Книги
Живой мозг. Удивительные факты о нейропластичности и возможностях мозга
Обнаруженный Бах-и-Ритой феномен поразил ученых в его области: оказалось, что незрячие индивиды способны обучиться различать горизонтальные, вертикальные и диагональные линии. А те, кто продвинулся в тренировках дальше, могли научиться различать объекты простой формы и даже лица, причем только на основании покалываний на коже спины. Свои результаты Бах-и-Рита опубликовал в журнале Nature и дал статье необычное название «Замещение зрения тактильными проекциями» (Vision Substitution by Tactile Image Projection). Так было положено начало новой эре — эре сенсорного замещения11. Бах-и-Рита сформулировал свои выводы просто: «Мозг способен использовать поступающую от кожи информацию, как если бы она поступала от глаз».
Затем Бах-и-Рита с сотрудниками решительно улучшили методику простым изменением: если раньше видеокамера размещалась на подголовье кресла, то теперь незрячему пользователю разрешили самостоятельно направлять ее объектив и выбирать, на что смотреть «глазу»12. Почему? Потому что сенсорные сигналы лучше всего усваиваются, когда человек активно взаимодействует с окружающей средой. Предоставив пользователям возможность самим управлять камерой, Бах-и-Рита со товарищи позволили замкнуться петле между мускульным актом и входящей сенсорной информацией13.
Восприятие можно рассматривать не как пассивный, а, наоборот, как активный способ исследования окружающей обстановки, связывающий определенное действие с конкретным изменением в картине, которая в итоге возвращается в мозг. Ему неважно, как устанавливается эта петля — действием ли глазодвигательных мышц или мышц руки, держащей камеру. Как бы это ни происходило, задача мозга — увязать двигательную реакцию с входящими сигналами.
Вследствие этого пользователи методики приобретали субъективный опыт, осознавая, что зрительные образы на самом деле располагаются «где-то снаружи», во внешней среде, а не на коже спины14. Иными словами, данное ощущение было похоже на зрение. Даже притом что вид вашего друга, замеченного вами в кофейне, воздействует непосредственно на ваши фоторецепторы, вы не воспринимаете это так, будто сигнал располагается у вас в глазах. А понимаете, что друг
Устройство Бах-и-Риты первым попало в поле зрения публики, но на самом деле это была не первая попытка сенсорного замещения. Еще в 1890-х годах польский офтальмолог Казимир Ноишевский разработал для слепых прибор Elektroftalm — электрофтальм, или электрический глаз (от греч. «электричество» + «глаз»). На лоб незрячему человеку помещали фотоэлемент (рис. 4.9), и чем больше света на него попадало, тем громче звучал сигнал в ухе. Исходя из громкости звука, незрячий мог различать в окружающем пространстве освещенные и темные участки.
Рис. 4.9.
К сожалению, прибор Ноишевского был громоздок, тяжел и имел разрешение всего в один пиксель, из-за чего не получил практического применения. Но к 1960 году польские коллеги подхватили эстафету Ноишевского и продвинули его изобретение на шаг вперед15. Понимая, насколько важен для незрячих слух, они решили транслировать информацию не через ухо, а через прикосновения. Была разработана система вибрирующих моторчиков, устанавливаемых на шлем, который «рисовал» зрительные образы на коже головы. Незрячие участники испытаний могли передвигаться по специально подготовленным помещениям, где дверные проемы и выступающие углы и ребра предметов обстановки для большей контрастности были обведены краской. Это срабатывало. Но, увы, прибор, как и его предшественники, был тяжелым и раскалялся во время работы, однако сам принцип он доказал.
Спрашивается, почему эти диковинные подходы оказались эффективными? Да просто потому, что поступающие в мозг данные — фотоны через глаза, колебания сжатого воздуха через уши или давление стерженьков на поверхность спины — преобразуются в знакомые, привычные мозгу электрические импульсы. Во всех случаях, когда они несут информацию о каких-то важных особенностях окружающей обстановки, мозг обязательно выучивается интерпретировать их. Обширным нейронным лесам в мозге неважно, какими маршрутами прибывают в них импульсы. Бах-и-Рита довольно образно описал это в интервью, данном в 2003 году общественному телеканалу PBS:
«Если я смотрю на вас, ваше изображение не проникает дальше моей сетчатки. От сетчатки и далее к мозгу, ко всем остальным его отделам, передаются только импульсы по нервным путям. Эти импульсы ничем не отличаются от тех, что проходят вдоль большого пальца ноги. Те тоже несут такую же информацию и тоже имеют частоту и паттерны. Если можно было бы натренировать мозг извлекать информацию такого рода, то глаза для того, чтобы видеть, уже не требовались бы».
