Mozg_i_coznanie_Almanakh

Когда Бель привела в движение руку робота лишь одним усилием мысли, к ее голове была приклеена шапочка, под которой размещались четыре пластиковых соединитель( ных устройства, каждое с пучком имплантированных в ко( ру тончайших микроэлектродов (а). Когда обезьянка заме( чала, что на панели вспыхивают лампочки, и принимала решение переместить рукоятку джойстика вправо или влево, микроэлектроды регистрировали электрические сигналы от активированных нейронов коры и передавали их электронным устройствам в «ящик Харви»

Бель в лаборатории Университета Дьюка в Дареме, штат Северная Каролина

Шапочка

Но технические возможности не позволяли им осу/ ществлять одновременную регистрацию нейронов в разных областях коры. Кроме того, большинство исследователей в то время полагало, что представ/ ление о работе головного мозга можно получить, изучая свойства нейронов «поодиночке» — подход, сравнимый разве что с попыткой объяснить эко/ логическую структуру леса с помощью описания свойств отдельных деревьев.

К счастью, такую точку зрения разделяли дале/ ко не все нейрофизиологи. Когда 14 лет назад ав/ торы этой статьи встретились, речь тут же зашла об одновременной регистрации множества оди/ ночных нейронов. В 1993 г. им удалось одновре/ менно зарегистрировать активность 48 нейронов, расположенных в 5 структурах сенсомоторной си/ стемы крысы, т. е. в тех отделах головного мозга, которые воспринимают сенсорную информацию и используют ее для регуляции движений.

Мы добились столь успешных результатов бла/ годаря новому поколению электродов, предна/ значенных для вживления в мозг животных. Они были изготовлены из нержавеющей стальной проволоки микроскопического диаметра с теф/ лоновым покрытием. В те годы большинство специалистов пользовались стандартными элект/ родами, напоминавшими швейные иглы. Эффек/ тивно работали они лишь несколько часов, т.к. у их кончиков скапливались химические компо/ ненты клеток, образовывавшие слой электроизо/ ляции. Кроме того, острие электродов поврежда/ ло нейроны даже при незначительных смещени/ ях головного мозга, неизбежно сопровождающих обычную двигательную активность животного. Микроэлектроды, разработанные в нашей ла/ боратории, были более гибкими и имели более

ОБЗОР: ИНТЕРФЕЙСЫ «МОЗГ—МАШИНА»

•Крысы и обезьяны, чей головной мозг был соеди( нен проводами с компьютером, успешно управляли рычагом или рукой робота, просто представляя се( бе, как их собственная конечность нажимает на пе( даль или совершает движения.

•Такие «трюки» стали возможными благодаря соз( данию нового поколения микроэлектродов для вжи( вления в моторную кору животных и разработке ал( горитмов, преобразующих электрическую актив( ность нейронов головного мозга в команды, способ( ные управлять механическими устройствами.

•Создание сложных интерфейсов «мозг—машина» для человека — дело далекого будущего, но техно( логические разработки в конце концов позволят людям, лишившимся руки, управлять рукой робота одним усилием мысли, а больным с травмой спин( ного мозга — вновь обрести контроль над парали( зованной конечностью.

100

тупые кончики диаметром около 50 микрон. Это дало нам возможность регистрировать активность одиночных нейронов целыми месяцами, и когда новая методика была освоена, мы приступили к разработке систем для преобразования мозго/ вых сигналов в команды, способные управлять работой механического устройства.

Мы сконструировали небольшой «ящик Харви» с электронными устройствами, обеспечивающи/ ми выборочный анализ, фильтрацию и усиление нейронных сигналов, отводимых многочислен/ ными электродами. Специально разработанные программы благодаря анализу особенностей электрического разряда каждой из клеток позво/ ляли дифференцировать электрическую актив/ ность до 4 нейронов, одновременно регистрируе/ мых одним электродом.

Головной мозг крысы управляет движениями рычага

Вспециальной серии опытов, проведенных

всередине 1990/х гг., мы обучали крысу управ/ лять движениями рычага лишь усилием «мысли». Вначале мы тренировали животное нажимать пе/ редней лапой на педаль, соединенную с рычагом, находившимся за пределами клетки. Когда крыса нажимала на нее, электронное устройство накло/ няло рычаг, и из желоба вытекала вода, которую животное могло выпить.

На голове крысы мы укрепили небольшой ана/ лог интерфейса «мозг–машина», которым впослед/ ствии предстояло воспользоваться Бель. Всякий раз, когда головной мозг животного отдавал лапе команду нажать на педаль, осуществлялась одно/ временная регистрация потенциалов действия 46 нейронов. Интегратор, запрограммированный с помощью подбора регистров, оценивал и обра/ батывал сигналы нейронов и генерировал еди/ ный аналоговый выход, очень точно предсказы/ вавший траекторию движения лапы крысы. Мы соединили этот интегратор с устройством управ/ ления, посредством которого он мог передавать команды рычагу.

Когда животное научилось нажимать на пе/ даль, чтобы получать воду, мы отсоединили его от рычага. Крыса давила на педаль, но ничего не происходило. Зверек отчаянно повторял это действие много раз. Вдруг рычаг наклонился, и крыса получила каплю воды. Она не ведала, что 46 нейронов в ее мозгу выдали точно такой же паттерн импульсной активности, что и в случаях, когда нажатие на педаль избавляло крысу от жа/ жды. И этот паттерн заставил интегратор приве/ сти в движение рычаг.

МОЗГ: СТРУКТУРЫ И ФУНКЦИИ

Спустя несколько часов крыса окончательно поняла, что ей больше не нужно нажимать на пе/ даль. Стоило зверьку представить, что он это де/ лает, как нейроны начинали генерировать такой паттерн импульсной активности, который наш интерфейс «мозг—машина» воспринимал как двига/ тельную команду к опусканию рычага. В общей слож/ ности это задание успешно освоили 4 из 6 крыс. Они поняли, что им нужно лишь «продумать» действие. Точно так же и человек с травмированной или ампу/ тированной конечностью смог бы управлять движе/ ниями руки робота, соединенной с его плечом.

