Его самое важное открытие заключалось в том, что наш мозг фактически увеличивает все, на что мы смотрим, сосредоточивая больше нейронов в центре зрительного поля. ПЗК частично расположена на поверхности мозга, прямо под затылочной выпуклостью, а частично находится внутри. Как выяснилось, солдаты с черными точками в центре зрительного поля всегда имели повреждения поверхностных частей ПЗК, а те, у кого точки находились на периферии зрительного поля, имели внутренние повреждения. Как и надеялся Иноуэ, постоянство этой корреляции доказывало, что определенные части мозга контролируют определенные части глаза.
Но он обнаружил, что участки коры, обрабатывающие центральную часть, значительно превосходили по площади участки, контролировавшие периферийное зрение. Теперь ученые знают, что фокальный центр глаза, или фовеальная зона, занимает лишь 0,0001 поверхности сетчатки. Тем не менее она использует 10 процентов вычислительной мощности ПЗК. Иными словами, около половины из 250 миллионов нейронов ПЗК помогают нам обрабатывать 1 процент нашего зрительного поля. Частично ослепшие пациенты Иноуэ впервые в истории помогли увидеть это соотношение.
К несчастью для Иноуэ, его открытиями воспользовались другие ученые. Во время Первой мировой войны два английских врача, не знавшие о его работе, воспроизвели его эксперименты на зрительной коре солдат, испытавших сходные травмы мозга. Они получили такие же результаты, но их преимущество состояло в том, что они были европейцами.
Более того, в своей главной статье о зрении Иноуэ использовал сложную диаграмму взаимосвязей между глазами и ПЗК, составленную в декартовой системе координат. Она была точной, но ставила в тупик большинство читателей. Между тем англичане воспользовались простой схемой, которую другие ученые могли понять с одного взгляда. Когда эта интуитивно понятная схема была опубликована в учебных пособиях по всему миру, Иноуэ впал в безвестность. Слепота может поражать целые поколения.
Следующее крупное открытие в неврологии зрительных процессов произошло вдалеке от поля боя. В 1958 году двое молодых ученых в Университете Джона Хопкинса, швед и канадец, приступили к исследованию нейронов зрительной коры. Дэвид Хьюбел и Торстен Визел хотели понять, какие сцены или формы вызывают возбуждение этих нейронов, что активирует их. Они имели хорошую гипотезу, основанную на работе других ученых: зрительные сигналы ненадолго задерживаются в таламусе, расположенном в центральной части мозга, перед прохождением в зрительную кору. А еще одни ученые показали, что нейроны таламуса сильно реагируют на черные и белые пятна. Поэтому Хьюбел и Визел решили сделать следующий шаг и посмотреть, как реагируют на пятна нейроны зрительной коры.
Когда Хьюбелу и Визелу показали их новую лабораторию в мрачном подвальном помещении без окон, они были только рады этому. Отсутствие окон исключало случайное проникновение ненужного света во время экспериментов со зрением. Но оборудование, которое им досталось, не вызывало энтузиазма.
Во время экспериментов они, как в фильме «Заводной апельсин», фиксировали анестезированную кошку в специальном бандаже, обездвиживали ей глаза и заставляли смотреть на световые пятна, проецируемые на простыню. Но поскольку им достался горизонтальный бандаж, кошке приходилось укладываться на спину и смотреть прямо в потолок. Поэтому ученым пришлось направлять проектор в потолок и растягивать простыню между проходившими там трубами – «словно цирковой шатер», как вспоминал Хьюбел. Сверху падала пыль и насекомые, и сами исследователи тоже были вынуждены задирать голову и выворачивать шею.
Это была лишь подготовка; изучение нейронов оказалось не менее трудным. К 1958 году ученым удалось изготовить достаточно чувствительные электроды для наблюдения за отдельными нейронами внутри мозга. Некоторые исследователи уже изучили сотни отдельных клеток таким способом, поэтому Хьюбел и Визел сначала чувствовали себя дилетантами. Чтобы выглядеть солиднее, они начали отсчет количества экспериментов сразу с 3000. Коллегам, посещавшим лабораторию, непременно сообщали номер проводимого эксперимента.
Каждый электрод был снабжен тонкими платиновыми проводниками, погружаемыми в первичную зрительную кору животного. Хьюбел и Визел подключали другой конец электрода к динамику, который щелкал каждый раз, когда нейрон реагировал на световое пятно. По крайней мере, так было задумано.
