Атлетичный мозг. Как нейробиология совершает революцию в спорте и помогает вам добиться высоких результатов

Амит Кетвала

АТЛЕТИЧНЫЙ МОЗГ

Как нейробиология совершает революцию в спорте и помогает вам добиться высоких результатов

Моим родителям с благодарностью за дом, полный книг, и Саре, с которой мы построили свой

За каждым действием должна быть мысль.

Деннис Бергкамп

Amit Katwala

THE ATHLETIC BRAIN

How Neuroscience Is Revolutionising Sport and Can Help You Perform Better

© Amit Katwala, 2016

© Калинин К., перевод на русский язык, 2017

© Издание на русском языке. ООО «Издательская Группа „Азбука-Аттикус“», 2017 Азбука Бизнес®

Предисловие

Уэйн Руни лежит без сознания на полу в кухне. В марте 2015 г. в сети появились кадры, судя по которым знаменитый нападающий сборной Англии и клуба Manchester United получил нокаут от приятеля во время шуточного боксерского поединка в доме футболиста в графстве Чешир. К тому времени голова Руни уже много раз привлекала к себе внимание. Всякий раз, когда его профессиональные кондиции падают, начинаются разговоры о том, что с ней, мол, что-то опять не так. А когда футболист в июне 2011 г. признался, что сделал пересадку волос, у публики сразу появилось много вопросов.

При этом мало кто вспомнил о том, какую роль сыграла эта голова в том же году во время одного из важнейших матчей в карьере прославленного английского нападающего. 12 февраля Руни забил победный мяч в тяжелейшем противостоянии с Manchester City, обеспечив своему клубу девятнадцатый по счету титул в английской Премьер-лиге. На исходе второго тайма с правого фланга в направлении Руни последовала диагональная передача. Мяч летел чуть дальше того места, где нападающий ожидал его принять. Тогда Руни внезапно развернулся спиной к воротам и мгновенно принял решение — оторвался от земли и в дерзком прыжке через себя вколотил красивейший гол в верхний угол ворот.

В 2012 г. этот гол был признан лучшим за первые 20 лет существования Премьер-лиги, ему отдали предпочтение более четверти всех проголосовавших. Победа была одержана благодаря скорости мысли и мгновенному принятию нестандартного решения — и в этом заслуга не только физической формы спортсмена, но и того, как сработал его мозг. Отвечая на вопрос спортивного журнала ESPN о том, как он принимал то самое решение, приведшее к феноменальному голу, Руни сказал: «Когда в штрафную летит навес, у тебя в голове за долю секунды проносится множество вариантов, что можно сделать с мячом. Допустим, есть пять-шесть вариантов действий. Значит, за эту долю секунды ты успеваешь задать себе шесть разных вопросов. Возможно, будет время принять его на грудь и потом ударить, либо надо сразу бить головой. Если рядом защитник, тогда, естественно, надо бить сразу. Если он чуть дальше, можно успеть обработать. Окончательный выбор решения — за тобой. Ну а дальше уже дело техники»[1].[2]

Наша книга — о том, как принимаются решения.

Руни не самый скоростной и не самый высокий игрок; у него сравнительно небольшой рост, коренастая фигура, ему частенько пеняют на лишние килограммы. В 16 лет он бросил школу, не получив аттестата, однако это его нисколько не смущает, о чем говорит татуировка на руке — название альбома Just Enough Education to Perform[3] британской рок-группы The Stereophonics. При этом у него очень живой, быстрый, проницательный ум, который и дает ему преимущество перед физически более сильными игроками.

Тем не менее без образования Руни не остался: он получил его на газонах жилых кварталов Крокстета, под Ливерпулем, где родился и вырос. Там он гонял мяч, рискуя привлечь внимание полиции, потому что были специальные знаки, запрещавшие такие игры на общественных газонах. Еще он практиковался на заднем дворе дома своей бабушки, несмотря на ее опасения за сохранность штукатурки на стенах дома. Благодаря этим первым урокам мальчик со временем стал тем Уэйном Руни, которого мы знаем сейчас.

Спортсменов высочайшего уровня отличает не только сила мускулов, но также и удивительная степень специализации их мозга. Эти отличия порой трудно заметить, они не выделяются так, как, скажем, накачанные ноги велосипедиста-спринтера или мясистые уши регбиста, но стоит присмотреться, и они обязательно обнаружатся.

Наша книга — о том, как регулярная практика меняет мозг человека.

В книге Малкольма Гладуэлла «Гении и аутсайдеры» (Outliers: The Story of Success) говорится о «правиле 10 000 часов»: именно столько времени нужно планомерно практиковаться в чем-либо, в том числе и в спорте, чтобы профессионально этим овладеть. Яркие голы не забивают случайно. Это результат огромной работы, многолетних тренировок. Впервые Руни попал в поле зрения Manchester United, когда ему не было и девяти лет. Выступая в составе Everton, Уэйн забил в ворота MU шесть мячей, общий счет игры был 12: 2. «Один гол тогда особенно запомнился, — вспоминал тогдашний тренер соперников Пол Макгиннесс. — Это был классический удар через себя в падении, идеальные „ножницы“, которые в исполнении мальчика восьми-девяти лет выглядели просто невероятно».[4]

Руни дополняет физические тренировки умственными. Перед каждым матчем он зрительно представляет себе, как будет успешно действовать в игре против соперника. «Перед тем как заснуть накануне игры, я представляю, как буду забивать голы или действовать эффективно, — рассказывает он. — Ты как бы переносишься в тот момент и готовишься к действию, чтобы в реальной игре у тебя уже было „воспоминание“ о ней. Не знаю, это можно назвать визуализацией или воображением, но я всегда так делал, всю жизнь».

