Вячеслав Демидов - Как мы видим то, что видим [издание 3-е , перераб. и доп.]
И возникла мысль, что поля, реагирующие на линии, углы, дуги, площадки и так далее, – не что иное, как те самые детекторы, задача которых состоит в выделении признаков разных изображений. А затем, мол, эти признаки объединяются между собой в высших отделах мозга, формируют сложные признаки, потом еще более сложные, и в конце концов находится где-то гностический (от греческого «гнозис» – знание, познание) нейрон, сигнализирующий, что в поле зрения появился данный предмет. По этому поводу шли дискуссии, и Джордж Сомьен писал в книге «Кодирование сенсорной информации в нервной системе млекопитающих», что «вопрос о возможности существования клеток «детекторов кошки», т.е. нейронов или групп нейронов, специализированных для идентификации определенных классов предметов, вновь поднят со всей серьезностью».
Увы, дальнейшие исследования показали, что детекторная гипотеза «не проходит». Ну хотя бы потому, что не отвечает на такой вопрос: почему мы одинаково хорошо способны узнать льва и на реалистическом, во всех подробностях, рисунке, и в изощренно-стилизованном или наивно-детском изображении? Фрагменты каждый раз разные, сработают разные выделяющие детекторы, а результат один и тот же. Что же, для каждого такого льва существует отдельный детектор? Сомнительно, покачал бы головой философ Уильям Оккам (ок. 1285 – 1349), провозгласивший принцип: не нужно делать посредством большего то, что можно достичь посредством меньшего...
Где же выход? Оказалось, в новом подходе к роли полей, в той гипотезе, которая была выдвинута коллективом Лаборатории профессора Глезера.
...Кошке сделали трепанацию черепа, просверлили дырочку в черепной коробке. Кошки переносят операцию завидно хорошо, к вечеру уже прыгают.
Но эта лежит неподвижно. Она кураризирована: в вену ей мелкими каплями подают кураре, тот некогда таинственный яд, которым южноамериканские аборигены смазывали наконечники своих копий и стрел. Кураре, словно выключатель, останавливает действие мышц, и глаза кошки направлены строго в одну точку, туда, где ей на экране показывают «кино». Тихо шуршит аппарат искусственного дыхания. Кошка лежит на теплой грелке и, не исключено, блаженствует. Во всяком случае не сердится и не искажает своей злостью результатов опыта.
А по экрану проплывает светлая полоска, ведь неподвижные глаза иначе ничего не увидят. Вот полоску сменила «зебра» – две светлые полоски с темным промежутком между ними, а то по команде экспериментатора появятся «зебра» из трех полосок, четырех, пяти... Решетки... Пространственные частоты, каждая из которых – речь, обращенная к мозгу...
– Они открыли нам, что мозг действительно занимается голографией, – сказал Глезер. И стал рассказывать прежде всего не о своей лаборатории, а о работах Хьюбела и Визела.
Эти нейрофизиологи в конце 60-х годов выяснили, что в затылочной коре кошки можно обнаружить не одну клетку, настроенную на выделение линии определенного размера, а несколько. Требовалось только двигать микроэлектрод строго перпендикулярно к поверхности коры, и такие клетки встречались одна за другой, словно лежащие столбиком монетки. А рядом другой столбик, настроенный на такую же линию, только иного наклона...
В итоге на площади около 0,8 x 0,8 миллиметра – в модуле – собираются столбики нейронов, отхватывающих все ориентации линии, от нуля до 180 градусов (см. иллюстрацию справа). Замечательно, что у человека и обезьян в каждом столбике примерно 260 клеток, и это число удивительно стабильно по всей затылочной коре. А у всех иных млекопитающих – там только по 110. И хотя серьезные доказательства отсутствуют, есть мнения, что такое различие имеет далеко идущие следствия. Вполне возможно, что именно оно определяет более высокие интеллектуальные способности приматов. Ведь во всех других, не-зрительных участках коры, даже у человека столбики состоят из 110 нейронов...
Рис. 45. Модульная организация коры головного мозга. Столбики модуля распознают линии и решетки всех ориентаций от 0 до 180 градусов через каждые 6 градусов. Размер поля затылочной коры кошки определяет остроту ее зрения. У человека поле впятеро меньше – 0,5 градуса – и соответственно острота зрения выше
Английский нейрофизиолог Вернон Маунткасл, настойчиво пропагандирующий мысль о модульной организации коры, открыл это свойство мозга в конце 50-х годов прошлого века. Он показал, что вертикальные связи нейронов каждого столбика гораздо интенсивнее, чем горизонтальные, передающие сигналы от столбика к столбику. И что каждый столбик работает относительно независимо, делает свое дело как суверенная система с собственными входом и выходом. Маунткасл исследовал соматосенсорную кору, область мозга, на которую проецируются окончания нервов, несущих сведения от кожи и внутренностей. Эксперименты Хьюбела и Визела подтвердили, что таким же способом устроена зрительная кора.
