Восприятие реальности
Вам кажется, что при помощи органов чувств вы получаете непосредственный доступ к окружающему миру. Вы можете протянуть руку и дотронуться до физического объекта, например этой книги или стула, на котором вы сидите. Однако то, что вы чувствуете при соприкосновении, нельзя назвать непосредственным восприятием. Вы ощущаете прикосновение пальцами, но на самом деле все происходит в центре управления, расположенном в вашем мозгу. То же самое относится к остальным видам сенсорного восприятия. Вы видите не глазами, слышите не ушами, а запахи ощущаете не носом. Все ваши сенсорные ощущения рождаются в бурях возбуждения внутри вычислительного вещества мозга.
Вот вам подсказка: мозг лишен доступа к окружающему миру. Запертый в темном, безмолвном пространстве черепа, мозг никогда напрямую не контактировал с окружающим миром и никогда не будет контактировать.
Существует единственный путь поступления внешней информации в мозг. Это органы чувств – глаза, уши, нос, рот и кожа, – которые выполняют роль переводчиков. Они принимают сигналы от разнообразных источников информации и преобразуют в общую валюту мозга – электрохимические сигналы.
Эти электрохимические сигналы проходят через густые сети нейронов, главных сигнальных клеток мозга. В мозгу человека насчитывается сто миллиардов нейронов, и каждую секунду каждый нейрон посылает десятки и сотни электрических импульсов сотням других нейронов.
Нейроны сообщаются друг с другом при помощи химических сигналов, получивших название нейротрансмиттеров. Мембраны нейронов с высокой скоростью передают электрические сигналы по всей их длине. На рисунке, выполненном художником, показано пустое пространство, однако между клетками мозга его практически нет – нейроны плотно прижаты друг к другу.
Все наше восприятие – изображение, звук, запах – не является непосредственным, а представляет собой электрохимическое представление в темном театре.
Как же мозг превращает огромное количество электрохимических сигналов в полезное понимание окружающего мира? Он делает это путем сравнения сигналов, которые приходят от разных органов чувств, и выявления закономерностей, позволяющих делать верные догадки о том, что происходит «снаружи». На первый взгляд это дается ему без усилий. Но давайте присмотримся повнимательнее.
Начнем с главного органа чувств – зрения. Акт зрения кажется настолько естественным, что нам трудно понять, какой огромный механизм за ним стоит. Примерно третья часть человеческого мозга обрабатывает сигналы от органов зрения, превращая фотоны света в лицо матери, в любимого домашнего питомца или в диван, на котором мы собираемся вздремнуть. Чтобы снять покров тайны с того, что происходит в мозгу, обратимся к истории человека, который утратил зрение, а затем получил возможность его вернуть.
Я был слеп, а теперь вижу
Майк Мэй потерял зрение в возрасте трех с половиной лет. Химический ожог уничтожил роговицу, и в его глаза перестали попадать фотоны. Несмотря на слепоту, Майк стал успешным бизнесменом, а также великолепным лыжником, ориентируясь на склонах по звуковым сигналам.
Затем после сорока лет слепоты Майк узнал о новаторском методе лечения стволовыми клетками, способном исправить физические повреждения глаз. Он решился на операцию – его слепота была обусловлена разрушением роговицы, и решение выглядело очевидным.
Но случилось непредвиденное. Телевизионные камеры записали момент снятия повязки с глаз. Майк так описывает свои ощущения, когда врач снял бинты: «В мои глаза хлынул свет и поток образов. Внезапно прорвалась плотина зрительной информации. Это потрясающе».
СЕНСОРНОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕБиология знает множество способов преобразования информации из окружающего мира в электрохимические сигналы. Вот несколько устройств, которые есть у вас: волосковые клетки внутреннего уха, несколько типов осязательных рецепторов кожи, вкусовые сосочки языка, молекулярные рецепторы обонятельной луковицы и фоторецепторы на задней стенке глаза.