В этом он не одинок. Современная психология и нейробиология постепенно разгадывают тайны, скрытые в мозге спортсмена, и используют эти знания для совершенствования тренировочных методик, чтобы спортсмены-любители лучше развивали нужные им навыки, а профессионалы достигали новых вершин.

Эта книга — о том, как можно обойти правило 10 000 часов.

Здесь объясняется, почему у спортсменов внезапно случаются досадные провалы и как их можно избежать, говорится о том, как разглядеть в ребенке будущего талантливого спортсмена и как принимать правильные решения в условиях жесткого прессинга, о преодолении границ выносливости на тяжелом пути к цели и об опасностях жестких столкновений в спорте. А также о том, что отличает выдающихся спортсменов от обычных людей и о способе сократить этот разрыв.

Речь пойдет о том, как высвободить безграничный потенциал человеческого мозга, и о том, что спорт уже никогда не будет прежним.

Но начинается книга со знакомства с забавным роботом на коварном газоне.

Часть I

Спортсмен и его мозг

Глава 1

Искусство прогноза. Криштиану Роналду

Северо-восточное побережье Бразилии, лето 2014 г. Над спортивной ареной стоит удушающий зной. Сегодня здесь разворачивается жаркая баталия. Нападающий сборной Англии, звезда футбола, бежит по левому флангу, делает поворот, открываясь для удара… но лишь бездарно проезжает по мячу подошвой.[5] Хуже того, закрученный мяч под крики раздосадованных болельщиков катится назад по неровному газону, удаляясь от ворот. Не поддавшись разочарованию, неутомимый форвард разворачивается, в его программе уже построен новый маршрут преследования мяча. Он вновь начинает разбег, жужжа электроприводами, но времени больше нет. Звучит финальный свисток, означающий, что надеждам Англии сегодня не суждено оправдаться.

Так проходил чемпионат мира по футболу, но это был необычный чемпионат.

Этот английский нападающий мало чем похож на привычного нам футболиста международного уровня, притом что он налетал по всему миру не меньше, принимая участие в соревнованиях. Его зовут Мусташио. Он не слишком силен в игре на втором этаже, не идеален в обработке мяча, а по полю он бегает в маленькой шляпе-цилиндре и с моноклем. Его рост 40 сантиметров, а сам он робот-андроид, игрок команды Плимутского университета на чемпионате мира по футболу среди роботов.

Тем не менее у Мусташио все же есть некоторые черты сходства с такими футболистами, как Уэйн Руни, и их больше, чем кажется на первый взгляд. Компьютерный мозг робота решает те же задачи, что и мозг Руни во время матча. В его программе заложены аналогичные стратегии, начиная с определения текущего положения мяча и прогноза о том, где он будет находиться в следующий момент.

Мусташио и его напарники Пиксель, Гиэрс, Эмпс и Флакс экипированы одинаковыми веб-камерами, с их помощью роботы получают необходимую им визуальную информацию. Затем они могут, подобно людям, использовать эту информацию для расчета траектории и направления движения мяча, а также для принятия решений в зависимости от характера его движения. При всем обилии высоких технологий игра идет мучительно медленно. Главная причина низкого темпа — в неуклюжести игроков; это, по словам одного из создателей Мусташио Фила Калверхауса, основной камень преткновения. Он с неподдельной радостью сообщает о том, что ни один из плимутских футболистов не упал за время чемпионата.

В спорте мозг решает куда более сложные задачи, чем это обычно представляется. Даже самое элементарное движение требует точного расчета скорости и траектории перемещения различных объектов, в том числе и положения в пространстве самого спортсмена. «Чтобы взять шахматную фигуру и переместить ее на другое поле, требуется больше вычислительной мощности, чем чтобы решить, какой сделать ход, — утверждает профессор Лондонского университета Винсент Уолш, один из крупнейших мировых специалистов в области когнитивной нейробиологии. — Мне кажется, что в плане использования мозговых ресурсов, связанных с обработкой информации, спорт сильно недооценен. А ведь это фактически особая форма мышления».

Именно поэтому роботы пока так далеко позади нас. Наш мозг гораздо сложнее и функционирует гораздо быстрее. «Человек как система невероятно сложно устроен, — рассуждает доктор Калверхаус из Плимутского центра робототехники и нейробиологии. — Преимущество человека в том, что в его мозгу одновременно обрабатывается просто невероятное количество информации. Поэтому нам доступны куда более сложные вещи, чем все то, на что способны роботы».

