Исследования в лабораториях по всему миру демонстрировали все больше доказательств разделения функций верхней и нижней коры.

 

Такие симуляции нейронных сетей имеют наборы «узлов» (или «нодов»), которые примерно соответствуют отдельным нейронам. Эти узлы могут быть организованы различными способами. Как правило, один их набор (так называемые входные узлы) предназначен для получения стимуляции извне сети, второй набор (выходные узлы) посылает информацию из сети к внешним устройствам, а третий, промежуточный, слой находится между этими двумя группами. Эти узлы могут соединяться друг с другом по-разному, что изменяет последствия получения определенной информации.

В компьютерных моделях верхней и нижней системам коры соответствуют различные группы узлов третьего типа и их связи с узлами ввода информации и вывода результатов. В одних версиях моделей симуляции систем верхнего и нижнего мозга были полностью разделены, а в других версиях у них была часть общих промежуточных узлов.

В принципе, в том, чтобы думать о двух системах как о работающих независимо друг от друга, есть здравое зерно: системе нижнего мозга необходимо распознавать объекты вне зависимости от того, где они находятся, и поэтому информация о местоположении, необходимая вышележащей системе, ею игнорируется. Эксперименты с компьютерными моделями убедительно показали, что искусственные нейронные сети работали лучше, когда использовалась стратегия «разделяй и властвуй» и в них отдельно симулировались система нижнего мозга (которая игнорирует информацию о местоположении, распознавая лишь формы — независимо от того, где они появляются) и система верхнего мозга (которая определяет положение в пространстве). Такое разделение труда оказалось гораздо более эффективным, чем использование единой сети для выполнения обеих задач или даже двух частично перекрывающихся сетей[11]. Очевидно, что обсуждаемые функции различаются и обеспечивающая зрение система работает эффективнее, если она организована в виде двух разделенных частей.

Четыре года спустя Стивен и его коллеги изучили один из способов, с помощью которого эти две системы могут взаимодействовать, задавшись вопросом: а не может ли система верхнего мозга в некоторых ситуациях заменить систему нижнего мозга? Перейдя от компьютерных моделей к людям, они начали изучать одного пациента, который перенес инсульт. К нижней части его коры не поступала кровь (вероятно, сгусток крови заблокировал артерии), и нейроны этой зоны нижнего мозга умерли.

Поскольку система нижнего мозга этого человека была повреждена, а система верхнего мозга у него в значительной степени сохранилась, исследователи предположили, что он будет вынужден использовать процессы верхнего мозга в ситуациях, где в норме задействована система нижнего мозга. Их гипотеза подтвердилась. Пациенту требовалось больше времени, чем обычно, чтобы распознавать образы, потому что он воспринимал каждую деталь отдельно, вместо того чтобы видеть общую конфигурацию. Например, чтобы распознать лицо как единый образ, он сначала воспринимал отдельно местоположение глаз, носа и рта. Здоровые испытуемые распознавали объекты симультанно[12] (используя неповрежденную систему нижнего мозга), в то время как этому пациенту его поврежденная система нижнего мозга, казалось, позволяла распознавать только отдельные части, и верхнему мозгу приходилось отмечать местоположение каждого элемента отдельно, а потом кропотливо собирать их воедино.

Различие, которое провели Ангерлейдер и Мишкин между «что» (для нижней системы) и «где» (для верхней) путями, хорошо подходило для объяснения множества различных симптомов больных, которые имели повреждения коры головного мозга.

Однако есть и другой способ трактовки функций верхней и нижней систем коры. Исследователи Мелвин Гудейл и А. Дэвид Милнер в своей статье 1992 года в журнале Trends in Neurosciences[13] предложили альтернативную теорию, которая отрицает, что система верхнего мозга оценивает местоположение объектов. Они изучали пациентку, у которой, по-видимому, было диффузное поражение головного мозга, нарушившее специфические функции обеих систем, и обнаружили, что эта пациентка с трудом сознательно распознает форму, размеры и даже ориентацию одной буквенной строки, но без труда использует эту информацию для руководства движением. Например, она могла легко вставлять карту в паз, который был наклонен под разными углами.

Тщательные исследования этой пациентки убедили Гудейла и Милнера в том, что настоящее различие заключается не в разведении функций «что» и «где», а в разведении «что» и «как» — функции направления движений.

Тем не менее другие исследователи вскоре показали, что пациенты, у которых были повреждены теменные доли, испытывали проблемы с регистрацией пространственных отношений даже тогда, когда эта информация не имела ничего общего с руководством движениями; например, им было трудно распознать, какой из объектов находится слева относительно другого[14].

Это не означает, что Гудейл и Милнер ошибались — система верхнего мозга действительно играет важную роль в управлении движениями — но их точка зрения была слишком ограничена; система верхнего мозга не только контролирует движения, но и занимается массой других вещей (в том числе указывает местоположение объектов). Она задействуется в обработке пространственной информации в более общем смысле, а не только когда эта информация используется для направления движения.

