Тем не менее людям давно известно, что такие границы все же существуют. Еще до того как нейрологи обнаружили наличие обратных связей в коре головного мозга, им было известно, что за разные психические функции отвечают определенные отделы головного мозга. Человек, у которого повреждено правое полушарие, может лишиться чувствительности левой половины своего тела или способности воспринимать внешнюю среду слева от себя. При поражении левой лобной доли, где расположен центр Брока, возникает афазия Брока, которая характеризуется невозможностью объединения отдельных речевых движений в единый речевой акт (при этом словарный запас и способность понимать слова остаются неизменными). Поражение веретенообразной борозды, пролегающей по нижней поверхности височной доли, может лишить человека способности распознавать лица – он не узнает свою мать, жену, детей и даже свое собственное лицо на фотографии. Наблюдая за такими трудно вообразимыми мозговыми расстройствами, нейрологи пришли к осознанию того, что кора головного мозга состоит из многих функциональных зон. Каждая зона полунезависима и специализируется на определенных аспектах восприятия или мышления. Возникает ассоциация с лоскутным одеялом, причем почти одинаковым у большинства людей. Функциональная организация головного мозга имеет форму отраслевой иерархии.

Понятие «иерархия» очень важное, поэтому я хочу обсудить его подробнее и дать ему четкое определение, на которое буду ссылаться в последующих главах книги. Любая иерархическая система характеризуется тем, что одни элементы расположены выше, а другие – ниже. В иерархии делового мира, например, менеджер среднего звена расположен выше клерка и ниже вице-президента компании. Иерархическое расположение и физическая позиция в пространстве не тождественны: даже если кабинет менеджера находится этажом ниже той комнаты, в которой работает клерк, последний все равно стоит ниже в иерархической структуре компании. Я подчеркиваю это различие, чтобы в дальнейшем у вас не возникало сомнений, что я имею в виду, когда говорю, что какая-либо функциональная зона является высшей или низшей. Физическое местонахождение в структуре мозга в данном случае роли не играет. Все функциональные зоны головного мозга обитают в одной и той же ткани коры. Одна зона будет «выше» или «ниже» другой в зависимости от того, как они связаны и взаимодействуют друг с другом. Так, низшие зоны поставляют информацию в высшие через определенные нейронные каналы связи. В свою очередь, высшие зоны используют совершенно другие нейронные каналы связи для передачи обратных сигналов. Кроме этого, еще существуют вторичные связи между отдельными областями иерархии – по аналогии с коммуникацией коллег одного уровня, но работающих в разных филиалах одной и той же компании. Двое ученых – Дэниэль Феллеман и Дэвид ван Эссен разработали схему коры головного мозга обезьяны, на которой изображены десятки областей, связанных между собой в сложную иерархию. Можно предположить, что похожая иерархия существует и в коре головного мозга человека.

Первичные сенсорные зоны, в которые непосредственно поступает информация об окружающем мире, являются низшими функциональными зонами. Эти области занимаются обработкой первичной информации на самом простом, базовом уровне. Например, зрительная информация поступает в кору головного мозга через первичную зрительную зону, назовем ее V1. Зона V1 обеспечивает зрительные свойства низшего уровня, такие как восприятие мелких контурных сегментов, простых составляющих движения, бинокулярное рассеивание (для стереоизображения), основные цвета, информация о контрастности. Зона V1 посылает информацию в зоны V2, V4, IT (о них мы расскажем позже), а также в другие зоны коры головного мозга. Каждая из этих зон отвечает за более узко специализированные или абстрактные аспекты восприятия визуальной информации. Например, нервные клетки, образующие зону V4, позволяют нам воспринимать объекты средней сложности, такие как формы звезд различных цветов. Зона МТ специализируется на восприятии движущихся объектов. На более высоких иерархических уровнях расположены зоны, отвечающие за запоминание всевозможных визуальных объектов (людей, животных, предметов и т. д.) и ассоциативные связи между ними.

Похожая иерархическая структура существует и в других отделах мозга, ответственных за получение информации об окружающем мире по другим сенсорным каналам. Так, есть первичная слуховая зона А1 и иерархия слуховых областей, расположенных над ней, а также соматосенсорная (ответственная за восприятие физических ощущений) зона S1 и иерархия соматосенсорных областей, расположенных над ней.

Наконец, сенсорная информация поступает в ассоциативные зоны (данное название используют для описания тех областей коры головного мозга, которые получают и оценивают информацию, исходящую от разных рецепторов). Например, есть зоны, получающие информацию от органов зрения и осязания. Именно благодаря этим ассоциативным зонам вы понимаете связь между видом мухи, ползущей по вашей руке, и щекочущим чувством на коже руки. Большинство ассоциативных областей получают значительно переработанную информацию от нескольких органов чувств, но их функции до сих пор остаются невыясненными. Позже мы еще вернемся к иерархической структуре коры головного мозга.

