернах активности зрительных карт V1 участников исследований, а затем пытались воспроизвести другие рисунки или формы, которые видели люди, основываясь только на активности их мозга. Учитывая сложность задачи, были получены весьма впечатляющие результаты, хотя они все еще недостаточно точно воссоздают то, что видит человек.

Воспроизведение того, что видит человек, на основании активности его мозга представляет научный интерес, но не имеет очевидного практического смысла. Гораздо дешевле и проще узнать, на что смотрит человек, если повернуть голову и проследить за его взглядом. Однако чтение мыслей может приносить понятную и реальную пользу. Вероятно, самым очевидным применением результатов наблюдения за активностью мозга является установление того, говорит ли человек правду. Во многих исследованиях с помощью метода фМРТ были выявлены различия в активности мозга в ситуациях, когда люди лгут и когда говорят правду[275]. Эти различия тонкие и изменчивые, но в некоторых случаях их достаточно, чтобы при сканировании выявить ложь. Появились коммерческие предприятия, которые используют фМРТ для выявления лжи в парах влюбленных, у наемных работников и даже людей, обвиняемых в совершении преступления.

Однако применение технологии выявления лжи по активности мозга в реальной жизни вызывает определенное беспокойство. Во-первых, такие методики разработаны в экспериментах с молодыми людьми, часто со студентами, которых при сканировании просили либо лгать, либо говорить правду. Очевидно, что существует разница между тем, как студент лжет по поводу несущественных вещей, когда его попросили это сделать, и тем, как лжет преступник о значительных событиях, когда от него требовали говорить правду. В том случае, когда вас просят солгать, ложь вообще трудно назвать ложью. Во-вторых, преступник, вероятно, выдает ложь, которую уже отрепетировал, а студент в экспериментальных условиях говорит нечто произвольное. Хорошо подготовленную ложь, вероятно, выявить труднее, чем спонтанную. Еще одна проблема заключается в том, что у нас нет возможности оценить, как часто этот метод выдает ошибочный результат в реальных ситуациях со значительными последствиями – либо не позволяет обнаружить ложь, либо, что хуже, ошибочно выявляет ложь тогда, когда человек говорит правду. Наконец, ученые уже показали, что этими результатами можно манипулировать. Например, сочетание незаметных движений пальцев рук или ног с вопросами, на которые вы отвечаете правдиво, мешает ученым определять, когда вы на самом деле лжете[276].

Если человек, который лжет, может манипулировать процессом выявления лжи с помощью фМРТ, вероятно, эта ситуация аналогична ситуации с детектором лжи. Недостаточно, чтобы детектор лжи работал для большинства людей в большинстве случаев. Для использования в ситуациях с возможными тяжелыми последствиями, таких как судебный процесс, эти системы должны быть чрезвычайно точными, надежными и не подверженными манипуляциям. Некоторые суды уже признали недействительными доказательства, полученные этим методом, но в будущем мы увидим, как суды всего мира отнесутся к возможности выявления лжи по активности мозга.

Сочетание фМРТ и машинного обучения позволило приоткрыть завесу над многими тайнами человеческого мышления и восприятия. И, безусловно, позволит сделать еще больше в ближайшие годы. Однако широкое применение этих методов пока в значительной степени ограничено из-за дороговизны, громоздкости и недоступности аппаратов для фМРТ. Кроме того, метод работает только с мозгом добровольных участников исследований, которые слушаются и выполняют указания. Эти ограничения должны порадовать тех, кто беспокоится по поводу нарушения прав личности. Но это не означает, что нам не следует опасаться развития новых способов чтения мыслей.

Хотя у нас есть технологии для прослушивания мозга без проникновения внутрь черепа, такие как фМРТ, их сигнал всегда более слабый и менее отчетливый, чем сигнал, который можно записать непосредственно на месте действия, где происходит процесс мышления. Поэтому, если задача технологии заключается в том, чтобы в деталях установить, что обдумывает, чувствует или пытается проделать разум, по возможности лучше собирать информацию изнутри мозга.

В качестве иллюстрации преимуществ прослушивания мозга изнутри рассмотрим успехи ученых в воспроизведении реальных человеческих лиц, которые видит участник эксперимента в данный момент времени, исключительно на основании наблюдений за активностью мозга. В данном случае участником эксперимента была обезьяна с электродами, вживленными в зону лиц зрительной предметной карты мозга. Активность нейронов, зарегистрированная электродами и проанализированная с помощью моделей и декодирующей программы, позволила почти в точности восстановить лица, которые видела обезьяна. Взгляните на результаты, представленные на рис. 34; слева изображены лица, которые видела обезьяна[277]. Справа – восстановленные изображения лиц, полученные исключительно по активности ее мозга.

Хотя восстановление зрительных образов на основании наблюдений за активностью мозга производит впечатление и дает ученым некоторую информацию, оно не имеет практического смысла. Оно сильно отличается от восстановления преднамеренных движений на основании анализа активности нейронов моторной коры. Усовершенствования в области робототехники позволили создать подвижные протезы конечностей. Теперь ученые развивают технологию, которая раскодирует моторную активность мозга парализованных людей и направляет ее на использование вспомогательных устройств. Это наилучшее применение чтения мыслей – повышать возможности разума благодаря прочтению его содержания.

Рис. 34. Демонстрация чтения мыслей обезьяны. Изображения слева – лица людей, которые видела обезьяна, изображения справа – образы, расшифрованные на основании активности ее мозга. Источник: Cell, vol. 169, no. 6. Copyright © 2017 Elsevier Inc.

Один такой разум принадлежит Денису Дегрею. Он оказался парализованным ниже шеи с того момента, когда однажды дождливым утром пошел выносить мусор, поскользнулся и упал. Из-за паралича он лишился возможности делать многие простые вещи: самостоятельно есть и переодеваться, а также держать в руках книгу или писать. Однако благодаря экспериментальной методике Денис может использовать айпад[278]. В результате хирургической операции в участок его двигательной карты M1, отвечающий за движения руки, были вживлены электроды. Теперь с помощью этих электродов можно измерять активность мозга, которую анализирует декодер и посылает инструкции компьютеру, заставляя двигаться курсор. Это устройство позволяет Денису передвигать курсор и выбирать на экране буквы, которые он хочет напечатать.

Поскольку электроды вживлены в область моторной коры, отвечающую за руку, для управления курсором Денис использует двигательные образы. Вот что он рассказывает: “Для визуализации самым удобным для меня оказался образ биллиардного шара. Когда я кладу руку на шар и толкаю его вперед, курсор движется вверх. Я толкаю назад – курсор идет вниз. Влево и вправо точно так же. Как в старых видеоиграх”[279]. Декодер научился сопрягать активность мозга Дениса при создании этого двигательного образа со специфическими движениями курсора по экрану, превращая образ в видимое действие.

Ученые из той же компании нашли и другие способы использования мозговых имплантатов и чтения мыслей для помощи парализованным пациентам. Одним из этих людей был Билл Кочвар, оказавшийся парализованным ниже шеи после аварии на дороге, которая повредила спинной мозг. С тех пор он прикован к инвалидному креслу и полностью зависит от людей, которые его кормят, моют и поворачивают каждые два часа. Кочвар добровольно участвовал в различных исследованиях, направленных на восстановление подвижности парализованных людей. У него, как и у Дегрея, электроды вживлены в отдел моторной коры, ответственный за правую руку[280]. Через несколько месяцев ученые подключили электростимуляторы к мышцам его правой кисти, предплечья и плеча. Включение стимуляторов вызывает сокращение мышц и позволяет двигать кистью и предплечьем.

После некоторой тренировки Кочвар научился использовать мысленные образы для произвольных движений рукой. Декодер читает сигналы мозга и превращает их в инструкции для стимуляторов в мышцах кисти и предплечья. И стимуляторы начинают работать, заставляя нужные мышцы сокращаться в соответствии с инструкциями. В результате Кочвар способен совершать кистью хватательные движения и подносить рукой пищу ко рту. “Это удивительно, – рассказывает он, – я представляю, как двигаю рукой, и она это делает. Я могу двигать ею от себя и к себе, вверх и вниз”[281].

Но есть и сложности. Стимуляторы вызывают недостаточно сильное сокращение мышц правого плеча, чтобы преодолевать силу тяжести и поднимать руку полностью. Поэтому ученые поместили руку на подвижную опору, напоминающую автоматизированную петлю. Эта петля помогает поднимать и опускать руку и, как и стимуляторы в мышцах, находится под контролем мозга. Для выполнения этого движения требуется специальное поддерживающее устройство, так что Кочвар мог использовать имплантат только за специальным столом в больнице. Кроме того, декодеру понадобилось время, чтобы научиться понимать инструкции моторной коры. Кочвар тренировался несколько месяцев, прежде чем смог эффективно управлять системой. Но он был воодушевлен и впечатлен результатами. Поразительно, что полностью парализованный человек способен брать ложку и самостоятельно есть картофельное пюре.

Мозговые имплантаты позволяют не только читать мысли, но и записывать их. Тогда как чтение мыслей заключается в анализе и расшифровке активности мозга для извлечения информации, запись мыслей состоит в том, чтобы помещать что-то – ощущение, мысли или желание – в чей-то мозг. Конечно, мы постоянно делаем это косвенным путем. Когда мы с кем-то разговариваем или кому-то пишем, мы меняем состояние мозга этого человека, в результате чего он подстраивается к нашему мозгу. Каждый раз, когда кто-то что-то сообщает или рекламирует, он пытается изменить наши мысли и повлиять на наше поведение. Однако обычно это подчинение добровольное. Если я не хочу слышать ваши сообщения, я могу отключить звук, уйти, заткнуть уши или закрыть глаза. Запись мыслей более навязчивая, и избежать ее труднее.

Например, если я направляю сообщение прямо в область V1 вашей зрительной коры, вы не можете его не увидеть. Закрывайте глаза или не закрывайте, ничего не изменится.

Цель большинства развивающихся ныне технологий для записи мыслей заключается в том, чтобы помочь людям с потерей слуха или зрения отчасти восстановить утраченные способности. Один пример – одобренная медиками и широко распространенная процедура кохлеарной имплантации. Кохлеарные имплантаты доставляют информацию о звуковых частотах к слуховому нерву глухих или слабослышащих людей. Эти имплантаты предполагают целенаправленное использование нескольких электродов во внутреннем ухе и не требуют проникновения в череп. Этот слуховой опыт отличается от обычного слуха, однако люди с подобными имплантатами обучаются использовать поступающую таким образом информацию.

По определению любая технология записи информации в мозг является инвазивной, поскольку подразумевает прямое воздействие на активность нейронов. Наиболее многообещающий метод записи мыслей заключается в непосредственном нашептывании информации мозгу через электроды – вживленные или расположенные на внешней поверхности. Вспомните о попытках Джайлса Бриндли – новатора в области записей в человеческом разуме. Он вживил радиоприемники и электроды в поверхность зрительной карты V1 слепой пациентки, надеясь вернуть ей зрение[282]. Когда он стимулировал зрительную кору женщины с помощью электродов, она видела фосфены. Большинство из них были различимы, и с их помощью пациентка могла различать простейшие очертания. Это было в 1967 году. Статья Бриндли с описанием результатов завершалась оптимистическим предсказанием: “Наши данные однозначно показывают, что путем усовершенствования нашего прототипа можно создать протезы, которые позволят слепым пациентам не только избегать препятствий при ходьбе, но также читать печатный или письменный текст, возможно, со скоростью, сравнимой со скоростью чтения зрячих людей”. Казалось, что коммерчески жизнеспособная версия устройства появится на рынке в кратчайшие сроки.

Понятное дело, она и не появлялась. Прошло более пятидесяти лет, но у нас нет одобренных медиками и доступных на рынке кортикальных зрительных протезов. Однако попытки их сделать были. Несколько исследовательских групп соревновались между собой за внедрение в жизнь предсказания Бриндли. В течение тридцати лет, до самой своей кончины в 2004 году, Уильям Доубелл руководил масштабными усилиями по разработке и тестированию такой технологии на людях. Его группа разработала подход, позволявший соединить маленькую видеокамеру, встроенную в стекла для очков, с компьютером, который управлял имплантированными электродами. Задача заключалась в превращении важнейшей зрительной информации, выявленной камерой, в паттерн стимуляции зрительной карты слепых людей с помощью электродов. Когда через электроды проходит электрический ток, слепой человек видит фосфены. Теоретически, исходя из картины появления фосфенов, он может получить информацию о локализации и форме предметов. Дженс Нойман – слепой пациент, которому в 2002 году были установлены два протеза Доубелла, – так описывал свой первый опыт их использования: “Я не мог разобрать ни форм, ни размеров предметов, когда смотрел на них. Я пользовался камерой скорее как тростью, чем как прибором для обнаружения предметов”[283].

В первые дни апробирования устройства Нойман потихоньку учился использовать эту необычную зрительную информацию. Он мог с помощью взгляда найти на столе телефон. Он также короткое время управлял кабриолетом “Форд Мустанг” на пустом паркинге: это событие было заснято на видео и живо обсуждалось в средствах массовой информации. Однако Нойман предположил, что смог бы выполнить оба задания и без прибора. Он слышал, куда положили телефон, еще до того, как смог зрительно обнаружить его с помощью фосфенов. А что касается машины, он просто продвинулся вперед и назад со скоростью пешехода. Он отметил, что если бы исследователи просто передавали ему инструкции на словах, он мог бы управлять машиной не хуже.

Некоторое время Нойман мог пользоваться устройством дома. У него было восемь детей, но он никогда не видел ни одного из них. Вот как он описывал использование устройства за семейным обедом: “Нескольких световых точек там, где сидел каждый из детей, мне было достаточно, чтобы понять, что мы готовы к еде. Я слышал, как каждый уселся на стул, и спинки стульев, раньше видимые как пунктирные линии, теперь превратились в подвижное скопление точек. Вот так выглядели мои дети – когда они смотрели на меня, их лица представали лишь в виде двух или трех фосфенов. Но это было лучше, чем ничего”[284].

В общем, практическая ценность устройства была невелика. Оно давало Нойману возможность лучше понимать, где находятся окружающие предметы, без необходимости ощупывать все руками или тростью. Но он не мог сказать, что это были за предметы. Фосфены не сливались в формы или лица, как он надеялся. А через несколько недель после первого использования имплантатов Нойман обнаружил, что его мерцающие фосфеновые звезды начинают бледнеть и исчезать. Однажды, включив устройство, он увидел лишь десяток фосфенов. Потом пять. А потом два. И ограниченная помощь, которую он получал от имплантатов вначале, полностью исчезла.

