Управляющий мозг: Первый ряд оркестра - кора головного мозга. Элхонон Голдберг

Звуки и исполнители

Чтобы оценить роль дирижера, надо осознать сложность оркестра. Оркестр мозга состоит из большого числа исполнителей — умений, способностей и знаний, которые образуют наш внутренний мир. И неокортекс безусловно включает в себя наиболее совершенных музыкантов мозгового оркестра.

Ученых давно интриговала сложность и функциональное разнообразие мозга, в особенности его наиболее развитой части, коры. Большинство из нас видело в университетских учебниках или в антикварных магазинах старые френологические карты. Сегодня они в основном отвергнуты как изощренное шарлатанство. Однако они отражают состояние знания об организации мозга в начале девятнадцатого века, когда отец френологии, Франц Йозеф Галль, опубликовал свою работу, оказавшую большое влияние¹. Френологи рассматривали шишки на поверхности черепа и соотносили их с индивидуальными умственными способностями и чертами личности. На основе этих соотношений они конструировали сложные карты, помещая специфические умственные атрибуты в специфические части мозга.

С точки зрения современной науки, эти френологические карты были фальстартом. Подобно отношению алхимии к химии, френология относится скорее к предыстории нейронауки, чем к ее ранней истории. Однако это была первая в истории попытка рассматривать кору как собрание различных частей, как оркестр, а не как отдельный инструмент, и первая попытка определить исполнителей. Фальстарт, связанный с френологией, высветил фундаментальную проблему, присущую каждой области исследования, — проблему соотношения между обыденным языком описания и научным языком анализа.

Мы все располагаем определенными когнитивными умениями (читать, писать, считать), чертами (мужество, мудрость, безрассудство) и установками (привязанность, презрение, нерешительность). На первый взгляд, значение этих слов очевидно, и можно ожидать, что каждое из упомянутых свойств психики должно занимать определенное место в мозге. Это было преобладающим убеждением на протяжении 150 лет, как иллюстрирует френологическая карта на рисунке 5.1.

Рис. 5.1. Френологическая карта в духе Галля. (Из: Luria A. R. Higher Cortical Functions in Man. New York: Basic Books, 1966; рус. изд.: Лурия А. P. Высшие корковые функции человека и их нарушения при локальных поражениях мозга. 2-е изд. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1969. С. 10.)

С тех пор ученые поняли, что то, как в обыденном человеческом языке обозначаются психологические черты и формы поведения, не вполне согласуется с тем, как они представлены в мозге. Сегодня мы все еще думаем о коре как состоящей из многих функционально различных частей. Но научный язык, который мы используем для описания этих различных функций, существенно изменился. Сравните две карты на рисунках 5.1 и 5.2. Первая карта была создана Галлем в начале девятнадцатого столетия. Вторая карта была создана выдающимся неврологом Клейстом в начале двадцатого столетия². Хотя очевидно, что вторая карта не вполне отражает сегодняшнее состояние науки, она намного ближе к принципам нейронной организации, как мы понимаем их сегодня.

Рис. 5.2. Корковая локализация функций по Клейсту. (Из: Luria A. R.Higher Cortical Functions in Man. New York: Basic Books, 1966; рус. изд.: Лурия А. Р. Высшие корковые функции человека и их нарушения при локальных поражениях мозга. 2-е изд. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1969. С. 15.)

Эти две карты отражают изменение нашего понимания мозга. Различие между ними отражает не просто рост знания. Оно отражает парадигматический сдвиг, для завершения которого потребовалось приблизительно одно столетие. В каждой области познания существует фундаментальное различие между языком здравого смысла и научным языком, используемым для описания его предметной области. Повседневный язык описывает мир в терминах столов, стульев, камней, рек, цветов и деревьев. Ранние религиозные системы, древние предшественники науки, пытались объяснять мир, постулируя отдельное божество для каждого такого повседневного объекта.

Напротив, научный язык описывает мир в терминах единиц, которые не обязательно отражают то, что доступно простому наблюдению. Язык физики описывает мир в терминах атомов и субатомных частиц; научный язык химии — в терминах молекул. Наука о мозге находится сегодня на той же стадии, на которой находилась неорганическая химия ко времени Менделеева — на стадии поиска своих организующих принципов и разработки собственного научного языка. Эта область пребывает в постоянном процессе движения. Переход от карты Галля к карте Клейста отражает этот процесс. Такие френологические признаки как жадность, почитание, самоуважение, могут иметь непосредственный обыденный смысл, но они не соответствуют отдельным структурам мозга.