Человеческий мозг действительно уникален. В пропорции к размерам всего тела он примерно в два раза крупнее по сравнению с мозгом любого другого существа на Земле и к тому же имеет громадные возможности. По данным одного исследования, чтобы проделать такой же объем операций в секунду, который выполняет всего один человеческий мозг, потребуется задействовать мощность всех имеющихся компьютеров.[6]

Одна из причин уникальности нашего мозга состоит в размере его коры — нервной ткани, покрывающей полушария головного мозга, с большим количеством борозд и извилин. Именно кора отвечает за то, чем мы отличаемся от большинства других животных: способность к рассуждению, планированию и общению. В коре каждого из полушарий выделяют четыре доли: лобную, теменную, височную и затылочную.

Нервная ткань состоит из клеток — нейронов. В человеческом мозге насчитывается порядка 100 миллиардов нейронов. Каждый представляет собой тонкую вытянутую структуру с большим количеством отростков. Эти клетки проводят электрические и химические сигналы, которые в конечном счете определяют индивидуальные черты нашего сознания. Нейронная сеть — это своего рода жесткий диск плюс интернет-соединение: внутри нее хранится и передается информация и различные команды.

Единственная функция нейрона как отдельной клетки заключается в передаче электрического импульса, короткого сигнала, похожего на вспышку света. Однако главное здесь — в количестве связей с другими нейронами, которые возбуждаются от этого импульса. От того, как именно будут задействованы миллиарды таких связей, зависит характер мысли или действия в ответ на раздражения, поступающие из других частей тела.

Работу нейронов можно сравнить с игрой оркестра: мелодию всего произведения можно услышать, только когда музыканты играют вместе. Если использовать спортивную аналогию, представим себе болельщиков на стадионе, у каждого из которых в руках небольшой фрагмент картинки. Отдельно взятый болельщик может либо поднять свой фрагмент в определенное время, либо нет. Однако когда несколько тысяч болельщиков разом поднимают свои кусочки изображения, в их секторе появляется целая картина или слоган.

Нечто подобное происходит и в мозге человека. Когда мы думаем о каком-либо предмете, испытываем какую-либо эмоцию или выполняем какое-либо действие, сигналы идут по определенному участку сети нейронов. Уже проводятся первые эксперименты по считыванию сигналов непосредственно из мозга. Ученым удалось получить изображение лиц людей, о которых в данный момент думали испытуемые, исключительно на основе анализа их мозговой активности.

Итак, наши мысли, чувства и действия, а также процессы обработки информации, которые Фил Калверхаус стремится воспроизвести в своих роботах, возникают благодаря определенным комбинациям нервных импульсов, в проведении которых могут быть задействованы миллионы нейронов. Глава 1 нашей книги посвящена тому, как мозг спортсмена мирового уровня научился использовать эти процессы и как благодаря этому ему удается делать то, что на первый взгляд кажется невозможным.

Удар — и мимо

При выполнении подачи в крикете игрок, подающий мяч (боулер), может метнуть его со скоростью около 160 км/ч. В этом случае мяч долетает до игрока, отражающего его битой (бэтсмена), менее чем за полсекунды. Учитывая, что регистрация полета мяча занимает в мозгу бэтсмена около 200 миллисекунд, а на отражающее движение битой он затрачивает примерно 700 миллисекунд, непонятно, как ему в принципе удается попасть по мячу. Профессиональные бейсболисты и крикетисты регулярно справляются с такими подачами, при которых новичок либо будет вхолостую махать битой, либо получит синяки.

Ключом к этой загадке является механизм прогнозирования. Если робот может вычислить текущее положение мяча и рассчитать его предшествующее положение, то профессиональный спортсмен способен по ряду косвенных признаков определить вероятную траекторию дальнейшего движения мяча. Секрет мгновенной реакции кроется в умении считывать такую информацию, которую другие просто не замечают. Для научного обоснования этой гипотезы профессор Квинслендского университета (Австралия) Брюс Абернети с коллегами провел серию экспериментов с частичным перекрытием обзора, во время которых бэтсмену, готовящемуся отразить подачу, всячески ограничивали возможность видеть мяч.[7]

На самом деле все было вполне безопасно.

Бэтсмен был в специальных очках, затемняющихся по команде компьютера экспериментатора или от специальной педали во время подготовки боулера к броску. В одном из экспериментов участвовали по шесть профессиональных и начинающих бэтсменов, а также трое боулеров, выполнявших крученые подачи. Очки на бэтсменах затемнялись либо непосредственно перед тем, как боулер отправлял мяч в полет, либо перед отскоком от земли, либо оставлялись незатемненными. В итоге более опытные игроки гораздо лучше справились с отражением мяча, не имея возможности проследить весь его полет. Им помогла информация о положении тела боулера и движениях его руки. Другим экспериментом было доказано, что профессиональный игрок в крикет начинает менять положение ног вперед или назад еще до того, как мяч оказывается в воздухе, в то время как менее опытный крикетист будет ждать, пока траектория полета мяча не станет более очевидной. В более поздних экспериментах ученые еще радикальнее уменьшали количество визуальной информации, доступной бэтсмену. Выяснилось, что опытный игрок может точно спрогнозировать траекторию мяча по характеру движения суставов боулера при выполнении подачи и даже по движению одной лишь его руки.