Головной мозг обезьяны управляет движениями руки робота

Успехи подопытных крыс вдохновили нас. Мы решили пойти дальше и заставить руку робота воспроизводить «трехмерные» движения, совер/ шаемые обезьяной, животным, чей головной мозг имеет гораздо большее сходство с человеческим, чем крысиный.

Мы сконструировали интерфейс, позволяю/ щий одновременно регистрировать активность до 100 нейронов в лобных и теменных долях коры. Сначала мы испытали его работу на не/ скольких обезьянках дурукули. Выбор пал на этих животных потому, что моторные зоны представ/ лены у них гладким поверхностным слоем коры, что значительно облегчает вживление микро/ электродов в мозг. В своих первых экспериментах мы обучали обезьян (в том числе и Бель) двигать джойстик влево и вправо в ответ на появление света в левой или правой частях экрана. Через некоторое время мы усаживали их в кресла перед непрозрачной перегородкой. Когда она поднима/ лась, обезьяны видели перед собой лежащий на подносе фрукт. Животные должны были протя/ нуть руку, взять его, поднести ко рту и вернуть руку в исходное положение.

Положение руки животного можно было точно предсказать за несколько сотен миллисекунд на основании простого суммирования электриче/ ской активности моторных нейронов коры. Глав/ ная хитрость заключалась в том, что для наиболее эффективного предсказания движений в реаль/ ном времени компьютер должен был непрерывно суммировать активность, генерируемую нейро/ нами за секунду до совершения животным этих движений.

Затем мы приобрели более совершенную мо/ дель «ящика Харви». С помощью данного устрой/ ства и нескольких специально разработанных алгоритмов реального времени наш компьютер производил выборки и интегрировал каждые

102

50–100 миллисекунд потенциалы действия ней/ ронов. Компьютерные программы преобразовы/ вали выход в инструкции, способные направлять движения руки робота в трехмерном простран/ стве. После этого мы использовали интерфейс «мозг–машина» для управления роботом. Когда мы наблюдали за тем, как многозвенная рука ро/ бота повторяет жесты Бель, нам едва верилось

вреальность происходящего. Ведь из десятков миллионов нейронов головного мозга работу руки осуществляли всего/навсего 50–100 наугад вы/ бранных нами нервных клеток!

Последующий математический анализ показал, что точность движений робота пропорциональна числу регистрируемых нейронов, но с увеличени/ ем их числа эта линейная зависимость начинала сходить на нет. Выборка из 100 нейронов позволя/ ла нам создавать траектории движений робота, совпадавшие с траекториями руки обезьяны при/ мерно на 70%. Как показал последующий анализ, для 95% точности достаточна выборка всего из 500–700 нейронов (в зависимости от того,

вкакой области мозга находятся нервные клет/ ки). В настоящее время мы пытаемся определить число нейронов, необходимое для воспроизве/ дения движений в трех плоскостях. Подозрева/ ем, что и в этом случае счет пойдет на сотни, а не на тысячи нейронов.

Полученные результаты указывают на то, что

впределах каждой корковой области «нервная ко/ манда» имеет диффузную локализацию. Живот/ ному такая «децентрализация» очень выгодна:

вслучае травмы у головного мозга имеется огром/ ный запас резервных элементов. А для исследо/ вателей это означает, что работу нейропротеза, основанного на ИММ и предназначенного для парализованных больных, могут обеспечить гораз/ до меньшие популяции нейронов, чем предпола/ галось прежде.

Эксперименты с Бель и с другими животными показали, что по мере того как они все лучше справлялись с заданием, свойства их нейронов изменялись. Чтобы приспособиться к такому «моторному обучению», мы дополнили нашу модель простой программой, позволившей периодически переоценивать вклад каждого нейрона. Нервные клетки, перестававшие играть значимую роль, исключались из модели, а нейроны с более выра/ женной активностью вводились в нее. По сути дела, мы научились «вычленять» из головного мозга нервный выход, определяющий траекто/ рию движения руки.

Важно отметить, что постепенное изменение характера нейронной активности расширяет

МОЗГ: СТРУКТУРЫ И ФУНКЦИИ

пластические возможности головного мозга. Количество потенциалов действия, генерируе/ мое нейроном перед данным движением руки, изменяется по мере того, как совершенствуются навыки животного в экспериментальной ситуа/ ции. И все же динамичное изменение свойств нейронов не составляет помехи для практиче/ ского использования интерфейсов «мозг–маши/ на». Одно из преимуществ диффузного нейронно/ го выхода заключается в том, что он не зависит от функционирования какой/либо небольшой группы нейронов. Если ИММ может поддержи/ вать надежную регистрацию активности сотен и даже тысяч одиночных нейронов в течение нескольких месяцев и даже лет и использовать модели, способные к обучению, он легко «при/ способится» к изменению свойств нейронов, гибели нервных клеток и даже к ухудшению качества регистрации нейронной активности микроэлектродами.

Использование сенсорной обратной связи

Эксперименты с участием Бель доказали, что ИММ может «сотрудничать» с головным мозгом примитивных приматов. Но можно ли приспо/ собить его для работы с более сложным мозгом? Чтобы ответить на этот вопрос, мы начали серию экспериментов с участием трех макак. Поверхность головного мозга обезьян покрыта глубокими бороздами и извилинами, напомина/ ющими мозг человека.

Висследовании применялся такой же ИММ, что

ив экспериментах с Бель, но с одним существен/

Альманах «МОЗГ И СОЗНАНИЕ»

ным дополнением: теперь, используя зрительную обратную связь, обезьяны сами могли судить о том, насколько точно ИММ воспроизводит движения их рук. Произвольно двигая джойстик в разных направлениях, животные могли изменять положе/ ние курсора на экране компьютера. Внезапно в каком/либо месте экрана появлялась круглая мишень. Для того чтобы получить глоток фрукто/ вого сока, обезьяна должна была быстрым дви/ жением джойстика (в пределах 0,5 секунды) «попасть» курсором в мишень.