В лобных долях коры головного мозга расположены моторные зоны, также имеющие иерархическое строение. Низшая моторная зона М1 посылает сигналы в спинной мозг и непосредственно управляет мускулами. Высшие зоны осуществляют обратную связь, посылая сложные моторные команды в зону M1. Иерархия моторных зон и иерархия сенсорных зон удивительно похожи, словно построены по одной и той же модели. В моторной области информация поступает из зон высшего порядка в зону M1 низшего порядка приводит мускулы в движение; в сенсорных областях органы чувств посылают информационные сигналы вверх по иерархической лестнице. В действительности же информационные сигналы передаются в обоих направлениях. То, что является обратной связью для сенсорных областей, одновременно является выходной информацией для моторных областей, и наоборот.

Большинство схематических изображений мозга представляют собой упрощенные отображения потоков информации и иерархических отношений зон коры головного мозга. Согласно таким описаниям, сенсорные сигналы из органов чувств (зрение, слух, осязание) поступают в первичные сенсорные зоны и по мере передвижения вверх по иерархии подвергаются обработке, потом проходят через ассоциативные зоны, поступают в лобные доли коры головного мозга и, видоизмененные, передаются назад в моторные зоны. Я не оспариваю такие представления. Действительно, когда вы читаете вслух, зрительная информация на самом деле поступает в зону V1, передается вверх к ассоциативным зонам, потом поступает в моторные зоны, расположенные в лобных долях коры головного мозга, и преобразуется в команду, заставляющую мышцы речевого аппарата сокращаться и воспроизводить звуки. Но не все так просто. Я хотел бы предостеречь вас от такого излишне упрощенного подхода, в котором сложные процессы передачи информации считаются односторонними, как будто сигналы всегда передаются в одном и том же направлении, подобно деталям автомобиля при сборке на конвейере. Я утверждаю, что информационные сигналы в коре головного мозга одновременно передаются и в нисходящем направлении, причем обратные информационные потоки, поступающие от зон высшего порядка к низшим, имеют большую информационную насыщенность. Возвращаясь к примеру с чтением вслух, высшие зоны коры головного мозга посылают к первичным зонам зрительного восприятия намного больше информации, чем получают ее от взгляда, бегущего по строкам книги! Ниже мы еще коснемся вопроса обратной передачи информации. А теперь – внимание: хотя иерархия строения коры головного мозга действительно существует, не стоит считать, что информационные потоки всегда движутся одними и теми же путями.

Вернемся к нашему воображаемому секционному столу Допустим, у нас есть очень мощный микроскоп. Мы сделали небольшой срез коры головного мозга, нанесли краску на несколько нервных клеток и рассматриваем их под микроскопом. Если бы мы окрасили все нейроны, то увидели бы однородную черную массу, поскольку клетки очень плотно прилегают друг к другу. Но, окрасив лишь небольшую их часть, мы сможем увидеть шестислойную структуру, о которой упоминалось выше. Слои различаются по типам и плотности составляющих их нейронов, а также по характеру связей между ними.

Рассмотрим строение нейрона. Любая нервная клетка состоит из тела клетки, или сомы, и двух типов внешних древоподобных ветвей: аксона («передатчика») и дендритов («приемников»). Тело клетки включает ядро, которое содержит информацию о наследственных свойствах, и плазму, обладающую молекулярными средствами для производства необходимых нейрону материалов. Нейрон получает сигналы (импульсы) от других нейронов через дендриты и передает сигналы, сгенерированные телом клетки, вдоль аксона, который в конце разветвляется на волокна. На окончаниях этих волокон находятся синапсы. Синапсы (от греч. synapsis – соединение, связь) – это специализированные функциональные контакты между возбудимыми клетками, служащие для передачи и преобразования сигналов.

Нервный импульс – это процесс распространения возбуждения по аксону от тела клетки до окончания аксона. Некоторые аксоны имеют обратное действие, таким образом подавляя возбуждение клетки. Итак, по функциональному значению синапсы могут быть возбуждающими и тормозящими – в зависимости от того, активируют они или подавляют деятельность соответствующей клетки. В зависимости от поведения двух клеток сила синапса может изменяться. Наиболее простая форма синаптического обмена имеет место, когда два нейрона создают возбуждение почти одновременно, а сила взаимодействия между ними возрастает. Исследователь нейронных сетей Дональд Хебб предположил, что синаптическая связь, соединяющая два нейрона, будет усиливаться, если в процессе обучения нейронной сети оба нейрона согласованно испытывают возбуждение либо торможение. Простой алгоритм, реализующий такой механизм обучения, получил название правила Хебба, к которому мы вернемся позже. Помимо переменной силы синапса, существуют также доказательства того, что в результате взаимодействия двух нейронов могут возникнуть совершенно новые синапсы. Возможно, данный процесс происходит постоянно. Научные доказательства такого факта носят противоречивый характер. Независимо от того как изменяется сила синапсов, с уверенностью можно утверждать, что формирование и усиление синапсов – это то, от чего зависит процесс запоминания.

