Ландшафты мозга. Об удивительных искаженных картах нашего мозга и о том, как они ведут нас по жизни

В отличие от устройств, тщательно разработанных инженерами, структура мозга и его функции формировались на протяжении многих поколений за счет естественного отбора. Никто сознательно не подбирал критерии для построения мозга; на протяжении многих поколений генетические мутации, воспроизведение и смерть совместными усилиями оптимизировали структуру мозга живых существ методом проб и ошибок. И все же проще понять компромиссы в эволюции мозга, если рассматривать этот процесс как инженерную задачу. Что нужно, чтобы сконструировать мозг? Ответ зависит от того, что этот мозг должен уметь делать.

Когда люди рассуждают о способностях мозга (о способности обрабатывать информацию и поддерживать разумное поведение), они обычно делают это в терминах плохо и хорошо. В целом считается, что любого человека и любое существо можно расположить на определенной ступени интеллектуальной лестницы, так что простенькие оказываются у земли, а превосходные – в поднебесье. Однако более детальное и менее предвзятое исследование способностей животных показывает, насколько ошибочна такая позиция.

Рассмотрим в качестве примера пустынного муравья, который постоянно перемещается по суровой Сахаре в поисках чего-нибудь съедобного. По отношению к собственному размеру эти муравьи за день проделывают путь, который для нас составлял бы несколько километров, а затем находят дорогу домой по совершенно безликой пустыне точно в то место, где живет их колония. Другой пример – киты-убийцы, которые держатся группами (стадами) и общаются на диалекте, уникальном для каждого конкретного стада[6]. Когда стадо рассеивается и члены группы оказываются в нескольких километрах друг от друга, они должны “настроиться” на сигналы других китов, общающихся на этом диалекте, и игнорировать сообщения всех остальных. Это позволяет им отслеживать месторасположение собратьев и вновь объединяться. А птица, называемая щелкунчиком Кларка, каждую осень собирает сосновые семена и закапывает их в небольших норках[7]. Птица запоминает более трех тысяч таких тайников и проверяет их за зиму и весну, добывая пропитание для себя и своих птенцов.

Эти животные обладают мозгом с массой от 0,001 грамма (муравей) примерно до 3650 граммов (кит-убийца)[8], но способны на такие когнитивные подвиги, которые трудны или вовсе невозможны для нас с нашим мозгом массой около 1500 граммов. На удивление, многих живых существ можно назвать разумными, но они разумны только в каких-то определенных аспектах, необходимых для преодоления специфических трудностей. Разнообразие способностей, обеспечиваемых мозгом, у обитателей нашей планеты чрезвычайно велико, и поэтому этих существ нельзя сравнивать по какому-то одному показателю.

Разнообразие способностей мозга у разных видов и родов возникло при участии естественного отбора. Генетические вариации вызывают изменения в структуре мозга, что, в свою очередь, создает основу для появления новых способностей или поведения. Мозг существ может различаться по целому ряду параметров. Конечно, он бывает большим или маленьким. Но он также может иметь разное количество нейронов и разную плотность их упаковки[9] – количество нейронов в единице объема. Например, слоны и киты имеют гигантский мозг с крупными, свободно упакованными нейронами, тогда как у человекообразных обезьян мозг меньшего размера с плотно упакованными более мелкими нейронами. Размер мозга и плотность упаковки нейронов определяют общее количество нейронов в мозге. Корова и шимпанзе имеют мозг примерно одинакового размера, но в мозге шимпанзе нейроны упакованы плотнее, так что общее количество нейронов у шимпанзе, по-видимому, намного больше. Это важно по той причине, что количество нейронов в мозге животного является ключевым фактором для выживания. Слишком много или слишком мало для реализации нужд организма – это вопрос жизни и смерти.

Снабжение мозга дополнительными нейронами имеет очевидные преимущества. Поскольку нейроны – это ячейки обработки информации, увеличение их числа повышает производительность мозга. Значительная часть мозга большинства животных отводится на обработку информации, поставляемой органами чувств: в нашем случае это зрение, слух, тактильные стимулы и т. д. Недостаточно иметь пару функциональных глаз, чтобы видеть; необходимо иметь в мозге такие области, как V1, которые отражают и обрабатывают поток собранной глазами информации. Чем больше нейронов, тем лучше мозг обеспечивает восприятие, усиливая способность организма обнаруживать пищу или хищника. Кроме того, дополнительные нейроны способствуют выполнению более сложных или точных движений, что также позволяет эффективнее добывать пищу или скрываться от хищников. Нейроны поддерживают и другие способности, такие как ориентирование, память, самоконтроль, планирование или рассудительность, – и каждая из них благоприятствует выживанию организма.

Но дополнительные нейроны достаются дорогой ценой. Прежде всего, нейроны активно потребляют энергию. В частности, головной мозг является третьим по счету человеческим органом, потребляющим максимальное количество энергии на единицу массы – после непрерывно бьющегося сердца и неутомимых почек. Но поскольку наш мозг крупнее и тяжелее этих органов, он потребляет максимальное количество энергии во всем теле. Этот комок ткани составляет лишь 2 % массы тела взрослого человека, но расходует около 22 % получаемой нами энергии[10]. У других видов другое соотношение, но во всем царстве животных нейроны являются активными потребителями энергии. Количество потребляемой нейронами энергии велико по той причине, что для производства каждого импульса они в буквальном смысле втягивают в себя одни молекулы и выделяют другие. Это перекачивание происходит постоянно во всех нейронах мозга. Чем больше у существа нейронов, тем больше ему нужно миниатюрных насосов, работающих день и ночь и нуждающихся в большом количестве топлива.

Поскольку нейроны обходятся так дорого, мозгу с большим количеством нейронов требуется больше калорий. Для удовлетворения этой потребности существо либо больше ест, либо ест более качественную пищу с более высоким содержанием калорий. Получить доступ к высококалорийной пище в современном индустриальном мире не трудно. Во многих развитых странах полки продовольственных магазинов забиты недорогими готовыми продуктами. Но это современное достижение – буквально один миг на шкале человеческой эволюции. Большую часть времени, пока наши предки бродили по земле, они сталкивались с суровой реальностью, с которой сегодня сталкиваются дикие животные. Не так уж много вокруг съедобных и питательных продуктов. Каждую калорию приходится добывать тяжким трудом. И если ваше тело и мозг требуют больше энергии, чем вы можете отыскать, добыть на охоте или украсть, вам недолго придется жить. Привет и прощай.

