Что почитать: «Как мы видим?» Ричарда Маслэнда

Человеческий глаз — это оптическая система, которая благодаря отраженным лучам света создает на сетчатке изображения видимых предметов… Примерно это нам известно с уроков физики. Но много ли это на самом деле объясняет? Как именно создается эта картинка в мозгу? Какое отношение оптика имеет к нашей способности узнавать в еле заметной фигуре своего друга или ребенка?

Нейробиолог Ричард Маслэнд разбирает в своей книге «Как мы видим? Нейробиология зрительного восприятия», которая на русском языке вышла в издательстве «Альпина Паблишер», не только устройство глаза, но и работу нейронных сетей мозга, которые обрабатывают зрительные стимулы.

Ниже фрагмент из книги о том, как в совместной работе мозга и глаза формируется восприятие объектов.

Оригинальная нейронная сеть Хебба

В работе «Организация поведения» Дональд Хебб изложил очень широкое теоретическое видение, охватывающее многие аспекты нейробиологии. Эта теория не только заложила фундамент того, что сегодня известно как машинное обучение, но и обеспечила понимание того, как животные выживают в естественном мире. Однако главным интересом Хебба, почвой, на которой выросла его теория, было восприятие.

Хебб начал с простейших видов восприятия. Возьмем элементарный рисунок — черный контурный квадрат на белом фоне. Мы видим квадрат как целостную фигуру, нарисованную непрерывной линией. Но в действительности наша сетчатка воспринимает черную линию как ряд точек, потому что изображение линии падает на множество отдельных светочувствительных нейронов — палочек и колбочек. Как бы плотно ни располагались друг к другу фоторецепторы и какой бы ровной ни казалась нам линия, сетчатка все равно регистрирует ее изображение как ряд точек.

Но мы, разумеется, этого не видим. Мы видим черный контурный квадрат на белом фоне, потому что наш мозг соединяет все точки в цельные линии. Более того, мы не воспринимаем каждую из четырех линий по отдельности: мы видим квадрат как единый объект. Однако поврежденный мозг может терять такую целостность восприятия. Нейропсихолог Ханс-Лукас Тойбер из Массачусетского технологического института описал случай, когда пациент вместо одного движущегося мотоцикла видел вереницу отдельных мотоциклов. Нормальный мозг, как правило, видит объекты как единое целое, а не как наборы отдельных компонентов. Но на самом деле ничто в видимом мире не говорит нам о том, что является объектом, а что нет; мы видим лишь массив пикселей, из которых мозг должен вычленить целостные объекты. В примере Тойбера мозг должен понять, что перед ним один движущийся мотоцикл, а не цепочка из неподвижных мотоциклов. Этот принцип, называемый завершенностью, подводит нас еще на шаг ближе к пониманию механизма восприятия, описанного Хеббом.

Еще в начале XX в. психологи предположили, что в основе восприятия объектов лежат их гештальты — целостные и обобщенные образы объектов, игнорирующие вариации в конкретных деталях. Чтобы проиллюстрировать это, обычно используется изображение знакомого предмета с недостающим фрагментом. Посмотрите на этот рисунок: вы мгновенно понимаете, что перед вами треугольник, несмотря на то что одна его сторона не дорисована до конца.

Хебб и его ученики первыми описали одно из интригующих проявлений этого феномена, которое они обнаружили с помощью так называемого метода стабилизации изображения на сетчатке. Хотя мы этого не осознаем, наши глаза постоянно совершают очень мелкие высокочастотные колебания, называемые «тремор глаз» (не путайте их с совсем другим явлением — скачкообразным движением глаз, когда мы сканируем визуальную сцену). Эти мелкие движения, которые мы даже не замечаем, играют важную роль в функционировании нашей зрительной системы. Чтобы стабилизировать изображение на сетчатке, Хебб и его команда сконструировали особые контактные линзы, из центра которых выходила тончайшая ножка с еще одной крошечной линзой на конце. Линза фокусировала тестовое изображение на сетчатке и таким образом устраняла эффект тремора глаз.

Большинство нейронов сетчатки и зрительных отделов мозга не очень интересуются стабильными объектами, которые не меняются и не движутся. Они активно отвечают на появление в поле зрения нового объекта, но, если в его изображении не происходит никаких изменений, перестают реагировать. Это полезное свойство, которое позволяет мозгу не тратить драгоценную энергию на то, что не несет новой информации. Его побочный и не очень полезный эффект состоит в том, что, если объект не движется, мозг попросту перестает его замечать. Тремор глаз в состоянии покоя противодействует этому, заставляя изображение постоянно перемещаться туда-сюда по сетчатке (повторю: эти движения слишком малы, чтобы мы их замечали), поэтому нейроны не перестают на него реагировать. Использованные Хеббом специальные контактные линзы устраняли эффект этих мелких движений глаз, при каждом движении сдвигая падающее на сетчатку изображение.