Первой успешно справилась с заданием изящ/ ная самка по кличке Аврора, которая с явным удовольствием демонстрировала свое умение ловко «поражать цель». Сотрудники нашей лабо/ ратории в течение года регистрировали актив/ ность до 92 нейронов в пяти лобных и теменных областях коры этой обезьянки.

Когда Аврора полностью освоила «игру», мы ре/ шили подшутить над ней. Примерно в 30% испы/ таний мы прерывали связь между джойстиком и курсором. Отныне обезьяна должна была пола/ гаться исключительно на активность своего моз/ га, анализируемую ИММ. Какое/то время Аврора еще продолжала совершать движения руками, но через несколько дней поняла, что может пол/ ностью регулировать положение курсора мозгом. Через несколько недель, в течение которых ежедневно проводились испытания, обезьяна вообще перестала утруждать себя, просто мыс/ ленно «прочерчивая» траекторию движения кур/ сора на экране.

Поскольку Аврора могла следить за ходом выполнения задания с помощью экрана, пред/ сказания интерфейса «мозг—машина» станови/ лись более точными — даже в тех случаях, когда регистрировалась активность одних и тех же нейронов. Зрительная обратная связь помогла Авроре максимизировать реакцию ИММ на обу/ чение как мозга, так и машины. А если так, то зрительная или какая/либо иная сенсорная обратная связь позволит людям улучшать функционирование своих собственных интер/ фейсов «мозг—машина».

Прошел год с тех пор, как в головной мозг Авроры были вживлены микроэлектроды. Мы ежедневно регистрируем активность 60–70 нейро/ нов, а это означает, что наша конструкция микро/ электродов способна обеспечить длительное, высококачественное многоканальное отведе/ ние электрических сигналов даже у приматов со «складчатой» поверхностью коры.

Недавно мы приступили к модификации интерфейса «мозг–машина» для подготовки новой

103

БЛОКАДА СУДОРОГ

Как показали недавние исследования, в будущем интер( фейсы «мозг—машина» позволят предотвращать судорож( ную активность головного мозга у больных, страдающих тяжелыми формами хронической эпилепсии. Судорожные припадки могут развиваться по нескольку десятков раз в день, что делает жизнь больного невыносимой и может привести к тяжелому поражению мозга. Что еще хуже, больные, как правило, становятся толерантными к тради( ционной медикаментозной терапии.

Для предотвращения судорог ИММ будет функциониро( вать наподобие водителя сердечного ритма (пейсмейке( ра). Он будет постоянно следить за электрической актив( ностью головного мозга и выявлять паттерны, свидетель( ствующие о приближении припадка. Если ИММ выявит такой сигнал, он передаст в мозг или периферическому нерву электрическое раздражение, которое подавит раз( витие припадка или стимулирует высвобождение проти( восудорожного лекарства.

В Университете Дьюка исследователи обосновали воз( можность такого подхода. ИММ обеспечивали микро( электроды, вживленные в мозг крыс, которым вводился пентилентетразол, — препарат, вызывающий повтор( ные эпилептические припадки средней тяжести. Разви( тие припадка сопровождается высоко синхронными вспышками активности корковых нейронов. Когда «мозговой пейсмейкер» выявлял такой паттерн актив( ности, он запускал электрическую стимуляцию одной из ветвей тройничного нерва — большого небного нерва. Короткий стимул быстро и эффективно, не повреждая нерв, прерывал эпилептическую активность и снижал частоту развития и длительность судорог.

Головной мозг во время эпилептического припадка. Желтым выделены зоны повышенной активности мозга. Изображение получено с помощью

позитронно(

эмиссионной

томографии.

серии опытов с использованием тактильной об/ ратной связи. ИММ будет управлять рукой робота, снабженной механизмом захвата, имитирующим кисть. Силовые датчики сообщат о том, что рука робота соприкоснулась с предметом и определят силу, необходимую для его удержания. Вживление под кожу небольших вибраторов обеспечит так/

104

тильную обратную связь, благодаря которой обезьяна сможет узнать, насколько предмет тя/ жел, скользок и т.д. По изменению частоты вибра/ ций животное сможет судить о том, какая сила потребуется руке робота, чтобы поднять кусочек фрукта, удержать его на весу и донести до рта. Такой эксперимент стал бы самым убедитель/ ным доказательством того, что даже тяжело па/ рализованный человек вполне может вернуть се/ бе способность двигать конечностями благодаря вживленному в мозг имплантату, соединенному (проводами или без них) с генераторами сигна/ лов в руке или ноге.

Если зрительные и тактильные ощущения имитируют информацию, которой обычно обме/ ниваются рука обезьяны с головным мозгом, то долгосрочное взаимодействие с ИММ сможет, по/видимому, «побудить» головной мозг вклю/ чить робота в свои «представительства». Иными словами, не исключено, что мозг приобретет спо/ собность воспринимать искусственное устрой/ ство как еще одну часть тела, а нервная ткань мозга сможет обслуживать руку робота.

Для проверки гипотезы мы проведем новую серию экспериментов, подобных тем, в которых участвовала Аврора, с той лишь разницей, что рука подопытного животного будет анестезиро/ вана, чтобы блокировать передачу любой есте/ ственной информации по принципу обратной связи. Если головной мозг животного включит руку робота в «представительства» тела, можно ожидать, что то же самое сможет сделать и мозг парализованного человека.

Головной мозг очень пластичен. Но всему есть предел. Маловероятно, например, что человек, перенесший тяжелый инсульт, сможет обрести полный контроль над функционированием робо/ та. Как правило, поражения мозга при такой болезни имеют обширный характер и затраги/ вают большую массу белого вещества (состоящего из нервных волокон, связывающих друг с дру/ гом отдельные области мозга), что приводит к сильному снижению пластичности. Вот поче/ му жертвы инсульта, утратившие способность двигать конечностями, обретают ее вновь доволь/ но редко.

