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.
4
Из эфира: слуховые карты мозга
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