Нойман, как и многие другие пациенты, получившие экспериментальные кортикальные протезы, испытывал неудобства[285]. Многие пациенты Доубелла страдали от головной боли и хронического воспаления в месте имплантации электродов. У некоторых годами почти постоянно сочился гной. У многих, включая Ноймана, были судороги – распространенная опасность при стимуляции мозга. Эти осложнения демонстрируют практические трудности в чтении и записи мыслей в мозге. Имплантаты с проводами со временем приводят к развитию инфекции. Электроды могут повреждать клетки и кровеносные сосуды мозга, вызывая реакцию заживления, которая приводит к затягиванию электродов рубцовой тканью. Такая рубцовая ткань изолирует электроды, отделяя их от нейронов, которые они должны стимулировать или регистрировать; возможно, именно по этой причине устройство Ноймана вскоре перестало производить фосфены. Изменения контекста, такие как вариации эмоционального состояния пациента, могут влиять на работу нейронов, мешая работе декодера. Чтобы декодер правильно работал, систему приходится переустанавливать или заново калибровать, иногда несколько раз за один сеанс. Кроме того, во влажной и соленой среде мозга электроды постепенно начинают подвергаться коррозии. За несколько лет функциональность электродов имплантата снижается, и каждый электрод обменивается с соседними нейронами все более и более слабыми сигналами.

Несмотря на все эти ограничения, технология создания мозговых имплантатов развивается семимильными шагами. Современные имплантаты гораздо меньше по размеру и могут снимать показания одновременно с гораздо большего числа нейронов, чем десятилетия назад. Некоторые даже действуют без проводов. Короче говоря, хотя вскрытие черепа и вживление инородного тела в мозг всегда будет делом рискованным, в последующие годы имплантаты станут лучше и безопаснее. Современные исследования и развитие технологии в области зрительного кортикального протезирования помогут решить даже более глубокую проблему: фосфены не похожи на световое табло над входом в старомодный театр. Они не сливаются предсказуемым образом с образованием линий или форм, не говоря уже об очертаниях реальных предметов[286]. Одна из причин этого недостатка, вероятно, заключается в многомерности зрительных карт каждого человека. Устройства будущего могут обеспечить лучшие результаты благодаря высоко персонализированному подходу, который использует информацию об уникальных многомерных зрительных картах каждого пациента. Или устройства могут совершенствоваться за счет подачи зрительной информации в мозг какими-то иными путями. Например, интересные результаты дает новый метод с динамическим вычерчиванием букв и форм на поверхности зрительной коры с применением электрической стимуляции[287].

Зрительные кортикальные протезы могут получить широкое распространение даже при условии, что обеспечиваемый ими опыт отличается от обычного зрительного опыта (конечно, если они будут надежными и безопасными). Какими именно должны быть такие протезы, чтобы соответствовать требованиям пациентов и врачей, зависит от наличия альтернативных вариантов. Некоторые задачи можно решить дешевле и безопаснее за счет других чувств: понять, где стоит телефон, можно с помощью слуха, а почувствовать препятствие – с помощью трости. Люди научились оценивать окружающее пространство с помощью звука, используя эхолокацию, или прикосновения, используя устройства, которые можно переносить в руках или в одежде[288]. Системы воссоздания и распознавания речи, а также самодвижущиеся автомобили помогут слепым людям найти больше альтернативных решений для обретения самостоятельности и взаимодействия с окружающим миром. А это поднимет планку ожидаемого эффекта от применения зрительных протезов.

Хотя обычно технологии записи мыслей направлены на восстановление утраченных сенсорных способностей, в будущем область их применения не обязательно останется такой же традиционной. Почему нужно останавливаться на доставке зрительной информации к зрительным картам или слуховой информации к слуховым картам? Животные с имплантированными электродами могут учиться использовать информацию от таких чувств, которыми они не владеют в обычных условиях. Например, взрослым крысам в область соматосенсорной карты S1, отвечающей за вибриссы, были вживлены электроды, а к головам были присоединены устройства, регистрирующие инфракрасное излучение[289]. Инфракрасное излучение невидимо невооруженным глазом – как для людей, так и для крыс. Когда сенсор инфракрасного света регистрировал инфракрасное излучение, имплантат стимулировал соматосенсорную кору животного. Постепенно бионические крысы выучили, что могут получать пищевое вознаграждение, если узнают, какой именно инфракрасный сигнал включается.

Сначала животные воспринимали электрическую стимуляцию, которая свидетельствовала о наличии инфракрасного света, в качестве странного и необъяснимого ощущения в вибриссах. Они почесывали мордочки крохотными лапками. Но через несколько недель крысы научились использовать сигналы от электродов в области S1, чтобы определять, какой свет горит, и за это получать пищевое вознаграждение. Они качали головами с прикрепленными сенсорами вперед и назад, чтобы поймать наиболее сильный сигнал. Через месяц они уже стабильно ощущали инфракрасный свет и получали вознаграждение.

Этот эксперимент служит примером расширения сенсорных возможностей: технология усиливает способность животных обнаруживать физические явления. Однако в подобных экспериментах не создаются новые чувства, а просто передается новый тип информации, который обрабатывается существующими системами чувств. Вообще говоря, это совсем не плохо. И это можно сделать, не проникая внутрь черепа. Когда военные используют инфракрасные очки для ночных наблюдений за перемещениями противника, они превращают инфракрасный свет в зрительную информацию. Люди постоянно используют такие приборы, как компасы или радары, для увеличения объема информации, передаваемой нашими системами чувств. Понятно, что эти устройства безопаснее и дешевле мозговых имплантатов. Пока они продолжают удовлетворять нашим требованиям, такое расширение возможностей, как восприятие инфракрасного света или визуализация геомагнитных полей, останется забавным экспериментом с лабораторными крысами.

До сих пор мы рассматривали новые технологии, направленные на чтение и запись мыслей. Цель этих разработок заключается в извлечении содержимого человеческого разума или воздействии на него. Но данные о мозге можно использовать и с другой целью – для характеристики людей. Люди значительную часть времени занимаются тем, что собирают друг о друге информацию: в чем мы хороши, а в чем плохи, каковы наши реакции в разных ситуациях, стоит ли нам доверять. Это бесценная информация, поскольку она позволяет каждому из нас предсказать поведение остальных, что, в свою очередь, помогает принимать более правильные решения относительно того, с кем стоит иметь дело и каким образом. Но эта информация имеет ценность только по той причине, что наши индивидуальные признаки сохраняются во времени, даже если меняются настроение, предпочтения и привычки.

Технологии анализа мозга могут продвинуть процесс характеристики других людей на шаг вперед для предсказания того, что человек будет делать, в чем нуждается или с чем борется, исходя не из поведения, а из активности или организации мозга. Хотя структура карт мозга человека сообщает кое-что об остроте восприятия и способности создавать мысленные образы, наиболее успешно охарактеризовать мозг удается путем измерения степени коммуникации между разными картами мозга. Вспомните, что зрение, как и все когнитивные способности, поддерживается за счет взаимодействия многих карт мозга, функционирующих совместно и одновременно. Например, карты с координатами, связанными со структурой сетчатки, такие как зрительная карта V1, посылают информацию в веретенообразную зону лиц и в парагиппокампальную область мест. Но зоны лиц и мест также отправляют сигналы обратно к картам, связанным с сетчаткой. В мозге все происходит как на рабочем месте: группа координированных и общающихся между собой сотрудников выполняет работу лучше, чем группа, в которой такой координации нет.

Для измерения степени коммуникации между областями мозга ученые часто просят участников исследований просто молча и спокойно лежать в сканере, пока активность их мозга анализируют методом фМРТ. Сканирование позволяет ученым рассчитать функциональную связанность, иначе говоря, степень активности коммуникации между разными частями мозга человека. По сути, функциональная связанность характеризует архитектуру мозга на основании того, насколько хорошо его отделы переговариваются между собой.

Выяснилось, что эта архитектура неизменна во времени и на удивление информативна в отношении того, что может делать или будет делать конкретный мозг. Например, измерив функциональную связанность зрительных областей мозга участников эксперимента, ученые несколько дней учили их выполнять сложные зрительные задания[290]. Они обнаружили, что люди, у которых до обучения имела место наиболее активная связь между зрительными областями, решали такие задачи быстрее и лучше других. Это и прочие похожие исследования показывают, что исключительно по результатам сканирования мозга удается предсказать, насколько хорошо человек сможет учиться или выполнять разные новые задания – от освоения нового языка до концентрации внимания[291]. Прогресс в области машинного обучения способствовал развитию этого метода предсказания, выявив наиболее информативные паттерны в массивах нейрональных данных.

Возможности предсказаний на основании активности мозга выходят за пределы выявления талантов или даже способности к обучению. Метод позволяет предсказывать тип психического заболевания у человека и эффективность конкретного вида лечения[292]. Его пытались применять, чтобы предсказать, помогут ли детям дополнительные занятия по математике или чтению, начнут ли они вскоре употреблять алкоголь или наркотики и даже прибавит ли в весе взрослый человек в ближайшее время[293]. Во многих случаях предсказания не полностью сбывались, но это все же точнее, чем бросать монетку, и иногда значительно точнее.

Для некоторых предсказаний такого рода не нужен даже аппарат для МРТ. Достаточно данных, полученных методом электроэнцефалографии с помощью нескольких электродов, приложенных к поверхности головы. Например, по сигналам ЭЭГ детей нескольких дней от роду удавалось предсказать, будут ли у них проблемы с чтением или дислексия в восьмилетнем возрасте[294]. По сигналам ЭЭГ, зарегистрированным у заключенных, пока они выполняли простые упражнения на самоконтроль, удавалось предсказать, кто из них вновь попадет в тюрьму в течение четырех лет после освобождения[295].

Возможно ли, что в один прекрасный день мы начнем проводить обширный скрининг, основанный на анализе мозга, чтобы предсказывать наши способности и недостатки? Ответ на этот вопрос зависит от того, с какой надежностью и точностью ученые смогут делать такие предсказания по мозгам самых разных людей. Чем серьезнее последствия предсказания, тем более высокого уровня должна достичь технология, прежде чем ее можно будет использовать в медицинских или коммерческих целях. Если это получится, многие подобные методы помогут людям быстрее и, возможно, эффективнее подобрать лечение, чем это делается другими способами. Однако нам следует также задаться вопросом, как наше общество будет использовать предсказания, основанные на анализе мозга. Если однажды мы с высокой степенью надежности и точности научимся предсказывать, что освобожденный преступник с большой вероятностью совершит новые преступления, мы учтем или проигнорируем эту информацию? Если показатели мозга указывают на то, что у ребенка будет дислексия и ему, вероятно, не помогут стандартные методики обучения чтению, приведет ли это к тому, что школа и родители приложат больше или меньше усилий, чтобы помочь ребенку научиться читать?

Кроме того, следует задуматься о том, кто должен контролировать развитие и применение подобных технологий. Коммерческие компании уже активно разрабатывают точные, практичные и недорогие интерфейсы “мозг – компьютер”. Некоторые из этих разработок направлены исключительно на медицинское применение для улучшения жизни пациентов. Другие нацелены на решение двух задач одновременно: помощь пациентам и технологические удобства для широкого круга людей. Частная компания знаменитого предпринимателя Илона Маска преследует обе цели. В 2019 году Маск провел пресс-конференцию, на которой раскрыл планы компании по созданию нейрональных имплантатов с ультратонкими электродами. Маск и другие представители компании говорили об использовании технологии для помощи людям с повреждениями мозга, но они, совершенно определенно, также предвидят возможность и более широкого коммерческого применения своих устройств. Маск объяснил, что одна из целей заключается в “достижении симбиоза с искусственным интеллектом”[296].

Маск – не единственное известное действующее лицо в гонке за создание технологии прямого взаимодействия с мозгом. Компания “Алфабет”, родственная компании “Гугл”, разрабатывает вживляемые нейроинтерфейсы[297]. Фейсбук тоже имеет собственную группу, финансирующую исследования в данной области; ученые из этой группы показали, что способны раскодировать активность, зарегистрированную на поверхности мозга говорящего человека, а затем быстро и аккуратно превратить ее в компьютерный текст[298]. Фейсбук также объявил о работе над устройством, которое считывает нейронные сигналы с поверхности головы, примерно как ЭЭГ, но только встроено в очки. Как рассказал генеральный директор компании Марк Цукерберг в 2017 году, “мы работаем над созданием системы, которая позволит печатать напрямую из мозга примерно в пять раз быстрее, чем вы сегодня можете печатать на телефоне. В конечном итоге мы хотим превратить это в портативную технологию, которую можно сделать широко доступной”[299].

Несмотря на воодушевление и надежды, связанные с новыми технологиями, требуется тщательное осмысление возможностей их коммерческого использования. Еще до того, как мы приступим к использованию данных мозга, мы уже имеем достаточно причин беспокоиться по поводу конфиденциальности. Благодаря программам машинного обучения и массивам информации о наших покупках и другой деятельности в интернете компании знают о нас гораздо больше, чем мы думаем. Поведение – продукт деятельности нашего тела и мозга, и оно представляет программам машинного обучения поистине удивительные данные относительно нашего нынешнего состояния и будущего поведения. Поэтому торговая компания может выявить, что девушка беременна, еще до того, как об этом узнают ее родители, – просто через анализ ее покупок[300]. Фейсбук использует программы, способные определить эмоциональное состояние пользователей на основании их постов[301], а с помощью этой информации можно влиять на состояние других людей или целенаправленно воздействовать на людей, чувствующих себя наиболее незащищенными. Ученые применяли программы машинного обучения для анализа ритма нажатия на клавиши при общении через Фейсбук и другие коммуникационные приложения и могут с 80-процентной точностью предсказать, есть ли у печатающего человека тенденция к развитию депрессии[302].

Другая работа в том же ключе позволяет ученым выявить людей с ранней стадией болезни Паркинсона по ритму печатания на клавиатуре и людей с болезнью Альцгеймера по движениям, зафиксированным акселерометром мобильного телефона[303]. Короче говоря, уже теперь коммерческие компании могут знать о некоторых аспектах нашего здоровья больше, чем знаем мы сами.

