Что я подразумеваю под пространственными и временными сигналами? Рассмотрим поочередно каждое из наших основных ощущений. Зрительное восприятие включает как пространственную, так и временную информацию. Пространственные сигналы – это сигналы, совпадающие по времени. Они возникают, когда несколько рецепторов одного органа чувств стимулируются одновременно. Для зрительного восприятия органом чувств является сетчатка глаза, в которой формируется пространственный сигнал. Через зрительный нерв и проводящие пути центральной нервной системы этот сигнал передается в зрительные центры головного мозга, где возникает зрительное ощущение. Люди склонны считать, что в зрительные зоны попадает немного искаженная картинка мира, но на самом деле это совсем не так. Нет никакой картинки и нет никакого изображения. Есть только электрические разряды, вспыхивающие в сигналах. Визуальные качества быстро исчезают, как только кора головного мозга начинает перерабатывать полученную информацию, передавая сигналы вверх-вниз от зоны к зоне, фильтруя и просеивая их.

Не следует забывать, что визуальные сигналы постоянно меняются. Если пространственный аспект зрительного восприятия интуитивно понятен, то разобраться в его временном аспекте немного труднее. Порядка трех раз в секунду ваши глаза делают быстрое скачкообразное движение – саккаду. При каждой саккаде изображение на сетчатке ваших глаз меняется. В свою очередь, это означает, что сигналы, поступающие в ваш мозг, полностью меняются при каждом скачкообразном движении глаз. Даже когда вы полагаете, что недвижимо сидите и наблюдаете одну и ту же сцену, ваше тело пребывает в непрерывном движении, а внешняя среда вокруг вас тоже постоянно меняется. В вашем сознании существует впечатление, что мир неизменен, а уследить за людьми и объектами, находящимися вокруг вас, не так уж и сложно. Однако такое впечатление возникает только благодаря тому, что ваш мозг обладает поразительной способностью обрабатывать стремительный поток поступающих из органа зрения изображений, сигналы о которых практически никогда не повторяются. Естественное зрительное восприятие, передаваемое как поток сигналов в мозг, напоминает реку. Можно также провести аналогию с песней, но не картиной.

Скачкообразные движения, совершаемые глазами, мало интересуют исследователей зрительного восприятия. Зато весьма популярны эксперименты над животными, которых подвергают наркозу, а затем изучают особенности зрительного восприятия при фиксации на одной точке. Так устраняется переменная времени. Разумеется, исключение переменных положено в основу большинства научных исследований. Однако в описанном случае не принимается в расчет главный компонент зрительного восприятия, собственно то, из чего оно и состоит. Временной фактор должен занимать центральное место в нейробиологических исследованиях зрительного восприятия.

Что касается способности слышать, то мы привыкли рассматривать ее во временных рамках. Очевидно, что любые звуки, будь то разговорная речь или музыка, меняются с течением времени. Так, песня «существует» определенный промежуток времени, но воспринимать ее как набор пространственных сигналов мы не привыкли. Этот пример является обратным ситуации со зрительным восприятием – акцент ставится на временной аспект. Но в способности слушать трудно найти пространственный компонент.

У звукового восприятия тоже есть пространственный компонент. Звуки превращаются в нервные импульсы, проходя через улитку, или переднюю часть ушного лабиринта. Крошечная светонепроницаемая спиралевидная улитка, помещенная в наиболее твердую кость человеческого тела, была открыта более полусотни лет тому назад венгерским физиком Джорджем ван Бекси. Создавая модели внутренней части уха, исследователь выявил, что разные типы воспринимаемых человеком звуков продуцируют колебания разных частей улитки. Высокочастотные звуки вызывают вибрацию твердой основы улитки, а низкочастотные – вибрацию в более гибкой и широкой наружной части. Звуки средней частоты вызывают вибрацию промежуточных сегментов улитки. Каждая часть улитки буквально усеяна нейронами, которые активизируются при колебаниях. В повседневной жизни, когда вы непрерывно подвергаетесь одновременному действию самых различных частот, улитка пребывает в постоянном движении. Таким образом, по всей длине улитки постоянно возникают сигналы стимуляции иного типа, а именно – пространственные. Каждую секунду в зрительный нерв поступает новый пространственный сигнал. Итак, мы снова убедились, что сенсорная информация передается пространственно-временными сигналами.

Мы не привыкли считать осязание временным феноменом, тем не менее и это сенсорное ощущение включает как пространственный, так и временной компонент. Чтобы убедится в этом, проведите простой опыт. Попросите своего друга протянуть руку вперед (ладонью кверху) и закрыть глаза. Положите ему на ладонь какой-нибудь небольшой предмет (например, кольцо или ластик) и попросите опознать его, не шевеля при этом ни одной частью руки. Располагая лишь приблизительной информацией о массе и размере предмета, ваш друг, скорее всего, не сможет дать правильный ответ. Но предложите ему, не открывая глаз, провести пальцем по предмету, и он тотчас его опознает! Разрешив шевелить пальцами, вы добавили составляющую времени к сенсорному восприятию осязания. Чувствительность клетчатки сравнима с чувствительностью подушечек пальцев. Значит, осязание тоже подобно песне. Постоянно меняющиеся во времени сигналы обретают особое значение в случаях, когда не обойтись без тонкого осязания (например, при застегивании рубашки или открывании двери в потемках).