Но какие признаки соответствуют определенным структурам мозга? Представьте себе, что вы слушаете сложную музыку, производимую рядом неизвестных и невидимых музыкальных инструментов, и пытаетесь установить, что это за инструменты, сколько их, и что добавляет каждый из них к общему впечатлению слушателя. Вы услышите громкие звуки и тихие звуки, мягкие звуки и пронзительные звуки, но как эти повседневные описания соответствуют фактическому составу оркестра? Эта проблема, с которой сталкивались поколения исследователей мозга, располагая лишь весьма ограниченными и неточными инструментами, — некоторое подобие того, как слепые брамины из известной притчи пытались определить природу слона. Подлинный «оркестр» когнитивной деятельности зачастую трудно понять в терминах здравого смысла. Действительно, какое отношение имеют такие вещи как «тактильное восприятие» на карте Клейста к нашим повседневным чувствам, мыслям и действиям?

Положим, что существует отношение между структурой и функцией; наш поиск несколько облегчается отдельными ярко выраженными свойствами морфологии мозга. Кора состоит из двух полушарий, и каждое полушарие состоит из четырех долей: затылочной, теменной, височной и лобной. Традиционно затылочная доля связывалась со зрительной информацией, височная доля — со звуковой информацией, а теменная доля — с тактильной информацией. Левое полушарие связывалось с языком, а правое полушарие — с пространственным анализом. Однако в последние десятилетия эти глубоко укоренившиеся убеждения были поставлены под сомнение новыми сведениями и теориями.

Новизна, рутина и полушария мозга

Давно известно, что одно полушарие (в большинстве случаев левое) более тесно связано с языком, чем другое. Поль Пьер Брока³ и Карл Вернике⁴ продемонстрировали во второй половине девятнадцатого века, что изолированные повреждения левого полушария существенно влияют на речь. Афазии (нарушения речи) обычно наблюдаются в результате левополушарных инсультов, но не правополушарных инсультов.

Основные факты, свидетельствующие о связи левого полушария с языком, несомненны. Возникает, однако, вопрос, является ли эта тесная ассоциация с языком центральным атрибутом левого полушария, или специальным случаем, следствием более фундаментального принципа организации мозга. Любая попытка охарактеризовать функцию одного полушария посредством языка, а функцию другого — посредством пространственного представления ведет к тревожащим выводам. Поскольку язык, по крайней мере в его узком определении, является уникально человеческим свойством, любая дихотомия, базирующаяся на языке, применима только к людям. Означает ли это, что у животных не существует никакой полушарной специализации? Малое количество работ в области полушарной специализации у животных дает основание предполагать, что таково преобладающее мнение среди специалистов по нейронауке.

Но допущение уникальности полушарной специализации у человека противоречит интуиции, так как мы ожидаем наличие по крайней мере некоторой степени эволюционной непрерывности в чертах разных биологических видов. Хотя имеется множество примеров эволюционной прерывности, рабочей гипотезой в любом научном поиске должна быть гипотеза непрерывности. На это мне указал много лет назад не кто иной, как мой отец, инженер по профессии, который не изучал психологию (и потому не был обременен ее предрассудками), но обладал широкой общей культурой, строгим логическим умом и здравым смыслом.

Постулат уникальности полушарной специализации у человека также противоречит нашему общему пониманию отношения между структурой и функцией. Два полушария мозга не являются зеркальными отражениями друг друга. Правая лобная доля шире, чем левая, и слегка за нее «выпирает». Левая затылочная доля шире, чем правая затылочная доля, и слегка за нее «выпирает». Эта двойная асимметрия называется «сдвиг Яковлева», по имени открывшего его выдающегося нейроанатома из Гарвардского университета П. Яковлева⁵. Лобная кора толще в правом полушарии, чем в левом⁶. Но сдвиг Яковлева существует уже у ископаемого человека, и многие полушарные асимметрии имеются у высших приматов⁷. Половые различия и полушарные асимметрии есть у крыс⁸. Планум темпорале, структура височной доли, у людей больше в левом полушарии, чем в правом⁹. Традиционно эта асимметрия связывалась с языком. Однако недавние исследования показали, что Сильвиева щель и, в особенности, планум темпорале — структуры височной доли, традиционно ассоциировавшиеся с языком, — асимметричны также у орангутанов, горилл¹⁰ и шимпанзе¹¹, а не только у людей.