Первые эксперименты продолжались по девять часов в день и заканчивались под утро, когда ученые больше не могли терпеть боль в шее. К трем часам ночи Визел начинал говорить по-шведски, а Хьюбел однажды так устал, что уснул за рулем по пути домой и попал в аварию.
Но нейроны, которые они исследовали, никак не хотели возбуждаться. Они пробовали белые пятна. Они пробовали черные пятна. Они пробовали узор в горошек. «Мы перепробовали все, разве что не стояли на голове, – вспоминал Хьюбел, – даже фотографии красоток из гламурных журналов». Но глупые упрямые нейроны отказывались реагировать.
Участки коры, обрабатывающие центральную часть, значительно превосходят по площади участки, контролирующие периферийное зрение.
Недели проходили за неделями до сентября 1958 года. В одну из ночей, на пятом часу работы, они вставили в проектор очередной слайд с очередным пятном. По разным сведениям, этот слайд то ли застрял, то ли перекосился и вошел под углом. Тем не менее что-то наконец произошло: один нейрон вдруг «заработал как пулемет», – вспоминал Хьюбел. Вскоре он снова затих, но через час отчаянной возни они наконец разобрались, что происходит. Нейрону было наплевать на пятно, он реагировал на сам слайд, вернее, на четкую тень от угла слайда, образовавшуюся на экране. Этот нейрон распознавал линии.
После нескольких часов дополнительной работы ученые осознали, как им повезло. Этот нейрон реагировал только на линии, наклоненные под углом примерно десять градусов в одну сторону. Если они вставляли слайд более ровно, клетка безмолвствовала. Более того, другие нейроны в следующих экспериментах оказались не менее разборчивыми, реагируя только на линии вроде / или \. Понадобилось много лет и еще больше кошек для подтверждения всех результатов, но Хьюбел и Визел уже видели очертания первого закона зрения: нейроны в первичной зрительной коре реагируют на линии, но разные нейроны предпочитают разные линии, наклоненные под различными углами.
Следующим шагом была систематизация «географического положения» этих нейронов. Собираются ли нейроны, предпочитающие линии, под данным углом, в отдельные группы, или они расположены случайно? Как выяснилось, справедливо первое утверждение.
Уже в начале XX века неврологи знали, что нейроны группируются в колонки наподобие щетины на поверхности мозга. Хьюбел и Визел обнаружили, что нейроны в одной колонке обладают сходными предпочтениями: все они реагируют на линии, ориентированные одинаково. Более того, если ученые смещали платиновый электрод к другой колонке (примерно на 0,05 миллиметра в сторону), могло оказаться, что ее клетки реагируют на |, то есть угол отличался от прежнего примерно на десять градусов. При крошечных перемещениях к новым «колонкам ориентации» выявлялись нейроны, реагирующие на линии вроде / или еще более пологие. В общем, распознаваемый угол наклона плавно изменялся от колонки к колонке, как минутная стрелка, ползущая по циферблату.
Но пространственные закономерности на этом не заканчивались. Дальнейшие исследования показали, что если клетки совместно работали в колонках, то колонки работали вместе в больших группах, словно связки соломинок для питья. В каждой связке было достаточно «колонок ориентации» для охвата всех 180 градусов возможных линий. Кроме того, каждая группа лучше реагировала на один глаз, правый или левый.
Вскоре Хьюбел и Визел обнаружили, что группа колонок для левого глаза плюс группа колонок для правого глаза – так называемая «гиперколонка» – может определить любую линию любой ориентации в пределах одного пикселя зрительного поля. Опять-таки понадобились годы для подтверждения, но выяснилось, что независимо от формы, на которую мы смотрим, – завиток раковины улитки или изгиб бедра – мозг обязательно разделяет эту форму на крошечные линейные сегменты.
Мозгу легче следить за движущимися объектами, чем за неподвижными.
В конце концов Хьюбел и Визел избавились от болей в шее и повернули аппарат так, что привязанная кошка смотрела на экран прямо. Их открытия продолжались. Кроме простых нейронов, реагирующих на линии, Хьюбел и Визел обнаружили нейроны, реагирующие на движение. Некоторые из них возбуждались от движения вверх или вниз, другие – от движения налево или направо, третьи – от движения по диагонали. Как выяснилось, количество таких нейронов намного превосходило количество нейронов, реагирующих на линии. Это указывало на факт, ранее совершенно неизвестный: мозг с большей легкостью следит за движущимися объектами, чем за неподвижными. Все мы обладаем врожденной способностью реагировать на движение.