Открытие доступа к нашим индивидуальным нейрональным данным для коммерческих компаний и рекламодателей чрезвычайно сильно угрожает неприкосновенности частной жизни. Если ритм печатания на клавиатуре рассказывает о нарушениях в работе мозга, представьте себе, что сообщает активность мозга о нашем здоровье, настроении, наклонностях, слабостях и предстоящем выборе. Даже если эти сигналы мозга записываются с помощью электродов, встроенных в очки или шляпу, они произведут горы данных, которые можно использовать в методах машинного обучения для извлечения фактически любой информации о характеристиках, наклонностях и состояниях человека.

И эта угроза возрастет, если данные попадут в руки технологических монстров, таких как Фейсбук или “Гугл”, которые, возможно, уже имеют подробную информацию о нашей постоянной активности в интернете. Чем больше программа машинного обучения тренируется на сигналах от конкретного мозга, тем лучше она считывает смысл этих специфических сигналов от человека. Если компания способна связать нашу деятельность в определенные моменты времени (скажем, при переписке с друзьями или чтении рекламы) с сигналами мозга в эти же моменты времени, у нее есть вся информация, необходимая для тренировки программы машинного обучения на нас и нашем мозге. Учитывая количество времени, которое большинство людей проводят в интернете и пользуются электронными устройствами, такая программа очень быстро узнает нас лучше, чем знаем мы сами. И любая извлекаемая информация о наших проблемах со здоровьем, о перепадах настроения, физиологическом ритме, беспокойствах и других уязвимых местах становится ценным достоянием для тех, кто хочет нам что-то продать или повлиять на наши убеждения и поведение. Если кто-то может приобрести информацию о том, когда и как мы в наибольшей степени подвержены влиянию, это будет иметь последствия не только для маркетинга, но и для общественной жизни и демократии. В какой-то степени эти проблемы уже существуют, но доступность наших нейрональных данных для коммерческих компаний, совершенно очевидно, усугубит ситуацию.

В 2019 году академия наук Великобритании, Королевское общество, выпустила отчет о развитии технологий, основанных на анализе мозга. Отчет открывался срочным призывом к действию: “Влиятельные и ответственные лица, политики и общественность в обязательном порядке должны понять, что у них есть возможность влиять на будущее технологий с применением нейроинтерфейсов. Эти технологии создаются в настоящее время. Инвестиции увеличиваются. Результаты будут значимыми, и если мы хотим, чтобы они были положительными, общество должно подключаться к этому процессу на ранних этапах и постоянно”[304].

Но что реально можно сделать, чтобы повлиять на развитие и использование подобных технологий? На самом деле достаточно многое. Отдельные государства и международные организации, такие как ООН, имеют достаточный опыт формирования комиссий, законодательных постановлений и деклараций для наблюдения и регуляции сложных вопросов по взаимодействию науки и общества. У нас уже есть строгие правила, ограничивающие продажу и использование человеческих органов, генно-инженерных технологий, а также химического, биологического и ядерного оружия. У нас есть законы, препятствующие разглашению конфиденциальной медицинской информации о пациентах и защищающие права людей, участвующих в медицинских исследованиях. Нет причины для того, чтобы сбор и использование нейрональных данных не могли бы контролироваться аналогичным образом при наличии общественного интереса и юридической мотивации. Рабочая группа, состоящая из нейробиологов, специалистов по этике и инженеров, выступила с несколькими практическими рекомендациями, которые государства должны принять во внимание уже сегодня, чтобы предвосхитить и предотвратить возможное неправомерное использование данных о мозге[305]. В конечном итоге реакция правительства будет зависеть от того, признает ли общественность значимость и неотложность проблемы. Но коммерческие компании не теряют времени. Они частным образом будут продолжать развивать данные технологии с учетом своей практической выгоды.

Технологии, основанные на анализе мозга, развиваются. Некоторые уже существуют. Они будут совершенствоваться.

Вероятно, они не смогут похитить у нас все мысли или столкнуть нас в неприятную виртуальную реальность. Но они смогут определять наши эмоции и предсказывать некоторые наши действия, способности и недостатки. Такие технологии способны помочь беспомощным, но они также угрожают нарушением конфиденциальности и ослабляют нашу независимость. Если мы сочтем их научной фантастикой и слепо доверим их развитие коммерческим компаниям, мы все можем оказаться в неприятной ситуации.

Обсуждение интерфейсов “мозг – компьютер” в данной книге на этом заканчивается, но на самом деле это лишь начало истории. Нет сомнений, что успехи в развитии инструментального и программного обеспечений будут способствовать появлению этих устройств. Аналогичным образом, безусловно, будут достигнуты важные результаты в научном понимании карт и кодов мозга, и параллельно программы машинного обучения усовершенствуют процесс извлечения информации из сигналов мозга. Очевидно, что нас ждут новые проблемы и трудные решения, связанные с возможностью использования данных мозга в судебной и школьной практике, в коммуникационных приложениях и во всех других сферах. Будем к этому готовы. Двери открыты. Теперь нужно решить, что мы будем с этим делать.

Люди имеют удивительную и досадную привычку постоянно задавать один и тот же вопрос: “почему?”. Когда я была студенткой, я занялась изучением разума и мозга, наверное, по той же самой причине, по которой вы принялись читать эту книгу. Я хотела понять, почему люди воспринимают мир так, а не иначе. Карты мозга дают ценные ответы на эти вопросы. Но что они могут рассказать в более общем плане: почему мы такие, какие мы есть, и почему мы думаем именно так, а не иначе?

Самый лучший ответ, который дают ученые, заключается в теории эволюции. Мы ощущаем, думаем и действуем так, а не иначе, поскольку именно такой способ ощущать, думать и действовать помогал нашим предкам выживать, находить партнера и производить потомство, которое, в свою очередь, тоже выживало, находило партнеров и имело потомство. Никто не отрицает, что наш ранний жизненный опыт тоже имеет значение. Однако в науке, как и в культуре, мы обычно рассуждаем о раннем жизненном опыте в терминах отклонения от идеала. Обеспечьте мозгу новорожденного ребенка правильный уход и ожидаемые сигналы, такие как тепло, человеческая речь и вид человеческих лиц, и он будет расти так, как определено его генами. Не сможете обеспечить такие условия, и вы рискуете нарушить правильный ход развития. Короче говоря, эволюция определяет конечный результат (взрослый мозг с таким способом мышления, который помогал выжить нашим предкам), а ранний жизненный опыт либо помогает, либо мешает мозгу каждого ребенка развиться и достичь этого результата.

Однако карты мозга предлагают иное объяснение, почему мы мыслим именно так, а не иначе. Чтобы в этом разобраться, давайте посмотрим, как эти карты учитывают значительные изменения нашей среды по сравнению со средой обитания наших предков. На протяжении многих поколений условия жизни менялись, но сила земного притяжения, G, оставалась постоянной. Что произойдет, если вы поместите существо, чьи предки жили и умирали в условиях постоянного действия силы G, в другие гравитационные условия? Изменятся ли его мозговые карты в соответствии с новыми условиями? Ученые проверили эту гипотезу, выращивая детенышей крыс в корзинках, подвешенных в центрифуге[306]. Некоторые центрифуги не вращались, так что крысята в установленных в них корзинках росли в обычном гравитационном поле. Другие центрифуги были включены и постоянно вращались. Это вращение придавливало крысят ко дну корзин, в результате чего на них действовала сила, вдвое превышавшая силу G (обозначим ее 2G). Крысята прожили в таких условиях три недели, после чего ученые извлекли их и исследовали структуру участка соматосенсорной карты S1, отвечающую за передние лапы (рис. 35).

Животные, росшие в условиях нормальной силы тяжести, имели на соматосенсорной карте S1 обширные участки, соответствующие передним лапам, на которых отображалась тактильная информация от безволосой поверхности кожи на нижней стороне каждого крохотного пальца. Только небольшие пятна на карте соответствовали тактильным ощущениям от корня каждого когтя, которое возникает, когда коготь поднимается или опускается. Но у крысят, выросших в условиях удвоенной силы тяжести, которая придавливала их ко дну корзин, были совсем другие карты передних лап. Голые поверхности кожи на нижней стороне пальцев слабо отображались на карте, а основную территорию занимали области когтей. Соответствующие карты мозга крыс представлены на рис. 36. Детство в условиях удвоенной силы тяжести привело к тому, что крысы больше чувствовали когтями, чем подушечками пальцев.

Рис. 35. Схема эксперимента (вверху) и влияние среды G и 2G на строение участка соматосенсорной карты S1, соответствующего передним лапам крыс (внизу). Художник Пол Ким.

После этих первых трех недель жизни крысят, росших в условиях 2G, переносили в среду с нормальной силой тяжести, где они оставались больше месяца. Даже после того, как животные прожили в условиях G дольше, чем в условиях 2G, на их картах передних лап по-прежнему доминирующее положение занимали зоны когтей. Три первые недели жизни в условиях 2G выгравировали мозговые карты крыс таким образом, что более поздний опыт не мог стереть эти следы.

Рис. 36. Сравнение тактильного ландшафта мозга крыс, выросших в условиях G (слева) и 2G (справа). Художник Пол Ким.

Строение соматосенсорной карты S1 крысят из обеих групп должно было определяться как генетическими, так и внешними факторами. Однако у крысят из группы 2G отпечатки эволюционного прошлого, связанного с жизнью в условиях G, перекрываются ранним жизненным опытом под влиянием других сил, отличающихся от силы G. Тот факт, что их карта S1 сильно отличается от карты их собратьев, выросших в нормальных условиях, показывает, что пренатальный и неонатальный опыт может переписывать генетические инструкции для формирования карты S1. Он также показывает, что влияние раннего жизненного опыта выходит за рамки двоичной системы “плохо – хорошо” или “иметь – не иметь”. Скорее, все установки каждого нейронного переключателя одновременно настраиваются под действием раннего сенсорного опыта детеныша. Внешняя среда обучает мозг детеныша максимально эффективно отображать мир. И в этом процессе среда формирует карты мозга новорожденного ребенка или крысенка, вплоть до карты каждого когтя или ногтя.

Есть и другие доказательства, указывающие на замечательную способность мозга ребенка быстро обучаться на основании входных сигналов. К ним относится явление массивной переориентации зрительной коры слепых детей на решение других задач. Еще один пример – история девочки, у которой правое полушарие мозга перестало развиваться на раннем этапе внутриутробного развития[307]. Она родилась фактически лишь с половиной мозга, но она нормально живет, если не считать затруднения в движениях левой части тела. У нее почти нормальное зрение, хотя она имеет лишь половину зрительной карты V1. Когда ученые просканировали ее зрительную карту V1 с помощью фМРТ, они обнаружили, что карта V1 в левом полушарии ее мозга отображает как левую, так и правую часть поля зрения. Другими словами, в развивающейся слуховой коре нет ничего предопределенного, что делало бы ее слуховой, кроме того факта, что она обычно получает свои сигналы от улитки уха.

Вероятно, самой яркой иллюстрацией роли обучения в раннем периоде жизни является серия экспериментов с новорожденными хорьками. Повреждая некоторые зрительные и слуховые отделы их мозга, ученые смогли перенаправить сообщения от клеток, передающих зрительную информацию от глаз к мозгу[308]. Вместо того чтобы доставлять эту информацию к зрительной области мозга, клетки начали отправлять ее в слуховые отделы, включая карту звуковых частот A1. Удивительно, но у этих животных карта зрительного пространства развивалась в слуховой коре[309]. Более того, поведение хорьков показывало, что они воспринимали активность этой карты как результат зрения, а не слуха[310]. Иными словами, нет никаких заранее заданных установок для развития слуховой коры, которые делают ее именно слуховой корой, за исключением того, что в норме она получает сигналы от улитки уха.

Такие массивные перестройки в мозге взрослых животных или людей попросту невозможны. У слепых от рождения детей зрительная кора переключается на решение других задач, но у людей, ослепших во взрослом возрасте, такого не происходит. Процесс созревания и специализации нервных клеток происходит в младенчестве и в детстве, закрепляя карты мозга и отображение информации нейронами. За счет опыта взрослые люди могут уточнять карты мозга и отображения; эта способность является основой для обучения на протяжении всей жизни. Однако у взрослых людей слуховая карта не превращается, скажем, в зрительную, как у новорожденных хорьков. Это различие объясняет, почему маленькие дети гораздо легче восстанавливаются после инсульта, чем взрослые люди[311]. Детский мозг гибок, что позволяет перестраивать и изменять функции неповрежденных частей поврежденного мозга, извлекая наибольшую пользу из оставшихся здоровых тканей.

Хотя фиксированная структура взрослого мозга – препятствие для восстановления поврежденного мозга, возможно, это преимущество в повседневной жизни. Ценность нашего мозга обусловлена тем, что он поддерживает идеальное равновесие между памятью (стабильностью) и обучением (изменением). Представьте себе, что вы каждое утро встаете и заново учитесь чистить зубы и завязывать шнурки, не говоря уже о том, что заново овладеваете смыслом каждого слова и способом сложения слов в предложения. Стабильность мозга позволяет удерживать знания и навыки изо дня в день и из года в год. Но если бы наш мозг был слишком стабильным, мы не могли бы учиться ничему новому и приспосабливаться к новым событиям или обстоятельствам.

Таким образом, мозг ребенка настроен на то, чтобы учиться. Особенно это касается человеческих детей: они мало что делают, но многому учатся. И учатся они не только тому, что видно со стороны: как улыбаться или произносить первые слова. Они учатся, что и как чувствовать и воспринимать и на что обращать внимание. Мы говорим о мощном и многостороннем процессе обучения, подразумевающем впитывание из окружающей среды самой разной информации и использование ее для того, чтобы зафиксировать, как информация будет обрабатываться в будущем. В раннем возрасте мы переживаем интенсивный процесс обучения, за которым в дальнейшей жизни следует период относительной стабильности.

Учитывая интенсивность процесса обучения, важно осознавать, насколько детский опыт отличается от опыта взрослых. Хотя дети живут с нами в одних домах, во многих смыслах они живут в другом мире. В частности, младенцы видят мир несфокусированным взглядом и с другой точки обзора. Когда они голодны, они не могут побежать на кухню, чтобы найти что-то съедобное. Когда они замерзли или промокли, они не могут самостоятельно избавиться от неудобства. Хотя на них могут повлиять финансовые неурядицы, они ничего не знают о цифрах, не говоря уже о низком доходе или о долгах. Важный для них мир – это пространство, где находятся вещи, которые они могут достать или увидеть. Им не нужно знать, когда и как долго что-то происходит, за исключением ценной информации о том, что некоторые события обычно происходят одновременно. И даже когда дети учатся ходить, а затем достигают дошкольного возраста и взрослеют, они часто не осознают реалий и проблем современного им мира взрослых. У них другие приоритеты, они обращают внимание на другие вещи в окружающем пространстве, боятся другого и ищут иного вознаграждения.