Детей учат тому, что у человека есть пять органов чувств: зрение, слух, осязание, обоняние и вкус. Но их подвидов намного больше. Зрение, например, состоит из трех компонентов – восприятия движения объектов, их цвета и контрастности. Осязание включает регистрацию корой головного мозга давления, температуры, вибрации и боли. У нас также имеется целая сенсорная система, контролирующая положение тела, – проприоцептивная система. Чувствительные окончания органов проприоцептивной системы рассеяны повсеместно в составе мышечных пучков, в сухожилиях и суставных сумках. Эти рецепторы сигнализируют мозгу о положениях звеньев тела, о суставных углах, о напряжениях в тех или иных мышцах и т. д. У нас также есть вестибулярная система. Расположенная во внутренней части уха, она обеспечивает нам ощущение равновесия.

Есть ощущения более или менее яркие, неуловимые или очевидные, но все они передвигаются по аксонам нейронов и попадают в мозг в виде потоков временно-пространственных сигналов. Кора головного мозга не познает и не чувствует окружающий мир непосредственно. Единственное, чем она оперирует, – это сигналы, передвигающиеся по входным и выходным аксонам. Ваше видение мира и себя возникает на основе сигналов.

Нейробиологи, изучавшие закономерности формирования образа тела, выявили, что наше восприятие самих себя является куда более гибким, чем это может показаться на первый взгляд. Например, я вам дам маленькую кочергу, чтобы вы использовали ее для хватательных функций вместо руки. Вскоре вы почувствуете, что кочерга словно стала частью вашего тела. Мозг приспособился к новым входным сигналам тактильного ощущения. Кочерга фактически стала частью образа вашего тела.

Гипотеза о том, что сигналы, поступающие в головной мозг от разных органов чувств, по сути одинаковы, конечно, очень неожиданна. Чтобы обосновать ее, приведу еще несколько примеров. Первый эксперимент вы сможете провести в домашних условиях с помощью друга. Вам понадобятся картонный экран и искусственная рука. Для первого раза будет неплохо, если вы сможете достать резиновую искусственную руку вроде тех, которые продают на Хэллоуин. Если такой нет, тогда обведите контур своей руки на чистом листе бумаги. Свою настоящую руку вытяните на некоторое расстояние, причем так, чтобы она повторяла положение искусственной руки (кончики пальцев должны смотреть в одном и том же направления, ладонь в обоих случаях повернута вверх либо вниз). Затем поставьте между ними картонный экран так, чтобы вы могли видеть только искусственную руку. Итак, вы смотрите на искусственную руку, а задача вашего друга состоит в том, чтобы одновременно поглаживать/прикасаться к обеим рукам в одинаковых местах. Некоторое время спустя зоны мозга, в которых встречаются зрительные и соматосенсорные сигналы, – ассоциативные зоны, о которых мы упоминали ранее, – придут в замешательство. Вы ощутите искусственную руку как свою собственную.

Другой, не менее захватывающий пример такой «сигнальной эквивалентности», называется сенсорным замещением. Это может полностью перевернуть жизнь людей, которые потеряли зрение в детском возрасте, и даже незрячих от рождения. Возможно, он поможет создать технологии нового машинного интерфейса для всех остальных, зрячих.

Понимая, что работа мозга по сути своей не что иное как передача сигналов, Пол Бачирита, профессор, специалист в области биомедицинских инженерных технологий университета штата Висконсин, задумался над тем, нельзя ли транслировать на новые участки коры головного мозга сигнал, допустим, с видеокамеры, чтобы человек, потерявший зрение, вновь начал видеть?

Теперь Бачирита знает ответ. Он воплощён в виде комплекта электроники, именуемой «Машинно-мозговой интерфейс», а конечным узлом комплекса является «языковой дисплей» (Tongue Display Unit, сокращенно TDU). Это устройство с десятками электродов, создающих слабое покалывание на языке сообразно яркости пикселей на картинке, снимаемой видеокамерой. При помощи «Языкового дисплея» незрячий человек учится «видеть» через ощущения языка.

Дисплей функционирует следующим образом.

На лоб испытуемому помещают небольшую видеокамеру. Зрительные образы попиксельно транслируются как точки давления на язык. Зрительная сцена, которая отображается сотней пикселей на телеэкране, превращается в сигналы сотен крошечных точек давления на языке человека. Мозг быстро учится правильно интерпретировать сигналы.

Эрик Вайенмайер, атлет мирового уровня, одним из первых надел «языковое устройство». Он ослеп в возрасте тринадцати лет и часто выступал с лекциями о том, что слепота не должна лишать человека полноценной жизни. В 2002 году он совершил восхождение на гору Эверест, став единственным незрячим альпинистом, взявшимся за подобное дело.

В 2003 году Вайенмайер испробовал устройство Бачириты и впервые за долгие годы увидел изображение. Он смог совершить перехват мяча, катающегося по полу, взять со стола бутылку лимонада, сыграть в игру «Камень-ножницы-бумага». Затем он спустился вниз по лестнице, прошел сквозь дверной проем, рассмотрел дверь и ее раму и заметил, что на ней висит какая-то табличка. Изображения, по сути бывшие ощущениями на языке, в скором времени стали восприниматься как пространственные.