Оценка реальных возможностей

Исследователям предстоит преодолеть еще множество различных трудностей, пока интер/ фейсы «мозг–машина» по праву будут считаться безопасным, надежным и эффективным терапев/ тическим средством. Способность ИММ улуч/ шать состояние больных, не подвергая их риску

МОЗГ: СТРУКТУРЫ И ФУНКЦИИ

цифры отличаются друг от друга ничуть не хуже, чем наклонные линии от прямых. Таким образом, основу для группировки элементов обеспечивают лишь некие примитивные признаки (например, цвет точек или ориентация линий), а не более сложные перцептивные качества (например, чис/ ленное значение цифр).

А что произойдет, если мешанину из цифр по/ казать синестетам, утверждающим, что видят «пятерки» в красном цвете, а «двойки» — в зеле/ ном? Мы расположили «двойки» таким образом, чтобы они образовывали вершины треугольника. Если синестезия и в самом деле сенсорный фено/ мен, испытуемые без труда разглядят треуголь/ ник, т.к. цифры видятся ими в разном цвете.

Когда мы предложили тест обычным людям, никакого чуда не произошло, однако синестеты в 90% случаев правильно идентифицировали форму спрятанной фигуры. Таким образом, на/ прашивается вывод, что индуцируемые цифрами цвета — не выдумка синестетов, а подлинно сен/ сорные ощущения. Приведем еще один порази/ тельный пример. Синестет, у которого цифра «5» вызывала ощущение красного, смотрел на белое изображение «пятерки» на дисплее компьютера. Он не замечал никаких изменений, когда мы уве/ личивали интенсивность красного цвета в изо/ бражении до тех пор, пока она не становилась до/ статочно высокой для восприятия глазом. Но он сразу же замечал самое незначительное увеличе/ ние интенсивности зеленого цвета в изображе/ нии цифры.

Переработка зрительной информации

Если синестезия реально существует, уместно спросить: почему необычное явление встречает/ ся лишь у некоторых людей? Результаты наших экспериментов подтверждают предположение,

ОБЗОР: СИНЕСТЕЗИЯ

•Синестезия (от греческих слов syn — вместе и aisthesis — чувство) — одновременное возникновение ощущений разной природы (модальности) при воздействии мономо( дального раздражителя.

•Долгое время ученые считали синестезию уловкой мо( шенников или объясняли ее активацией следов памяти. Сегодня доказана реальность этого явления. Ее объясня( ют взаимной активацией определенных областей мозга, которые в норме функционально разобщены.

•Изучая механизмы синестезии, исследователи попутно получают новые данные о переработке сенсорной инфор( мации в мозге и ее использовании для формирования аб( страктных связей между, казалось бы, никак не связан( ными друг с другом объектами и представлениями.

108

что причина кроется в особенностях нервных связей между различными отделами головного мозга. Впервые гипотеза была высказана более века назад, но только теперь мы можем говорить, в каких именно отделах мозга локализованы связи и как они функционируют.

Чтобы разобраться в нейрофизиологических механизмах синестезии, необходимо в общих чертах ознакомиться с процессами переработки зрительной информации в головном мозге. После того как отраженный от предмета свет попадает на палочки (светочувствительные рецепторы)

иколбочки (рецепторы цвета) в сетчатке глаза, он посылает нервные сигналы в поле 17, располо/ женное в затылочной доле коры головного мозга. Здесь изображение предмета подвергается даль/ нейшему анализу, и мозг оценивает его элемен/ тарные признаки: цвет, параметры движения, форму, глубину и т.д. Полученные сведения пере/ даются в несколько обширных областей височ/ ных и теменных долей коры. Данные о цвете поступают в поле V4 веретенообразной извилины височной коры. Отсюда они направляются в цен/ тры переработки цветовой информации более высокого иерархического уровня (в том числе в небольшой участок коры, расположенный по соседству с зоной ТРО — областью на стыке ви/ сочной, теменной и затылочной долей коры). Эти участки мозга ответственны за более сложные ас/ пекты переработки цветовой информации. Так, например, благодаря их деятельности листья в сумерках кажутся такими же зелеными, как

ив полдень, хотя спектральный состав отражае/ мого ими света в это время суток совсем иной.

Переработка информации, связанная с чис/ ленными расчетами, протекает тоже поэтапно. Она начинается в веретенообразной извилине,

где распознается форма цифровых символов, а завершается в угловой извилине — части зоны ТРО, ответственной за формирование таких представлений, как последовательность и коли/ чество. (При повреждении угловой извилины вследствие инсульта или опухоли больной может идентифицировать цифры, но не способен выполнять операции деления и вычитания.) Исс/ ледования, проведенные с помощью магниторе/ зонансной томографии, указывают и на то, что изображения букв или цифр (графемы) вызывают у людей активацию нейронов веретенообразной извилины, а переработка звуков (фонем) про/ текает на более высоких уровнях, находящихся

внепосредственной близости от зоны ТРО. Поскольку информация и о цвете, и о цифрах

перерабатывается в веретенообразной извилине

МОЗГ: СТРУКТУРЫ И ФУНКЦИИ

«СИНТЕТИЧЕСКИЕ» ОЩУЩЕНИЯ

При одной из наиболее распространенных форм синестезии изображения цифр вызывают цветовые ощущения. Это объясняется взаимной активацией областей мозга, которые в норме при переработке цветовой и цифровой ин; формации друг с другом не взаимодействуют.

Зона ТРО

Теменная доля

Поле 17

Зрительный

нерв

Нервные импульсы из сет; чатки направляются в поле 17, расположенное в задней части головного мозга. Здесь анализируются такие простые признаки раздра; жителя, как его цвет, форма, глубина.