Почему? Потому что для животных важнее замечать движущиеся предметы (хищников, добычу, падающие деревья), чем статичные предметы, которые могут и подождать. Фактически наше зрение так настроено на восприятие движения, что формально мы даже не видим неподвижные предметы. Для того чтобы увидеть статичный предмет, нам приходится едва заметно перемещать взгляд по его поверхности. Эксперименты показали, что если искусственно создать неподвижный образ на сетчатке с помощью специальных линз и микроэлектроники, то он исчезнет.
Вооруженные этими открытиями – картой зрительной коры Иноуэ и знанием детекторов линий и движения, – ученые наконец смогли описать основы зрительного восприятия у животных.
Самое важное заключалось в том, что каждая «гиперколонка» может определять все возможные движения для всех возможных линий в одном пикселе зрительного поля. («Гиперколонки» также содержат структуры, называемые цветовыми пятнами, которые определяют цвет.) Фактически каждая «гиперколонка» шириной в один миллиметр действует как крошечный автономный глаз, что напоминает устройство фасеточных глаз насекомых. Преимущество этой пиксельной системы, помимо высокой разрешающей способности, состоит в том, что мы можем хранить инструкции для создания «гиперколонки» в нашей ДНК в единственном экземпляре. Для покрытия всего зрительного поля достаточно просто «нажимать кнопку повтора»(23).
Некоторые эксперты утверждали, что за двадцать лет сотрудничества Хьюбела и Визела наука узнала о зрении больше, чем за предыдущие двести лет. В 1981 году оба ученых получили заслуженную Нобелевскую премию. Но, несмотря на большое значение их открытий, они продвинули науку о зрении лишь до определенного уровня.
«Гиперколонки» эффективно разделяли окружающий мир на составные линии и движение, но мир содержит не только движущиеся фигурки из черточек. Настоящее узнавание вещей и обращение к связанным с ними эмоциям и воспоминаниям требует гораздо более сложной обработки в областях мозга за пределами первичной визуальной коры.
* * *Интересно, что следующее открытие в зрительной неврологии – «теория двух потоков» – произошло в 1982 году, сразу же после того, как Хьюбел и Визел получили Нобелевскую премию.
Все пять органов чувств имеют области первичной обработки данных в мозге, разделяющие ощущения на составные части. Кроме того, они имеют так называемые ассоциативные зоны, анализирующие выделенные части и извлекающие более сложную информацию.
Со зрением происходит так: после того, как первичная зрительная кора составляет приблизительное представление о форме и движении объекта, данные разделяются на два потока «как/где» для дальнейшей обработки. Поток определяет, где находится объект и как быстро он движется.
Этот поток направлен от затылочных долей к теменным долям; в конечном счете он активирует двигательные центры мозга, позволяющие нам схватить наблюдаемый объект или уклониться от него. Поток «что» определяет, что это за объект. Он направлен к височным долям и активирует эмоции и воспоминания, которые позволяют узнать объект, воспринимаемый через ощущения.
Никто точно не знает, как происходит это узнавание, но существует интересная гипотеза, связанная с синхронной активизацией цепочек нейронов. В начале потока «что» нейроны довольно неразборчивы: они могут реагировать на любую горизонтальную линию или красное пятно. Но эти нейроны передают свои данные дальше, к более избирательным нейронным цепям. К примеру, те могут реагировать только на красные горизонтальные линии. Еще дальше нейронные цепи могут реагировать только на горизонтальные красные линии с металлическим блеском, и так далее.
Между тем другие нейроны (работающие одновременно с первыми), реагируют на прозрачные стеклянные линии под определенным углом, или на черные резиновые круги. Наконец, когда все эти нейроны срабатывают одновременно, ваш мозг распознает клубок признаков – красный металл, стекло и резину – и говорит: «Ага, «Шевроле Корвет»! (24). За несколько десятых долей секунды мозг также подключает звук, текстуру и запах автомобиля как дополнительную помощь при распознавании. В целом процесс узнавания распределен по разным участкам мозга, а не локализован в одной зоне (см. важное примечание 25).