Некоторые аспекты раннего опыта более или менее универсальны во всем мире. Сходство нашего физического детского опыта определяет сходство наших мозговых карт за пределами того, что записано в наших генах. И в тех случаях, когда ранний опыт отличается от опыта во взрослом состоянии, именно детский опыт, а не опыт взрослого диктует организацию основных областей и зон мозга.

Возможно, этот тезис стоит обдумать, поскольку он идет вразрез с превалирующим мнением, что детство – просто период взросления. Это наше стандартное представление о детстве – как в культуре, так и в науке, и оно определяет нашу интерпретацию объективных данных. Например, за последнее десятилетие ученые разработали безопасные и удобные способы сканирования мозга детей, включая младенцев, с помощью фМРТ. Результаты сканирования показывают, что по основной схеме строения и функционированию мозг маленького ребенка очень похож на мозг взрослого человека. И ученые восхищаются тем, как же рано созревает мозг детей, так скоро начинающий напоминать мозг взрослых! Однако эти наблюдения следовало бы интерпретировать иначе: мы, взрослые, идем по жизни с мозгом, схожим с мозгом младенца.

Итак, мы плутаем по взрослой жизни с мозгом, который во многих отношениях предназначен для ребенка, и это вызывает очевидный вопрос. Если мозг взрослого человека по своей сути так похож на мозг ребенка, почему взрослые способны на гораздо большее, чем маленькие дети? Ответ таков: мы обучаемся и развиваем новые способности, опираясь на уже существующие. В общем и целом мы выстраиваем когнитивные лестницы, чтобы подняться над своим ограниченным нейрональным базисом.

В этой книге мы уже видели много примеров того, как люди используют рано проявляющиеся способности для приобретения новых. На зрительное восприятие опираются зрительная рабочая память и создание мысленных образов. Слуховое восприятие создает основу для восприятия речи, которое, в свою очередь, поддерживает развитие вербальной рабочей памяти и способности к чтению. Распознавание пальцев помогает на начальном этапе обучения счету и в вычислениях. Обработка пространственной информации обеспечивает концентрацию внимания, а позднее позволяет рассуждать о числах и времени. Таким образом, мы учимся извлекать больше возможностей из тех же основных карт и нейрональных архитектур, которые имели в детстве.

Нам также удается добиться большей функциональности мозга, передавая когнитивную нагрузку на аутсорсинг. Например, письменная речь и математические обозначения позволяют преодолевать ограниченность памяти за счет сохранения информации в физическом формате. Для наиболее сложных математических вычислений у нас есть приборы. Мы используем календари, таймеры и часы, чтобы отслеживать время. Короче говоря, многие возможности взрослых людей в отношении сложных размышлений и планирования хотя бы отчасти зависят от умения эффективно применять эти инструменты.

Наиболее сложную проблему для человеческого мозга представляет отображение жизненно важных концепций времени и чисел. Вспомните, что в нашем мозге нет карт времени и чисел. Поэтому мы вынуждены в значительной степени опираться на письменную информацию и устройства. Там, где мы не можем прибегнуть к посторонней помощи, мы используем поэтические решения. Мы применяем аналогии: время сравнимо с расстоянием в окружающем нас пространстве. Наш мозг способен гибко соотносить точки во времени с точками в пространстве (например, прошлое находится слева, а будущее справа или прошлое позади, а будущее впереди), что позволяет использовать пространственные карты для рассуждений о времени и для его отображения. В рассуждениях о числах мы тоже применяем аналогию между количеством и пространством. Эти параллели позволяют нам достаточно легко думать и говорить о времени и числах. В использовании аналогий в таком ключе поистине замечательно то, что они превращают наши слабости в нашу силу. Мы изумительно сильны в рассуждениях об окружающем нас физическом пространстве. И поэтому, если время и числа сопоставимы с пространством, мы способны достичь больших успехов в рассуждениях о времени или числах, по меньшей мере до тех пор, пока они действительно сопоставимы с пространством.

Рассмотрите любое выдающееся достижение человеческого разума, такое как полет в космос или открытие внутренней структуры атома, и вы увидите, как действуют эти приемы и инструменты. Способность людей читать, писать и выполнять математические операции основана на картах для распознавания формы, речи и двигательной и пространственной информации. Люди осмысляют сложные данные путем создания графиков, описывающих числа, время или другие понятия в терминах пространства, – примером тому служит использование расстояния на гистограмме или площади на круговой диаграмме. Мы используем сенсорные карты мозга для поиска путей преодоления препятствий. Мы пытаемся понять сложные явления, связывая их со знакомыми понятиями, и уподобляем электричество потоку воды, а мозг – компьютеру. В конечном итоге наша способность размышлять об отдаленных точках вселенной или отдаленном прошлом основана на шаткой башне из лестниц. А под этими лестницами находятся нейрональные основы ощущений, действий и пространства, заложенные в детстве. И в таком контексте ландшафты мозга определяют и формируют нашу манеру мышления, рассуждений, понимания и воображения на протяжении всей жизни.

С одной стороны, ландшафты вашего и моего мозга одинаковым образом формировались под действием похожего младенческого и детского опыта. С другой стороны, наши гены, условия внутриутробного развития и ранний жизненный опыт определили различия в наших нейрональных ландшафтах. В последние десятилетия стало ясно, что внутриутробный и ранний жизненный опыт может оказывать мощное и долгосрочное влияние на здоровье и благополучие каждого человека. Ученые и врачи обнаружили много примеров такого долгосрочного воздействия на метаболизм, иммунитет и физиологическую реакцию на стресс. Один из примеров связан с историей Голландии, где во время Второй мировой войны зимой 1944–1945 года в оккупированных немцами областях был массовый голод. Сильный, но кратковременный. Поздней весной союзники принесли освобождение, и в последующие годы голландцы ни в чем не нуждались. Однако дети, зачатые или родившиеся в ту ужасную зиму, несли на себе невидимый отпечаток бедствия. Голод их матерей определил условия внутриутробной среды и запустил такое развитие метаболизма, которое готовило их к голоду на протяжении всей жизни. В результате у этих людей в более поздние годы с необычайно высокой вероятностью возникали такие метаболические нарушения, как диабет второго типа и ожирение[312].

Другой пример касается новорожденных крысят. Крысята рождаются слепыми, голыми и неспособными передвигаться. Матери заняты тем, что кормят и вылизывают детенышей[313]. В первую неделю жизни детенышей некоторые матери вылизывают их чрезвычайно часто, другие очень редко. В состоянии стресса матери вылизывают детенышей реже. Интересно, что это простое различие в частоте вылизывания в первую неделю жизни определяет силу физиологической реакции на стресс у животного на протяжении всей жизни. В теле крыс, которых меньше вылизывали, более высокий уровень стрессовых гормонов. Они чаще и сильнее пугаются и опасаются новых условий. Короче говоря, ранний опыт заставляет их тело и мозг подготовиться к жизни в условиях неизвестности и опасности. По-видимому, аналогичные механизмы работают и в развитии человека. Дети, пережившие насилие, стресс, обусловленный бедностью, или ситуации, связанные со стрессом или депрессией родителей, имеют тенденцию вырабатывать повышенный уровень стрессовых гормонов и более чутко реагируют на возможную опасность[314]. Этот активный ответ на стресс нагружает сердце и иммунную систему и повышает вероятность физических и психических заболеваний в более поздние годы[315].

Эти и многие другие подобные примеры показывают, что опыт внутриутробного периода и детских лет может программировать функции нашего тела и изменять нашу физиологию на всю жизнь. Это явление называют биологическим встраиванием[316]. Оно помогает ученым объяснить, почему негативное воздействие в раннем возрасте приводит к повышению вероятности заболеваний у взрослого человека[317] и усиливает долгосрочное социальное неравенство. Хотя концепцию биологического встраивания обычно используют в контексте обсуждения негативного раннего опыта, следствия этого процесса гораздо глубже. Ранний период жизни (время, которое мы даже не можем вспомнить) является периодом массированного извлечения информации из окружающей среды – как для мозга, так и для тела. Вне зависимости от того, какой была среда, она встроилась в нас, во многом определяя, что из нас получится.

Биологическое встраивание передает историю о тканях нашего тела и мозга и об их биохимическом и структурном “обучении”. Но, как рассказано на страницах этой книги, существует еще и параллельная история о картах мозга и сенсорных, двигательных, пространственных и концептуальных возможностях, которые они обеспечивают. Я назову это репрезентативным встраиванием: ранний жизненный опыт влияет на нейрональную организацию и отображение информации, определяя особенности восприятия, действий и познания на протяжении всей жизни.

Долгосрочное влияние рано сформированной структуры мозга в сочетании с когнитивными лестницами более позднего периода объясняет, почему мозг ребенка оказывается таким мощным предсказательным инструментом. Мы уже видели, что сигналы мозга могут быть удивительно информативными для предсказания последующих действий человека, его способностей и трудностей, с которыми он столкнется. В одном из таких примеров картину нейронной активности, записанную с черепа ребенка нескольких дней от роду, использовали для предсказания вероятности проблем с чтением через восемь лет[318]. Сигнал ЭЭГ регистрировали в тот момент, когда новорожденные слышали краткие фрагменты записи речевых и неречевых звуков. Хотя до начала обучения чтению и даже до распознавания букв оставалось еще несколько лет, дети уже имели опыт прослушивания речевых и других звуков во внутриутробной и неонатальной среде. Годами позднее, учась читать и писать, они в значительной мере опираются на связь между звуками речи и письменными буквами. И хотя взрослые обычно читают беззвучно, их мозг до конца дней задействует для чтения области, ответственные за прослушивание и обработку речи. Вот почему специфика обработки звуков речи в мозге новорожденного может предсказать наличие трудностей с чтением в более поздние годы. У новорожденных уже есть основы слуховых карт и отображения речи, на которых позднее будут строиться когнитивные лестницы, необходимые для чтения.

Мысль о том, что раннее обучение ограничивает возможности обучения в более поздние годы, расстраивает и подавляет. Но есть и определенные преимущества в том, что адаптация и обучение в раннем возрасте влияют на все последующие процессы. Это обосновывает долгосрочную общественную выгоду от инвестиций в программы поддержки семьи и детства. Явление биологического встраивания показывает, как стресс или депривация в младенчестве повышают риск физических или психических проблем в более поздние годы. Аналогичным образом репрезентативное встраивание объясняет, как изоляция и отсутствие стимуляции в ранний период жизни способны в будущем ограничивать развитие карт мозга и отображение информации, определяющих такие навыки, как чтение, счет и планирование. Вкупе это подчеркивает важную роль оплаченного отпуска родителей по уходу за детьми, социальной помощи малышам, доступности детских дошкольных учреждений и содержательного начального образования для всех детей. Учитывая долгосрочное влияние раннего детского опыта, защита и поддержка детей являются как моральным обязательством, так и мудрым вложением средств в любом обществе.

Кроме того, следует переосмыслить наше отношение к развитию ребенка и раннему жизненному опыту и наши высказывания по этому поводу. Детство – период интенсивного обучения и подготовки, важный для каждого из нас. И польза этой подготовки зависит от того, что готовит нам будущее. Все, что мы можем сделать, это попытаться дать детям богатое окружение и общение, которые помогут в развитии карт мозга, а эти нейрональные основы обеспечат максимальную легкость и гибкость для построения когнитивных лестниц на протяжении всей жизни. Мы также имеем возможность обеспечить дополнительную помощь взрослым, лишенным богатой среды и общения в детстве, чтобы дать им необходимое время и инструменты для адаптации к новым обстоятельствам и для построения новых лестниц.

Вне зависимости от раннего жизненного опыта, генов, количества денег в карманах и безопасности окружения каждый из нас живет и умирает с ограниченным мозгом. К счастью, наши возможности лимитированы в гораздо меньшей степени. Там, где не хватает мозга, мы строим новые лестницы. Мы преодолели ограниченность собственной памяти путем изобретения письменности. Мы преодолели недостаточность нейрональных инструментов счета путем разработки формальных математических систем. Мы используем числа для характеристики и предсказания физического мира, а затем проверяем предсказания с помощью экспериментов. Мы использовали математику и науку для развития технологий, которые могут перенести нас на Луну и исправить наш генетический код. Мы изобрели не один, а несколько способов заглянуть в живой мыслящий мозг и увидеть, как он бурлит. Лестницы и инструменты могут доставить нас туда, куда нам нужно попасть. Ограничены мы или нет, но мы можем туда попасть, если захотим подготовить свои мыслительные, физические и культурные ресурсы к тому, что ждет нас впереди.

Когда я только собралась писать книгу, я хотела поделиться с читателем красотой и значимостью карт мозга. Хотя мозг функционирует одновременно на многих уровнях и с помощью многих механизмов, карты мозга предоставляют возможность понять, почему мы думаем, чувствуем и действуем таким, а не иным образом. И только потом, когда я начала заполнять страницы словами, я полностью осознала, насколько это обширная тема. Ландшафты мозга – самые глубокие основания, определяющие, кто мы такие и что мы собой представляем. Их появление, адаптация и то, что они отображают, чрезвычайно важны для здоровья человека, а также для понимания возможностей и опасностей новых технологий. Их уникальность определяет нашу индивидуальность. А их универсальность у разных людей, культур и даже видов показывает, насколько все мы похожи.

Ландшафты мозга также раскрывают удивительную связь между нашим разумом и внешним миром. Физическая среда, действующая на наше физическое тело, в буквальном смысле формирует ландшафты мозга в детстве. А затем эти ландшафты становятся проводниками для нашего восприятия окружающего мира на все оставшееся время. Мы не замкнутые островки, не мини-компьютеры на двух ногах и не тела из плоти, заполненные водой и ДНК. Мы больше, чем продукт, созданный нашими матерью и отцом или даже всеми матерями и отцами, которые жили до них. Мы созданы солнечным светом и теплом, движением воздуха вокруг и притяжением нашей планеты. И меня поражает значительность простой мысли: ландшафт нашего мозга отображает место этого мира внутри каждого из нас.