Иными словами, кожа стала проводящим путем для поставки информации в мозг, лишившийся нормально функционирующих глаз. Но как такое могло произойти?
Кора головного мозга выглядит примерно одинаково на всем протяжении своих холмов и долин. Но если применить нейровизуализацию или погрузить в желеобразную ткань мозга крохотные электроды, обнаруживается, что в разных областях коры таятся разные типы информации. Эти различия позволили нейробиологам классифицировать области мозга по их специализации. Так сказать, навесить на каждую свой ярлычок: эта область отведена под зрение, та — под слух, а вон тот участочек — под прикосновения к большому пальцу левой ноги. Но что, если эти области стали тем, чем стали, в силу лишь специфики входных сенсорных данных? Что, если «зрительная» кора только потому зрительная, что к ней поступает зрительная информация? Что, если специализация формируется особенностями входных информационных каналов, а не генетической заданностью кортикальных модулей? В рамках такой логики кора представляет собой универсальную машину обработки данных. Введите информацию, и кора не только ее обработает, но и вытащит из нее статистические закономерности16. Проще говоря, кора жаждет получать информацию, и в каком бы виде ни поступали данные, вычислительные кортикальные мощности применяют к ним одни и те же алгоритмы. В этом смысле ни одному участку коры изначально не предписано конкретное назначение, например служить зрительной корой, слуховой или какой-либо еще. Значит, независимо от того, желает ли организм воспринимать акустические волны или фотоны, от него требуется только одно: подключить к коре подающие входной сигнал пучки нервных волокон, а шестислойный вычислительный механизм коры запустит очень общий алгоритм и извлечет правильный тип информации. Специализацию участку коры назначает тип поступающих к ней данных.
Вот теперь понятно, почему неокортекс[22] на всем своем протяжении выглядит одинаково: неокортекс и есть везде одинаковый. Каждый клочок кортикальной территории обладает плюрипотентностью, это означает, что в нем заложены возможности дифференцироваться в разнообразные по назначению типы коры, а в какой конкретно тип он разовьется, зависит от того, что к нему подключено.
Следовательно, если в коре имеется отвечающий за слух участок, то это только потому, что определенное периферическое устройство (в данном случае уши) посылает входные сигналы по нервным путям, которые ведут именно в этот участок. Он функционально является слуховой зоной не в силу абстрактной необходимости, а лишь потому, что такую судьбу ему определили сигналы, поступающие по восходящим нервным путям от ушей. Представим, что в альтернативной вселенной к этому участку подключены нервные волокна, передающие зрительную информацию; тогда в наших учебниках эта зона коры будет обозначена как зрительная. Иными словами, кора выполняет стандартные операции с любой поступающей к ней информацией. По первому впечатлению, сенсорные поля в мозге заранее распределены, но на самом деле их определяют получаемые данные17.
В центральных штатах США рыбные рынки располагаются в городах, где процветает пескетарианство (отказ от употребления мяса теплокровных животных). Здесь на каждом углу встретишь суши-рестораны, где помимо прочего изобретают новые рецепты блюд из морепродуктов, — условно назовем эти города первичной рыбуальной корой.
Давайте поразмышляем, почему их география сложилась именно в такую конфигурацию, а не какую-либо иную? А потому, что здесь протекает много рек и в них много рыбы. Представим, что это не рыба, а биты информации, которые текут по информационным каналам (их роль в данном случае играют реки) в города, где само собой формируется распределение этих данных по функциональным полям — рыбным ресторанам. Заметьте, никакой законодательный орган не предписывал рыбным рынкам стянуться именно в эту часть страны, они сами собой гроздьями наросли здесь.
Из сказанного можно вывести гипотезу, что участок мозговой ткани (допустим, в слуховой коре) не представляет собой нечто особенное. Значит ли это, что можно отсечь у эмбриона кусочек слуховой коры и пересадить его в кору зрительную, где он будет функционировать, как полагается последней? Безусловно. Именно это продемонстрировали эксперименты на животных, проводившиеся в начале 1990-х годов: в кратчайшее время после операции пересаженная ткань уже выглядела и функционировала точно так же, как остальная зрительная кора18.
Затем ученые еще на шаг продвинулись в демонстрации возможностей коры. В 2000 году исследователи из Массачусетского технологического института перенаправили восходящие нервные пути от глаз хорька в
Рис. 4.10.