Аналогичные результаты были получены и для других видов спорта. Так, Абернети показывал игрокам в сквош видеозапись действий соперника, затем прерывал ее за мгновение до того, как тот собирался нанести удар по мячу, и спрашивал, куда и с какой силой полетит мяч.[8] В результате было доказано, что опытный игрок может извлечь из картинки больше информации, чем новичок. Когда появились соответствующие технические возможности, похожие эксперименты были проведены с участием теннисистов и футболистов, и ученые вновь пришли к тем же выводам. «Теперь все гораздо проще», — говорит Абернети в беседе со мной по скайпу из Брисбена. В конце 1970-х, когда он ставил свои первые эксперименты подобного рода, в его распоряжении не было компьютерных программ редактирования изображений. «Чтобы получить нужные кадры, приходилось переводить кучу пленки, — продолжает он. — А как мы боялись, что мяч угодит в камеру, ведь она стоила огромных денег! Причем отснять материал было еще даже не полдела. Сначала приходилось ждать одну, а то и две недели, пока пленку проявят. Потом вручную обрабатывать отдельные кадры: копировать, склеивать. У меня часть жизни ушла на то, чтобы под микроскопом аккуратно закрывать разные участки кадра кусочками черной пластмассы». С тех пор технологии шагнули далеко вперед: от пленки к цифре, затем к виртуальному изображению мяча, летящего прямо на человека, и далее к кинематической модели, на которой видны только светящиеся точки, показывающие расположение суставов. При этом ученые раз за разом приходят к одному и тому же заключению: мозг профессионала способен вычленить из потока предварительной информации мельчайшие детали, которых ему будет достаточно для того, чтобы принять решение и осуществить нужное действие.

Береги лицо!

Глядя на рекордное количество голов, забитых Криштиану Роналду за мадридский Real, можно прийти к бесспорному заключению: этот человек способен забивать с закрытыми глазами.[9] Мы находимся в Мадриде. Вот помещение, специально оборудованное для проведения одного любопытного опыта. Сейчас трехкратный обладатель «Золотого мяча» продемонстрирует на камеру свое искусство прогноза. Но первым на «поле» выходит Рональд, футболист-любитель и ровесник Роналду, не имеющий, однако, такого же развитого навыка вероятностного прогнозирования, равно как и обыкновения столь же строго следить за своим внешним видом.

Рональд стоит прямо напротив настоящих футбольных ворот, ожидая подачи навеса от бывшего игрока Southend United, ныне ведущего популярной в Британии утренней передачи о футболе Энди Ансы. В тот момент, когда мяч уже на подлете, все источники света в студии внезапно выключаются. Камера, способная снимать в темноте, фиксирует растерянность Рональда в его неудачной попытке попасть по мячу.

У Роналду получается лучше. В полной темноте он сначала посылает в сетку один мяч точным ударом головой в падении, а затем второй — красивым ударом с полулета. «Это непросто, — признается футболист. — Нужно постараться запомнить полет мяча». Его мозг справляется с этой задачей невероятно быстро: 200 миллисекунд на то, чтобы глаза восприняли необходимую ему информацию, плюс каких-то 500 миллисекунд на то, чтобы мозг рассчитал скорость и траекторию подачи и отдал команду телу выполнить соответствующие действия.

Под занавес ученые придумали для прогностических способностей Роналду по-настоящему суровое испытание. Теперь свет гаснет еще раньше — в момент подачи мяча. Все, на что футболист может опереться, — это лишь положение тела Ансы во время выполнения удара. Невероятно, но удар в исполнении Криштиану оказывается еще зрелищнее, чем предыдущие. Навес летит на уровне головы, однако Роналду решает принять его на грудь и резким движением плечевого пояса переправляет мяч в нижний угол ворот. «Отличный гол! — констатирует он, не скрывая радости, в интервью по окончании эксперимента. — Я представил себе мяч в полете и боялся, что мне придется бить по нему лицом, поэтому решил действовать грудью и отчасти плечом и в результате забил».

Спортсмены высокого класса точно знают, куда именно нужно смотреть, чтобы получить необходимую им информацию. Возьмем пример бывшего полузащитника Barcelona Хави, одного из самых титулованных футболистов последних лет, чей талант, впрочем, еще не в полной мере оценен. Он знаменит не только феноменальным процентом точных передач, но и тем, как он вел себя на поле, ища партнера, которому можно отдать пас. Он совершал резкие движения головой туда-сюда, как ящерица. «У одних потолок скорости реакции не выше восьмидесяти, у других доходит до двухсот, — рассказывал он. — Я стремлюсь приблизиться к двумстам. Когда меня атакует соперник, в 99 % случаев это человек физически более крепкий, чем я. Так что мне приходится думать быстрее его».[10]