Кроме того, нейронам нужно много места. Каждый нейрон должен сообщаться с другими нейронами, и делают они это с помощью отростков, называемых дендритами и аксонами. Эти выросты, напоминающие щупальца, служат проводами, передающими информацию в форме электрических импульсов от одной клетки к другой. Эти провода выполняют специализированные функции. Дендриты нейронов принимают входные сигналы, а более длинные аксоны отправляют сигналы от нейронов дендритам других клеток. Можно сказать, что дендриты – уши нейрона, а аксон – его голос.

Увеличение количества нейронов в мозге повышает его способность думать, воспринимать и действовать, но лишь в том случае, если нейроны соединены друг с другом для передачи информации. Эту функцию поддерживает, главным образом, аксон, похожий на провод. Аксоны могут передавать сообщения либо между соседними нейронами, либо переносить импульсы через весь мозг. Чувствительные рецепторные клетки, такие как тактильные рецепторы нашей кожи, тоже представляют собой вид нейронов и имеют собственные аксоны, с помощью которых передают сигналы в мозг. Некоторые аксоны протянуты даже на длину всего тела; они передают тактильную информацию от пальцев ног до мозга, позволяя нам испытывать удовольствие от массажа стоп или боль от ушибленного пальца.

Аксоны играют важнейшую роль в осуществлении мозгом его многочисленных функций. Но они занимают уйму места. На самом деле, когда эволюция стала добавлять в мозг нейроны, новые связи, по сути, заняли больше места, чем сами новые нейроны[11]. Длинные провода занимают больший объем, чем короткие, и для их поддержания требуется больше усилий. Несколько десятилетий назад инженеры из Лаборатории Белла столкнулись с этой же проблемой: добавление к устройству новых элементов требует добавления многочисленных громоздких и дорогих проводов. То, что инженеры называли тиранией чисел, мы можем назвать тиранией нейронов. И если вам это не кажется серьезной проблемой, думайте дальше.

Нейроны бывают самых разных видов и имеют разные свойства, но каждый конкретный нейрон для выполнения своей функции должен быть напрямую связан с сотнями других нейронов мозга. Без разумного решения этой инженерной задачи дорогостоящие провода займут в мозге место и отнимут энергию, так что существо будет с трудом удерживать непомерно большую голову и удовлетворять потребности в калориях, и, следовательно, будет голодать. В человеческом мозге около 86 миллиардов нейронов. Если бы каждый из них соединялся со всеми остальными случайным образом, такой орган имел бы протяженность более 20 километров[12], хотя каждый аксон тоньше человеческого волоса. К счастью, каждый отдельный нейрон не должен быть связан со всеми остальными; он работает во взаимодействии лишь с небольшим количеством из этих 86 миллиардов нейронов мозга.

Но даже при этом любой мозг со случайным соединением нейронов был бы непомерно велик.

Электронные устройства показывают, как это работает. Конструкторы размещают как можно ближе друг к другу те элементы устройства, которые должны работать сообща и обмениваться информацией. Это позволяет экономить пространство за счет сокращения длины (и, следовательно, объема) проводов, соединяющих эти элементы. Такой же принцип реализуется в мозге. Если два нейрона совместно выполняют какую-то работу, они должны быть связаны между собой. И поэтому, если такие нейроны располагаются в мозге рядом друг с другом, это экономит энергию и позволяет использовать короткие провода.

Каждый нейрон в мозге должен переговариваться с другими нейронами. Но с какими? Вспомните о фрагментарной природе наших тактильных ощущений, которые начинаются как мозаика тактильных сигналов, воспринимаемых отдельными чувствительными рецепторами в коже. Я сравнила тактильный рецептор, спрятанный в коже вашего правого колена, с необщительным землевладельцем, интересующимся исключительно своим небольшим участком на поверхности земли (колена). Эта территория составляет его рецептивное поле. Если что-то касается кожи на этом участке, рецептор подает сигнал тревоги, создавая быстрый залп импульсов возбуждения. “На моей территории что-то происходит!” Эти сигналы отправляются в мозг к нейронам, у которых тоже есть рецептивные поля. В мозге есть нейроны, активность которых отражает давление на правое колено, хотя никакого реального колена в мозге нет. И с кем нейрон правого колена должен общаться в первую очередь? С другими нейронами, отражающими прикосновение к правому колену. А с кем еще? С нейронами, которые отражают прикосновение к верхней части правой голени или нижней части правого бедра. В целом нейроны в первую очередь должны сообщаться с теми клетками, которые отображают состояние тех же самых или соседних участков тела.

Есть причина, почему нейроны должны в большей степени общаться со своими партнерами-единомышленниками, и у этой причины есть название: локальная обработка. Локальная обработка, по сути, заключается в сравнении ситуации в одной точке пространства с ситуацией в другой точке. Это могут быть точки в пространстве нашего тела в случае прикосновения или в нашем поле зрения в случае зрения. Важно, что локальная обработка связана с поисками ответа на следующие вопросы: происходит ли здесь что-то, что не происходит там? там, но не тут? где-то еще? или нигде? Такие специфические сравнения кажутся банальными, но они чрезвычайно важны. Они дают информацию о том, где именно что-то происходит, например, болезненное ощущение в области колена. Эти сравнения также обеспечивают важный контекст для обработки других сенсорных сигналов. В частности, поступление информации о боли в одном участке колена может помочь другим нейронам, отображающим состояние других участков кожи, также обнаружить боль. Этот тип коммуникации играет наиболее важную роль для нейронов, имеющих соседние рецептивные поля. На уровне нейронов, как и в нашей каждодневной жизни, те события, которые происходят по соседству, с большей вероятностью связаны с нашей текущей ситуацией. Если горит соседний дом, хорошо бы нам об этом знать. А если горит дом в другой точке планеты? Это не так важно. Часто сравнение нашей ситуации с ситуацией у соседей также доставляет важную информацию о том, какова наша собственная ситуация. Например, представьте себе, что в вашем доме или квартире отключилось электричество. Если это случилось только у вас, вам нужно вызвать электрика для наладки или проверить, оплатили ли вы последние счета. Но если у соседей тоже нет электричества, возможно, источник проблемы находится на расстоянии нескольких километров, и вам ничего другого не остается, как ждать городскую службу или представителей энергетической компании. И такая же ситуация с нейроном, отображающим прикосновение к правому колену. На колено действует давление, если на вас слишком узкие брюки или вы заснули на животе. Но в обоих случаях давление оказывается на многие части тела. Нет необходимости осознавать ощущение именно в колене. Однако сравните это ощущение с прикосновением к вашему колену чьей-то руки или с ударом о него мяча. Это давление действует только на колено и означает, что происходит нечто особенное, связанное только с коленом. Бросьте все и обратите внимание на колено! Если маленький коленный нейрон собирается помочь нам распознать разницу между этими событиями, он должен сообщаться с нейронами, отображающими давление на кожу выше коленной чашечки, под ней и с обеих сторон от нее.

