Страница 8 из 19
Возможно, мы скорее поймем эту проблему, если немного спустимся по лестнице эволюции и рассмотрим животное, чьи сенсорные системы воспринимают еще более ограниченную информацию, чем наши.
Пожалуй, самый важный и четкий эксперимент в этой области был проведен над системой зрительного восприятия у лягушки. Очевидно, что лягушка занимает иную «эволюционную нишу», нежели человек, и, вероятно, отбор в ее нервной системе происходит иначе. Но никто не мог предположить, какая огромная разница существует между нервной системой земноводного и человека!
Группа исследователей из Массачусетского Технологического Института (МIТ) под руководством Джерри Леттвина (Jerry Lettvin) поставила эксперимент, в ходе которого глаз лягушки, находившейся в неподвижном состоянии, подвергали визуальной стимуляции. Лягушка так располагалась в пространстве, что ее глаз оказывался в центре полусферы радиусом в семь дюймов9. На внутренней поверхности этой полусферы с помощью магнитов помещали небольшие предметы в различном положении, или их перемещали внутри полусферы.
Ученые вживляли микроэлектроды в зрительный нерв лягушки, чтобы определить, «что лягушачий глаз сообщает лягушачьему мозгу» – так называлась эта классическая статья. Поскольку сам по себе глаз лягушки более-менее схож с глазами других существ, ученые ожидали, что запись электрических возбуждений оптического нерва выделит разного рода «сообщения», которые ее глаз передает мозгу. Предполагалось, что анализ этих сообщений раскроет взаимосвязь между вызванными временными «рисунками» (паттернами10) электрической активности и различными предметами, предъявляемыми лягушке на полусфере.
Существует бесконечное множество различных зрительных конфигураций, которые можно предъявить лягушке – цвета, фигуры, движения и их различные комбинации – ассортимент, отражающий богатство видимого мира, который мы воспринимаем. Предъявляя лягушке это множество различных объектов, цветов и движений, исследователи обнаружили примечательное явление: в ответ на все виды зрительной стимуляции из сетчатки посылались в мозг лишь четыре вида «сообщения». Иными словами, не важно, насколько сложна окружающая среда, сколько тонких различий существует в ней, лягушачий глаз посылает в мозг лишь несколько различных сообщений. Можно предположить, что лягушачий глаз развивался таким образом, чтобы отбрасывать остальную информацию.
Структура глаза позволяет лягушке «распознавать» лишь четыре различных вида внешней деятельности. Леттвин и его сотрудники назвали четыре соответствующих системы детекторами устойчивых контрастов (sustained contrast detectors), детекторами движения (moving-edge detectors), детекторами освещенности (net dimming detectors), детекторами выпуклости (net convexity detectors). Первые дают сведения об общих очертаниях обстановки; вторые реагируют на любое существенное движение; третьи, по-видимому, усиливают реакцию на внезапное уменьшение освещенности, когда нападает враг крупных размеров.
Четвертый тип сообщения, передаваемый детекторами выпуклости, самым очевидным образом связан с биологическими потребностями лягушки и наиболее интересен. Детекторы округлости не реагируют на общее изменение освещения или контраста; они реагируют лишь тогда, когда небольшие темные объекты попадают в поле зрения и движутся вблизи глаза. Вот так лягушка добывает себе еду, так она может видеть летающих насекомых даже при помощи своей высокоспециализированной системы зрительного восприятия. Лягушка развила свои собственные подсистемы восприятия, которые «запаяны» в ее органы чувств – она почти автоматически реагирует на летающих рядом насекомых!
Такого же рода исследование прояснило механизм восприятия и сознания у других организмов. Результаты показывают, что зрение осуществляется не в глазах, а при помощи глаз. Первая часть визуального опыта состоит в том, что глаз сообщает мозгу; вторая часть – в том, что мозг сообщает глазу.
В каждом человеческом глазу примерно 126 миллионов фоторецепторов; их импульсы сходятся к миллиону ганглиозных клеток. Информация о внешнем мире становится все более упрощенной и отвлеченной по мере того, как эта информация проходит путь с периферии к зрительной коре головного мозга.