Биохимия мозга также асимметрична. Нейротрансмиттер дофамин несколько преобладает в левом полушарии, а нейротрансмиттер норэпинефрин — в правом полушарии¹². Нейрогормональные эстрогеновые рецепторы также более преобладают в правом полушарии, чем в левом¹³. Эти биохимические различия уже существуют у некоторых видов, помимо человека¹⁴. У обезьян концентрация андрогенового рецептора в лобных долях асимметрична у мужских эмбрионов, но симметрична у женских¹⁵.

Таким образом, оказывается, что два полушария различаются как структурно, так и биохимически у различных видов животных. Поэтому логично предполагать, что и функции двух полушарий у животных также различны. Но у животных эти различия не могут основываться на языке, так как животные не обладают языком, по крайней мере в его узком определении! Ясно, что требуется более фундаментальный принцип различия между функциями двух полушарий. В идеале, оно должно не отвергать ассоциацию между языком и левым полушарием, но включать ее как частный случай.

Идея, которая направляла мой подход к мозговым полушариям, родилась тридцать лет назад в Москве. Как студент Московского университета, я проводил много времени в Институте нейрохирургии им. Бурденко, где у Лурии была лаборатория. Я подружился с несколькими детскими нейрохирургами; в больничном кафетерии они часто рассказывали свои хирургические истории. Одна история звучала особенно озадачивающе. Мне говорили, что у очень маленьких детей повреждение правого полушария бывало крайне разрушительным, а повреждение левого полушария было относительно малозначащим. Хотя эти утверждения не были подкреплены формальным исследованием, они представляли гипотетическую ситуацию, требующую объяснения, — упражнение в умственной гимнастике, против которого я не мог устоять.

Эти утверждения были прямо противоположными тому, что, как предполагалось, должно происходить во взрослом мозге. У взрослых левое полушарие часто называется доминирующим и считается особенно важным. Нейрохирурги часто не склонны делать операции на левом полушарии из опасения затронуть речь. С другой стороны, правое полушарие нередко считается менее значимым. В старой литературе оно часто называлось «второстепенным полушарием». Нейрохирурги в общем чувствуют себя спокойнее, оперируя на правом полушарии, и электросудорожная терапия (ЭСТ) часто применяется к правому, но не к левому полушарию.

Возможно ли, что левое полушарие посвящено языку и поэтому «бездействует» до полного развития языка? Это могло бы объяснить отсутствие функционального эффекта левополушарного поражения у детей, но это не могло объяснить особо серьезный функциональный эффект правополушарного поражения. Кроме того, друзья-нейрохирурги сообщали мне, что левополушарные поражения неречевых структур у детей тоже не приводили к серьезным функциональным потерям.

Похоже, что в ходе развития произошел некий широкий перенос функций между двумя полушариями, от правого к левому, и что этот перенос не был ограничен освоением языка. Это привело меня к идее, что различия между двумя мозговыми полушариями основано на различии между когнитивной новизной и когнитивной рутиной. Может быть, правое полушарие особо искушено в обработке новой информации, а левое полушарие особо искушено в переработке рутинной, знакомой информации? Я «импортировал» эту идею, когда приехал в Соединенные Штаты в 1974 году. В 1981 году мой друг Луис Коста и я опубликовали теоретическую статью, где впервые правое полушарие связывалось с когнитивной новизной, а левое полушарие — с когнитивной рутиной¹⁶.

Лауреат Нобелевской премии психолог Герберт Саймон убежден, что обучение заключается в накоплении легко распознаваемых паттернов¹⁷. Не является ли левое полушарие хранилищем таких паттернов?

Новизна и привычность — это определяющие характеристики психической жизни любого существа, способного к обучению. В случае простого инстинктивного поведения пусковой стимул обычно «привычен» и степень «привычности» не меняется с частотой воздействия стимула. Ответ организма вполне сформирован с самого начала и не меняется на всем протяжении жизни. Предполагается, что опыт не меняет нейронную инфраструктуру, контролирующую стимульный ответ. Примером такого поведения являются простые рефлексы. Если ваш нос чешется, вы чешете его автоматически и не думая. Эта реакция не является результатом обучения и не изменится на протяжении жизни.