А теперь представьте себе два нейрона, которые передают тактильную информацию в головной мозг: один имеет рецептивное поле в правом колене, а другой – в верхней части правой голени. Каждый из них должен знать, что происходит на соседней территории. Им необходимо обмениваться информацией и сравнивать ее, а это означает, что они должны быть связаны между собой. Если в мозге нейрон коленной чашечки расположен рядом с нейроном голени, они смогут болтать о своих сердечных делах по коротким проводам. Конечно же, коленные чашечки и голени – лишь две зоны на общем ландшафте кожи. Коленный нейрон должен также переговариваться с нейронами нижней части бедра, а нейрон голени – с нейронами икры и щиколотки. Чтобы провода были короткими, этим нейронам тоже нужно располагаться по соседству друг с другом. Этот же принцип распространяется на плечи, шею и лицо в одном направлении и на пальцы ног в другом. Соседние нейроны в головном мозге отображают соседние точки на ландшафте кожи. И каков результат? В наш мозг встроена изумительная, настоящая карта поверхности нашего тела.

В мозге много таких карт тела. Одна из самых известных называется первичной соматосенсорной корой, S1. Подобно тому, как V1 является первым участком поверхности мозга (коры мозга), получающим информацию от световых рецепторов глаз, участок коры S1 первым получает информацию от тактильных рецепторов. Он расположен в самой верхней части мозга. И его схема соответствует схеме поверхности нашей кожи, включая язык и губы, нос, два глаза, десять пальцев рук, десять пальцев ног, один живот и две коленные чашечки. Эта карта мозга позволяет использовать максимально возможное количество нейронов для обнаружения прикосновения при небольшом количестве соединительных проводов, иметь небольшой размер головы и скромный аппетит.

Это элегантное решение также объясняет строение зрительной карты, обнаруженной Иноуэ в мозге раненых солдат. Клетки мозга, отображающие свет, который попадает в соседние точки сетчатки, тоже должны располагаться по соседству друг с другом, что дает им возможность обмениваться информацией при минимальной длине соединительных проводов. Этот обмен информацией позволяет мозгу быстро и точно отслеживать важные контуры видимого пространства, в том числе границы линий или поверхностей. Эти контуры сообщают важную информацию, показывая, где начинаются и заканчиваются окружающие нас предметы и, по сути, что они собой представляют.

Этот принцип “разговора по-соседски” также объясняет существование карт для других способностей, таких как слух и движение, причем он реализуется у всех представителей царства животных. Карты позволили эволюции увеличить мощность мозга с помощью дополнительных нейронов и при этом контролировать общий размер мозга и его энергетические потребности. Карты мозга полезны и для существ с меньшим количеством нейронов, поскольку позволяют им сохранять мозг минимально возможного объема и с минимальными энергетическими запросами. Благодаря картам эти животные извлекают максимальную пользу из имеющихся нейронов, остаются шустрыми и не страдают от голода. Короче говоря, природа нашла схему, одинаково удачную для сложного и простого, крупного и маленького мозга. Карты мозга позволяют преодолевать главное препятствие на пути к выживанию. В нашем мире с ограниченным запасом ресурсов и жесткой конкуренцией эти карты позволяют выжить пустынным муравьям, китам-убийцам и нам с вами.

Как “заштопать” карту

Есть много причин быть благодарными нашим картам мозга. Альтернатива – голод, неподвижность и вымирание – не очень привлекательна. Можно благодарить карты за быстроту и четкость наших ощущений, не говоря уже о том, что в нашей голове есть место для пяти чувств, а не для одного или двух. Но карты дают и другие преимущества. Они идеально устроены для обнаружения и исправления неизбежных ошибок и упущений в информации, которую мозг получает от глаз, ушей и кожи.

Прекрасный пример того, как карты мозга корректируют восприятие, представил нам священник и ученый-самоучка XVII века Эдм Мариотт. Он был аббатом в небольшом городке Сен-Мартен-де-Бомон-сюр-Ванжанн неподалеку от Дижона во Франции[13]. И интересовался столь разными науками, как физиология растений и физика, астрономия и анатомия. Он организовал одно из первых в истории международное научное сообщество и был отмечен Ньютоном в знаменитом трактате “Математические начала натуральной философии”. Но самым важным вкладом Мариотта в науку было открытие, заключавшееся в том, что все мы слегка подслеповаты.

Мариотт многократно участвовал в анатомировании, изучая тела сельскохозяйственных животных, иногда экзотических животных и даже людей. Особенно его интересовала анатомия глаз. В задней части глазных яблок (как животных, так и человека) он обнаружил вдавленный внутрь овальный участок, отличающийся от остальной поверхности сетчатки. Он не первым обнаружил этот овал, который, как было известно, является местом выхода зрительного нерва, передающего информацию от глаза в головной мозг. Овал называли диском глаза, но его функция в зрении оставалась неизвестной. Большинство ученых того времени считало, что диск глаза является участком наиболее четкого зрения. Однако при анатомировании Мариотт обнаружил, что этот диск никогда не располагается в центре глазного дна (которое соответствует наиболее острому центральному зрению). У человека он располагается чуть выше и ближе к носу. Мариотта заинтересовало это несоответствие. И поэтому при помощи лишь нескольких бумажных контуров он принялся изучать природу зрения в области диска глаза.

Эксперименты Мариотта относятся к разряду самых простых. На рис. 6 показано, что он сделал. Мариотт прикреплял маленький кружок из белой бумаги на черном фоне на уровне глаза, а второй кружок диаметром около 10 сантиметров – чуть ниже и примерно на 60 сантиметров правее[14]. Он закрывал левый глаз и смотрел на первый кружок, а потом медленно отходил назад. Когда он отдалялся примерно на три метра, второй кружок исчезал. Заинтригованный этим наблюдением, Мариотт медленно переводил взгляд, и бумажный диск появлялся вновь. Но как только он фиксировал взгляд на первом кружке, второй опять немедленно исчезал.

Рис. 6. Схема эксперимента Мариотта. Художник Пол Ким.

Мариотт повторил тот же эксперимент с закрытым правым глазом и открытым левым, на разном расстоянии, каждый раз с соответствующим расположением и размером второго кружка. Слепое пятно появлялось всякий раз. Он повторил эксперимент со своим знакомым Реверендом Билли, а потом с другими французскими учеными. Оказалось, что все они в какой-то степени слепы и эта слепота всегда обнаруживается в двух точках пространства, с двух сторон, соответствующих дискам двух глаз. Теперь мы называем эту зону слепоты слепым пятном.