Информация из левого глаза попадает в левый оптический нерв, информация из правого глаза идет по правому оптическому нерву. Изменение происходит на пересечении, называемом перекрестом зрительных нервов: некоторые из аксонов переходят на другую сторону. Аксоны из левых частей обоих глаз попадают в левую сторону мозга, а аксоны из правых частей обоих глаз идут к правой стороне. Меняется система расположения аксонов, но не их структура. Их название тоже меняется. После перехода зрительный нерв называется зрительным трактом.
Миллионы нервных волокон каждого из двух зрительных пучков сначала достигают мозга в латеральном коленчатом теле (ЛКТ) зрительного бугра (thalamus), так что зрительная кора приводится в состояние готовности для ввода визуальных данных через ЛКТ. По-видимому, ЛКТ представляет собой нечто вроде коммутационной станции, передающей сообщения зрительной коре. На уровне ЛКТ, сообщения от обоих глаз остаются раздельными. ЛКТ также анализирует цветовые сигналы. Нервные волокна, выходящие из ЛКТ, разветвляются, передавая информацию зрительной коре.
В экспериментах Леттвина и аналогичным им частота разрядов единичного аксона может быть измерена и зарегистрирована тонким, как волосок, электродом. Освещая глаз животного ярким светом и регистрируя реакцию отдельных нервных клеток, можно обнаружить, какие клетки реагируют на этот раздражитель. Область раздражения, на которую реагирует клетка, называется рецептивным полем. Функция клеток в зрительной коре отличается от функции клеток оптического тракта. Когда регистрируется реакция индивидуальных корковых клеток, лучше всего они реагируют на специфические свойства окружающей среды и потому называются анализаторами признаков. (Однако, на самом деле, эти клетки могут выполнять другие, нам неизвестные функции.)
У человека более 100 миллионов нейронов в зрительной коре, и мы до сих не знаем степень их специализации. Чтобы определить те характерные признаки, которые должны улавливать специфические клетки, ученым необходимо выделить и идентифицировать рецептивные поля. Оказывается, что каждый вид животных обладает особым набором анализаторов признаков, которые выделяют объекты и события, важные для этого вида. У таких животных, как лягушка, эта способность к отбору развита в крайней степени.
Зрительная система кошки, изученная лучше других, отбирает края, углы и объекты, движущиеся в разных направлениях. У обезьян отдельные клетки, по-видимому, реагируют на особые свойства окружающей среды. В одном исследовании группа ученых проводила эксперименты с макаком-резус. Они отводили активность одной клетки зрительной коры и попытались выяснить, что заставит клетку реагировать. Перед макакой клали пищу, показывали ей карточки, движущиеся объекты и т.д. Исследователи испробовали все, что могли придумать, и не заметили никакой реакции. Наконец, когда они на прощанье помахали перед глазами у обезьянки рукой, в клетке возникла бурная реакция. Потом этой клетке предлагали множество новых раздражителей. Чем больше раздражитель походил на кисть руки обезьянки, тем сильнее оказывалась реакция клетки. Данный пример доказывает, что, по крайней мере, у обезьяны мы можем отождествить отдельно взятую клетку, которая бурно реагирует на крайне специфичный признак.
Ученые-нейробиологи Хьюбел и Визел из Гарвардского университета, получившие за свою работу Нобелевскую премию, открыли три основных категории клеток зрительной коры у кошек, каждая из которых обнаруживает специфические типы «рисунков» (паттернов).
1. Простые клетки (simple cells) реагируют на полосу, линию или край. Поскольку простые клетки сильнее всего реагируют на определенные углы, они называются детекторы ориентации. Они организованы в зрительной коре колонками; каждая колонка содержит клетки, реагирующие на определенную ориентацию.
2. Сложные, комплексные клетки (complex cells) реагируют на ориентацию и движение, скажем, диагональную линию, движущуюся слева направо.
3. Сверхсложные, гиперкомплексные клетки (hypercomplex cells) реагируют на любую полосу света, независимо от ее ориентации. Неуклюжий термин «гиперкомплексные» отражает поразительную сложность корковой системы отбора признаков; ученые никак не рассчитывали, что обнаружат клетки, превосходящие по своей сложности «комплексные». Возможно, когда-нибудь будут найдены другие клетки, которые реагируют на еще более специальные свойства окружающей среды (как клетка обезьянки, реагирующая на взмах руки).
9
Т.е. радиусом примерно 18 см., поскольку дюйм равен 2,54 см. (Примеч. перев.)
10
Pattern – «шаблон», «система», «структура», «принцип», «модель», «узор». (Примеч перев.)