В процессе работы над книгой, от замысла до воплощения, я на собственном опыте проследила за тем, как карты мозга позволяют осуществить это превращение. Каждое слово в книге берет начало внутри моей головы. Я проговариваю эти слова для вас в воображаемой речи, используя слуховую и двигательную карты для выбора слов и их переложения на бумагу. Я думаю о вас и представляю себе, кто вы такие и что вы уже знаете. С помощью внутренней речи я читаю то, что написала, и прикидываю, что это может означать для вас: насколько хорошо мои слова позволяют синхронизировать состояния вашего и моего мозга, чтобы до вас дошел именно тот смысл, который я хотела передать, а не какой-то другой, или вообще не получилась бы бессмыслица.

Любая стоящая книга должна изменить восприятие мира читателем, хотя бы чуть-чуть. Я надеюсь, что данная книга сможет это сделать. И надеюсь, что в конце нашего путешествия вы улучите момент, чтобы вместе со мной восхититься тем крохотным чудом, которое мы с вами совершаем. Я говорила с вами в уме. Возможно, вы слушали меня в уме. Я писала, представляя себе, что вы можете знать и как вы можете думать. А вы читали, догадываясь, что я имела в виду. Мы общались, поселившись друг в друге. Мы с вами синхронизировали многие состояния мозга – в пространстве и во времени. И это совершенно нормальное и обычное дело. Но от этого оно не становится менее поразительным.

Создание книги было упражнением в благодарности и скромности. Без поддержки, наставничества и прощения со стороны многих людей она никогда не была бы написана и даже задумана.

В первую очередь я благодарю своих коллег и друзей, которые давали мне советы, поощряли меня или комментировали фрагменты рукописи: Пола Блума, Сандру Блэксли, Джоша Уиттена, Сандру Амондт, Талию Конкл, Касса Санштейна, Иву Фриман, Майю Роузен, Эрвина Данга, Джоан Луби, Деанну Барч, Чада Сильвестера, Майкла Грациано, Адриана Оуэна и Джо Леду. Отдельное спасибо Крису Уайту, который подбадривал меня, неустанно давал советы и оказывал поддержку от начала и до конца работы. Я также благодарю за терпение и поддержку своих научных руководителей, которые служат мне примером для подражания, – в их числе Нэнси Кэнвишер, Ноу Оуфен, Лори Марксон, Чад Сильвестер, Кирстен Гилберт, Джоан Луби и Деанна Барч.

Моя сердечная благодарность также организациям и фондам, которые способствовали созданию книги. Спасибо Фонду Альфреда П. Слоуна за выделение щедрого гранта по программе популяризации науки, технологии и экономики и за его чрезвычайно важную работу по поддержке и распространению научных открытий. Также спасибо библиотекам Университета Вашингтона в Сент-Луисе, Массачусетского технологического института, Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, Институту Мобиус, публичной библиотеке Кембриджа, Городскому библиотечному фонду Сент-Луис Каунти, библиотекам Сент-Луис Каунти и открытым библиотечным источникам во всем мире, которые обеспечивают свободный доступ к знаниям для всех желающих.

Я благодарю Пола Кима за создание изумительных оригинальных иллюстраций, которые оживляют книгу. Благодарю своего агента Катинку Мэтсон за то, что поверила в книгу и нашла для нее издательство. Благодарю Майкла Хили за практические советы и Рассела Вейнбергера за распространение книги. Спасибо Сюзанне Бругхем за тщательную и неоценимую правку и Лайзе Глоувер за окончательную подготовку текста. Спасибо замечательному редактору книги Александру Литтлфилду за преданность проекту от начала и до конца. Я очень признательна также Алексу и Оливии Бартц за то, что они показали мне, как сделать книгу понятнее и интереснее.

Спасибо членам моей семьи за то, что простили мне жизнь без отпуска и работу по выходным, за помощь в приготовлении еды и уход за детьми, за терпение и любовь. Спасибо Мине и Найе за энтузиазм и мудрые советы. И отдельное спасибо Раджни Дангу, Терри Фраю, Салли Фрай Шварцлоуз и моему мужу Сабину за то, что все время были рядом и помогали мне.

Наконец, я хочу сказать отдельное спасибо людям, которые никогда не держали эту книгу в руках, но дали мне инструменты, чтобы ее написать. Спасибо Лесу Плеско, который учил меня писать. Спасибо моему отцу Ричарду Шварцлоузу за то, что показал, как искать глубоко и думать широко. И спасибо моей матери Салли Фрай Шварцлоуз, научившей меня читать, сопереживать и удивляться. В первую очередь эта книга возникла благодаря способности моей матери удивляться и ее невероятному умению видеть красоту внутри и вокруг нас.

Mishima S. The History of Ophthalmology in Japan. Belgium: J. P. Wayenborgh, 2004; Glickstein M., Whitteridge D. Tatsuji Inouye and the Mapping of the Visual Fields on the Human Cerebral Cortex. Trends in Neurosciences. 10 (1987): 350–53; Kauffmann Jokl D.H., Hiyama F. Tatsuji Inouye – Topographer of the Visual Cortex, Exemplar of the Germany-Japan Ophthalmic Legacy of the Meiji Era. Neuro-Ophthalmology. 31 (2007): 33–43; Gross C.G. Brain, Vision, Memory: Tales in the History of Neuroscience. Cambridge, MA: MIT Press, 1998; Tatsuji I. Die Sehstörungen bei Schussverletzungen der kortikalen Sehsphäre: Nach Beobachtungen an Verwundeten der letzten japanischen Kriege. Leipzig, Germany: W. Engelmann, 1909.

Henschen S. On the Visual Path and Centre. Brain. 16 (1893): 170–180.

Washington and his spies / Nagy J.A. George Washington’s Secret Spy War: The Making of America’s First Spymaster. New York: St. Martin’s Press, 2016.

Tootell R. et al. Functional Anatomy of Macaque Striate Cortex: II. Retinotopic Organization. Journal of Neuroscience. 8 (1988): 153–68.

Gertner J. The Idea Factory: Bell Labs and the Great Age of American Innovation. New York: Penguin, 2012; Thackaray A., Brock D.C., Jones R. Moore’s Law: The Life of Gordon Moore, Silicon Valley’s Quiet Revolutionary. New York: Basic Books, 2015; Malone M.S. The Intel Trinity: How Robert Noyce, Gordon Moore, and Andy Grove Built the World’s Most Important Company. New York: HarperCollins, 2014.

Filatova O. et al. Cultural Evolution of Killer Whale Calls: Background, Mechanisms, and Consequences. Behaviour. 152 (2015): 2001–38.

Pearce J.M. Animal Learning and Cognition: An Introduction, 3rd ed. East Sussex, UK: Psychology Press, 2008.

The brains of these animals / Roth G., Dicke U. Evolution of the Brain and Intelligence. Trends in Cognitive Sciences. 9 (2005): 250–57.

Herculano-Houzel S. The Remarkable, Yet Not Extraordinary, Human Brain as a Scaled-up Primate Brain and Its Associated Cost. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 109 (2012): 10661–68.

Kuzawa C. et al. Metabolic Costs and Evolutionary Implications of Human Brain Development. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 111 (2014): 13010– 15.

Zhang K., Sejnowski T. A Universal Scaling Law Between Gray Matter and White Matter of Cerebral Cortex. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 97 (2000): 5621–26.

Nelson M., Bower J. Brain Maps and Parallel Computers. Trends in Neurosciences. 13 (1990): 403–8.

Grzybowski A., Aydin P. Edme Mariotte (1620–1684): Pioneer of Neurophysiology. Survey of Ophthalmology. 52 (2007): 443–51.

Mariotte E. Nouvelle découverte touchant la vue / Œuvres de M. Mariotte. The Hague: Jean Neaulme, 1740, 495–34.

Adams D.L. et al. Complete Pattern of Ocular Dominance Columns in Human Primary Visual Cortex. Journal of Neuroscience. 27 (2007): 10391–403.

Komatsu H. et al. Neural Responses in the Retinotopic Representation of the Blind Spot in the Macaque V1 to Stimuli for Perceptual Filling-In. Journal of Neuroscience. 20 (2000): 9310–19.

Meng M. et al. Filling-in of Visual Phantoms in the Human Brain. Nature Neuroscience. 8 (2005): 1248–54.

Ban H. et al. Topographic Representation of an Occluded Object and the Effects of Spatiotemporal Context in Human Early Visual Areas. Journal of Neuroscience. 33 (2013): 16992–7007; Erlikhman G., Caplovitz G.P. Decoding Information About Dynamically Occluded Objects in Visual Cortex. NeuroImage. 146 (2017): 778–88.

Duncan R., Boynton G. Cortical Magnification Within Human Primary Visual Cortex Correlates with Acuity Thresholds. Neuron. 34 (2003): 659–71.

Duncan, Boynton. Cortical Magnification.

Duncan, Boynton. Cortical Magnification.

Brindley G.S., Lewin W.S. The Sensations Produced by Electrical Stimulation of the Visual Cortex. Journal of Physiology. 196 (1968): 479–93.

Newsome L.R. Visual Angle and Apparent Size of Objects in Peripheral Vision. Perception & Psychophysics. 12 (1972): 300–304.

Penfild W. No Man Alone: A Neurosurgeon’s Life. Boston: Little, Brown, 1977.

Penfild W., Boldrey E. Somatic Motor and Sensory Representation in the Cerebral Cortex of Man as Studied by Electrical Stimulation. Brain. 60 (1937): 389–443.

Duncan R., Boynton G. Tactile Hyperacuity Thresholds Correlate with Finger Maps in Primary Somatosensory Cortex (S1). Cerebral Cortex. 17 (2007): 2878–91.

Green B.G. The Perception of Distance and Location for Dual Tactile Pressures. Perception & Psychophysics. 31 (1982): 315–23; Cholewiak R.W. The Perception of Tactile Distance: Influences of Body Site, Space and Time. Perception. 28 (1999): 851–75.

Hodgkin A. Edgar Douglas Adrian, Baron Adrian of Cambridge. Biographical Memoirs of Fellows of the Royal Society. 25 (1979): 1–73.

Bradley J.K., Tansey E.M. The Coming of the Electronic Age to the Cambridge Physiological Laboratory: E. D. Adrian’s Valve Amplifier in 1921. Notes and Records of the Royal Society of London. 50 (1996): 217–28.

Adrian E.D. Afferent Areas in the Brains of Ungulates. Brain. 66 (1943): 89–103.

Adrian E.D. The Somatic Receiving Area in the Brain of the Shetland Pony. Brain. 69 (1946): 1–8; Hodgkin. Edgar Douglas Adrian.

Adrian. The Somatic Receiving Area.

Adrian E.D. The Physical Background of Perception. Oxford: Clarendon Press, 1946; Adrian. Afferent Areas; Adrian. The Somatic Receiving Area.

Adrian E.D. Afferent Discharges to the Cerebral Cortex from Peripheral Sense Organs. Journal of Physiology. 100 (1941): 159–91; Adrian. The Somatic Receiving Area.

Adrian. The Physical Background.

Craner S.L., Ray R.H. Somatosensory Cortex of the Neonatal Pig: I. Topographic Organization of the Primary Somatosensory Cortex (S1). Journal of Comparative Neurology. 306 (1991): 24–38.

Adrian. The Physical Background.

Adrian. The Physical Background.

Catania K.C., Remple M.S. Somatosensory Cortex Dominated by the Representation of Teeth in the Naked Mole-Rat Brain. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 99 (2002): 5692–97.

Catania K.C., Kaas J.H. The Unusual Nose and Brain of the Star-Nosed Mole. BioScience. 46 (1996): 578–86; Catania K.C., Remple F.E. Tactile Foveation in the Star-Nosed Mole. Brain, Behavior and Evolution. 63 (2004): 1–12.

Adrian. Afferent Areas.

Chapin J.K., Lin C.-S. Mapping the Body Representation in the SI Cortex of Anesthetized and Awake Rats. Journal of Comparative Neurology. 229 (1984): 199–213.

Lenschow C. et al. Sexually Monomorphic Maps and Dimorphic Responses in Rat Genital Cortex. Current Biology. 26 (2016): 106–13.

Bobrov E. et al. The Representation of SocialFacial Touch in Rat Barrel Cortex. Current Biology. 24 (2014): 109–15.

Shea G. Song Without Words: Discovering My Deafness Halfway Through Life. Boston: Da Capo Press, 2013.

Saenz M., Langers D.R.M. Tonotopic Mapping of Human Auditory Cortex. Hearing Research. 307 (2014): 42–52.

Penfild W., Perot P. The Brain’s Record of Auditory and Visual Experience: A Final Summary and Discussion. Brain. 86 (1963): 595–696.

Petkov C. et al. Encoding of Illusory Continuity in Primary Auditory Cortex. Neuron. 54 (2007): 153–65; Riecke L. et al. Hearing Illusory Sounds in Noise: Sensory-Perceptual Transformations in Primary Auditory Cortex. Journal of Neuroscience. 27 (2007): 12684–89.

“Как пришло, так ушло” или “Такова жизнь” (англ.). (Здесь и далее, если не указано иное, – прим. перев.)

Глаза, как, [он] владеет (англ.).

Shea. Song Without Words.

Kim H., Bao S. Experience-Dependent Overrepresentation of Ultrasonic Vocalization Frequencies in the Rat Primary Auditory Cortex. Journal of Neurophysiology. 110 (2013): 1087–96.

Hill J.E., Smith J.D. Bats: A Natural History. Austin: University of Texas Press, 1984.

Suga N., O’Neill W.E. Neural Axis Representing Target Range in the Auditory Cortex of the Mustache Bat. Science. 206 (1979): 351–53.

Chandrashekar J. et al. The Receptors and Cells for Mammalian Taste. Nature. 444 (2006): 288–94.

Yarmolinsky D.A. et al. Common Sense About Taste: From Mammals to Insects. Cell. 139 (2009): 234–44.

Choi N.-E., Han J.H. How Flavor Works: The Science of Taste and Aroma. West Sussex, UK: Wiley Blackwell, 2015.

Choi, Han. How Flavor Works.

Chandrashekar J. et al. The Cells and Peripheral Representation of Sodium Taste in Mice. Nature. 464 (2010): 297–302.

Mueller K. L. et al. The Receptors and Coding Logic for Bitter Taste. Nature. 434 (2005): 225–29.

Mueller et al. Receptors and Coding Logic.

Zhao G.Q. et al. The Receptors for Mammalian Sweet and Umami Taste. Cell. 115 (2003): 255–66.

Mueller et al. Receptors and Coding Logic.

Dutta T.M. et al. Altered Taste and Stroke: A Case Report and Literature Review. Topics in Stroke Rehabilitation. 20 (2013): 78–86.