Это качество свойственно самым эффективным пасующим игрокам.[11] К такому выводу пришел профессор Норвежского института спорта Гейр Йордет, который проанализировал съемки матчей английской Премьер-лиги с помощью специального режима, используемого британским спортивным каналом Sky Sports. Данный режим применяется в системе интерактивного телевидения и позволяет следить за перемещениями отдельных игроков во время матча. Ученый анализировал движения головы футболистов, когда им нужна была зрительная информация. Йордет получил статистику по 118 спортсменам, сыгравшим в 64 матчах, и подсчитал, сколько раз они переводили взгляд с мяча на поле для того, чтобы увидеть расположение и перемещения других игроков. Первое место по количеству обзоров площадки занял дуэт ведущих полузащитников того времени, Фрэнка Лэмпарда и Стивена Джеррарда, с результатом 0,62 зрительного поиска в секунду, или 37 в минуту. Йордет также установил корреляцию между количеством обзоров и точностью передач. В интервью лондонской The Guardian Хави однажды сказал: «Я все время ищу свободное пространство. Постоянно. Всю игру. Сюда? — Нет. Туда? — Тоже нет. Те, кто не играл, не всегда понимают, как это сложно. Думаю только о свободном пространстве. Защитник здесь — пасую сюда. Вижу пространство и отдаю мяч».[12]

Когда мы собираемся обнаружить какие-либо объекты в поле зрения, наши действия подчинены определенной логике. Исследования показывают, что направление движения глаз зависит от наличия контекстуальных сигналов. Например, глядя на море, мы ищем серферов, а если смотрим на дорогу, то замечаем не асфальт, а машины. У спортсменов все точно так же: они усваивают специальные стратегии зрительного поиска в зависимости от того или иного вида спорта.

В научном журнале Nature были опубликованы результаты исследования, в котором участвовали три бэтсмена-крикетиста. Они отбивали мячи, выстреливаемые специальной пушкой, при этом движения глаз игроков фиксировались с помощью видеокамеры, закрепленной на голове каждого из спортсменов.[13] Все трое действовали одинаково: вначале они смотрели на точку подачи, откуда должен был вылететь мяч. Затем они практически сразу переводили взгляд туда, где должен был произойти отскок. После отскока мяча они следили за его движением примерно 200 миллисекунд, которых мозгу хватало, чтобы определить, куда в итоге прилетит мяч.

Бэтсмен, показавший наилучший результат, опережал движение мяча более значительно. У него уходило гораздо меньше времени на то, чтобы спрогнозировать место отскока, чем у наименее успешного игрока, который дольше следил за мячом после вылета из пушки. Этому игроку не удавалось справиться с более быстрыми подачами, потому что, пока он думал, куда полетит мяч, тот уже успевал отскочить от земли.

Для серии экспериментов с участием Криштиану Роналду и Энди Ансы был поставлен еще один опыт. Футболистам на голову надели небольшую конструкцию, состоящую из видеокамеры и двух зеркал, чтобы регистрировать движения их глаз. Затем Ронадлу дали мяч и попросили контролировать его, не позволяя Ансе его отобрать. Пока нападающий Real в течение пяти секунд удерживал мяч, используя резкие обманные движения, финты и приемы, инфракрасная камера фиксировала малейшие движения его глаз. Далее эту запись при помощи специальной программы совместили с видеопотоком с фронтальной камеры и получили точную картину того, куда был направлен взгляд спортсмена в каждый конкретный момент. Результаты поразили ученых.

За восемь секунд Криштиану совершил 13 обманных движений, и, притом что он часто переводил взгляд на мяч, его глаза постоянно контролировали ситуацию, глядя то на соперника, то на окружавшее его пространство, чтобы спланировать дальнейшие действия. Взгляд Роналду перемещался резко, четко и выверенно, в то время как глаза Ансы бегали, по его собственному признанию, «как шарик в ейнтболе». Криштиану предугадывал дальнейшие движения соперника, следя за его ступнями и бедрами.

«Роналду настоящий специалист по части футбола, — делится впечатлениями от эксперимента спортивный психолог и руководитель эксперимента Зои Уилмхерст. — Если сравнивать с процессом изучения языка, сначала идет наработка базовых выражений, потом усвоение основных грамматических правил (в данном случае навыков владения мячом) и затем использование их на практике, то есть в игре. Со временем, когда накоплен определенный практический опыт, о правилах уже не вспоминаешь».

Зеркальный лабиринт

Мозгу теннисиста, готовящегося принять первую подачу соперника, за полсекунды необходимо успеть совершить три действия. Во-первых, он должен почувствовать приближение объекта, летящего с угрожающе высокой скоростью. Во-вторых, ему необходимо опознать этот объект и определить наиболее вероятную траекторию его движения. И в-третьих, выбрать оптимальный алгоритм ответных действий, для чего попутно нужно преодолеть инстинктивное стремление уклониться от опасного объекта и запустить идеально согласованный процесс реагирования с целью переправить указанный объект через сетку таким образом, чтобы выиграть розыгрыш.

За последние 25 лет мы значительно продвинулись в понимании того, как происходит научение мозга спортсмена подобным навыкам. Это стало возможным благодаря технологии фМРТ (функциональной магнитно-резонансной томографии). Обычная МРТ позволяет оценить состояние суставов и органов или увидеть внутреннюю структуру мозга за счет использования мощного магнитного поля. Функциональная МРТ дает возможность измерить приток крови к отдельным участкам головного мозга практически в реальном времени.

Когда у человека активна та или иная область мозга, находящиеся в ней нейроны усиленно расходуют глюкозу и кислород, что заставляет организм увеличивать приток богатой кислородом крови в эту область. Такая кровь, только что прошедшая через легкие, отличается по своим магнитным свойствам от бедной кислородом, и это отличие как раз и видно на аппарате фМРТ. То есть, если поместить человека в аппарат и дать ему задание, предполагающее некую мыслительную деятельность, можно увидеть участки мозга, которые активируются во время выполнения задания.