Как вы могли догадаться, при использовании экспериментальной контактной линзы изображение постепенно исчезало, так как в отсутствии тремора не происходило активации новых рецепторов. Но для Хебба самым интригующим результатом было не исчезновение изображения, а то, каким образом оно исчезало. Это не было хаотичным процессом, например, в виде превращения в беспорядочную россыпь точек. Стабилизированное изображение исчезало отдельными значимыми фрагментами. Сплошной квадрат мог исчезнуть сразу, но контурный квадрат сначала лишался одной стороны, затем еще двух, после чего исчезала последняя четвертая сторона.

Хебб предположил, что эти фрагменты кодируются группами одновременно активизирующихся нейронов в головном мозге. Он назвал эти группы, по сути, представлявшие собой базовую версию нейронной сети, ансамблями клеток. Кроме того, Хебб выдвинул гениальную идею относительно того, как образуются клеточные ансамбли, — этот механизм, в существование которого ученый верил, впоследствии был назван синапсом Хебба (чуть дальше мы поговорим о нем очень подробно).

Теория клеточных ансамблей Хебба дала два важных результата. Во-первых, она объясняла, почему восприятие происходит отдельными значимыми фрагментами. Изображение квадрата в мозге активирует четыре ансамбля клеток (по одному для каждой из четырех сторон), соединенных синаптическими связями. При этом вовсе не обязательно, чтобы эти четыре ансамбля физически располагались в мозге также в форме квадрата. (На самом деле эти базовые клеточные ансамбли и их ансамбли-мишени более высокого уровня могут быть распределены по всему мозгу.) Согласно разработанной Хеббом схеме, за восприятие таких простых элементов, как квадрат, отвечают самые базовые клеточные ансамбли, которые, в свою очередь, связаны между собой для восприятия более сложных объектов и даже для формирования мыслей и сознательной памяти. Этот конкретный квадрат представляет собой сенсорную репрезентацию из четырех линий, но через связь с другими клеточными ансамблями становится частью хранящегося в памяти образа квадрата.

В этой книге мы ограничимся рассмотрением простых форм восприятия, однако следует отметить, что клеточные ансамбли Хебба могут быть связаны не только с другими ансамблями того же типа (например, зрительными), но и с клеточными ансамблями, отвечающими за восприятие звуков, запахов или вкуса. Эмоции — еще одна важнейшая паутина таких ансамблей, которые хранят историю каждого человека и могут быть связаны с очень давними воспоминаниями. Понятно, что подобного рода ансамбли могут насчитывать сотни тысяч и даже миллионы взаимосвязанных нейронов, находящихся как близко, так и очень далеко друг от друга. Именно такие обширные паутины связей лежат в основе концептуальных и эмоциональных ассоциаций. Если вы читали Пруста, теперь вы понимаете, почему вкус печенья «Мадлен» вызвал у главного героя нахлынувшую волну воспоминаний о «потерянном времени».

Такая паутиноподобная ассоциативная организация — первое, что многим приходит на ум, когда мы слышим термин «нейронная сеть». И, если смотреть издалека, все множество связей в мозге действительно выглядит именно так. Но в этой паутине есть высокоспецифичные связи, и именно они обеспечивают основу зрительного восприятия.

Второе следствие теории Хебба не имело отношения к восприятию, но было не менее захватывающим. Его идеи объясняли удивительную устойчивость мозга к повреждениям. В 1937 г. монреальский хирург Уайлдер Пенфилд начал применять новую процедуру хирургического вмешательства для удаления очагов судорожной активности в головном мозге у больных эпилепсией. Эти очаги представляют собой участки коры с аномально активными нейронами, которые распространяют возбуждение на нормальные части коры и тем самым вызывают эпилептические припадки. Их удаление во многих случаях позволяет значительно сократить частоту приступов. Но если при резекции аномальных очагов затрагиваются сенсорные или моторные зоны коры, пациент может частично или полностью потерять зрение, слух, способность ходить или выполнять сложные движения какой-либо частью тела. Чтобы не допустить этого, Пенфилд во время операций на открытом мозге стимулировал электричеством различные части коры — при этом пациенты оставались в сознании и описывали свои ощущения, — чтобы точно локализовать специфические сенсорные и моторные области и не повредить их при удалении эпилептического очага.