У высших животных, включая человека, мозг наделен мощной способностью к обучению. В отличие от инстинктивного поведения, обучение, по определению, является изменением. Организм сталкивается с ситуацией, для которой он не имеет готового эффективного решения. В ходе повторяющегося столкновения с подобной ситуацией со временем возникают адекватные стратегии реагирования. Длительность времени, или число итераций, требуемых для возникновения эффективных решений, широко варьируется. Иногда процесс ограничивается одной встречей (так называемая «ага-реакция»). Но неизменно происходит переход от отсутствия эффективного поведения к возникновению эффективного поведения. Этот процесс называется «обучением» и возникающее (или преподанное) поведение называется «выученным поведением». На ранней стадии любого процесса обучения организм сталкивается с «новизной», а финальной стадией процесса обучения является «рутинизация» или «фамильяризация». Переход от новизны к рутине — это универсальный цикл нашего внутреннего мира. Это ритм наших умственных процессов, развертывающийся в различных масштабах времени.

Роль обучения и выученного поведения возрастает в ходе эволюции по отношению к инстинктивному поведению. Возможно ли, что возникновение структурных и химических различий между двумя полушариями было вызвано эволюционными задачами оптимизации обучения? Возможно ли, другими словами, что существование двух различных, отдельных, но взаимосвязанных систем — одна для новизны и другая для рутины — способствует обучению?

Экспериментальный ответ на этот вопрос потребовал бы сравнения способностей к обучению у двух типов организмов: с двумя полушариями и без них, но равной сложности в остальном. Но так как двуполушарность мозга является универсальным атрибутом всех высших видов, такой эксперимент никогда не будет поставлен. Самое большее, на что был бы способен исследователь, — это вычерчивать кривые, относящиеся к эволюционному росту способностей к обучению и к полушарной дифференциации, надеясь увидеть параллель. Но вычерчивание таких «кривых», основанное на произвольных предпосылках, не ведет к точным результатам.

Однако арсенал науки не ограничен экспериментальными и эмпирическими методами. Экспериментальные методы, хотя и являются опорой науки, внутренне ограничены. Поэтому наиболее развитые дисциплины приобретают свою теоретическую ветвь. Теория является упрощенной моделью некоторого аспекта реальности, который обычно конструируется в формальном, часто математическом, языке. Вместо прямого экспериментирования, модель может быть исследована формально, или вычислительно, путем дедукции некоторых ее свойств из других свойств. С наступлением эпохи мощных компьютеров стало возможным объединять дедуктивные и экспериментальные методы в одном вычислительном подходе. Модель исследуемого объекта создается в виде компьютерной программы, которая затем запускается на компьютере, имитируя поведение. Таким путем могут быть спроектированы эксперименты с моделью, и динамические свойства модели могут устанавливаться путем изучения ее фактического поведения. Из всех новых направлений развития в когнитивной нейронауке, развитие вычислительных методов — наиболее многообещающий.

Особенно привлекательными среди них являются формальные нейронные сети. Составленные из больших совокупностей относительно простых единиц, нейронные сети крайне «мозгоподобны». Они могут накапливать и сохранять информацию о своем окружении («входные данные»), при условии, что они получают обратную связь о своем поведении. Они на самом деле обучаются.

Нейронные сети во все возрастающей степени используются для моделирования и лучшего понимания процессов в реальном мозге. Стевен Гроссберг, один из пионеров нейронно-сетевого моделирования, открыл, что вычислительная эффективность действительно повышается путем разбиения системы на две части, одна из которых занимается новыми входными данными, а другая — рутинными входными данными¹⁸. Другие вычислительные теории также установили различение между ориентировочным поведением в ситуациях новизны и когнитивной рутиной в стационарных ситуациях. Хотя ни одна из этих теорий не связывала в явной форме эти два процесса с двумя мозговыми полушариями, они дали дополнительный аргумент в пользу того, что возникновение такого разбиения в ходе эволюции могло предоставить мозгу вычислительное преимущество.