Это нельзя назвать прямым наблюдением нейронной активности, поскольку усиление кровотока происходит лишь через пару секунд после собственно возбуждения нервных клеток. Кроме того, изображения, получаемые на аппарате фМРТ, пока недостаточно четкие, чтобы можно было различить объекты в масштабе размера нейронов. Однако на сегодняшний день это наиболее совершенная технология, позволяющая получить наглядное представление о локализации и ходе различных процессов внутри головного мозга.

К технологии фМРТ обратился Брюс Абернети, который в сотрудничестве с коллегами из Университета Брунеля в Лондоне изучал функционирование мозга на примере профессиональных бадминтонистов. Чтобы понять, какие участки отвечают за вероятностное прогнозирование, ученые провели сканирование мозга спортсменов, которым в этот момент демонстрировали короткие видео, снятые во время выполнения различных ударов. Непосредственно перед касанием ракеткой волана видео обрывались, и испытуемым предлагалось определить, в какую часть корта упадет волан. Эксперимент показал, что у опытных игроков наблюдается повышенная мозговая активность в тех участках мозга, которые ответственны за наблюдение и понимание действий других людей.

Согласно одной из возможных интерпретаций полученных результатов, такая активность означает, что мозг достраивает картинку и создает своеобразную «внутреннюю модель», предположение о дальнейшем развитии событий на основании действий соперника. Более опытные спортсмены строят более точные предположения, и эта разница в классе игроков видна не только на площадке, но и на мониторе томографа.

Спустя несколько лет исследователи в том же составе провели аналогичный эксперимент уже с участием футболистов, которым показывали видео с бегущим на них соперником с мячом. Запись останавливали перед тем, как соперник выполнял финт, а испытуемые должны были определить, в какую сторону он двинется. Чем дальше до начала финта останавливали видео, тем больше была разница в степени нейронной активности между полупрофессиональными спортсменами и новичками.

Среди нервных клеток головного мозга существуют так называемые зеркальные нейроны, которые задействованы в подобном способе научения. Их открыли случайно в начале 1990-х.[14] Группа итальянских ученых, занимавшихся исследованием головного мозга приматов, обнаружила, что когда макака берет рукой что-то съедобное и когда она видит человека, делающего то же самое, у нее возбуждается одна и та же совокупность нейронов. Позже наличие зеркальных нейронов было подтверждено у человека: выяснилось, что наш мозг демонстрирует одинаковый характер активности как при выполнении определенных действий, так и при наблюдении за выполнением тех же действий другим в режиме видеоигры.

Этим свойством обладают около 20 % нейронов двигательной области коры головного мозга, вместе они и образуют группу зеркальных нейронов. «Все это можно сравнить с моделированием действий другого человека в виртуальной реальности, — рассказывает известный нейробиолог Вилейанур Рамачандран, одним из первых проявивший интерес к изучению зеркальных нейронов после их случайного открытия. — Нейрон как бы принимает чужую точку зрения».[15]

В другом исследовании — на этот раз в Риме — в центре внимания были баскетболисты.[16] Здесь ученые применяли технологию транскраниальной магнитной стимуляции, при которой над различными участками черепа испытуемых проводили магнитную катушку с током. Технология позволяет регистрировать уровень электрической активности в мозге и даже воздействовать на эту активность. В эксперименте участвовали как профессиональные игроки и тренеры, так и спортивные журналисты. Им демонстрировали видеозаписи выполнения свободных бросков. Видео останавливали в самом начале броска и просили испытуемых сказать, попадет мяч в кольцо или нет.

Лучше всех с заданием справились спортсмены, причем зачастую они давали правильный прогноз еще до того, как баскетболист на видео выпускал мяч из рук. У них также наблюдалась характерная активность двигательной области коры. Как мы знаем, эта область контролирует движения тела, но в данном случае она также возбуждалась во время просмотра игроками записей бросков, а наивысшую степень активности она проявляла, когда показывали неудачные броски.

Благодаря зеркальным нейронам мозг профессиональных крикетистов, бейсболистов, футболистов продолжает обучаться, глядя на соперника. Кроме того, профессионалы знают, куда именно нужно смотреть, чтобы получить зрительные подсказки, которые позволяют им с максимальной точностью и скоростью спрогнозировать дальнейшее развитие ситуации и проявить чудеса реакции.

Орлиное зрение

Ко всем спортсменам умение делать прогнозы приходит путем тренировок и накопления опыта, однако у некоторых из них есть изначальные преимущества. Все роботы-футболисты из Плимута были оборудованы одинаковыми видеокамерами; человеческий глаз не камера, глаза не могут быть одинаковыми у всех. В спорте это важно, особенно когда речь идет о прогнозировании полета мяча.

Мы видим предметы благодаря тому, что свет, отраженный от них, попадает на сетчатку — внутреннюю оболочку глазного яблока, имеющую в своем составе слой клеток, именуемых палочками и колбочками. Эти клетки входят в состав зрительного анализатора. Реагируя на свет, они преобразуют его в электрические импульсы, которые по зрительному нерву попадают в мозг. Если сравнивать глаз человека с цифровой камерой, можно сказать, что четкость снимка, сделанного на камеру, зависит от числа пикселей светочувствительной матрицы, в то время как острота зрения точно так же может зависеть от плотности слоя палочек и колбочек сетчатки.