В конце концов он составил функциональную карту коры мозга, обозначив на ней все идентифицированные сенсорные и моторные зоны. Однако значительная часть поверхности осталась на карте белым пятном. Пенфилд никак не мог определить функции этих областей (они остаются плохо изученными и сегодня). Тогда он обратился за помощью к Дональду Хеббу, чтобы тот попытался выяснить, к каким именно нарушениям приводит резекция поврежденных тканей в этих «молчащих» областях. Другими словами, если удалить конкретный сегмент в такой области, как это отразится на мыслительных и других способностях пациента? Пенфилд был уверен, что какие-то нарушения должны были возникать, но какие? При общении с пациентами после операции он практически не обнаруживал никаких изменений.

Ни один человек в здравом уме не может предположить, что такие большие участки мозга не выполняют никакой полезной функции в организме. Пенфилд хотел, чтобы Хебб узнал, что именно теряет человек вместе с потерей конкретного фрагмента мозговой ткани — даже если эти функциональные потери невозможно обнаружить при обычном общении. В последующие десятилетия исследования показали, что большинство поражений головного мозга действительно влекут за собой потери тех или иных функций. Но что впечатлило Хебба больше всего, так это то, что не терялось: поражения мозга, судя по всему, не вызывали потерю конкретных воспоминаний.

Во избежание недоразумений здесь важно проводить границу между потерей конкретных воспоминаний и потерей конкретных способностей. Большинство из нас знают (читали или непосредственно сталкивались с такими трагедиями, затронувшими членов семьи или друзей), что повреждение мозга может вызвать очень специфические нарушения. Это может быть потеря способности понимать речь (афазия); потеря чувствительности или паралич какой-либо конечности; обвисание лицевых мышц. Иногда функциональная потеря может быть на удивление избирательной: человек лишается способности говорить, но полностью сохраняет способность понимать устную речь. Но это вовсе не то же самое, что потеря отдельных воспоминаний, которую изучал Хебб.

Как высказался по этому поводу сам Хебб, «мы не теряем воспоминание о красных качелях». Если в доме у вашей бабушки была терраса, а на террасе стояли красные качели, мы можем полностью потерять воспоминания о доме и террасе. Но вряд ли случится так, что мы будем помнить яркое изображение террасы и при этом забудем, что на ней были красные качели. Другими словами, Хебб обнаружил, что пациенты могут терять старые воспоминания (или же терять способность формировать новые воспоминания), но, когда это происходит, все части этих воспоминаний теряются вместе. В обиходе это называется провалами в памяти (если с вами такого никогда не случалось, вы — уникальный человек). Но если уж мы сохраняем в памяти какое-то воспоминание, то помним его практически полностью, со всеми его конкретными составляющими. Из этого напрашивается вывод, что у конкретных воспоминаний нет четко определенного места в головном мозге. Но как такое может быть? Воспоминания не эфемерные сущности, витающие в некоем эфирном пространстве за пределами нашего физического тела. Они должны быть записаны на каком-то носителе, и этот носитель — головной мозг.

Другими словами, все наши воспоминания хранятся в компьютере, который мы называем мозгом, но конкретные воспоминания, кажется, не занимают в нем конкретного физического места.

Концепция нейронных сетей Хебба объясняет не только целостный характер восприятия, но и почему Пенфилд не обнаруживал у своих пациентов существенных нарушений после удаления части головного мозга. Давайте разберемся почему.

Дело в том, что нейронные сети не локализованы в ограниченных зонах, а охватывают обширные области мозга. Такое широкое распределение нервных сетей объясняет, почему конкретные воспоминания не имеют фиксированного местоположения. Если клеточный ансамбль состоит из огромного количества взаимосвязанных нейронов, потеря нескольких из них не причиняет большого вреда. Большая часть клеточного ансамбля остается взаимосвязанной и функциональной и продолжает репрезентацию восприятия, воспоминания или мысли. Таким образом, конкретные воспоминания не хранятся в конкретном месте: они распределены по всему мозгу. Ответ на вопрос Пенфилда: повреждение нервной сети действительно вызывает функциональные потери, но они настолько малы, что практически неизмеримы (особенно в эпоху Пенфилда). Благодаря нейронным сетям мозг приобретает то, что инженеры называют «отказоустойчивость».