Вы сами можете обнаружить у себя слепое пятно, пользуясь рис. 7. Начните с верхнего изображения креста и цыпленка. Закройте левый глаз и смотрите на крест, поместив страницу книги примерно в 30 сантиметрах от лица. Если нужно, подвиньте книгу ближе или дальше, но при этом смотрите на крест; на определенном расстоянии цыпленок исчезнет. Проделайте то же самое с нижним рисунком. В этот раз, когда птица попадает в зону слепого пятна правого глаза, она исчезает, а клетка останется на месте – но пустая. Если хотите повторить это с левым глазом, просто переверните книгу вверх ногами, закройте правый глаз и повторите эксперимент.

Рис. 7. Слепое пятно. Используйте эти рисунки и объяснение в тексте, чтобы обнаружить слепые пятна у себя в глазах. Художник Пол Ким.

Теперь мы знаем, что зрительный нерв – это пучок аксонов, переносящих сигналы от сетчатки в головной мозг. Эти аксоны занимают место на выходе из глаза, так что там негде расположиться рецепторам, собирающим информацию о поступающих фотонах света. В глазах у всех людей есть зрительный диск, и каждый диск создает овал слепоты.

Простой эксперимент Мариотта заставил всю Европу говорить о слепом пятне и вызвал новый всплеск научных дебатов о зрении и глазах. Кроме того, возник интересный вопрос: почему мы не осознаем, что у нас есть эти слепые пятна? Почему мы не замечаем их в обычной жизни? Мариотт предложил несколько веских гипотез. Обычно мы смотрим на мир одновременно двумя глазами, так что тот участок пространства, который мы не видим одним глазом, мы видим другим. Кроме того, мы достаточно быстро переводим взгляд, и в результате никакие участки видимого пространства не закрыты слепым пятном на долгое время.

Оба эти довода справедливы, но ни один из них не объясняет, почему слепое пятно оставалось невидимым, когда один глаз Мариотта был закрыт, а другой неподвижен. Они не объясняют, почему второй кружок Мариотта исчезал, попадая в слепое пятно, и заменялся черным фоном, а при исчезновении птицы сохранялась птичья клетка. Когда птица исчезала, она не погружалась в темноту. Она заменялась чем-то другим – белым фоном страницы или прутьями клетки. Почему это так? Этот вопрос оставался без ответа на протяжении столетий, даже тогда, когда люди открыли электричество, рецептивные поля и карты мозга. В конце концов ответ был найден в картах V1 живого мозга.

Вспомните, что карта V1 соответствует организации сетчатки двух глаз. Хотя каждый глаз собирает поступающую световую информацию независимым образом, в области V1 эта информация от двух глаз соединяется на одной общей карте. Зрительная карта области V1 разделена между правым и левым полушариями мозга; находящаяся в левом полушарии половина карты V1 отражает информацию из правой половины поля зрения, и наоборот. На рис. 8 представлены фотографии срезов человеческого мозга[15], демонстрирующие левую и правую половины карты V1. Из мозга умершего человека выделили соответствующую ткань, расправили ее и окрасили с помощью вещества, позволяющего видеть некоторые детали карты, включая ее границы. На этих окрашенных срезах также видны участки карты, соответствующие слепым пятнам обоих глаз. Для ясности под срезами представлены их очертания. Крупный фрагмент в левом полушарии, обозначенный стрелкой, соответствует участку поля зрения, попадающему в слепое пятно правого глаза. Аналогичный фрагмент правого полушария, обозначенный стрелкой, соответствует участку поля зрения, попадающему в слепое пятно левого глаза.

Рис. 8. Фотографии (вверху) и очертания (внизу) карты V1 зрительной области человеческого мозга. Фотографии окрашены для визуализации рельефа. Участки V1, соответствующие двум слепым пятнам, четко выделяются в виде светлого и темного островков соответственно в левой и правой половине области V1. Различимый полосатый рисунок в остальных участках V1 соответствует входному сигналу от обоих глаз (подробности в главе 11). Источник: The Journal of Neuroscience, vol. 27, no. 39. Copyright 2007 by the Society for neuroscience.

Преобладающую часть времени у нас открыты оба глаза, и в этих участках все нормально. Та часть карты, которая соответствует слепому пятну правого глаза, по-прежнему передает зрительную информацию об этой части видимого пространства от левого глаза, и то же самое верно для слепого пятна левого глаза. Но как только мы закрываем один глаз, как проделывал в своих экспериментах Мариотт, один из этих слепых участков на карте V1 уже не получает сообщений ни от одного глаза. Этот участок карты – по-прежнему живая и активная ткань мозга, но она отрезана от обычного источника зрительной информации. Мы не видим темное пятно, как пациенты Иноуэ со скотомами, а воспринимаем нечто, восполняющее или заполняющее это пятно, так что оно напоминает окружающее пространство.

Как именно мозг восполняет этот недостаток информации, оставалось неизвестным до самого последнего времени, пока эксперименты с обезьянами не позволили получить новые данные. С помощью тончайших электродов нейробиологи измерили активность нейронов, соответствующих одному из участков в слепом пятне карты V1 в мозге обезьяны[16]. Как Мариотт и другие люди, при закрытии одного глаза обезьяны видят слепые пятна заполненными теми же цветами или рисунками, как в соседних точках пространства. Ученые обнаружили, что специфический набор нейронов на участке карты V1 обезьяны, который соответствует слепому пятну одного глаза, активируется при закрытии второго глаза, когда прерывается сигнал, поступающий в этот участок. Эти особые нейроны имеют гигантские рецептивные поля, соответствующие части слепого пятна и окружающего его зрительного пространства. Эти клетки получают сигналы из той части сетчатки, которая окружает слепое пятно, и с их помощью восполняют изображение в лишенном информации участке мозга. Подобно тому, как можно заштопать дыру в носке или связать края ткани вокруг дыры, можно заполнить информацией слепое пятно с помощью этих специфических клеток.

Это заполнение, или “штопание”, слепого пятна на карте V1 является ярчайшим примером того, что ученые называют перцептивным заполнением. Мозг воссоздает недостающие данные, используя поступающую от глаз частичную информацию. И это лишь один из многих примеров заполнения пробелов в нашем чувственном опыте. Многие оптические иллюзии срабатывают по той причине, что наша зрительная система изначально обладает способностью восполнять информацию, которая кажется недостающей, даже когда это не так. Например, если мы смотрим на изображение двух движущихся полос, которые выровнены между собой, но разделены неподвижным пробелом, нам кажется, что они перекрывают пробел и соединяются друг с другом, хотя это не так. Группа ученых проанализировала эту ситуацию, чтобы понять, что происходит на участке карты V1, соответствующем пробелу, когда люди наблюдают эту иллюзию. Отражает ли активность мозга в этой области информацию, которую получают глаза (а именно – отсутствие движения через пробел), или субъективное восприятие участников эксперимента (то есть заполняющийся пробел)?