Small D.M. Taste Representation in the Human Insula. Brain Structure and Function. 214 (2010): 551–61.

Mazzola L. et al. Gustatory and Olfactory Responses to Stimulation of the Human Insula. Annals of Neurology. 82 (2017): 360–70.

Chen X. et al. A Gustotopic Map of Taste Qualities in the Mammalian Brain. Science. 333 (2011): 1262–66.

Peng Y. et al. Sweet and Bitter Taste in the Brain of Awake Behaving Animals. Nature. 527 (2015): 512–15.

Этот метод искусственной активации нейронов называется оптогенетикой. Для того, чтобы светом определенной длины волны (например, синим или красным) активировать нейроны, эти нейроны должны содержать светочувствительные белки, каналородопсины (похожие на опсины нашей сетчатки). Эти белки в естественных условиях есть у водорослей и бактерий. Ученые выяснили структуру этих белков и кодирующих их генов и создали трансгенных мышей, у которых в нейронах появляются каналородопсины, так как геном этих мышей был изменен. Таким образом, в мозге трансгенных мышей оказываются светочувствительные нейроны, которые ученые и могут активировать (или тормозить) по своему желанию с помощью света лазера или диода. (Прим. ред.)

Accolla R. et al. Differential Spatial Representation of Taste Modalities in the Rat Gustatory Cortex. Journal of Neuroscience. 27 (2007): 1396–404; Fletcher M.L. et al. Overlapping Representation of Primary Tastes in a Defined Region of the Gustatory Cortex. Journal of Neuroscience. 37 (2017): 7595–605.

Hanamori T. et al. Responses of Neurons in the Insular Cortex to Gustatory, Visceral, and Nociceptive Stimuli in Rats. Journal of Neurophysiology. 79 (1998): 2535–45.

Schoenfeld M.A. et al. Functional Magnetic Resonance Tomography Correlates of Taste Perception in the Human Primary Taste Cortex. Neuroscience. 127 (2004): 347–53; Prinster A. et al. Cortical Representation of Different Taste Modalities on the Gustatory Cortex: A Pilot Study. PLoS ONE. 12 (2017): e0190164.

Avery J.A. et al. Taste Quality Representation in the Human Brain. Journal of Neuroscience. 40 (2020): 1042–52; Chikazoe J. et al. Distinct Representation of Basic Taste Qualities in Human Gustatory Cortex. Nature Communications. 10 (2019).

Nevitt G.A., Bonadonna F. Sensitivity to Dimethyl Sulphide Suggests a Mechanism for Olfactory Navigation by Seabirds. Biology Letters. 1 (2005): 303–5.

Arzi A., Sobel N. Olfactory Perception as a Compass for Olfactory Neural Maps. Trends in Cognitive Sciences. 15 (2011): 537–45.

Stettler D.D., Axel R. Representations of Odor in the Piriform Cortex. Neuron. 63 (2009): 854–64.

Nikonov A.A. et al. Beyond the Olfactory Bulb: An Odotopic Map in the Forebrain. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 102 (2005): 18688–93.

Root C.M. et al. The Participation of Cortical Amygdala in Innate, Odour-Driven Behaviour. Nature. 515 (2014): 269–73.

Root et al. Participation of Cortical Amygdala.

Bergan J.F. et al. Sex-Specific Processing of Social Cues in the Medial Amygdala. eLife. 3 (2014): e02743.

Arzi, Sobel. Olfactory Perception.

Schiller F. Paul Broca: Founder of French Anthropology, Explorer of the Brain. Berkeley: University of California Press, 1979; McGann J.P. Poor Human Olfaction is a 19th-Century Myth. Science. 356 (2017): eaam7263.

Smith G.E. The Evolution of Man: Essays. London: Oxford University Press, 1924.

Sarrafchi A. et al. Olfactory Sensitivity for Six Predator Odorants in CD-1 Mice, Human Subjects, and Spider Monkeys. PLoS ONE. 8 (2013): e80621; McGann. Poor Human Olfaction.

Ribeiro P.F.M. et al. Greater Addition of Neurons to the Olfactory Bulb Than to the Cerebral Cortex of Eulipotyphlans but Not Rodents, Afrotherians, or Primates. Frontiers in Neuroanatomy. 8 (2014): 23; McGann. Poor Human Olfaction.

Majid A., Burenhult N. Odors Are Expressible in Language, As Long As You Speak the Right Language. Cognition. 130 (2014): 266–70.

Majid A., Kruspe N. Hunter-Gatherer Olfaction Is Special. Current Biology. 28 (2018): 409–13.

Stoddart D.M. The Scented Ape. The Biology and Culture of Human Odour. Cambridge, UK: Cambridge University Press, 1990.

Pazzaglia M. Body and Odors: Not Just Molecules After All. Current Directions in Psychological Science. 24 (2015): 329–33; Olsson M.J. et al. The Scent of Disease: Human Body Odor Contains an Early Chemosensory Cue of Sickness. Psychological Science. 25 (2014): 817–23; Lübke K.T., Pause B.M. Always Follow Your Nose: The Functional Signifiсance of Social Chemosignals in Human Reproduction and Survival. Hormones and Behavior. 68 (2015): 134–44.

Zhou W., Chen D. Fear-Related Chemosignals Modulate Recognition of Fear in Ambiguous Facial Expressions. Psychological Science. 20 (2009): 177–83.

Singh P.B. et al. Smelling Anxiety Chemosignals Impairs Clinical Performance of Dental Students. Chemical Senses. 43 (2018): 411–17.

На этот счет существует и другое мнение, см.: М. Хейзелтон. Игры гормонов. М.: CORPUS, 2020.

Stern K., McClintock M.K. Regulation of Ovulation by Human Pheromones. Nature. 392 (1998): 177–79.

Gelstein S. et al. Human Tears Contain a Chemosignal. Science. 331 (2011): 226–30.

Frumin I. et al. A Social Chemosignaling Function for Human Handshaking. eLife. 4 (2015): e05154.

Jackson J.H. Selected Writings of John Hughlings Jackson. Volume 1. James Taylor, Gordon Holmes, & Francis Walshe, eds. New York: Basic Books, 1958.

Jackson. Selected Writings. Volume 1.

Jackson J.H. Report of a Case of Disease of One Lobe of the Cerebrum, and of Both Lobes of the Cerebellum. Medical Mirror (September 1, 1869): 126–27.

Jackson J.H. A Series of Cases Illustrative of Cerebral Pathology: Cases of Intra-Cranial Tumour. Medical Times and Gazette (November 30, 1872): 597–99.

Critchley M., Critchley E.A. John Hughlings Jackson: Father of English Neurology. New York: Oxford University Press, 1998.

Jackson J.H. Case of Epileptiform Seizure, Beginning in the Right Hand. Medical Times and Gazette (December 23, 1871): 767–69.

Gross C.G. The Discovery of Motor Cortex and Its Background. Journal of the History of the Neurosciences. 16 (2007): 320–31.

Jackson. A Series of Cases Illustrative.

Canale D.J. William MacEwen and the Treatment of Brain Abscesses: Revisited After One Hundred Years. Journal of Neurosurgery. 84 (1996): 133–42.

MacEwen W. An Address on the Surgery of the Brain and Spinal Cord. British Medical Journal. (1888): 302–9.

MacEwen. An Address on the Surgery.

Penfild, Boldrey. Somatic Motor and Sensory.

Penfild, Boldrey. Somatic Motor and Sensory.

Graziano M.S.A. et al. Complex Movements Evoked by Microstimulation of Precentral Cortex. Neuron. 34 (2002): 841–51.

Penfild W., Welch K. The Supplementary Motor Area of the Cerebral Cortex. Archives of Neurology & Psychiatry. 66 (1951): 289–317.

Graziano et al. Complex Movements.

Graziano M.S.A. Ethological Action Maps: A Paradigm Shift for the Motor Cortex. Trends in Cognitive Sciences. 20 (2016): 121–32.

Graziano M.S.A. et al. Distribution of Hand Location in Monkeys During Spontaneous Behavior. Experimental Brain Research. 155 (2004): 30–36.

Graziano et al. Distribution of Hand Location.

Tennant K.A. et al. The Organization of the Forelimb Representation of the C57BL/6 Mouse Motor Cortex as Defined by Intracortical Microstimulation and Cytoarchitecture. Cerebral Cortex. 21 (2011):865–76; Arriaga G. et al. Of Mice, Birds, and Men: The Mouse Ultrasonic Song System Has Some Features Similar to Humans and Song-Learning Birds. PLoS ONE. 7 (2012): e46610.

Desmurget M. et al. Neural Representations of Ethologically Relevant Hand/Mouth Synergies in the Human Precentral Gyrus. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 111 (2014): 5718–22.

Bouchard K.E. et al. Functional Organization of Human Sensorimotor Cortex for Speech Articulation. Nature. 495 (2013): 327–32.

Debray S.B.E., Demeestere J. Alien Hand Syndrome. Neurology. 91 (2018): 527.

Sereno M.I., Huang R.-S. Multisensory Maps in Parietal Cortex. Current Opinion in Neurobiology. 24 (2014): 39–46.

Konen C.S. et al. Functional Organization of Human Posterior Parietal Cortex: Grasping- and Reaching-Related Activations Relative to Topographically Organized Cortex. Journal of Neurophysiology. 109 (2013): 2897–908.

Andersen R.A., Buneo C.A. Intentional Maps in Posterior Parietal Cortex. Annual Review of Neuroscience 25 (2002): 189–220.

Batista A.P. et al. Reach Plans in Eye-Centered Coordinates. Science. 285 (1999): 257–60.

Whitlock J.R. Posterior Parietal Cortex. Current Biology. 27 (2017): R681–R701.

Andersen, Buneo. Intentional Maps; Gottlieb J. From Thought to Action: The Parietal Cortex as a Bridge Between Perception, Action, and Cognition. Neuron. 53 (2007): 9–16.

Stepniewska I. et al. Effects of Muscimol Inactivations of Functional Domains in Motor, Premotor, and Posterior Parietal Cortex on Complex Movements Evoked by Electrical Stimulation. Journal of Neurophysiology. 111 (2014): 1100–119.

Assal F. et al. Moving With or Without Will: Functional Neural Correlates of Alien Hand Syndrome. Annals of Neurology. 62 (2007): 301–6.

Huberman A.D. et al. Mechanisms Underlying Development of Visual Maps and Receptive Fields. Annual Review of Neuroscience. 31 (2008): 479–509.

Ackman J.B. et al. Retinal Waves Coordinate Patterned Activity Throughout the Developing Visual System. Nature. 490 (2012): 219– 25.

Tritsch N.X. et al. The Origin of Spontaneous Activity in the Developing Auditory System. Nature. 450 (2007): 50–55.

Khazipov R., Milh M. Early Patterns of Activity in the Developing Cortex: Focus on the Sensorimotor System. Seminars in Cell & Developmental Biology. 76 (2018): 120–29; An S. et al. Sensory-Evoked and Spontaneous Gamma and Spindle Bursts in Neonatal Rat Motor Cortex. Journal of Neuroscience. 34 (2014): 10870–83.

Dubois J. et al. The Early Development of Brain White Matter: A Review of Imaging Studies in Fetuses, Newborns, and Infants. Neuroscience. 276 (2014): 48–71.

Kim H., Bao S. Experience-Dependent Overrepresentation of Ultrasonic Vocalization Frequencies in the Rat Primary Auditory Cortex. Journal of Neurophysiology. 110 (2013): 1087–96.

Wöhr M. Ultrasonic Communication in Rats: Appetitive 50-kHz Ultrasonic Vocalizations as Social Contact Calls. Behavioral Ecology and Sociobiology. 72 (2018): 14.

Kim, Bao. Experience-Dependent Overrepresentation.

Zhang L.I. et al. Persistent and Specific Influences of Early Acoustic Environments on Primary Auditory Cortex. Nature Neuroscience. 4 (2001): 1123–30.

Baldoli C. et al. Maturation of Preterm Newborn Brains: An fMRI-DTI Study of Auditory Processing of Linguistic Stimuli and White Matter Development. Brain Structure and Function. 220 (2015): 3733–51; Slater R. et al. Premature Infants Display Increased Noxious-Evoked Neuronal Activity in the Brain Compared to Healthy Age-Matched Term-Born Infants. NeuroImage. 52 (2010): 583–89; Hohmeister J. et al. Cerebral Processing of Pain in School-Aged Children with Neonatal Nociceptive Input: An Exploratory fMRI Study. Pain. 150 (2010): 257–67.

Webb A.R. et al. Mother’s Voice and Heartbeat Sounds Elicit Auditory Plasticity in the Human Brain Before Full Gestation. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 112 (2015): 3152–57.

Birch E.E. et al. The Critical Period for Surgical Treatment of Dense Congenital Bilateral Cataracts. Journal of the American Association for Pediatric Ophthalmology & Adult Strabismus. 13 (2009): 67–71.

Maurer D. Critical Periods Re-examined: Evidence from Children Treated for Dense Cataracts. Cognitive Development. 42 (2017): 27–36.

Amedi A. et al. The Occipital Cortex in the Blind: Lessons About Plasticity and Vision. Current Directions in Psychological Science. 14 (2005): 306–11; Bedny M. Evidence from Blindness for a Cognitively Pluripotent Cortex. Trends in Cognitive Sciences. 21 (2017): 637–48.

Kanjlia S. et al. Sensitive Period for Cognitive Repurposing of Human Visual Cortex. Cerebral Cortex (2018). DOI: 10.1093/cercor/ bhy280.

Rutkowski R.G., Weinberger N.M. Encoding of Learned Importance of Sound by Magnitude of Representation Area in Primary Auditory Cortex. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 102 (2005): 13664–69.

Super C.M. Environmental Effects on Motor Development: The Case of “African Infant Precocity”. Developmental Medicine and Child Neurology. 18 (1976): 561–67.

Amunts K. et al. Motor Cortex and Hand Motor Skills: Structural Compliance in the Human Brain. Human Brain Mapping. 5 (1997): 206–15.

Elbert T. et al. Increased Cortical Representation of the Fingers of the Left Hand in String Players. Science. 270 (1995) 305–7.

Hyde K.L. et al. Musical Training Shapes Structural Brain Development. Journal of Neuroscience. 29 (2009): 3019–25.

Humphreys G.W., Riddoch J.M. To See but Not to See: A Case Study of Visual Agnosia. London: Lawrence Erlbaum Associates, 1987.

Humphreys, Riddoch. To See but Not to See.

Humphreys, Riddoch. To See but Not to See.