В 1996 г. Дэвид Киршен и Даниэл Лэйби с коллегами проверили остроту зрения у 387 профессиональных бейсболистов, иными словами (продолжая аналогию с цифровой камерой), посчитали число пикселей на светочувствительной матрице человеческого глаза.[17] По сравнению с обычными людьми, спортсмены показали впечатляющие результаты: оценку «превосходно» получили 58 % бейсболистов и лишь 18 % испытуемых из контрольной группы, не занимавшихся спортом.

В среднем у игроков Высшей бейсбольной лиги США (не считая питчеров, выполняющих подачи) была зафиксирована острота зрения 6/3,35[18] на правом глазу и 6/3,6[19] на левом. Эта запись означает, что если бы спортсмен смотрел на предмет с расстояния шести метров, то человеку с нормальным зрением (6/6, или 1,0), чтобы разглядеть предмет с той же четкостью, пришлось бы приблизиться к нему соответственно на 3,35 или на 3,6 метра.

Итак, острота зрения в значительной мере зависит от числа палочек и колбочек в структуре сетчатки глаза, их плотность может варьировать от 100 000 до 324 000 на квадратный миллиметр. Считается, что этот показатель у каждого человека заложен генетически, то есть успех многих именитых спортсменов отчасти обусловлен хорошим зрением, данным от природы. В результате исследования с участием 157 спортсменов-олимпийцев, представлявших различные виды спорта, было установлено, что у представителей таких видов, как стрельба из лука и софтбол, зрение лучше, чем у легкоатлетов и боксеров.[20] Спортсменам без очков и линз, чтобы достичь вершин в спорте, где залогом успеха является отменное зрение, приходится прилагать дополнительные усилия.

Лучшим игрокам в бейсболе благодаря прекрасному зрению гораздо легче получать информацию о траектории движения объектов на площадке. Бейсбольный мяч имеет характерной формы шов, прошитый красной ниткой, что помогает отбивающему (бэттеру) определить направление закрутки подачи, а также предсказать траекторию дальнейшего движения мяча. Острое зрение позволяет бэттеру считывать эту важнейшую информацию на ранних стадиях полета мяча, что дает ему больше времени на принятие решения и успешное отражение подачи. Такая описательная парадигма получила название «аппаратное и программное обеспечение»: острое зрение («аппаратная часть») облегчает процесс идентификации важных деталей, а мозг («программная часть») получает больше данных для прогнозирования последующего полета мяча.[21]

Это не значит, что люди с плохим зрением не могут достичь успеха в спорте; просто им необходимо несколько иначе подходить к развитию соответствующих навыков, то есть к апгрейду «программной части». Так, известный крикетист Дон Брэдмен, признанный одним из выдающихся бэтсменов и в целом представителей этого вида спорта, имел зрение хуже среднего, из-за чего его не взяли в армию во время Второй мировой войны. Успех в спорте ему обеспечила игра, в которую он играл сам с собой в детстве, не подозревая, что тем самым он развивал зрительно-моторную координацию. Будущий знаменитый крикетист часами стучал мячом для гольфа по резервуару с водой на заднем дворе дома, отбивая мяч столбиком крикетной калитки. Позднее Брэдмен вспоминал: «Тогда для меня это было просто игрой. Но сейчас я понимаю, что, пожалуй, это было идеальным упражнением на отработку точности удара и прекрасной тренировкой для глаз. Мячик для гольфа отскакивал очень быстро, и я едва успевал изготовиться для того, чтобы отбить его». Брэдмену удалось компенсировать недостаток зрения за счет развития зрительно-моторной координации: он реагировал на бросок гораздо позже, чем другие игроки, но при этом у него получался идеальный прием подачи.

Вместе с тем людям, от природы имеющим острое и хорошее пространственное зрение, как правило, легче дается «апгрейд ПО».

У плимутских роботов разница между аппаратной частью и программным обеспечением состоит именно в этом. Процесс обработки визуальной информации у них является, по выражению Калверхауса, многопоточным. Данные анализируются параллельно по разным аспектам, что ускоряет получение результата. «По одному потоку данные с камеры поступают в буфер, по другим происходит их обработка, — объясняет он. — Есть поток данных о локализации мяча и линий на поле, есть — о местонахождении различных препятствий или других роботов». Человеческий мозг выполняет схожие операции, только по нему трудно определить, где именно заканчивается «аппаратная часть» и начинается «программная».

Единство противоположностей

Угарный газ не имеет ни цвета, ни запаха и опасен для человека. Он связывает кислород крови, нарушая снабжение мозга, в результате нейроны, лишенные кислорода, погибают. В начале 1990-х гг. женщина в возрасте 35 лет, известная только по инициалам Д. Ф., пережила отравление угарным газом, вследствие чего у нее в затылочной доле обоих полушарий головного мозга образовались два одинаковых пораженных участка. История болезни Д. Ф. получила известность среди нейробиологов, поскольку дала возможность ученым выяснить, что процесс обработки визуальной информации у человека тоже разделен на несколько потоков для повышения эффективности, как и у роботов-футболистов.