Ограничения позиции Гудейла и Милнера подчеркивают проблему, связанную как с различением функций что/где, так и с различением что/как, и эта проблема аналогична проблеме, которая свойственна модели левого/правого полушария мозга: они обе полагаются на простые дихотомии. Мозг чересчур сложен, и простое бинарное разделение рискует увести нас слишком далеко от реальности, когда мы пытаемся охарактеризовать то, что делают большие участки мозга.

Объяснение, основанное на разделении реальности на черное и белое, не может не быть упрощенным. Мозг обрабатывает информацию — и любая попытка характеристики его функций должна указывать на конкретную систему, которая занимается обработкой информации.

 

Метаанализ

 

Единственная серьезная попытка охарактеризовать многочисленные аспекты обработки информации в системах верхнего и нижнего мозга была предпринята Грегуаром Борстом, Уильямом Томпсоном и Стивеном в 2011 году в масштабном анализе нейрологической литературы, опубликованном в журнале American Psychologist[15]. Эта команда провела метаанализ, который охватил результаты многих предыдущих исследований, ища общие для них закономерности.

Реализация проекта заставила ученых покопаться в научной литературе, чтобы отобрать исследования для анализа трех типов: те, в которых особо упоминаются функции верхней и нижней частей коры мозга и описывается влияние повреждений этих отделов на человеческое поведение и интеллект; исследования, где испытуемым давали определенные задачи, при выполнении которых активируется кора (и это фиксировалось методами нейровизуализации); и исследования, где применялась транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС). ТМС направляет сильные магнитные импульсы к определенному участку мозга, что сказывается на функционировании нейронов на этом участке (как правило, подавляет их активность). Ученые нашли более 100 подходящих опубликованных исследований и провели их обобщающий метаанализ.

Результаты метаанализа были ясны. Оказалось, что активацию участков верхней коры предсказывают четыре условия: (1) отсутствие необходимости распознавания формы; (2) необходимость оценки пространственных отношений (например, надо решить, какой из двух объектов ближе к третьему объекту); (3) необходимость установления последовательности (как при планировании); и (4) необходимость обнаружения движения. И три условия были связаны с областями нижней коры: (1) задействование параллельной обработки (когда два или более процессов происходят одновременно, например, объект требуется сравнить со множеством других, удерживаемых в памяти); (2) отсутствует необходимость в установлении пространственных отношений; (3) отсутствует необходимость в учете последовательности.

Однако этот первый метаанализ не обнаружил, что система нижнего мозга была задействована, когда участникам необходимо было классифицировать стимулы (например, когда испытуемый должен распознать и назвать объект). Почему нет? Внимательный анализ отобранных исследований обеспечил объяснение: в некоторых исследованиях ставилась не задача классификации форм (функция системы нижнего мозга), а задача классификации информации о положении в пространстве (например, задача определить, находится ли объект слева или справа от другого), а это функция системы верхнего мозга.

Метаанализ был проведен снова без включения результатов исследований, которые требовали от участников классифицировать информацию о положении в пространстве, и это позволило добиться ожидаемого результата: система нижнего мозга действительно участвует в классификации свойств объектов (поэтому определение того, «что» представляет собой объект, действительно происходит в системе нижнего мозга, как ранее и утверждали Ангерлейдер и Мишкин).

Тем не менее оставалась теоретическая возможность, что различия, обнаруженные между системами верхнего и нижнего мозга, на самом деле отражают другое функциональное разделение мозга — на левое и правое полушарие. Или, возможно, это было влияние функциональной специфики переднего/заднего мозга. Оказалось нетрудно оценить эти вероятности статистически. Результаты этой оценки показали, что даже после статистического контроля влияния левого/правого полушария и передних/задних отделов области верхней коры все равно оставались значимо связаны с обработкой информации о пространственных отношениях, последовательностях и движении, а участки нижней коры — с функцией классификации.

Подводя итог, проведенный метаанализ подтвердил важность разделения коры мозга на верхнюю и нижнюю части.

Но само по себе то, что различия в функциях верхней и нижней частей мозга нельзя объяснить за счет разделения мозга на левое и правое полушарие либо на передние и задние отделы, еще не означает, что разные участки верхнего и нижнего мозга имеют одинаковые функции.

Для ответа на вопрос о функциях различных участков верхней и нижней систем мозга исследователи решили по отдельности рассмотреть верхние передние, верхние задние, нижние передние и нижние задние отделы коры. Этот дополнительный анализ показал, что верхние передние отделы коры участвуют в программировании последовательности действий, в то время как верхние задние участки задействованы в обработке информации о пространственных отношениях и движении; для сравнения, нижние задние отделы коры оказались необходимы при параллельной обработке информации (управлении несколькими процессами одновременно).