Для изучения карт V1 у живых людей[17] ученые используют популярный способ сканирования мозга, который можно осуществить на аппарате для магнитно-резонансной томографии (МРТ). Этот метод, называемый функциональной МРТ (фМРТ), позволяет понять, как активность мозга изменяется во времени или в ответ на манипуляции экспериментатора. Если при проведении фМРТ участники эксперимента смотрят на яркий вспыхивающий экран, по результатам сканирования можно проанализировать их зрительные карты V1. Именно так ученые исследовали активность в области V1 у людей, смотревших на движущиеся полосы и наблюдавших оптическую иллюзию. Активность нейронов в области V1, отображающей неподвижный пробел, усиливалась, когда люди наблюдали эффект иллюзии и видели, как движущиеся полосы заполняют пробел. Короче говоря, воображаемые полосы, продолжавшие движение через пробел, видны на самой карте V1. Полосы пересекали пробел и на картах V1 у участников эксперимента, и в их осознанном зрительном восприятии.

Перцептивное заполнение происходит постоянно, хотя мы почти никогда этого не осознаем. В большинстве случаев мы этого не замечаем, поскольку мозг правильно дополняет информацию, основываясь на зрительных данных, и в результате позволяет нам ориентироваться в окружающем пространстве. Следовательно, такие тщательно построенные оптические иллюзии показывают, что наше восприятие постоянно проверяется. Но зачем мозг восполняет недостающую информацию? Возможный ответ заключается в том, что преимуществом нашей зрительной системы является возможность предчувствовать непрерывность. Зрительная система, которой мы с удовольствием пользуемся, эволюционировала и развивалась таким образом, чтобы осмысливать наш беспорядочный трехмерный мир. Вид отдаленных предметов обычно заслонен от нас более близко расположенными предметами. Когда мы впервые входим в комнату, наша зрительная система может переполняться (и переполняется) дезориентирующим скоплением новых линий, углов, цветов, текстур и оттенков.

На самом деле обычно мы не обращаем внимания на эти линии, текстуру и другие детали. По-настоящему нас интересуют только характеризуемые ими предметы. Чтобы помочь нам увидеть эти предметы, мозг должен учитывать вероятность. Например, вряд ли в пространстве имеются случайные дыры и сверхъестественные совпадения. В случае иллюзии движущихся полос: какова вероятность того, что две независимо движущиеся полосы случайным образом расположились рядом и синхронизировались? Не выше ли вероятность, что это две части общей картины, на которой какая-то посторонняя полоса закрывает нам вид? И в результате мы воспринимаем этот неподвижный пробел между движущимися рисунками в качестве чего-то постороннего. Мы мысленно представляем движение полос через линию раздела, пытаясь отразить суть, а не углы, линии и текстуру, о которых деловито сообщают наши глаза.

А вот другой пример. Узкая полоса ткани, протянутая от одного края стола к другому, – это и есть полоса ткани на целом столе, а не два стола с провалом между ними. К счастью, мы в своем восприятии не пытаемся заменить эту тканевую дорожку поверхностью стола; мы способны воспринять и полосу ткани, и цельный стол под нею. Но опять-таки фМРТ показывает, что карта V1 отражает информацию о предметах или частях предметов, временно скрытых предметами, расположенными более близко[18]. Короче говоря, перцептивное заполнение, которое имеет место во многих случаях обмана зрения, – это ярчайший пример более тонкого и важного явления: на основании сигналов от глаз мозг автоматически дополняет или экстраполирует разворачивающуюся перед нами ситуацию.

Такие карты мозга, как V1, прекрасно подходят для подобных экстраполяций, поскольку они непрерывны и построены таким образом, чтобы быстро и легко провести сравнение между соседними точками пространства. Локальные сравнения на карте мозга позволяют идентифицировать места, где происходит нечто важное, но они же помогают найти участки зрительного пространства, которые с малой вероятностью отличаются от соседних участков. Карты мозга быстро выявляют и исправляют входящие сигналы, которые кажутся ошибочными, как текстовый редактор с функцией автоматического исправления ошибок. Учитывая достаточную тренировку (или опыт) и правильное функционирование программы (или связи), наш процессор и наши карты мозга могут находить ошибки и избегать ловушек, так что мы их даже не замечаем.

Нам кажется, что восприятие – совершенно очевидное явление. В конце концов, оно происходит естественно и без усилий с нашей стороны. Нас никогда не учили воспринимать, и мы никогда не перегружались от избытка восприятия. Многое из того, что мы делаем или о чем думаем, требует от нас усилий, но восприятие происходит само. Оно динамическим образом осуществляется в каждый момент жизни – от дня нашего появления на свет до дня смерти. И поэтому так легко не замечать, каким же чудом на самом деле оно является. Многие сложности в восприятии пространства, энергии, движения и информации вполне могли бы привести к тому, что мы не умели бы распознавать предметы на нашем пути или ощущать чью-то ладонь на нашем колене. Карты мозга – ключ к преодолению физических и вычислительных ограничений такого рода.

Но хотя карты мозга позволяют преодолевать подобные трудности, их существования недостаточно. Чтобы создавать такой мощный, но при этом практичный мозг, какой появился на Земле, эти карты должны обеспечивать очень сильные искажения. Как вы увидите, такие искажения – важнейшая характеристика отображения мира нашим мозгом. А это, в свою очередь, определяет наше восприятие мира и всего, что в нем есть.

3

Как карты мозга определяют, что мы видим и чувствуем?

С пуститесь в подземное метро Бостона в Массачусетсе, и вы повсюду обнаружите карты: встроенные на стенах платформ, приклеенные в вагонах и отпечатанные на бумаге в виде брошюр. В городе с 1,3 миллиона пассажиров карты метро в равной степени выполняют функцию информационного ресурса и декора. Но еще они иллюстрируют неожиданную вещь, которая справедлива как для планов метро, так и для карт мозга: иногда искаженная карта лучше отображает то, что нужно знать людям.

Линии бостонского метро расходятся, как спицы колеса, с центром в сердце города, это показано на рис. 9. Переход с одной линии на другую осуществляется на четырех станциях. Однажды я проехала по красной линии от одной станции (“Парк Стрит”) до другой (“Даунтаун Кроссинг”) и обнаружила, что пересекла лишь одну часть города. Сравните это с расстоянием между станциями “Дейвис” и “Эйлуайф” – двумя соседними станциями на одном конце красной линии. Хотя точки, соответствующие станциям “Дейвис” и “Эйлуайф”, на плане располагаются ближе, чем точки “Парк Стрит” и “Даунтаун Кроссинг”, на самом деле станции “Дейвис” и “Эйлуайф” отстоят друг от друга больше чем на километр. Короче говоря, изображение на плане метро искажено по отношению к реальности. Тогда как расстояние в 1 сантиметр между станциями “Парк Стрит” и “Даунтаун Кроссинг” соответствует 10 метрам реального расстояния на местности, 1 сантиметр между станциями “Дейвис” и “Эйлуайф” соответствует 140 метрам.