Привязывание новизны к правому полушарию, а когнитивной рутины к левому приводит к совершенно новому способу рассмотрения мозга. Традиционное понимание ролей полушарий в познавательной деятельности было статичным и не учитывало индивидуальных различий. Определенные функции, например язык, мыслились неизменно привязанными к левому полушарию. Другие функции, например обработка пространственной информации, предполагались столь же нерушимым образом связанными с правым полушарием. Стандартный учебник нейропсихологии или поведенческой неврологии дает фиксированные карты привязки структур к функциям, без учета каких-либо динамических изменений в природе этого картирования. Что стало с древней мудростью Гераклита, что «невозможно войти дважды в одну и ту же реку»? Почитаемая во многих отраслях нейробиологии, эта, казалось бы, самоочевидная истина многие годы игнорировалась в нейропсихологии. Более того, традиционная нейропсихология и поведенческая неврология молчаливо подразумевают, что функциональная топография у всех людей одинакова, независимо от их образования, профессии, или жизненного опыта. Но это тоже противоречит здравому смыслу. Могут ли фотограф-портретист и музыкант использовать в точности те же части мозга, рассматривая лица и слушая музыку?

С другой стороны, новизна и рутина относительны. То, что является новым для меня сегодня, станет рутиной завтра, через месяц или через год. Поэтому отношения между двумя полушариями должны быть динамичными, характеризуемыми постепенным сдвигом центра когнитивного контроля задачи от правого полушария к левому. Более того, то, что ново для меня, может быть знакомым для вас, и наоборот. Поэтому функциональное отношение между двумя полушариями несколько различно у разных людей.

Говоря о переносе информации справа налево, я не имею в виду буквальное перемещение информации. Более вероятно, что внутренние модели развиваются в обоих полушариях интерактивно, но скорости их формирования различны. Они формируются быстрее в правом полушарии на ранних стадиях обучения когнитивному навыку, но быстрее в левом полушарии на поздних стадиях. Как эти функциональные различия между двумя полушариями могут возникать вследствие нейроанатомических различий между двумя полушариями — обсуждается в другом месте^19,20.

В зависимости от образования, профессии и жизненного опыта, то, что ново для одного человека, — рутина для другого. Поэтому роли двух полушарий в познавательной деятельности динамичны, относительны и индивидуализированы. В конце концов, старая гераклитова мудрость применима к способу взаимодействия двух мозговых полушарий так же, как она применима и к любой другой ветви нейробиологии. И, что еще важнее, различение между новизной и рутиной может быть применено к любому существу, способному к обучению, и полушарные различия, базирующиеся на этом различении, могут существовать уже на филогенетических этапах до человека. По крайней мере, эту возможность можно исследовать экспериментально и установить эволюционную непрерывность среди видов. Это гораздо более убедительная основа научного исследования.

История науки изобилует фальстартами. Научный прогресс, однако, не строится на полном опровержении старых утверждений с появлением новых. Это действительно означало бы безнадежное движение по кругу. Более конструктивно, когда новая теория или открытие включает старое знание как специальный случай, подпадающий под более общее понятие. Из теории новизны — рутины как основы полушарной специализации не следует, что неверны традиционные понятия, связывающие язык с левым полушарием. Наоборот, она охватывает их как частный случай специфически человеческого способа представления информации с помощью явно выраженного рутинизирующего кода — языка.

В науке даже самая правдоподобная и эстетически привлекательная гипотеза должна быть подвергнута эмпирической проверке. Много свидетельств в пользу динамического взаимоотношения между двумя полушариями было получено довольно простыми средствами. Эти средства опирались на базовые свойства устройства нервной сети. Большинство сенсорных проводящих путей в мозге пересекаются: информация из левой половины внешнего мира первоначально доставляется в правое полушарие, а информация из правой половины внешнего мира доставляется первоначально в левое полушарие. Это справедливо для тактильной, зрительной и, в меньшей степени, для акустической информации. Разумеется, при нормальных обстоятельствах два полушария взаимодействуют и делятся информацией благодаря массивным пучкам волокон, соединяющим их, — так называемому мозолистому телу и комиссурам. Однако, доставляя информацию очень быстро к одной стороне сенсорного поля, можно задействовать только одно полушарие, противоположное стороне входа.

Этого можно добиться с помощью довольно простых устройств. Одно из них — тахистоскоп, простое зрительное проецирующее устройство, использующее этот принцип. Тахистоскоп, вероятно, дал больше информации о работе двух полушарий, чем любой другой метод. Для акустической информации это делалось с помощью прибора для дихотического прослушивания, по сути — магнитофона с двумя наушниками²¹.