Затем информация о цвете передается в поле V4,

рядом с которым располо; жена зона, где перерабаты; вается информация о внеш; нем виде цифр. Здесь

иосуществляется

взаимодействие между цветовой и цифровой зонами мозга (короткие розовые

изеленые стрелки). Наконец, цветовая информа; ция достигает зоны ТРО.

В угловой извилине (там, где формируются представ; ления о последовательно; сти и количестве) происхо; дит переработка информа; ции, связанная с числовыми расчетами. Этим может объясняться синестезия, при которой цветовые ощущения связаны с абстрактными числовыми

последовательностями (днями недели, месяцами

ит.д.).

не отличается от нормы, но баланс между уровнем химических веществ, которыми обмениваются структуры, нарушен, поэтому сегодня мы пред/ почитаем говорить о кросс/активации корковых областей. Известно, что соседние участки мозга нередко подавляют активность друг друга. Нару/ шение химического равновесия, ослабляющее это взаимное сдерживание (вызванное, напри/ мер, блокадой действия некоего тормозного ней/ ротрансмиттера), приводит к активации одной области, что, в свою очередь, влечет за собой повышение уровня активации соседнего участка. В принципе, такая взаимная активация может иметь место и между двумя удаленными областя/ ми мозга, что могло бы объяснить некоторые редко встречающиеся формы синестезии.

Данное предположение подтверждается и дан/ ными психологических экспериментов. Когда мы рассматриваем маленькое изображение знака «+», на некотором расстоянии от которого изобра/ жена цифра «5», нам нетрудно распознать цифру, даже если она и не находится в центре зритель/ ного поля (рис. с. 109). Но если цифру «5» помес/ тить среди других цифр (например, «троек»), ее идентификация будет затруднена, т.к. она исчезнет из фокуса. Испытуемые с обычным вос/ приятием узнают «пятерку» только по чистой случайности, что объясняется ограниченно/ стью ресурсов нашего внимания, а не тем обсто/ ятельством, что периферическое зрение дает рас/ плывчатое изображение предметов. «Тройки» отвлекают нас от расположенной в центре «пя/ терки» и мешают рассмотреть ее как следует.

Представьте наше удивление, когда тест был предложен синестету. Глядя на экран, он заявлял:

«Я не могу рассмотреть центральную цифру. Она расплывчатая, но красная. Поэтому я утверждаю, что это — «пятерка». Хотя сознание испытуемого и не зарегистрировало центральную цифру, свя/ занная с ней информация подверглась перера/ ботке в одном из участков головного мозга. Таким образом, синестет логически идентифицировал цифру по цвету. Если наше предположение

окросс/активации верно, то это означает, что циф/ ровая информация преобразовывается в верете/ нообразной извилине и вызывает цветовое ощуще/ ние еще до того, как в мозгу начинается перера/ ботка информации, связанная с дедуцированием цифр. Как ни парадоксально, синестезию может породить даже невидимая цифра.

Данный вывод подтверждает и еще одно обсто/ ятельство. Когда мы уменьшали контраст между интенсивностью окраски цифры и фона, у испытуе/ мых цветовые синестетические ощущения посте/ пенно ослабевали, а при низком контрасте исчеза/ ли вовсе. Это указывает на то, что зрительное вос/ приятие цифр далеко не всегда порождает цветовые синестетические ощущения. Возможно, активация нейронов веретенообразной извилины, вызываемая низкоконтрастными цифрами, вполне достаточна для осознанного восприятия цифр, но недостаточна для активации цветовых клеток поля V4.

Кроме того, было обнаружено, что изображе/ ния римских цифр у испытуемых/синестетов не вызвали никаких цветовых ощущений. Это свидетельствует о том, что цветовое ощущение вызывает не численное значение цифры, а зри/ тельное восприятие графемы. Следовательно «цифро/цветовая» синестезия может возникать в результате активации двух участков верете/ нообразной извилины, т.к. эта структура участ/ вует главным образом в анализе изображения, а не численного значения цифр.

Когда круг наших испытуемых/синестетов рас/ ширился, стало ясно, что все они расцвечивают окружающий мир по/разному. У некоторых из них даже дни недели и месяцы года вызывали цветовые ощущения. Понедельник иногда был зеленым, среда — розовой, а декабрь — желтым. Единственным, что объединяло дни недели, ме/ сяцы и цифры, было представление испытуемого

очисловой последовательности. Возможно, у не/ которых синестетов цветовые ощущения вызыва/ ет не зрительное восприятие (внешний вид) циф/ ры, а скорее абстрактное понятие числовой пос/ ледовательности. В таком случае не исключено, что кросс/активация происходит не между облас/ тями веретенообразной извилины, а между угло/ вой извилиной и центром переработки цветовой

В ТЕСТЕ зрительной сегрегации синестеты, у которых цифры вызывают определенные цветовые ощущения, мгновенно идентифицируют треугольник, образованный «двойками» в окружении «пятерок» (справа). Испытуемые с обычным восприятием должны для этого внимательно рассматривать каждую цифру по отдельности (слева).

ЕСЛИ ИСПЫТУЕМЫЙ смотрит на расположенный в центре поля зрения «+», то с помощью периферического зрения он без труда различает одну цифру, изображенную на некото( ром расстоянии от центрального объекта (слева). Но если она окружена другими символами (справа), обычному ис( пытуемому распознать ее не удастся — она покажется ему слишком расплывчатой. Синестет легко узнает ее по цвету.

информации более высокого уровня, расположен/ ным близ ТРО. Взаимодействием этих областей и можно было бы объяснить, почему цветовые ощущения у таких синестетов вызывают даже аб/ страктные представления о числах, связанные

сднями неделями или месяцами года. Иными словами, следует говорить о разных формах сине/ стезии: высшей, связанной с представлениями о числовой последовательности, и низшей, поро/ ждаемой изображениями символов.