Рис. 9. Упрощенная схема бостонского метро. Художник Пол Ким, редакция Майкла Квиришвили (CC BY 2.0)

Интересно, что благодаря этой неточности план метро становится более удобным. Когда мы выезжаем из центра, нам нужно знать только порядок станций на нашей линии, чтобы вовремя выйти. Но когда мы движемся к центру и готовимся к пересадке, нам нужна еще и пространственная информация. Можно ли доехать до аэропорта с одной пересадкой или придется делать две? На какой станции следует пересаживаться и в какую сторону ехать после пересадки? За счет увеличения разрешения в области пересадочных пунктов карта метро снабжает нас более четкой пространственной информацией именно там, где это больше всего необходимо.

Многие карты мозга, включая зрительную карту V1, используют тот же прием. Часть зрительной карты V1, которая отображает зрительную информацию из области центральной ямки (оттуда, куда направлен взгляд), очень сильно увеличена по сравнению с остальными частями. Вообще говоря, это увеличение объясняет одно из открытий Иноуэ: хотя пули от винтовки Мосина имели диаметр 7,6 миллиметра, они создавали области слепоты разного размера. У пациентов Иноуэ были сравнительно небольшие слепые участки в центре и более крупные на периферии. Это различие в размерах скотомы показывает, что информация от центральной ямки на карте V1 представляется в сильном увеличении, как карта центральной части города на плане метро.

Почему информация от центральной ямки на карте V1 отображается с более сильным увеличением? Главным образом потому, что она более значима. Световые рецепторы в области центральной ямки упакованы гораздо плотнее, чем в других частях сетчатки. Поскольку там больше рецепторов, мы получаем больше информации о той части зрительного пространства, куда непосредственно направлен наш взгляд. Это различие создает в сетчатке неравенство и делает зрение в области центральной ямки чуть более острым, чем в других зонах. Но это еще не все.

Представьте себе два световых рецептора сетчатки: один расположен в центральной ямке (“Флоранс”), другой на периферии (“Перри”). Допустим, оба рецептора регистрируют фотон (порцию) света одновременно и отправляют одинаковые сигналы о его обнаружении. Меньше чем за одну двадцатую секунды сигналы проходят через другие клетки сетчатки, делают короткую остановку на железнодорожной станции в глубине мозга и достигают области V1 в задней части головы. На этом пути сигнал от “Перри” объединяется с сигналами от соседних рецепторов, тогда как сигнал от “Флоранс” остается неизменным. Хотя в начале пути два сигнала были идентичными, к моменту прибытия в зону V1 они уже не похожи друг на друга. Здесь информация от “Флоранс” займет в сто раз больше места, чем информация от “Перри”[19]. Тот факт, что входные сигналы от “Флоранс” и ее соседей в центральной ямке занимают более обширную территорию на карте V1, имеет реальные последствия для нашего восприятия. Чем больше территория, тем больше нейронов V1 занимаются отображением точных деталей световой картины, обнаруженной в области центральной ямки.

История о “Флоранс” и “Перри” вызывает очевидный вопрос: не стали бы мы лучше видеть, если бы сохраняли сигналы от “Перри” так же бережно, как сигналы от “Флоранс”? Почему увеличена только одна часть карты, а не вся карта целиком? Такие же вопросы можно задать в отношении схемы метро. Почему бы не создать карту с единым масштабом и просто распечатать ее крупнее, чтобы она была аккуратнее и яснее? Ответ таков: если бы карта бостонского метро отражала всю схему в том же масштабе, как центральную часть, ее площадь была бы примерно в 100 раз больше. Вывесить такую карту на платформе, не говоря уже о том, чтобы распечатать ее в виде схемы, было бы просто невозможно. Карта метро представляет собой компромисс: она дает подробную информацию там, где это необходимо, при этом ее общие размеры остаются в разумных пределах.

То же самое справедливо для зрительной коры. В идеальном мире V1 могла бы одинаково хорошо отражать сигналы от центральной ямки и от периферии. Но иметь такую карту невозможно; наша карта V1 в таком случае была бы в 13 раз шире[20]. Еще хуже, что дополнительная информация обрабатывалась бы в других отделах мозга, так что и они тоже стали бы крупнее. Если бы мозг был организован по такому принципу, только зрительные области занимали бы слишком много места, чтобы поместиться в человеческом черепе.

Наш мозг, вынужденный расставлять приоритеты и приносить жертвы, принимает решение в пользу центральной ямки и в ущерб периферии. Эта жертва возможна и даже разумна по той причине, что наши глаза чрезвычайно подвижны. При бодрствовании люди постоянно делают глазами примерно пять быстрых движений в секунду. Эти движения глаз настолько часты и обычны и так хорошо сцеплены с мозгом, что мы чаще всего их не замечаем, хотя и можем осознать, если сконцентрируем на них внимание. Если вы попытаетесь прочесть это предложение, не двигая глазами, вы обнаружите вклад этого специфического действия.

Центральную ямку мы используем так, как использовали бы единственный телескоп для сбора информации обо всем ночном небе. Мы переводим телескоп туда и сюда, от одной точки к другой, собирая подробную информацию об интересующих нас участках, а затем объединяем эти мгновенные снимки и получаем более цельный портрет неба. Использование одного телескопа с высоким разрешением, его вращение и получение последовательных мгновенных снимков неба – это прекрасный компромисс между тем, чтобы видеть четко и видеть много.

Информация из периферических областей имеет значение, однако мы используем ее с другой целью, и она соответствующим образом усваивается. Периферическое зрение не такое острое, как центральное, но оно хорошо улавливает движение и функционирует в темноте или при тусклом освещении. Оно обеспечивает необходимый обзор для обнаружения неожиданностей. Когда “Перри” и его соседи регистрируют неожиданное движение на периферии и отправляют отчет в мозг, наши глаза незамедлительно поворачиваются в ту сторону, чтобы обнаружить источник движения. И тогда в дело вступает “Флоранс” с коллегами, посылая подробные сигналы, которые помогают уловить источник движения и осознать его потенциальную опасность.

Увеличение – важнейший принцип карт мозга. Это пример тонкого физического и нейронного компромисса в основе анатомии, восприятия и поведения любого существа. В случае карты V1 увеличение в области центральной ямки осмысленно, поскольку глаз может вращаться. И поскольку такое увеличение возможно, мы активно день ото дня производим движения глаз. Наш мозг, как и мозг всех существ, развивает наши сильные стороны, специализируясь и адаптируясь в том, что мы воспринимаем и делаем хорошо, оставляя в стороне то, что мы делаем хуже.