Большая часть исследований, проводившихся с помощью этих методов, вращалась вокруг подтверждения и разработки исчерпавшего себя старого статичного понятия о ролях двух полушарий. Блестящих прорывов было относительно мало. Большинство исследований было направлено, главным образом, на расширение перечней левополушарных и правополушарных функций. Однако некоторые из находок вели к интересным неожиданным заключениям, которые нарушали установленную «истину». Переработка музыкальной информации и восприятие лиц занимали почетное место в правополушарном списке. Прозопагнозия (ухудшение распознавания лиц) и амузия (неспособность к восприятию музыки) традиционно рассматривались как симптомы правополушарных нарушений, наступающих после инсульта или других заболеваний. Однако классический эксперимент Бевера и Чиарелло продемонстрировал поразительное соотношение между распределением по полушариям процессов обработки музыкальной информации и музыкальным опытом²². Действительно, неискушенные в музыке люди воспринимают музыку большей частью правым полушарием. Однако люди, получившие музыкальное образование, воспринимают музыку большей частью левым полушарием. И так как в большинстве своем люди не искушены в музыке, старое понимание, привязывающее музыку к правому полушарию, подкрепляется, но только в слабом, ограниченном смысле. Представление о внутренней, обязательной связи между музыкой и полушарной специализацией более не приемлемо. То, какая сторона мозга занимается переработкой музыкальной информации, оказывается относительным, определяется степенью музыкальной образованности и объемом предшествующих занятий музыкой. Подобные открытия были сделаны и относительно распознавания лиц. Незнакомые лица обрабатываются большей частью правым полушарием, что соответствует традиционным взглядам. Но знакомые лица обрабатываются большей частью левым полушарием²³. Мы снова видим относительность, основывающуюся на различении новизны и рутины!

Принцип новизны-рутины как основы полушарной специализации получает дальнейшее подтверждение в динамических лабораторных имитациях процесса обучения. Допустим, ставится совершенно новая задача такого типа, который отсутствует в прежнем опыте испытуемого и даже никак с ним не связана. Допустим, далее, что испытуемый интенсивно погружается в эту задачу в ходе длительного (несколько часов или даже дней) эксперимента. Используя тахистоскопические и дихотические методы, можно было продемонстрировать, что вначале правое полушарие доминирует над левым. Однако повторяющаяся работа над задачей это отношение переворачивает, и левое полушарие начинает доминировать над правым. Сдвиг полушарного контроля справа налево представляется универсальным феноменом, который может быть продемонстрирован на широком множестве обучающих задач, как невербальных, так и вербальных.

Какими бы убедительными ни были тахистоскопические и дихотические исследования, они требовали представления стимулов в условиях, имеющих мало сходства с тем, как информация перерабатывается в реальном мире. Эти данные были непрямыми, они скорее выводилась логически, нежели прямо наблюдались. Эти данные были также неточными, так как тахистоскопические и дихотические методы не приспособлены для раскрытия точной нейроанатомии переработки информации внутри полушарий. Насколько показательны были эти находки для реальных жизненных процессов? Было важно продемонстрировать динамику полушарного взаимодействия в более естественных ситуациях.

Динамическая теория об отношениях между мозгом и поведением требует динамических экспериментальных средств. Подлинно адекватная исследовательская методология для изучения динамических аспектов отношений мозга и поведения стала доступной с появлением методов функциональной нейровизуализации. Динамика кривых обучения может изучаться путем «мгновенных снимков» на различных стадиях обучающей кривой, при наличии большого объема тренировки в промежутках между этими мгновенными снимками.

В растущем числе исследований по функциональной нейровизуализации используется эта методология с современными технологиями, такими как функциональная магнитно-резонансная томография (fMRI), позитронно-эмиссионная томография (PET) и компьютерная томография с помощью эмиссии одиночного фотона (SPECT). Данные, полученные этими методами, также демонстрируют глубокую связь между правым полушарием и новизной, между левым полушарием и рутиной. Алекс Мартин и его коллеги из Национального института психического здоровья представили особенно убедительную демонстрацию такого рода²⁴. Используя PET, они изучали изменения уровня кровотока в то время, когда испытуемый перерабатывал различные типы информации: слова, имеющие значение, бессмысленные слова, реальные объекты и бессмысленные объекты. Каждый тип информации предъявлялся дважды, но каждый раз конкретные объекты были уникальными. Во время первого предъявления, когда задача была новой, особенно активированы были правые глубинные отделы височной доли, но эта активация снижалась во время второго предъявления. В отличие от этого, в левых медиальных височных структурах уровень активации был постоянным. Это отражено на рисунке 5.3. Эти открытия были важны, поскольку уровень кровотока отражает уровень нейронной активации.