Humphreys, Riddoch. To See but Not to See.

Warrington E., Shallice T. Category Specific Semantic Impairments. Brain. 107 (1984): 829–54; Biran I., Coslett H.B. Visual Agnosia. Current Neurology and Neuroscience Reports. 3 (2003): 508–12.

Kanwisher N. et al. The Fusiform Face Area: A Module in Human Extrastriate Cortex Specialized for Face Perception. Journal of Neuroscience. 17 (1997): 4302–11.

Kanwisher N. The Quest for the FFA and Where It Led. Journal of Neuroscience. 37 (2017): 1056–61.

Kennerknecht I. et al. Prevalence of Hereditary Prosopagnosia (HPA) in Hong Kong Chinese Population. American Journal of Medical Genetics Part A. 146A (2008): 2863–70.

Song S. et al. Local but Not Long-Range Microstructural Differences of the Ventral Temporal Cortex in Developmental Prosopagnosia. Neuropsychologia. 78 (2015): 195–206.

Parvizi J. et al. Electrical Stimulation of Human Fusiform Face-Selective Regions Distorts Face Perception. Journal of Neuroscience. 32 (2012): 14915–20; в тексте использованы цитаты из фильмов.

Трип – психоделическое состояние с измененным восприятием и осознанием происходящего.

Pitcher D. et al. The Role of the Occipital Face Area in the Cortical Face Perception Network. Experimental Brain Research. 209 (2011): 481–93.

Epstein R., Kanwisher N. A Cortical Representation of the Local Visual Environment. Nature. 392 (1998): 598–601.

Aguirre G.K., D’Esposito M. Topographical Disorientation: A Synthesis and Taxonomy. Brain. 122 (1999) 1613–28.

Mégevand P. et al. Seeing Scenes: Topographic Visual Hallucinations Evoked by Direct Electrical Stimulation of the Parahippocampal Place Area. Journal of Neuroscience. 34 (2014): 5399–405.

Downing P.E. et al. A Cortical Area Selective for Visual Processing of the Human Body. Science. 293 (2001): 2470–73.

Downing P.E., Peelen M.V. Body Selectivity in Occipitotemporal Cortex: Causal Evidence. Neuropsychologia. 83 (2016): 138–48.

Schwarzlose R.F. et al. Separate Face and Body Selectivity on the Fusiform Gyrus. Journal of Neuroscience. 25 (2005): 11055–59.

Moro V. et al. The Neural Basis of Body Form and Body Action Agnosia. Neuron. 60 (2008): 235–46.

Lewis J.W. Cortical Networks Related to Human Use of Tools. Neuroscientist. 12 (2006): 211–31.

Cohen L. et al. Language-Specific Tuning of Visual Cortex? Functional Properties of the Visual World Form Area. Brain. 125 (2002): 1054–69.

Konkle T., Caramazza A. Tripartite Organization of the Ventral Stream by Animacy and Object Size. Journal of Neuroscience. 33 (2013): 10235–42.

Gibson J.J. The Ecological Approach to Visual Perception. Boston: Houghton Mifflin, 1979.

Arcaro M.J., Livingstone M.S. A Hierarchical, Retinotopic Proto-organization of the Primate Visual System at Birth. eLife. 6 (2017): e26196.

Smith L.B. et al. The Developing Infant Creates a Curriculum for Statistical Learning. Trends in Cognitive Sciences. 22 (2018): 325–36.

Tsao D.Y. et al. Faces and Objects in Macaque Cerebral Cortex. Nature Neuroscience. 6 (2003): 989–95.

Livingstone M.S. et al. Development of the Macaque Face-Patch System. Nature Communications. 8 (2017): 10.1038/ncomms14897.

Arcaro M.J. et al. Seeing Faces Is Necessary for Face-Domain Formation. Nature Neuroscience. 20 (2017): 1404–12.

Deen B. et al. Organization of High Level Visual Cortex in Human Infants. Nature Communications. 8 (2017): 13995.

Grill-Spector K. et al. Developmental Neuroimaging of the Ventral Visual Cortex. Trends in Cognitive Sciences. 12 (2008): 152–62; Golarai G. et al. Experience Shapes the Development of Neural Substrates of Face Processing in Human Ventral Temporal Cortex. Cerebral Cortex. 27 (2015): bhv314.

Le Grand R. et al. Expert Face Processing Requires Visual Input to the Right Hemisphere During Infancy. Nature Neuroscience. 6 (2003): 1108–12.

Fausey C.M. et al. From Faces to Hands: Changing Visual Input in the First Two Years. Cognition. 152 (2016): 101–7.

Dehaene S. et al. Illiterate to Literate: Behavioural and Cerebral Changes Induced by Reading Acquisition. Nature Reviews Neuroscience. 16 (2015): 234–44.

Weisberg J. et al. A Neural System for Learning about Object Function. Cerebral Cortex. 17 (2007): 513–21.

Peelen M.V., Downing P.E. Category Selectivity in Human Visual Cortex: Beyond Visual Object Recognition. Neuropsychologia. 105 (2017): 177–83.

Van den Hurk J. et al. Development of Visual Category Selectivity in Ventral Visual Cortex Does Not Require Visual Experience. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 114 (2017): E4501–E4510; Wang X. et al. How Visual Is the Visual Cortex? Comparing Connectional and Functional Fingerprints Between Congenitally Blind and Sighted Individuals. Journal of Neuroscience. 35 (2015): 12545–59.

Penfield W. The Excitable Cortex in Conscious Man. Springfild, IL: C. C. Thomas, 1958.

Penfield. The Excitable Cortex.

Penfield. The Excitable Cortex.

Killingsworth M.A., Gilbert D.T. A Wandering Mind Is an Unhappy Mind. Science. 330 (2010): 932.

Galton F. Inquiries into Human Faculty and Its Development. London: Macmillan, 1883.

Galton. Inquiries into Human Faculty.

Gould S.J. The Mismeasure of Man, 2nd ed. New York: W. W. Norton, 1996.

Pearson J., Kosslyn S.M. The Heterogeneity of Mental Representation: Ending the Imagery Debate. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 33 (2015): 10089–92.

Albers A.M. et al. Shared Representations for Working Memory and Mental Imagery in Early Visual Cortex. Current Biology. 23 (2013): 1427–31.

Kaas A. et al. Imagery of a Moving Object: The Role of Occipital Cortex and Human MT/V5+. NeuroImage. 49 (2010): 794–804.

O’Craven K.M., Kanwisher N. Mental Imagery of Faces and Places Activates Corresponding Stimulus-Specific Brain Regions. Journal of Cognitive Neuroscience. 12 (2000): 1013–23.

Pearson J. et al. Mental Imagery: Functional Mechanisms and Clinical Applications. Trends in Cognitive Sciences. 19 (2015): 590–602.

Zatorre R.J., Halpern A.R. Mental Concerts: Musical Imagery and Auditory Cortex. Neuron. 47 (2005): 9–12.

Wise N.J. et al. Activation of Sensory Cortex by Imagined Genital Stimulation: An fMRI Analysis. Socioaffective Neuroscience & Psychology. 6 (2016): 31481.

Okada K. et al. Neural Evidence for Predictive Coding in Auditory Cortex During Speech Production. Psychonomic Bulletin & Review. 25 (2018): 423–30.

Porro C.A. et al. Primary Motor and Sensory Cortex Activation During Motor Performance and Motor Imagery: A Functional Magnetic Resonance Imaging Study. Journal of Neuroscience. 16 (1996): 7688–98.

Sood M.R., Sereno M.I. Areas Activated During Naturalistic Reading Comprehension Overlap Topological Visual, Auditory, and Somatomotor Maps. Human Brain Mapping. 37 (2016): 2784–810.

Le Bihan D. et al. Activation of Human Primary Visual Cortex During Visual Recall: A Magnetic Resonance Imaging Study. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 90 (1993): 11802–5.

Holmes E.A. et al. Mental Imagery in Depression: Phenomenology, Potential Mechanisms, and Treatment Implications. Annual Review of Clinical Psychology. 12 (2016): 249–80; Pearson et al. Mental Imagery.

Baddeley A. Working Memory. Science. 255 (1992): 556–59.

Buchsbaum B.R., D’Esposito M. The Search for the Phonological Store: From Loop to Convolution. Journal of Cognitive Neuroscience. 20 (2008): 762–78; Koelsch S. et al. Functional Architecture of Verbal and Tonal Working Memory: An fMRI Study. Human Brain Mapping. 30 (2009): 859–73.

Baddeley A. Working Memory.

Albers et al. Shared Representations.

Siclari F. et al. The Neural Correlates of Dreaming. Nature Neuroscience 20 (2017): 872–78.

Harvey B.M., Dumoulin S.O. The Relationship Between Cortical Magnification Factor and Population Receptive Field Size in Human Visual Cortex: Constancies in Cortical Architecture. Journal of Neuroscience. 31 (2011): 13604–12.

Bergmann J. et al. Neural Anatomy of Primary Visual Cortex Limits Visual Working Memory. Cerebral Cortex. 26 (2016): 43–50; Bergmann J. et al. Smaller Primary Visual Cortex Is Associated with Stronger, but Less Precise Mental Imagery. Cerebral Cortex. 26 (2016): 3838–50.

Galton. Inquiries into Human Faculty.

Farah M.J. Is Visual Imagery Really Visual? Overlooked Evidence from Neuropsychology. Psychological Review. 95 (1988): 307–17.

Kosslyn S.M. et al. The Role of Area 17 in Visual Imagery: Convergent Evidence from PET and rTMS. Science. 284 (1999): 167–70.

Zeman A.Z.J. et al. Loss of Imagery Phenomenology with Intact Visuo-Spatial Task Performance: A Case of “Blind Imagination”, Neuropsychologia. 48 (2010): 145–55.

Zeman A.Z.J. et al. Lives Without Imagery – Congenital Aphantasia. Cortex. 73 (2015): 378–80.

Zeman et al. Lives Without Imagery.

Anderson M.L. Neural Reuse: A Fundamental Organizational Principle of the Brain. Behavioral and Brain Sciences. 33 (2010): 245–313.

W. Perky C.W. An Experimental Study of Imagination. American Journal of Psychology. 21 (1910): 422–52; Ishai A., Sagi D. Visual Imagery Facilitates Visual Perception: Psychophysical Evidence. Journal of Cognitive Neuroscience. 9 (1997): 476–89.

James W. The Principles of Psychology. New York: H. Holt & Company, 1890.

Somers D.C. et al. Functional MRI Reveals Spatially Specific Attentional Modulation in Human Primary Visual Cortex. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 96 (1999): 1663–68.

Wojciulik E. et al. Covert Visual Attention Modulates Face-Specific Activity in the Human Fusiform Gyrus: fMRI Study. Journal of Neurophysiology. 79 (1998): 1574–78.

Veldhuizen M.G. et al. Trying to Detect Taste in a Tasteless Solution: Modulation of Early Gustatory Cortex by Attention to Taste. Chemical Senses. 32 (2007): 569–81.

Moore T., Zirnsak M. Neural Mechanisms of Selective Visual Attention. Annual Review of Psychology. 68 (2017): 47–72; Reynolds J.H. et al. Attention Increases Sensitivity of V4 Neurons. Neuron. 26 (2000): 703–14; Sprague T.C. et al. Visual Attention Mitigates Information Loss in Small- and Large-Scale Neural Codes. Trends in Cognitive Sciences. 19 (2015): 215–26.

Sprague T.C., Serences J.T. Attention Modulates Spatial Priority Maps in the Human Occipital, Parietal, and Frontal Cortices. Nature Neuroscience. 16 (2013): 1879–87; Moore & Zirnsak. Neural Mechanisms.

Nieder A., Dehaene S. Representation of Number in the Brain. Annual Review of Neuroscience. 32 (2009): 185–208.

Izard V. et al. Distinct Cerebral Pathways for Object Identity and Number in Human Infants. PLoS Biology. 6 (2008): e11.

Harvey B.M., Dumoulin S.O. A Network of Topographic Numerosity Maps in Human Association Cortex. Nature Human Be-haviour. 1 (2017): 0036.

Hubbard E.M. et al. Interactions Between Number and Space in Parietal Cortex. Nature Reviews Neuroscience. 6 (2005): 435–48.

Toomarian E.Y., Hubbard E.M. On the Genesis of Spatial-Numerical Associations: Evolutionary and Cultural Factors Co-construct the Mental Number Line. Neuroscience & Biobehavioral Reviews 90 (2018): 184–99.

Dehaene S. et al. The Mental Representation of Parity and Number Magnitude. Journal of Experimental Psychology: General. 122 (1993): 371–96.

Bächtold D. et al. Stimulus-Response Compatibility in Representational Space. Neuropsychologia. 36 (1998): 731–35; Hartmann M. et al. There Is More Than “More Is Up”: Hand and Foot Responses Reverse the Vertical Association of Number Magnitudes. Journal of Experimental Psychology: Human Perception and Performance. 40 (2014): 1401–14.

Hubbard et al. Interactions Between.

Zorzi M. et al. Neglect Disrupts the Mental Number Line. Nature. 417 (2002): 138–39; Vuilleumier P. et al. The Number Space and Neglect. Cortex. 40 (2004): 399–410.

Rusconi E., Cubelli R. The Making of a Syndrome: The English Translation of Gerstmann’s First Report. Cortex. 117 (2019): 277–83.

Kinsbourne M., Warrington E.K. A Study of Finger Agnosia. Brain. 85 (1962): 47–66.

Rusconi E. et al. Dexterity with Numbers: rTMS over Left Angular Gyrus Disrupts Finger Gnosis and Number Processing. Neuropsychologia. 43 (2005): 1609–24.

Roux F.-E. et al. Writing, Calculating, and Finger Recognition in the Region of the Angular Gyrus: A Cortical Stimulation Study of Gerstmann Syndrome. Journal of Neurosurgery. 99 (2003): 716–27.

Rusconi E. et al. A Disconnection Account of Gerstmann Syndrome: Functional Neuroanatomy Evidence. Annals of Neurology. 66 (2009): 654–62.

Fayol M. et al. Predicting Arithmetical Achievement from Neuro-Psychological Performance: A Longitudinal Study. Cognition. 68 (1998): B63–B70; Noël M.-P. Finger Agnosia: A Predictor of Numerical Abilities in Children? Child Neuropsychology. 11 (2005): 413–30.

Crollen V. et al. The Role of Vision in the Development of Finger-Number Interactions: Finger-Counting and Finger-Montring in Blind Children. Journal of Experimental Child Psychology. 109 (2011): 25–39.