Сигналы из внешнего мира преобразуются в электрохимические сигналы, которые передаются клетками мозга. Это первый этап восприятия мозгом информации из окружающей среды. Глаза преобразуют фотоны света в электрические сигналы. Механизм внутреннего уха превращает колебания плотности воздуха в электрические сигналы. Рецепторы на коже (а также внутри тела) преобразуют давление, растяжение, температуру и воздействие вредных веществ в электрические сигналы. В городе, куда съезжаются гости со всего мира, иностранную валюту, прежде чем проводить значимые транзакции, необходимо поменять на ту, которая имеет хождение в этом городе. То же самое справедливо для мозга. Он глубоко космополитичен, приглашая путешественников самого разного происхождения.
Одна из нерешенных проблем нейробиологии получила название «проблемы увязки»: как мозгу удается создать единую, связную картину мира, если зрительный сигнал обрабатывается в одном отделе, слуховой – в другом, осязательный – в третьем и т. д.? Мы до сих пор не знаем ответа на этот вопрос, но общая валюта нейронов, а также высокая степень их взаимосвязи могут указывать путь к решению проблемы.
Новая роговица Майка должным образом пропускала и фокусировала свет, но его мозг не понимал поступающую информацию. Под прицелом телевизионных камер Майк смотрел на своих детей и улыбался им, но внутренне был в полной растерянности, поскольку не мог сказать, как они выглядят или кто из них кто. «Я вообще не умел распознавать лица», – вспоминал он.
С точки зрения хирургии трансплантация закончилась полным успехом, однако, с точки зрения Майка, его ощущения нельзя было назвать зрением. Как он сам выразился, его «мозг находился в состоянии «Подумать только!».
С помощью врачей и родных он вышел из смотровой комнаты и пошел по коридору, бросая взгляды на ковер, на картины на стене и на двери. Все это не имело для него смысла. Когда же его посадили в машину и повезли домой, Майк смотрел на проносящиеся мимо дома, здания, людей и безуспешно пытался понять, что он видит. На шоссе он съежился от страха, думая, что машина врежется в большой прямоугольник впереди. Оказалось, что они просто проезжали под дорожным указателем. Майк не мог определять расстояние до объектов и их глубину. После операции кататься на лыжах ему стало даже труднее – из-за сложностей с восприятием он с трудом различал деревья, людей, тени и впадины. Все они казались ему просто темными предметами на белом снегу.
Пример Майка показывает, что наша зрительная система не похожа на видеокамеру. Чтобы видеть, недостаточно просто снять крышку с объектива. Необходимо нечто большее, чем здоровые глаза.
В случае с Майком сорок лет слепоты означали, что территория его зрительной системы (обычно мы называем ее зрительной зоной окры) была по большей части занята остальными чувствами, такими как слух и осязание. Это повлияло на способность мозга соединять все сигналы, необходимые для зрения. Как мы увидим ниже, зрение возникает в результате координации миллиардов нейронов, взаимодействие которых образует сложную симфонию.
В настоящее время, через тринадцать лет после операции, Майк с трудом читает слова на бумаге и различает выражения лиц людей. Когда ему требуется уточнить свое несовершенное зрительное восприятие, он использует для проверки информации другие органы чувств: дотрагивается до предмета, поднимает его, слушает. Это сравнение ощущений характерно для маленьких детей, чей мозг познает окружающий мир.
Для зрения нужны не только глаза
Когда младенец протягивает руку и дотрагивается до предмета перед собой, он не только исследует его текстуру и форму. Эти действия необходимы для того, чтобы научиться видеть. Идея, что движения нашего тела необходимы для зрения, может показаться странной, однако ее изящное доказательство было продемонстрировано в 1963 г.
Ричард Хелд и Алан Хейн, исследователи из Массачусетского технологического института, поместили двух котят в цилиндр с полосатыми стенками. Оба котенка получали зрительную информацию от движения внутри цилиндра. Но между их восприятием имелось одно важное отличие: первый котенок гулял свободно, а второй находился в корзинке, прикрепленной к центральной оси цилиндра. В результате оба котенка видели одно и то же – полосы, перемещавшиеся для обоих животных с одинаковой скоростью. Если бы зрение определялось только достигающими глаз фотонами, зрительные системы котят развивались бы одинаково. Но результат удивил исследователей: нормальное зрение развилось только у того котенка, который мог свободно двигаться. Тот, что сидел в корзинке, так и не научился правильно видеть; его зрительная система должным образом не развилась.