В исследовании Мартина сдвиг активации справа налево распространялся на все четыре типа информации, как вербальной, так и невербальной. Это означает, что ассоциация правого полушария с новизной и левого полушария с рутиной не зависит от природы информации, а является универсальной. Более того, сдвиг активации справа налево произошел несмотря на тот факт, что конкретные объекты не повторялись в ходе двух последовательных предъявлений. Таким образом, изменения в паттернах активации отражают скорее общие аспекты обучения, чем обучение специфическим стимулам.

a) НАИВНЫЕ	b) ТРЕНИРОВАННЫЕ
Рис. 5.3. Изменения в местной активации мозга, как функция знакомства с тестом. Правое полушарие особенно активно в начале теста (а), с тренировкой эта активация уменьшается (b). (Адаптировано из: Martin А., Wiggs С. L., Weisberg J. Modulation of human medial temporal lobe activity by form, meaning, and experience // Hippocampus. 1997. Vol. 7, № 6. P. 587-593.)

Аналогичные результаты сообщила группа британских специалистов по нейронауке²⁵. Как при распознавании лиц, так и при распознавании символов, столкновение с незнакомыми объектами сопровождалось возрастанием активации правой затылочной области (fusiform gyrus). В противоположность этому, возрастающее знакомство с объектами было связано с уменьшением правой затылочной активации и увеличением левой затылочной активации. Как и в исследовании Мартина, эффект новизны-привычности независим от природы объекта. Он имеет место как для символов (которые, согласно ортодоксальной трактовке, должны быть привязаны к левому полушарию), так и для лиц (которые, согласно ортодоксальной трактовке, должны быть привязаны к правому полушарию).

Используя PET, Голд и его коллеги изучали изменения в паттернах зонального мозгового кровотока (rCBF) в ходе изучения сложной «лобной» задачи (комбинация отсроченной реакции и отсроченного изменения) у здоровых испытуемых²⁶. Сравнивались ранние (наивные) и поздние (тренированные) стадии кривой обучения. Активация лобных долей была очевидна на обеих стадиях, но она была значительно выше на ранней стадии, чем на поздней. Особенно примечательно было изменение относительной активации. На ранней стадии rCBF-активация была больше в префронтальных областях правого полушария, чем левого. На поздней стадии картина была обратной, показывая большую rCBF-активацию префронтальных областей левого полушария по сравнению с правым. Это сопровождалось общим снижением префронтальной активации.

Шадмер и Холкомб изучали PET rCBF-корреляты обучения сложному моторному навыку, требующему от испытуемого умения предсказывать поведение робототехнического устройства и управлять им²⁷. Повышение активности относительно исходных условий на ранних стадиях обучения было отмечено в префронтальной области коры правого полушария (средняя лобная извилина). В противоположность этому, повышение активности на поздних стадиях тренировки было отмечено в задней теменной области коры левого полушария, левой дорзальной премоторной коре и правой передней коре мозжечка.

Хайер и его коллеги изучали регистрируемые PET корреляты — показатели скорости метаболизма глюкозы (GMR) — при обучении популярной пространственной головоломке (Тетрис)²⁸. После ежедневных тренировок с Тетрисом на протяжении четырех-восьми недель, GMR в поверхностных областях коры понижался, несмотря на семикратное улучшение уровня игры. Испытуемые, в наибольшей степени улучшившие свое мастерство игры в Тетрис, демонстрировали после тренировки наибольшие понижения GMR в различных, зонах правого полушария.

Берне, Коэн и Минтун изучали PET rCNF-корреляты обучения и переобучения правилам искусственной грамматики²⁹. Вначале вводилась грамматика A, затем следовала грамматика B. Различие между двумя грамматиками было слишком трудноуловимым для испытуемых, чтобы они могли осознать переход. Последовательные паттерны активации регистрировались в ходе обучения сначала грамматике A, а затем грамматике В. Обучение грамматике А характеризовалось начальным подъемом активации в правом вентральном стриатуме, левой премоторной области и в структурах переднего отдела левой поясной извилины, с последующим снижением активации. В противоположность этому, было отмечено постепенное повышение активации в правой дорзолатеральной префронтальной и правой заднетеменной области. Введение грамматики B вело ко второму подъему активации в левой премоторной области, в структурах переднего отдела левой поясной извилины и правом вентральном стриатуме, с последующим ее снижением.