Висследованиях, проведенных с помощью магниторезонансной томографии совместно

сДжеффом Бойнтоном (Geoff Boynton) из Инсти/ тута биологических исследований Солка в Сан/ Диего, были получены данные, подтверждающие локальную активацию поля V4, предсказанную кросс/активационной моделью синестезии. Ког/ да перед синестетами появлялись черные и бе/ лые цифры, активация мозга возрастала не толь/ ко в цифровом поле (что встречалось и у обыч/ ных испытуемых), но и в поле, ответственном за переработку цветовой информации. Отмечались также различия в характере активации у испы/ туемых с разными формами синестезии. У тех, у кого наблюдалась низшая форма, прослежи/ валась гораздо более высокая, чем у конт/ рольных испытуемых, активация этих зон на ранних стадиях переработки цветовой ин/ формации. У испытуемых с высшей формой уровень активации этих зон на ранних стадиях был ниже.

Синестезия и метафоры

Разгадка нейробиологических механизмов си/ нестезии проливает свет на природу некоторых

Альманах «МОЗГ И СОЗНАНИЕ»

творческих способностей художников, писателей и поэтов. Среди людей искусства синестеты встречаются в 7 раз чаще, чем среди населения в целом. Одна из свойственных им особенностей — легкость, с которой они используют метафоры. Ассоциации между предметами и явлениями, не имеющими, казалось бы, ничего общего, словно сами собой рождаются в их головах. Синестезия предполагает формирование произвольных свя/ зей между стимулами, не имеющими, на первый взгляд, никакого отношения друг к другу (на/ пример, между цифрой и цветом). Метафора же допускает формирование связи между понятия/ ми и представлениями тоже на первый взгляд не имеющими между собой ничего общего. Слу/ чайно ли такое совпадение?

За развитие абстрактных понятий отвечают особые области головного мозга. По/видимо/ му, нет ничего более абстрактного, чем число, но и эта сущность представлена в сравнительно небольшом участке головного мозга — угловой извилине. Допустим, что в результате мутации, вызывающей синестезию, возрастает количество связей между различными корковыми центрами — маленькими участками коры, ответственными за формирование тех или иных представлений (например, связанных с восприятием формы предметов или оттенков какого/либо цвета). В зависимости от того, в каком месте головного мозга и насколько широко в нем экспрессиро/ вался этот ген, человек может стать обладателем синестетических и творческих способностей. Это объясняет выживание совершенно, казалось бы, бесполезного гена синестезии в человеческой популяции.

111

Результаты наших исследований свидетельст/ вуют также о том, что синестетические ощущения свойственны всем людям. Зона ТРО (и находяща/ яся в ее границах угловая извилина), играющая важную роль в возникновении синестетических ощущений, в норме принимает участие в кросс/ модальном синтезе ощущений. Ученые считают, что в эту область коры стекается тактильная, слу/ ховая и зрительная информация для последующе/

ОБЫЧНЫЕ ВОПРОСЫ

• Какие существуют формы синестезии?

Ученые различают около 50 форм синестезии. Синестетиче( ские способности передаются по наследству и чаще встреча( ются у женщин и творческих личностей. В среднем ими обладает один человек из 200. Наиболее распространенная форма синестезии — цветовые ощущения, вызываемые зву( ками и изображениями цифр. Очень редкая форма синесте( зии — ассоциация букв с мужским или женским полом.

•Если у синестета каждая буква или цифра вызывает определенные цветовые ощущения, как он будет реаги ровать на предъявление пары букв или цифр (например, «еа» или 25)?

У него возникнут те цветовые ощущения, которые эти буквы или цифры вызывают по отдельности. Но если буквы (цифры) будут расположены слишком близко, их эффекты могут «нейт( рализовать» друг друга (т.е. цветовые ощущения не возникнут) или, наоборот, усилиться (в том случае, если оба символа поро( ждают один и тот же цвет).

•Одинаковые ли эффекты вызывают прописные и строч ные буквы?

Да. Однако в ряде случаев синестеты сообщали, что строч( ные буквы имеют менее насыщенный цвет или кажутся им блеклыми и даже пятнистыми.

•Как синестеты воспринимают изображение целого слова?

Нередко все слово окрашено в цвет той буквы, с которой оно начинается.

•Как воспринимают буквы синестеты, владеющие несколь кими языками?

В одном языке графемы могут вызывать у них цветовые ощу( щения, а в другом оставаться бесцветными. Причина кроется в том, что разные языки представлены у полиглотов в разных структурах мозга.

•Что происходит, когда синестет представляет себе бук ву (цифру) мысленно?

Воображаемые символы могут вызывать даже более силь( ные цветовые ощущения, чем реальные. Возможно, это «упражнение» активизирует те же самые области мозга, что и восприятие реальных цветов; но, поскольку в этом случае из сетчатки в мозг не поступают конкурирующие сигналы, воображаемый символ порождает более интенсивный сине( стетический цвет, чем реальный символ.

•Может ли синестезия улучшать память?

Может. Известный российский психолог Александр Лурия описал человека с уникальными способностями к запомина( нию материала, обусловленными взаимосвязанностью всех пяти анализаторов (органов чувств). Память улучшает даже взаимосвязанность только двух из них.

112

го формирования перцептивных образов более высокого уровня. Так, например, воспоминание о кошке или звучание слова «кошка» порождают образ зверька с мягким мехом (осязание), кото/ рый умеет мяукать и урчать (слух), обладает хара/ ктерной внешностью (зрение) и издает порой специфический запах (обоняние), — и все эти ас/ социации возникают у нас одновременно.