Хитрость только в том, что каждый фоторецептор сетчатки соединен не с одним нейроном, а сразу со многими тысячами. «Линия связи» от светочувствительной клетки захватывает в коре целый цилиндр диаметром примерно два с половиной миллиметра. А ведь на каждом квадратном миллиметре коры вглубь уходит около 100 тысяч нейронов!
Гипотеза XIX в. о прямых связях «фоторецептор – нейрон коры», как мы знаем, не подтвердилась. Но некое зерно ее все же оказалось жизнеспособным. Выяснилось, что соединения между сетчаткой и зрительной корой, несмотря на промежуточные преобразования, упорядочены топографически (припоминаете гипотезу Бернштейна?). Иными словами, если по сетчатке начнет блуждать яркая звездочка, максимум возбуждения нейронов затылочной коры – локус – повторит все ее эволюции. Пойдет точка вправо, и в соответствующую сторону двинется локус, точка вверх – и локус в то место коры, которое соответствует верхней части сетчатки.
Восхитительная сложность организации зрительной системы на этом уровне еще не кончилась. Ведь что означает разветвляющаяся линия связи «фоторецептор – цилиндр коры»? Только то, что мозаика фоторецепторов, этих вполне отделенных друг от друга образований (дискретных, сказал бы специалист), представлена в коре колоссальным множеством перекрывающихся нейронных цилиндров. То есть, по сути, непрерывно. Дискретная топография преобразовалась в «гладкую» – вот разгадка того изумлявшего ученых парадокса, что мы видим линии сплошными, хотя они воспринимаются с помощью дискретных элементов сетчатки, то есть палочек и колбочек.
Наконец, модули, входящие в цилиндры коры, правильно чередуются: один связан с правым глазом, соседний с левым, и так далее... Четкость, предопределенная генетически, видна повсюду в нервной системе. «Хотя, вообще говоря, схема соединений мозга очень запутана, работы последнего времени показали, что эти соединения гораздо более упорядочены, чем можно было думать», – отметил Френсис Крик. Действительно, у одного из червей нейронная сеть состоит всегда из 279 клеток, не больше и не меньше, и каждая соединена с другими клетками одинаково точно и занята только ей присущим делом. Вам кажется некорректным сравнение человека с червем?
Но вот что говорит Хьюбел: «Принципы нейронной функции удивительно сходны у столь далеких друг от друга животных, как улитка и человек; большая часть того, что известно о нервном импульсе, изучено на кальмаре. Даже основные структуры головного мозга так сходны, например, у кошки и человека, что нередко не имеет значения, чей мозг изучать».
То, что зрительная кора и НКТ организованы в топографическом плане соответственно сетчатке, то есть ретинотопически, объясняет немало зрительных феноменов. Ведь это наиболее простой и эффективный способ выделения простейших пространственных признаков любой картины и ее деталей: «справа», «слева», «сверху», «снизу», «большой», «маленький», «подвижный», «неподвижный» и так далее. Конечно, такого описания мира еще недостаточно, чтобы составить его полный образ, но некоторые, причем весьма важные, сведения живое существо получает.
Что же касается модулей и входящих в них столбов из нейронов, то не имеют ли выделяемые ими линии разной ориентации какого-нибудь отношения к голографии? Такой вопрос поставили перед собой сотрудники Лаборатории. И принялись показывать кошкам «кино» – решетки с разными пространственными частотами.
Почему именно решетки, а не что-нибудь другое? Откуда у Глезера и его коллег взялась уверенность, что найдутся нейроны, реагирующие не только на одиночную линию, но не на «зебры»? Прозорливость эта основывалась на сущности голографического процесса, прямо вытекала из анализа с помощью рядов Фурье.
Ведь граница между светлым и темным участками картинки – не что иное, как перепад яркостей. Значит, он может быть представлен совокупностью пространственных частот, может состоять из решеток с одной линией (ее-то и обнаруживали всегда, исследуя зрительную кору «по Хьюбелу и Визелу»), с тремя, пятью и так далее: таков и только таков ряд Фурье в подобном случае. Следовательно, если мозг действительно занимается голографией, если зрительная кора умеет делать такие преобразования, в ней обязаны находиться нейроны, настроенные на восприятие «зебр» с разным нечетным числом полосок.