Как увеличение на картах мозга сказывается на восприятии? Оно обеспечивает достаточную “рабочую силу” нейронов для отображения большего количества материала. Часто дополнительный материал – это тонкие детали, такие как декоративные элементы или изогнутые линии, образующие буквы в словах на этой странице. Способность воспринимать такие тонкие детали называется пространственной остротой. Проверка пространственной остроты зрения обычно состоит в том, что человеку показывают два близко расположенных предмета и спрашивают, воспринимает ли он их в качестве одного или двух объектов. Взгляните, к примеру, на эти параллельные линии: ||. Когда вы смотрите прямо на них, вы используете центральную ямку с плотно упакованными рецепторами и подробное отображение этих двух линий на карте V1. Если у вас нормальное зрение, вам понятно, что здесь изображены две отдельные линии. Но если вы смотрите на них краем глаза, зрение становится менее острым. И теперь эти две линии выглядят как одна… если вы вообще можете их разглядеть.

У людей со здоровыми глазами острота зрения всегда выше вблизи центра поля зрения, чем на периферии. Но насколько она выше, зависит от каждого конкретного человека. Ученые заинтересовалась, не связаны ли эти персональные различия в зрительном восприятии с особенностями карт в области V1[21]. Они проверяли пространственную остроту зрения в разных точках поля зрения, а также использовали фМРТ, чтобы увидеть, как зрительные карты искажены в результате увеличения. Выяснилось, что люди различаются по степени увеличения отображения сигналов из центральной ямки по отношению к отображению сигналов с периферии. И люди также различаются в том, насколько выше острота их зрения в отношении деталей из центра поля зрения по отношению к деталям с периферии.

Когда ученые сопоставили увеличение на карте V1 в области центральной ямки и различия в остроте зрения в разных точках поля зрения, они обнаружили, что эти два параметра связаны между собой. Люди с большим увеличением в зоне V1, соответствующей центральной ямке, также имели более высокую остроту зрения в отношении элементов в центре поля зрения по сравнению с элементами с периферии. Люди с менее выраженным увеличением на карте V1 демонстрировали менее значительное различие пространственной остроты зрения между центром поля зрения и периферией. Иными словами, различия в искажении карты V1 влияют на то, что воспринимает конкретный человек и где он это воспринимает.

Возможно, вам потребуется некоторое время, чтобы все это осознать. То, что вы обнаруживаете и воспринимаете в своем поле зрения, отличается от того, что обнаруживает ваш лучший друг, ваша сестра или сосед. Более того, острота зрения в различных участках поля зрения определяется не состоянием наших глаз, а скорее уникальной структурой карт нашего мозга.

Научные открытия за последние сто с лишним лет позволили связать активность зрительной карты V1 с тем, что мы видим осознанно. Это не означает, что V1 самостоятельно создает наш осознанный зрительный опыт; многие данные указывают на то, что этот опыт возникает за счет координированной активности многих отделов мозга. И все же существует стабильная связь между тем, что происходит в области V1, и тем, что мы осознанно воспринимаем. Рассмотрим доказательства. Карта V1 дополняет изображение в области слепого пятна на основании информации из соседних участков, примером тому служит белый фон на странице с исчезающей птицей. Повреждения зрительной карты V1, как у пациентов Иноуэ, создают слепые зоны в осознанном зрительном восприятии. Оба эти наблюдения указывают на специфическую связь между картой мозга с одной стороны и осознанным восприятием с другой.

Подобные наблюдения бесценны, но самый прямой путь исследования этой связи заключается в том, чтобы намеренно воздействовать на зрительную карту V1 человека и выяснять, что он видит. Очевидно, что неэтично повреждать человеческий мозг для удовлетворения научного любопытства. К счастью, теперь нейробиологи получили возможность на время изменять активность человеческого мозга без его повреждения. При использовании метода транскраниальной магнитной стимуляции ученые посылают короткий, но мощный магнитный импульс в определенную точку на поверхности головы, чтобы повысить вероятность возбуждения находящихся ниже нейронов. Если бы я применила этот метод в задней части вашей головы, нацеливаясь на участок карты V1, вы бы увидели светящуюся точку, называемую фосфеном. Локализация фосфена в поле зрения соответствует локализации точки, которую я стимулирую. Иными словами, подключаясь на мгновение к карте вашего мозга, я заставляю вас осознанно увидеть свет, которого на самом деле нет.

Более инвазивный способ манипуляций с картой V1 заключается во вскрытии черепа и передаче электрических сигналов непосредственно нейронам. В 1968 году это попытался сделать доктор Джайлс Бриндли, работавший над созданием протезов для слепых[22]. Бриндли с коллегой накладывали матрицу из 80 радиоприемников и 80 электродов на поверхность карты V1 пятидесятидвухлетней пациентки, ослепшей на оба глаза. Когда ученые стимулировали части карты V1 с помощью электродов, слепая пациентка видела фосфены. Понятно, что, не имея видящих глаз, женщина не могла наблюдать реальные вспышки света. Однако путем манипуляций с картой V1 Бриндли позволил женщине увидеть несуществующий свет.

Пациенты доктора Иноуэ имели нормальные глаза, но тем не менее не осознавали происходящего в области скотомы. А пациентка Бриндли осознанно видела свет, хотя ее глаза не функционировали. Эти странные наблюдения приводят к еще более странному выводу: зрение в знакомой нам форме рождается в темноте заднего отдела черепа и в большей степени отражает то, что происходит на наших зрительных картах, чем то, что происходит в двух глазах.

Вот почему так важно понимать, как именно искажены карты нашего мозга: эти карты, в свою очередь, искажают наше осознанное восприятие. Этот удивительный факт составляет ядро данной книги и лежит в основе концепции ландшафтов мозга. Ландшафт мозга – это территория, описываемая картой мозга. Это искаженная версия реальности, нанесенная на карту внутри нашей головы. Если бы план бостонского метро был картой мозга, его ландшафтом был бы город Бостон – растянутый и искаженный в масштабе, соответствующем масштабу этой карты. Аналогичным образом ландшафт нашей карты V1 – это версия зрительной сцены у нас перед глазами, которая искажена в результате увеличения.

На рис. 10 отражена попытка визуализировать ландшафт на карте V1. Вообразите, что разглядываете знаменитую “Мону Лизу”. Когда вы на нее смотрите, то, что вы видите в конечном итоге, искажено картами вашего мозга. Воображаемый пузырь на рисунке показывает, что наблюдатель воспринимает больше информации и подробностей в центре той части полотна, на которую направлен его взгляд.