На первом этапе обработки визуальной информации клетки сетчатки преобразуют свет в нервные импульсы. Формирование визуальной картины окружающего мира происходит в мозгу постепенно. Процесс начинается с нейронов, сосредоточенных в затылочной доле; они отвечают за базовые зрительные образы. По мере достраивания картинки к ним добавляются более сложные признаки.

К примеру, отдельные группы нейронов зрительной коры возбуждаются, когда мы читаем определенные слова. Эти нейроны принимают импульсы от других нейронов, реагирующих на отдельные буквы. В свою очередь нейрон, реагирующий на появление буквы «Н», испускает импульс, получив сигнал от групп нейронов — детекторов признаков, таких как линии и границы. На нижнем уровне визуального анализа находятся нейроны, которые возбуждаются в ответ на простое наличие участков света и тени. При взгляде на черную линию на белом фоне — например, горизонтальную черточку у буквы «Н» — среагирует цепочка таких нейронов нижнего уровня, однако импульсы, исходящие от них, запустят волну последующих импульсов на пути от попадания света на сетчатку до формирования отвлеченных понятий и мыслей.

Обработка зрительной информации на всех уровнях осуществляется по топографическому принципу, когда смежные области пространства, находящегося в поле зрения, активизируют смежные области зрительной коры. Мозг в этом плане можно уподобить интерактивной карте местности. Начиная с элементарных форм и далее вплоть до сложных стимулов, таких как лица и различные предметы, мозг шаг за шагом выстраивает картину окружающего пространства.

Обследование мозга пациентки Д. Ф. выявило, что обработка зрительной информации на высших уровнях идет по двум направлениям: одно отвечает за восприятие, другое — за действия. Эти направления или потоки представлены кластерами специализированных и тесно связанных друг с другом участков мозга. В них поступает информация от первичных детекторов признаков.

Вентральный (нижний) поток ответствен за распознавание предметов, их формы и цвета. Он прочно связан с областью мозга, отвечающей за память. Где-то ближе к началу вентрального потока находятся так называемые «бабушкины клетки», которые возбуждаются только при виде знакомого лица.

Дорсальный (верхний) поток — это домен действий, он специализируется на информации о положении объектов в пространстве и их движении. Его нейроны реагируют на движение по прямой и по окружности. Другие нейроны этого потока возбуждаются различным образом в ответ на то или иное положение глаз, что помогает мозгу понять, как меняется местоположение тела относительно каких-либо предметов.

Нейроны дорсального направления также регистрируют оптический поток, то есть процесс изменения образа предмета по мере его движения. Допустим, если мы видим, что определенный предмет непрерывно увеличивается в размерах, мы понимаем, что он, вероятно, движется прямо на нас, и, скорее всего, в этом случае лучше будет уклониться от него. Разумеется, если мы в данный момент не играем в крикет, потому что тогда мы должны будем либо поймать этот предмет, либо отбить.

Отравление угарным газом привело к необратимому нарушению в функционировании вентрального потока обоих полушарий у пациентки Д. Ф., в результате чего она потеряла способность узнавать предметы. В то же время она могла совершать действия с этими предметами, что было подтверждено в ходе эксперимента с «отправкой письма».

Пациентка легко справилась с просовыванием кусочка картона в косую прорезь, но не смогла выполнить задание, когда ее попросили просто повернуть картонку под тем же углом, под которым была скошена прорезь. Это объяснялось тем, что у Д. Ф. пострадал вентральный поток, ведающий восприятием, в то время как дорсальный поток, связанный с действиями, остался нормальным.

У спортсменов оба потока функционируют совместно.[22] Рассмотрим их взаимодействие на примере тенниса. Вентральный поток собирает информацию для формирования контекста игровой ситуации и поиска оптимального решения до начала розыгрыша. Дорсальный контролирует выполнение удара, в частности силу и сам момент его нанесения. Во время начальной стадии подачи соперника у игрока, готовящегося принять мяч, предположительно задействован в основном вентральный поток, который управляет положением тела и углом наклона ракетки, а также извлекает из памяти известную ему информацию о сопернике. Все это призвано помочь мозгу игрока решить, как именно лучше принять подачу: например, сыграть кроссом или обводящим ударом по линии. Как только соперник выполнил подачу, мгновенно подключается дорсальный поток, контролирующий движения, направленные на успешный прием.

Судя по всему, у новичков либо у людей в непривычных ситуациях основным оказывается вентральный поток. В одном эксперименте группе опытных гольфистов предложили выполнить патт, то есть легким ударом загнать мяч в лунку, сделав при этом замах с неудобной стороны.[23] Рядом с мячом поместили стрелку, указывающую в направлении лунки, но не совсем точно. При выполнении удара с неудобной стороны игроки больше ориентировались на стрелку — соответственно, был активен вентральный поток, которому для определения оптимального варианта действий требовалась опора в виде ситуативной информации. Когда же игрокам разрешили сделать тот же удар со своей обычной, удобной стороны, такого эффекта не наблюдалось. Это значит, что при осуществлении отработанных действий, доведенных до автоматизма, управление берет на себя дорсальный поток.