В коре головного мозга существует много типов нейронов, но 80% из них являются пирамидальными. Они называются так потому, что тела их клеток напоминают форму пирамид. За исключением верхнего слоя шестислойной коры головного мозга, которая состоит из километров аксонов, но очень небольшого количества клеток, каждый последующий слой состоит из пирамидальных клеток. Каждый пирамидальный нейрон связан со многими соседними нейронами, и каждый из них посылает длинный аксон к более отдаленным зонам коры головного мозга или к низшим зонам мозга, таким, например, как таламус.

Типичная пирамидальная клетка имеет несколько тысяч синапсов. Из-за исключительно высокой плотности и малых размеров очень трудно установить их точное количество. Причем это количество различно для разных клеток, слоев и зон мозга. Если бы мы заняли консервативную позицию, утверждающую, что средняя пирамидальная клетка состоит из тысячи синапсов (на самом деле это число ближе к 5 или 10 тысячам), тогда кора головного мозга в общей сложности состояла бы из 30 миллиардов синапсов. Это астрономически большое число, которое невозможно охватить человеческим воображением. Такого количества синапсов было бы вполне достаточно, чтобы запомнить все, чему мы учимся на протяжении своей жизни.

Поговаривают, будто Альберт Эйнштейн утверждал, что открыть теорию относительности было очень просто. Ее можно было сформулировать даже из одного наблюдения: скорость света является постоянной для всех наблюдателей, даже если они передвигаются с различной скоростью. На первый взгляд, это идет вразрез с очевидным. Это настолько же нелепо, как и утверждать, что скорость брошенного мяча всегда одинакова независимо от силы броска или того, насколько быстро передвигаются игроки или наблюдатели. Разве по отношению к каждому из них мяч передвигается с одной и той же скоростью, независимо от обстоятельств? На первый взгляд, такое кажется невозможным. Тем не менее для света это был достоверный факт. И тут Эйнштейн спросил себя о том, каковы последствия столь удивительного факта. Он методически размышлял о последствиях неизменной скорости света и пришел к еще более неожиданным расчетам особенной относительности. Время начинает идти медленнее, если вы двигаетесь быстрее, в то время как масса и энергия остаются неизменными. Книги о принципе относительности объясняли, как он работает в повседневной жизни. Теория сама по себе не была сложной, но она шла вразрез с интуицией.

Подобное открытие имело место и в нейрологии, касалось оно коры головного мозга. Многие нейрологи отказывались признавать его только потому, что не понимали, какую пользу из него можно извлечь. И все же это никоим образом не умаляет научную ценность данного поразительного факта. А если внимательно и методично изучить последствия данного открытия, то мы значительно продвинемся в познании свойств и особенностей работы коры головного мозга. Итак, о чем же речь?

Выдающийся ученый Вернон Маунткастл – нейрофизик, работавший в Университете Джона Хопкинса, Балтимор, – в 1978 году опубликовал работу под названием Организующий принцип мозговой функции. В своей публикации автор подчеркнул, что кора головного мозга очень однородна по внешнему виду и строению. Зоны коры, отвечающие за зрительное восприятие, внешне не отличаются от зон, отвечающих за осязание, зон управления двигательной активностью, речевых зон и т. д. Все они выглядят почти одинаково. А если эти зоны выглядят одинаково, значит, заключил Маунткастл, вполне возможно, что они выполняют одну и ту же операцию! Он предположил, что при выполнении разных функций кора головного мозга использует один и тот же инструмент.

Все анатомы в то время, точно так же как и десятки лет до Маунткастла, знали, что кора головного мозга однородна. Но, вместо того чтобы задуматься над смыслом этой однородности, они тратили время и силы на поиск различий между зонами коры головного мозга. Они полагали, что если одна зона отвечает за зрительное восприятие, а другая – за слух, то между ними непременно должны существовать различия. Действительно, определенные различия можно заметить. Зоны коры головного мозга отличаются по толщине, плотности нервных клеток, относительной пропорции разных типов клеток, длине горизонтальных связей, плотности синапсов и многим другим параметрам, которые довольно сложно исследовать. Один из слоев первичной зрительной зоны V1 – из числа наиболее изученных зон мозга – как оказалось (к радости ученых), действительно имеет разделения. Ситуация очень напоминала работу биологов XIX века, которые посвящали свое время изучению малейших различий между видами. Например, большим успехом они считали открытие того, что две внешне совершенно одинаковые мыши на самом деле принадлежали к двум различным видам. Много лет такой тропой следовал и Дарвин, изучая моллюсков. Но Дарвин проявил неординарную проницательность, поставив вопрос о причине поразительной общности всех видов. Общность видов была для него куда более интересной и невероятной, чем их различия.

Так произошло и с Маунткастлом. В то время как именитые анатомы бились над поиском ничтожных различий между зонами коры головного мозга, он обратил внимание именно на ее однородность. Одни и те же слои, одни и те же типы клеток, одни и те же связи существуют везде. Различия, в свою очередь, настолько неуловимы, что профессиональные анатомы не могут прийти к единому мнению в отношении того, в чем они заключаются.