Разумеется, в повседневной жизни мы не трудимся проводить различие между зрительным восприятием автомобиля (первичная зрительная кора), узнаванием автомобиля (поток «что») и его локализацией в пространстве (поток «как/где»). Мы просто видим. И даже внутри мозга потоки не являются совершенно обособленными: есть множество обратных и перекрестных связей, гарантирующих, например, что вы тянетесь за нужной вещью в нужное время. Тем не менее эти потоки достаточно независимы, так что нарушение каждого из них приводит к катастрофическим результатам.
При повреждении первичной зрительной коры люди утрачивают основные навыки восприятия. Это становится ясно, когда они пытаются рисовать. Если они рисуют улыбающееся лицо, глаза могут выскакивать за пределы головы. Колеса оказываются на крыше автомобилей. Некоторые люди не могут начертить даже треугольник или крестик. Это самый разрушительный тип повреждения зрительной системы.
Повреждение потока «как/где» нарушает способность к локализации предметов в пространстве: люди промахиваются, когда пытаются взять вещь, и натыкаются на мебель при ходьбе.
Еще более драматическая история произошла с сорокалетней женщиной из Швейцарии, получившей повреждение теменной доли при инсульте в 1978 году. Она утратила ощущение движения, и жизнь для нее превратилась в серию моментальных снимков через каждые пять секунд или около того. Наливая чай, она видела, как жидкость застывает в воздухе, словно водопад зимой. В следующий момент, который она видела, чашка уже была переполнена. При переходе через улицу она хорошо видела автомобили и даже могла прочитать номерные знаки. Но если в один момент они находились далеко, то в следующий едва не сталкивались с ней. Во время разговора люди не шевелили губами, словно чревовещатели, а в людных местах у нее начиналось головокружение, потому что люди появлялись и исчезали, как призраки. Она все еще могла отслеживать движение с помощью осязания или обоняния, но зрительное восприятие движения совершенно исчезло.
Наконец, при повреждении потока «что» люди могут определить, где находятся предметы, но больше не могут отличить один предмет от другого. Они не могут найти ручку, если кладут ее на стол рядом с другими вещами, и совершенно беспомощны, если нужно припарковать автомобиль у торгового центра. Однако, как ни странно, они по прежнему хорошо воспринимают поверхностные детали. Попросите их перерисовать изображение лошади, кольца с алмазом или готического собора, и они превосходно выполнят это, не понимая при этом, что они нарисовали.
При повреждении первичной зрительной коры люди утрачивают основные навыки восприятия. Это становится ясно, когда они пытаются рисовать.
Некоторые люди даже могут рисовать предметы по памяти, но если потом показать им их рисунки, они не могут определить, что это такое. В целом такие люди сохраняют навыки восприятия, поскольку их первичная зрительная кора работает, но детали не складываются в узнаваемую картину.
Иногда повреждение потока «что» оказывается более избирательным, и вместо всех объектов люди не узнают лишь узкий класс вещей. Например, это может произойти под влиянием вируса герпеса, того самого, из-за которого появляется лихорадка на губах.
«Герпес» означает «ползучий», и хотя в обычном состоянии он почти безвреден, иногда вирус начинает блуждать и подниматься по обонятельным нервам в мозг, разрушая височные доли. Когда это происходит, нейроны начинают хаотически срабатывать, и жертвы жалуются на странные запахи и звуки. При дальнейшем отмирании нервной ткани несчастные испытывают головные боли, спазмы шейных мышц и припадки. Многие впадают в кому и умирают. Те пациенты, которые снова приходят в себя, обычно имеют строго локализованные повреждения мозга, словно от русских пуль, о которых мы говорили раньше.
В зависимости от того, какой участок был поврежден, психика утрачивает вполне определенные способности. Чаще всего люди разучаются узнавать животных. Они прекрасно распознают неодушевленные предметы, такие как стулья, палатки, чемоданы или зонтики. Но когда им показывают любых животных, даже обычных кошек и собак, они изумленно смотрят, как будто видят существ из инопланетного зоопарка.
Существует масса подобных случаев, иногда совершенно неправдоподобных. В противоположность вышеописанным случаям, некоторые жертвы герпеса прекрасно узнают живых существ, но не инструменты или рукотворные предметы: кассовые аппараты становятся «гармониками», зеркала становятся «люстрами», а дротики для игры в дартс волшебным образом превращаются в «перьевые опахала». (Один человек с так называемой зрительной агнозией продолжал водить автомобиль. Он не мог отличить автомобили от автобусов или велосипедов, но, поскольку его поток «как/где» по-прежнему работал, он мог распознавать движение и просто держался подальше от других движущихся предметов.)