У человека относительные размеры угловой из/ вилины гораздо больше, чем у других приматов. Не могло ли случиться так, что эта структура моз/ га, исходное предназначение которой заключалось в образовании кросс/модальных ассоциаций, впос/ ледствии стала выполнять более абстрактные функции (например, изобретать метафоры)? Пос/ мотрим на две фигуры, которые впервые исполь/ зовал в своих экспериментах психолог Вольфганг Келер. Одна из них напоминает чернильную кляксу, а другая — остроконечный осколок стекла. Если спросить: «Какая из этих фигур — буба, а какая — кики?», 98 % опрошенных ответят, что клякса — бу/ ба, а осколок — кики. Возможно, это связано с тем, что мягкие очертания амебовидной фигуры мета/ форически имитируют плавные модуляции голоса

иплавные изменения формы губ при произнесе/ нии слова «бу/ба». Напротив, волнообразная струк/ тура звука «ки/ки» и сильное изгибание прижимае/ мого к небу языка при его произнесении каким/то образом имитируют ломаные контуры остроконеч/ ной фигуры. Две формы «кики» (звуковую и зритель/ ную) объединяет лишь одно общее качество — абст/ рактное свойство остроконечности, вычленяемое одним из участков головного мозга, расположенного рядом с зоной ТРО, находящейся в угловой извилине.

Таким образом, угловая извилина осуществля/ ет самую элементарную форму абстракции — вычленение общих признаков в совокупности резко различающихся сущностей. Мы не знаем, как именно она выполняет данную функцию, но коль скоро структура начала принимать участие в кросс/модальной абстракции, это означает, что была подготовлена почва и для более сложных видов абстрактного мышления. Кросс/модальная абстракция могла стать осно/ вой не только для развития метафорического

иабстрактного мышления, но и языка в целом. Приступив к изучению синестезии, мы не име/

ли ни малейшего представления о том, куда нас могут завести наши исследования. Не думали мы и о том, что таинственное явление, долгое время считавшееся всего лишь любопытной особенно/ стью восприятия, может пролить свет на природу человеческого мышления. ■

(В мире науки , № 8, 2003)

МОЗГ: СТРУКТУРЫ И ФУНКЦИИ

Изучение синестезии может пролить свет на эволюцию мышления и языка.

ПРЕДСТАВЬТЕ СЕБЕ некую группу наших прародителей(гоминид, со( бравшуюся изобрести собственный язык. Понятно, что дело начиналось не с наставлений предводителя: «А эту штуку, ребята, назовем бана( ном. Повторяйте за мной: ба(нан». Однако гоминиды располагали целым рядом способностей, предопределив( ших возможность систематического вербального общения. Результаты исследований нейробиологических механизмов синестезии позволяют предположить, что в основе после( дующего возникновения речи и язы( ка лежала способность людей к об( разованию метафор — средства от( ражения глубинных связей между внешне не сходными и не связанны( ми между собой сущностями.

Люди обладают врожденной склон( ностью ассоциировать те или иные звуки с определенной формой пред( метов, что и сыграло ключевую роль в первоначальном формировании словаря совместного пользования. Кроме того, определенные области мозга, перерабатывающие зритель( ную информацию, связанную с фор( мой предметов, буквами, цифрами

извуками, способны к взаимной ак( тивизации даже у не(синестетов. Это

изаставляет их, например, ассоции( ровать остроконечные геометриче( ские фигуры с режущими слух назва( ниями.

Наше предположение подтверждает( ся также существованием еще двух типов нервных связей. Во(первых, сенсорные области в задней части мозга, ответственные за анализ зри( тельных форм и слуховое воспри( ятие, могут кросс(активировать спе( цифические моторные области в пе(

редней части мозга, участвующие в речевой деятельности. Резкие из( гибы в очертаниях предметов или режущие слух звуки побуждают

Удивительный мозг

Ким родился 11 ноября 1951 г. (в воскресенье, как он всегда подчеркивает) с непропорциональ/ но большой головой и черепно-мозговой грыжей размером с бейсбольный мяч на затылке, которая позже исчезла. Обнаружились и другие наруше/ ния структуры мозга, в том числе деформация мозжечка. Мы впервые провели сканирование мозга Кима с помощью ЯМР-томографа в 1988 г.

ис тех пор не прекращаем исследований. Проблемы Кима с координацией движений,

возможно, объясняются патологией мозжечка. Однако самым удивительным оказалось отсут/ ствие мозолистого тела (мощного пучка нерв/ ных волокон), которое в норме соединяет левую и правую половинки мозга. Мы не знаем, как это влияет на его способности. Подобный дефект встречается весьма редко и отнюдь не всегда со/ провождается функциональными нарушениями. Известны случаи, когда отсутствие данного обра/ зования выявлялось у людей, не страдающих никакими заметными расстройствами. Однако у больных, мозолистое тело которых было перере/ зано в зрелом возрасте (обычно с целью предот/ вращения распространения эпилептического припадка с одного полушария на другое), возни/ кает характерный синдром «расщепленного моз/ га», при котором каждое полушарие начинает ра/ ботать независимо от другого.

Можно предположить, что у людей, родивших/ ся без мозолистого тела, каким-то образом разви/ ваются другие, резервные каналы связи между полушариями. Возможно, это позволяет им ра/ ботать как одному гигантскому полушарию, сов/ мещая под одной «крышей» функции, которые в норме разделены. Если такое предположение верно, то некоторыми из своих талантов Ким обя/ зан именно такой аномалии. Ученые часто шутят,

ОБЗОР: ФЕНОМЕНАЛЬНЫЕ СПОСОБНОСТИ КИМА ПИКА

•Все известные проявления синдрома одаренности со( провождаются мощной памятью, у Кима Пика она фено( менальна сама по себе.

•В мозге Кима обнаружено множество аномалий, в том числе отсутствие мозолистого тела. Роль подобного нару( шения еще предстоит понять и выяснить, стимулирует ли повреждение определенных участков мозга компенса( торное развитие других его областей, или же оно просто позволяет проявиться скрытым способностям.

•Простое запоминание у Кима превратилось в форму ас( социативного творческого мышления. Успех фильма «Че( ловек дождя» позволил ему обрести уверенность и суще( ственно расширить границы своего мира.

116

что у мозолистого тела всего две функции — слу/ жить проводником эпилептических припадков и не давать мозгу развалиться на две половинки. Однако тот факт, что одни люди, от рождения ли/ шенные мозолистого тела, не страдают никакими нарушениями, а другие приобретают феноме/ нальные способности, свидетельствует о том, что роль данной структуры намного сложнее.