Эти результаты подтвердили данные, уже появлявшиеся в научной литературе. Известно, что верхние части лобных долей управляют программированием последовательностей, а теменные доли кодируют пространственные отношения и наблюдаемое движение. Но самое главное, эти две области верхнего мозга обычно работают вместе и тесно связаны как анатомически, так и функционально. Мы уже говорили, что большинство планов (с необходимостью включающих в себя выработку последовательности действий) требуют от нас перемещения в пространстве (даже когда вы просто решаете встать с кресла и дойти до соседней комнаты, вам придется протиснуться в дверь и попытаться не сломать мебель на пути), и, следовательно, мы используем пространственную информацию при создании и осуществлении таких планов.

А как насчет разделения на функции что/где и что/как? Остается вопрос, можно ли с их помощью объяснить результаты исследований, имеющихся в научной литературе? Дальнейший анализ показал, что ни одна из этих дихотомий не смогла объяснить всех имеющихся данных: они не могут так же эффективно справиться с объяснением эмпирических данных, как справляется с ними предложенная нами характеристика систем верхнего и нижнего отделов коры мозга. Таким образом, этот метаанализ, единственный в своем роде на сегодняшний день, предоставил серьезные свидетельства в пользу описанного в нашей книге взгляда на функционирование верхнего и нижнего отделов мозга.

Одна из причин нашего интереса к разделению функций верхней и нижней коры кроется в предположении, что люди различаются по степени использования этих двух систем. До сих пор мы мало говорили о таких различиях. В следующей главе мы сосредоточимся на одном из способов использования этих двух систем — и покажем, что люди действительно отличаются друг от друга в реализации этого способа.

 

 

Глава 4. СИСТЕМЫ МЫШЛЕНИЯ

 

Пожалуйста, пойдите у нас на поводу и ответьте по памяти на несколько необычных вопросов:

 

• В какой руке держит факел статуя Свободы?

• Больше ли угол, образованный стрелками часов в 3.05, чем угол, образованный стрелками в 8.20?

• Какой формы уши у Микки-Мауса?

• Что зеленее: кочанный салат или шпинат?

 

Нас на самом деле интересуют не ответы, а то, как вы пришли к ним. (Но если вам интересно, правильные ответы такие: в правой, нет, круглые, шпинат.) Подавляющее большинство людей сообщают, что, пытаясь ответить на эти вопросы, они визуализируют объекты. Иначе говоря, используют мысленные образы.

Эти воображаемые образы во многом напоминают воспринимаемые в реальности: например, когда вы смотрите на машину и фиксируете ее размер, форму и скорость (или, для других сенсорных модальностей, когда вы слушаете песню, чувствуете ветер в волосах или нюхаете цветок, или иным образом осознаете то, что регистрируют ваши органы чувств). Мысленные образы отличаются тем, что при их возникновении стимуляция не приходит непосредственно от органов чувств — зрения, слуха, осязания и прочих, они возникают благодаря тому, что вы обращаетесь к информации, ранее сохраненной в вашей памяти.

Вы не смогли бы ответить на эти четыре вопроса, если бы не видели эти объекты раньше и если бы вам не удалось получить доступ к сохраненным воспоминаниям о них. Мысленные образы порождают ощущение «видения мысленным взором», «слышания внутренним слухом» и им подобные. Эти образы не следует путать с послеобразами, остающимися на короткое время после восприятия настоящей картинки (например, если вы посмотрите ночью на свет фар встречного автомобиля, то, отвернувшись в сторону, некоторое время вы будете продолжать видеть у себя перед глазами увиденные объекты). В отличие от послеобразов воображаемые образы могут быть созданы намеренно, и их можно удерживать в сознании.

Необычность наших четырех вопросов не только в том, что они требуют визуального воображения для ответа. Важнее здесь то, что, когда вы отвечали на первые два вопроса, системы верхнего и нижнего мозга играли одну роль, а когда отвечали на следующие два вопроса — другую[16].

В последние два десятилетия нейровизуализация очень помогла в изучении мысленных образов. Современные технологии позволяют исследователям определить, какие части мозга наиболее активны в данный момент времени, при решении той или иной задачи. Это, в частности, выражается в увеличении притока крови в данную область, которую и регистрирует аппарат. (Приток крови увеличивается, чтобы соответствовать увеличению метаболизма в более активных тканях.)

Нейровизуализация (сканирование мозга) позволила ученым узнать, что образы, которые связаны с пространственными отношениями — например, при ответе на вопросы о статуе Свободы и часах, — активируют систему верхнего мозга. Эта система обрабатывает пространственные отношения в процессе восприятия, и она же оценивает пространственные отношения в мысленных образах. Результаты нейровизуализации показали также, что мысленные образы формы и цвета, необходимые для ответа на вопросы о Микки-Маусе и зелени, активируют систему нижнего мозга. Эта же система нижнего мозга обрабатывает форму и цвет в процессе восприятия.