Guedin N. et al. Dexterity and Finger Sense: A Possible Dissociation in Children with Cerebral Palsy. Perceptual and Motor Skills. 125 (2018): 718–31.

Bender A., Beller S. Cultural Variation in Numeration Systems and Their Mapping onto the Mental Number Line. Journal of Cross-Cultural Psychology. 42 (2011): 579–97.

Coull J.T., Droit-Volet S. Explicit Understanding of Duration Develops Implicitly Through Action. Trends in Cognitive Sciences. 22 (2018): 923–37.

Núñez R., Cooperrider K. The Tangle of Space and Time in Human Cognition. Trends in Cognitive Sciences. 17 (2013): 220–29; Boroditsky L. Language and the Construction of Time Through Space. Trends in Cognitive Sciences. 41 (2018): 651–53.

Núñez R. et al. Contours of Time: Topgraphic Construals of Past, Present, and Future in the Yupno Valley of Papua New Guinea. Cognition. 124 (2012): 25–35.

Saj A. et al. Patients with Left Spatial Neglect Also Neglect the “Left Side” of Time. Psychological Science. 25 (2014): 207–14.

Merchant H. et al. Neural Basis of the Perception and Estimation of Time. Annual Review of Neuroscience. 36 (2013): 313–36.

Eichenbaum H. Time Cells in the Hippocampus: A New Dimension for Mapping Memories. Nature Reviews Neuroscience. 15 (2014): 732–44.

Hauk O. et al. Somatotopic Representation of Action Words in Human Motor and Premotor Cortex. Neuron. 41 (2004): 301–7.

Dinstein I. et al. Brain Areas Selective for Both Observed and Executed Movements. Journal of Neurophysiology. 98 (2007): 1415–27.

Caetano G. et al. Actor’s and Observer’s Primary Motor Cortices Stabilize Similarly After Seen or Heard Motor Actions. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 104 (2007): 9058–62.

Barrós-Loscertales A. et al. Reading Salt Activates Gustatory Brain Regions: fMRI Evidence for Semantic Grounding in a Novel Sensory Modality. Cerebral Cortex. 22 (2012): 2554–63; González J. et al. Reading cinnamon Activates Olfactory Brain Regions. Neuro-Image. 32 (2006): 906–12; Kiefer M. et al. The Sound of Concepts: Four Markers for a Link Between Auditory and Conceptual Brain Systems. Journal of Neuroscience. 28 (2008): 12224–30.

Lambon Ralph M.A. et al. The Neural and Computational Bases of Semantic Cognition. Nature Reviews Neuroscience. 18 (2017): 42–55.

Hodges J.R., Patterson K. Semantic Dementia: A Unique Clinicopathological Syndrome. Lancet Neurology. 6 (2007): 1004–14.

Hasson U. et al. Intersubject Synchronization of Cortical Activity During Natural Vision. Science. 303 (2004): 1634–40.

Huth A.G. et al. A Continuous Se-mantic Space Describes the Representation of Thousands of Object and Action Categories Across the Human Brain. Neuron. 76 (2012): 1210–24.

Stephens G.J. et al. Speaker-Listener Neural Coupling Underlies Successful Communication. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 107 (2010): 14425– 30.

Nguyen M. et al. Teacher-Student Neural Coupling During Teaching and Learning. bioRxiv (2020).

Turing J.D. The Man with the Terrible Trousers // Copeland B.J. et al. The Turing Guide. Eds. Oxford, UK: Oxford University Press, 2017.

Hodges A. Alan Turing: The Enigma. New York: Simon & Schuster, 1983.

Owen A. M. Into the Gray Zone: A Neuroscientist Explores the Border Between Life and Death. New York: Scribner, 2017.

Bayne T. et al. Are There Levels of Consciousness? Trends in Cognitive Sciences. 20 (2016): 405–13.

Owen A.M. et al. Detecting Awareness in the Vegetative State. Science. 313 (2006): 1402.

Monti M.M. et al. Willful Modulation of Brain Activity in Disorders of Consciousness. New England Journal of Medicine. 362 (2010): 579–89.

Cruse D. et al. Bedside Detection of Awareness in the Vegetative State: A Cohort Study. Lancet. 378 (2011): 2088–94.

Owen. Into the Gray Zone.

Wojciulik E. et al. Covert Visual Attention Modulates Face-Specific Activity in the Human Fusiform Gyrus: fMRI Study. Journal of Neurophysiology. 79 (1998): 1574–78.

Bettencourt M.T. de, et al. Closed-Loop Training of Attention with Real-Time Brain Imaging. Nature Neuroscience. 18 (2015): 470–75.

Lu H.D., Roe A.W. Functional Organization of Color Domains in V1 and V2 of Macaque Monkey Revealed by Optical Imaging. Cerebral Cortex. 18 (2008): 516–33.

Friedman R.M. et al. Modality Maps Within Primate Somatosensory Cortex. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 101 (2004): 12724–29.

Andermann M.L., Moore C.I. A Somatotopic Map of Vibrissa Motion Direction Within a Barrel Column. Nature Neuroscience. 9 (2006): 543–51.

Albers et al. Shared Representations; Kamitani Y., Tong F. Decoding the Visual and Subjective Contents of the Human Brain. Nature Neuroscience. 8 (2005): 679–85; Kay K.N. et al. Identifying Natural Images from Human Brain Activity. Nature. 452 (2008): 352–55; Naselaris T. et al. A Voxel-Wise Encoding Model for Early Visual Areas Decodes Mental Images of Remembered Scenes. NeuroImage. 105 (2015): 215–28; Polyn S.M. et al. Category-Specific Cortical Activity Precedes Retrieval During Memory Search. Science. 310 (2005): 1963–66.

Horikawa T. et al. Neural Decoding of Visual Imagery During Sleep. Science. 340 (2013): 639–42.

Formisano E. et al. “Who” Is Saying “What”? Brain-Based Decoding of Human Voice and Speech. Science. 322 (2008): 970–73.

Brodersen K.H. et al. Decoding the Perception of Pain from fMRI Using Multivariate Pattern Analysis. NeuroImage. 63 (2012): 1162– 70; Mitchell T.M. et al. Predicting Human Brain Activity Associated with the Meanings of Nouns. Science. 320 (2008): 1191–95; Vickery T.J. et al. Ubiquity and Specifiсity of Reinforcement Signals Throughout the Brain. Neuron. 72 (2011): 166–77.

Miyawaki Y. et al. Visual Image Reconstruction from Human Brain Activity Using a Combination of Multiscale Local Image Decoders. Neuron. 60 (2008): 915–29; Naselaris T. et al. Bayesian Reconstruction of Natural Images from Human Brain Activity. Neuron. 63 (2009): 902–15.

Langleben D.D., Moriarty J.C. Using Brain Imaging for Lie Detection: Where Science, Law, and Research Policy Collide. Psychology, Public Policy, and Law. 19 (2013): 222–34; Farah M.J. et al. Functional MRI-Based Lie Detection: Scientific and Societal Challenges. Nature Reviews Neuroscience. 15 (2014): 123–31; Poldrack R.A. The New Mind Readers: What Neuroimaging Can and Cannot Reveal About Our Thoughts. Princeton, NJ: Princeton University Press, 2018.

Ganis G. et al. Lying in the Scanner: Covert Countermeasures Disrupt Deception Detection by Functional Magnetic Resonance Imaging. NeuroImage. 55 (2011): 312–19.

Chang L., Tsao D.Y. The Code for Facial Identity in the Primate Brain. Cell. 169 (2017): 1013–28.

Nuyujukian P. et al. Cortical Control of a Tablet Computer by People with Paralysis. PLoS ONE. 13 (2018): e0204566.

VICE on HBO. The Future of Brain Hacking. Видео на YouTube от 21 сентября 2018: https://www.youtube.com/watch?v=rfW-WBB7csTo.

Bolu Ajiboye A. et al. Restoration of Reaching and Grasping Movements Through Brain-Controlled Muscle Stimulation in a Person with Tetraplegia: A Proof-of-Concept Demonstration. Lancet. 389 (2017): 1821–30.

Западный резервный университет Кейза: полностью парализованный человек вновь движется с помощью технологии – и силы

Brindley, Lewin. The Sensations Produced.

Naumann J. Search for Paradise: A Patient’s Account of the Artificial Vision Experiment. Bloomington: XLibris Corporation, 2012.

Naumann. Search for Paradise.

Lewis P.M., Rosenfeld J.V. Electrical Stimulation of the Brain and the Development of Cortical Visual Prostheses: An Historical Perspective. Brain Research. 1630 (2016): 208–24.

Bosking W.H. et al. Electrical Stimulation of Visual Cortex: Relevance for the Development of Visual Cortical Prosthetics. Annual Review of Vision Science. 3 (2017): 141–66.

Beauchamp M.S. et al. Dynamic Stimulation of Visual Cortex Produces Form Vision in Sighted and Blind Humans. Cell. 181 (2020): 774–83.

Shull P.B., Damian D.D. Haptic Wearables as Sensory Replacement, Sensory Augmentation, and Trainer – A Review. Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation. 12 (2015). DOI 10.1186/s12984-015-0055-z.

Thomson E.E. et al. Perceiving Invisible Light Through a Somatosensory Cortical Prosthesis. Nature Communications. 4 (2013): 1482.

Baldassarre A. et al. Individual Variability in Functional Connectivity Predicts Performance on a Perceptual Task. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 109 (2012): 3516–21.

Gabrieli J.D.E. et al. Prediction as a Humanitarian and Pragmatic Contribution from Human Cognitive Neuroscience. Neuron. 85 (2015): 11–26; A Neuromarker of Sustained Attention from Whole-Brain Functional Connectivity. Nature Neuroscience. 19 (2016): 165–71.

Rashid B., Calhoun V. Towards a Brain-Based Predictome of Mental Illness. Human Brain Mapping. 41 (2020): 3468–535.

Gabrieli et al. Prediction as a Humanitarian.

Molfese D.L. Predicting Dyslexia at 8 Years of Age Using Neonatal Brain Responses. Brain and Language. 72 (2000): 238–45; Kook H. et al. Multi-stimuli Multi-Channel Data and Decision Fusion Strategies for Dyslexia Prediction Using Neonatal ERPs. Pattern Recognition. 38 (2005): 2174–84.

Aharoni E. et al. Neuroprediction of Future Rearrest. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 110 (2013): 6223–28.

Илон Маск, запуск проекта “Нейролинк”, 16 июля 2019 г., Сан-Франциско: https://www.youtube.com/watch?v=r-vbh3t7WVI.

Пресс-релиз компании “GSK”: GSK and Verily to Establish Galvani Bioelectronics – A New Company Dedicated to the Development of Bioelectric Medicines, 1 августа 2016 г.: https://www.gsk. com/en-gb/media/press-releases/gsk-and-verily-to-establish-galvani-bioelectronics-a-new-company-dedicated-to-the-development-of-bioelectronic-medicines/.

Moses D.A. et al. Real-time Decoding of Question-and-Answer Speech Dialogue Using Human Cortical Activity. Nature Communications. 10 (2019): 3096.

Марк Цукерберг, 19 апреля 2017: https://www.facebook.com/ zuck/videos/vb.4/10103661167577621/?type= 2&theater.

Duhigg C. How Companies Learn Your Secrets. New York Times Magazine. February 16, 2012.

Kramer A.D.I. et al. Experimental Evidence of Massive-Scale Emotional Contagion Through Social Networks. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 111(2014): 8788–90; Tiku N. Get Ready for the Next Big Privacy Backlash Against Facebook. Wired. May 21, 2017.

Mastoras R.-E. et al. Touch-screen Typing Pattern Analysis for Remote Detection of the Depressive Tendency. Scientifiс Reports. 9 (2019): 13414.

Giancardo L. et al. Computer Keyboard Interaction as an Indicator of Early Parkinson’s Disease. Scientifiс Reports. 6 (2016): 34468; Nieto-Reyes A. et al. Classification of Alzheimer’sPatients Through Ubiquitous Computing. Sensors. 17 (2017): 1679.

The Royal Society, iHuman: Blurring Lines Between Mind and Machine (2019). http://www.royalsociety.org/ihuman-perspective.

Yuste R. et al. Four Ethical Priorities for Neurotechnologies and AI. Nature. 551 (2017): 159–63.

Zennou-Azogui Y. et al. Hypergravity Within a Critical Period Impacts on the Maturation of Somatosensory Cortical Maps and Their Potential for Use-Dependent Plasticity in the Adult. Journal of Neurophysiology. 115 (2016): 2740–60.

Muckli L. et al. Bilateral Visual Field Maps in a Patient with Only One Hemisphere. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 106 (2009): 13034–39.

Sur M. et al. Experimentally Induced Visual Projections into Auditory Thalamus and Cortex. Science. 242 (1988): 1437–41.

Roe A.W. et al. A Map of Visual Space Induced in Primary Auditory Cortex. Science. 250 (1990): 818–20.

Melchner L. von et al. Visual Behaviour Mediated by Retinal Projections Directed to the Auditory Pathway. Nature. 404 (2000): 871–76.

Ballantyne A.O. et al. Plasticity in the Developing Brain: Intellectual, Language, and Academic Functions in Children with Ischaemic Perinatal Stroke. Brain. 131 (2008): 2975–85.

Roseboom T. et al. The Dutch Famine and Its Long-Term Consequences for Adult Health. Early Human Development. 82 (2006): 485–91.

Diorio J., Meaney M. Maternal Programming of Defensive Responses Through Sustained Effects on Gene Expression. Journal of Psychiatry & Neuroscience. 32 (2007): 275–84.

Frankenhuis W.E., Weerth C. de. Does Early-Life Exposure to Stress Shape or Impair Cognition? Current Directions in Psychological Science. 22 (2013): 407–12.

Heim C., Nemeroff C.B. The Role of Childhood Trauma in the Neurobiology of Mood and Anxiety Disorders: Preclinical and Clinical Studies. Biological Psychiatry. 49 (2001): 1023–39.

Hertzman C. The Biological Embedding of Early Experience and Its Effects on Health in Adulthood. Annals of the New York Academy of Sciences. 896 (1999): 85–95.

Hertzman C. Putting the Concept of Biological Embedding in Historical Perspective. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 109 (2012): 17160–67.

Molfese D.L. Predicting Dyslexia at 8 Years of Age Using Neonatal Brain Responses. Brain and Language. 72 (2000): 238–45.