Левая сторона мозга Кима подвержена анома/ лиям, что характерно для многих людей с синдро/ мом одаренности. Более того, поражением левого полушария ученые объясняют, почему у мужчин чаще, чем у женщин, возникает не только дан/ ный синдром, но также и дислексия, заикание, задержка речи и аутизм. Патология предположи/ тельно имеет две причины: во-первых, у эмбрио/ на мужского пола более высокий уровень тесто/ стерона, который может оказывать токсическое воздействие на развивающуюся нервную ткань; во-вторых, левое полушарие развивается медлен/ нее, чем правое, а потому дольше остается уязви/ мым. В пользу того, что наличие уникальных спо/ собностей нередко связано с повреждением левого полушария, говорят многочисленные докумен/ тально подтвержденные случаи приобретенного синдрома одаренности, когда дети старшего воз/ раста и взрослые неожиданно проявляли необыч/ ные способности вследствие нарушения данной структуры мозга.

Какие же выводы следуют из вышесказанного? Можно предположить, что, когда левое полуша/ рие не может функционировать должным обра/ зом, правое компенсирует дефект, развивая но/ вые способности и привлекая к работе нервную ткань, изначально предназначенную для других целей. Возможно и то, что поражение левого полу/ шария просто позволяет раскрыться дремлющим способностям правого, высвобождая их из-под «ти/ рании» доминантного левого полушария.

Ким прошел психологическое тестирование в 1988 г. Общая оценка его коэффициента умст/ венного развития (IQ) составила 87, однако в пре/ делах вербальной и исполнительной частей теста наблюдалась значительная вариабельность: в од/ них случаях результат указывал на чрезвычайно высокий уровень интеллекта, а в других — на сла/ боумие. Заключение экспертов гласило: «резуль/ тат оценки коэффициента умственного развития Кима не дает истинной картины уровня его интел/ лектуальных способностей». В психологии издавна идут споры о том, обладает ли человек одним об/ щим сознанием или же множественными сознани/ ями. Мы убеждены, что случай Кима подтвержда/ ет правильность второй точки зрения.

МОЗГ: СТРУКТУРЫ И ФУНКЦИИ

Общий диагноз, поставленный Киму, был та/ ков: «неспецифическое расстройство, обуслов/ ленное аномалиями развития». Следует отме/ тить, что аутизм в эпикризе не значился. Данное нарушение чаще других связано с синдромом фе/ номенальных способностей, однако оно выраже/ но лишь у половины таких людей. В отличие от аутических пациентов Ким — открытый человек, весьма располагающий к себе.

Память и музыка

Характерно, что для полного развития феноме/ нальных способностей необходима прежде всего активная заинтересованность в чем-либо. Снача/ ла Ким просто запоминал любую информацию, однако со временем он начал формировать свои интересы. Что касается абстрактного, или поня/ тийного мышления, то здесь его способности ог/ раничены, например, он не может объяснить смысла многих простых пословиц. Однако боль/ шую часть сведений, хранящихся в его памяти, он прекрасно понимает, что нехарактерно для людей с синдромом одаренности. Чтобы описать способность таких индивидов запоминать огром/ ные объемы текста, не понимая смысла, Даун придумал примечательное выражение «вербаль/ ная адгезия» («словесное склеивание»). Однако обладание горой кирпичей еще не делает вас каменщиком. Если продолжить аналогию, Ким не только владеет огромным количеством кирпи/ чей, но еще и стал удивительно творческим

имногогранным «словесным каменщиком» по ин/ тересующим его вопросам.

Иногда он слишком буквально воспринимает обращенные к нему вопросы и просьбы. Однажды в ресторане отец попросил его понизить голос,

итогда Ким просто сполз на стуле, чтобы его го/ лос звучал снизу. Но порой в своих ответах он проявляет изрядную находчивость. Когда его спросили о «Геттисбергском воззвании» Авраама Линкольна, Ким откликнулся: «Дом Уиллза, Севе/ ро-Западная улица, 227. Но он провел там всего одну ночь, а произнес речь на следующий день». Ким не собирался шутить, но когда его собесед/ ник засмеялся, то он понял, в чем дело, и с тех пор намеренно рассказывал эту историю с юмором.

Ким обладает неоспоримой способностью де/ лать логические выводы. Однажды он присутст/ вовал на Шекспировском фестивале, организо/ ванном неким филантропом, имя которого скры/ валось за инициалами O.C. Несчастный меценат в тот момент подхватил ларингит и был не в со/ стоянии произнести торжественное обращение к участникам мероприятия. Ким (поклонник

Ким прочитывает страницу за 8–10 секунд и запо( минает ее наизусть. В его памяти хранится 9 тыс. книг самого разнообразного содержания, от сонетов Шекспира до карт всех крупных городов США.

Шекспира и, подобно ему, неисправимый шут/ ник) метко сострил: «O.C., can you say?», обыграв совпадение инициалов простуженного мецената с названием одного популярного молодежного те/ лесериала в США о сексуальных похождениях группы богатых молодых людей, что-то вроде «Секса в большом городе». (Название — аббревиа/ тура от Orange County — района Калифорнии юж/ нее Лос-Анджелеса. Фраза «O.C., can you say?», видимо, представляет собой цитату из фильма.)

Творческое осмысление информации, храня/ щейся в закоулках памяти, можно сравнить с му/ зыкальной импровизацией. Подобно музыканту, Ким думает настолько быстро, что порой трудно уследить за его замысловатыми ассоциациями. Часто возникает ощущение, что ход его мысли всегда на два-три шага опережает реакцию собе/ седников.

Недавно открылось новое и совершенно нео/ жиданное проявление феноменальных способ/ ностей Кима. В 2002 г. он стал учиться игре на фортепиано и, чтобы проиллюстрировать свои рассуждения о музыкальных произведениях,