По этой причине Мона Лиза в мысленном пузыре может показаться вам искаженной: естественно, каждый раз, глядя кому-то прямо в лицо, вы не воспринимаете его нос или губы слишком объемными. Но вы получаете большой объем информации о носе или губах – а это важнейшая информация для узнавания человека или определения его эмоционального состояния. К счастью, наша зрительная система умеет корректировать эффект увеличения в соответствии с воспринимаемым размером предметов. Представьте себе, как бы мы занимались спортом или пользовались инструментами, не делая подобных поправок. Предметы казались бы крохотными, пока мы не переводили бы взгляд прямо на них – тогда они внезапно увеличивались бы в размере в сотни раз. Как в таком мире можно взять в руки чашку с кофе или поймать мяч? Другие области мозга помогают скорректировать наше восприятие размера предметов, так что каждый раз при перемещении взгляда предметы не раздуваются и не сжимаются из-за увеличения на карте V1. Такой механизм позволяет видеть тончайшие детали легкой улыбки Моны Лизы и не воспринимать ее губы размером с комнату.

Рис. 10. Концептуальное представление искаженного зрительного ландшафта, который отражен на карте V1. Воспринимаемые зрительные подробности зависят от особенностей искажения карты мозга, прежде всего от увеличения деталей, находящихся в центре поля зрения. Художник Пол Ким.

Несмотря на такое полезное устройство, мы все же иногда ошибаемся в оценках размера, что, по-видимому, связано с увеличением на картах мозга. Когда психологи анализируют мнения людей о размерах предметов, находящихся в разных точках их поля зрения, выясняется, что восприятие размеров предметов действительно в некоторой степени зависит от того, в каком участке поля зрения они находятся[23]. Мы достаточно хорошо оцениваем размеры предметов, находящихся в центре того пространства, куда направлен наш взгляд, но мы систематически недооцениваем размеры предметов на периферии поля зрения. Чем дальше на периферии зрения находится предмет, тем меньшим по размеру он нам кажется. Короче говоря, увеличение на карте V1 оказывает значительное влияние на восприятие деталей и также в некоторой степени сказывается на восприятии размеров предметов.

Другие ландшафты мозга

Уайлдер Пенфилд был новатором в области нейрохирургии и нейробиологии начала XX века. Он заложил основы лечения пациентов, страдавших от разрушительных эпилептических припадков, и в процессе этой работы он первым очертил в живом человеческом мозге соматосенсорную карту S1.

Для купирования приступов эпилепсии Пенфилд направлял свой скальпель прямо на источник болезни – на мозг[24]. Пациентам обеспечивали местную анестезию, вызывавшую онемение черепа, что позволяло Пенфилду и его коллегам открыть череп и разглядеть внутри змеевидные складки коры головного мозга[25]. Прежде чем удалить опухолевую или поврежденную ткань, ставшую причиной приступов, Пенфилд должен был эту ткань найти. Ему также необходимо было понять функцию соседних участков коры, чтобы отделить скальпелем важные ткани, так чтобы в дальнейшем человек продолжал чувствовать, говорить и двигаться. Для этого Пенфилд подводил электрод непосредственно к поверхности мозга пациента. Мозг не имеет собственных болевых рецепторов, так что пациенты не испытывали от электрода никакого дискомфорта.

С помощью электрода Пенфилд посылал в каждую выбранную точку мозга слабый электрический импульс. Этот импульс нарушал естественную активность нейронов, так что становилось понятно, что они делают. Когда Пенфилд стимулировал участки карты S1, пациент мог чувствовать покалывание или оцепенение в какой-то части тела. Пациенты во время операции не спали, а играли активную роль: сообщали о своих ощущениях и выполняли просьбы хирурга говорить, читать или двигаться в нужный момент. Они также должны были сообщать, если чувствовали приближение приступа, что означало, что зонд Пенфилда, вероятно, коснулся поврежденной ткани, являющейся триггером приступа.

Когда процесс поисков завершался, Пенфилд с коллегами знали, где находится ткань, вызывавшая приступы, и какие важные функции мозга реализуются по соседству. Вооружившись этими знаниями, они могли наиболее эффективно извлечь проблемную ткань, сохранив пациенту способность говорить и двигаться. Эта техника стимуляции мозга в процессе хирургической операции давала пациентам максимальную возможность выкарабкаться, сохранив способность двигаться, говорить и функционировать, как раньше, но с меньшим количеством мучительных приступов или вообще без них. На самом деле этот метод настолько хорош, что широко применяется до сих пор.

В результате анализа мозга сотен людей Пенфилд и его коллеги узнали о расположении карт, описывающих движения и прикосновения, в том числе о расположении соматосенсорной карты S1. У человека, как и у других животных, правая сторона тела представлена в левой стороне мозга, и наоборот. В каждом полушарии мозга эта карта простирается от боковой части мозга (примерно за ухом) до верхушки. Схема строения и расположения карты показана на рис. 11. На одном краю карты (на одной стороне мозга) отображается одна сторона внутренней части рта, язык и губы. По мере продвижения вверх, к верхней части мозга, на карте появляются внешние поверхности лица, а затем большой палец и остальные пальцы руки, а также другие части руки и плеча на этой же стороне тела. Наконец, под самой верхушкой черепа располагается карта торса, таза, ног и ступней этой стороны тела.

Рис. 11. Схема человеческой тактильной карты S1. Представлена половина карты, соответствующая участкам на противоположной стороне тела. Художник Пол Ким.

На рисунке наблюдается странность: создается впечатление, что на этой карте элементы “перемешаны”, как в неправильно собранном пазле. Самое странное несоответствие выражается в резком переходе ото лба к большому пальцу руки, хотя в человеческом теле нет функциональной связи между этими частями тела.

Странное соседство лица и большого пальца на карте S1 – пример нарушения непрерывности; это точка, в которой карта отходит от идеального и точного отображения строения тела. В таких точках разрыва нарушается принцип отображения соседних сигналов из внешнего мира (например, прикосновений к соседним точкам на коже) на соседних участках ткани мозга. На большинстве карт эти разрывы невелики, но в некоторых случаях, как на человеческой соматосенсорной карте S1, они могут быть огромными. Чтобы понять смысл этих разрывов, представьте себе кожуру апельсина (рис. 12). Не существует способа представить сферическую поверхность в плоском виде, не разрезав ее или не растянув. Картографы сталкиваются с такой же проблемой, когда создают двумерное изображение поверхности Земли. Где-то нужно сделать разрез, разрушающий непрерывность поверхности сферы. Если читать карту мира буквально, восточная и западная части Тихого океана окажутся на максимальном расстоянии друг от друга, хотя в реальности у них общая вода и одни и те же волны.