Райкл и его коллеги изучали регистрируемые PET rCBF-корреляты лингвистической задачи (нахождение подходящих глаголов для предъявляемых визуально существительных)³⁰. Вначале предъявлялся список существительных (условие наивности), затем, после значительной тренировки, этот список заменялся новым списком (условие новизны). Наивное состояние характеризовалось максимальной активацией передней цингулярной, левой префронтальной, левой височной и правой мозжечковой коры. После упражнений активация практически исчезала и частично восстанавливалась во время условия новизны, с предъявлением нового списка существительных. Дополнительный анализ обнаружил значительную активацию правой половины мозжечка во время условий наивности и новизны, но не после тренировок. В противоположность этому, значительная активация срединного отдела левой височной доли была представлена после тренировок, но не во время условий наивности и новизны.

Тульвинг и его коллеги изучали PET rCBF-корреляты новизны и привычности в распознавании лиц³¹. Привычность ассоциировалась с двусторонней активацией в широкой сети височных, теменных и затылочных зон. Новизна ассоциировалась с явно асимметричной, правой, а не левой, активацией гиппокампальных и парагиппокампальных структур.

Таким образом, большое количество данных указывает в одном направлении, и существует впечатляющее согласование между старыми «низкотехничными» тахистоскопическими и дихотическими методами и самыми современными методами функциональной нейровизуализации. Похоже, что мозговой оркестр разделен на две группы музыкантов. Те, кто сидят справа от прохода, быстрее осваивают новый репертуар, но в длительной перспективе и при должной тренировке те, кто находятся слева от прохода, достигают большего совершенства. С точки зрения корпоративной аналогии, большая организация, какой является мозг, состоит из двух основных отделов: один занимается относительно новыми проектами, а второй ведет устоявшиеся, продолжающиеся производственные линии. В действительности каждое полушарие мозга вовлечено во все когнитивные процессы, но их относительная степень вовлечения варьируется в соответствии с принципом новизны-рутины.

Сдвиг центра когнитивного контроля от правого полушария к левому совершается в разных временных масштабах: от минут или часов, как в случае исследований с обучением в рамках одного эксперимента, до лет и десятилетий, как при обучении сложным умениям и кодам, включая язык. Этот сдвиг может быть выделен даже в масштабе, превышающем рамки жизни индивида. Можно предполагать, что вся история человеческой цивилизации характеризовалась относительным сдвигом когнитивного акцента с правого полушария к левому вследствие накопления готовых к применению «шаблонов» различного рода. Эти когнитивные шаблоны хранятся вовне, благодаря различным культурным средствам, включая язык, и интернализуются (переходят во внутренний план) в ходе обучения в качестве различных когнитивных «полуфабрикатов». Любая попытка выразить культурно-историческую психологию Выготского³² в нейроанатомических терминах неизбежно приводит к этому выводу. В более поэтическом, метафорическом тоне, несколько схожее заключение было сделано Джулианом Джейнсом в его описании «двухкамерной психики» с «голосами богов», исходящими из правого полушария, чтобы указать нашим предкам путь сквозь новые ситуации тысячи лет назад³³.

Проблема Ноя и ландшафты мозга

На протяжении нескольких последних десятилетий полушарная специализация превратилась в модную тему популярной литературы. Широкое распространение получили такие понятия как «правомозговая» и «левомозговая» терапия, «правомозговые» и «левомозговые» черты, «правомозговые» и «левомозговые» личности. Но важно понять, что два полушария имеют намного больше общего, чем различного. Исполнители, сидящие в сходных позициях по обеим сторонам прохода, играют на сходных инструментах. Полушарная специализация является не чем иным, как двумя параллельными вариациями на одну и ту же фундаментальную тему.

В соответствии с этой темой, затылочные доли вовлечены в зрение, височные — в звуковое восприятие, теменные — в тактильное и соматосенсорное восприятие. Но человеческий мозг — это больше, чем собрание узко специализированных сенсорных устройств. Мы способны распознавать сложные формы, понимать язык и анализировать математические соотношения. Что является нейронным базисом этих и других сложных психических функций? Как мы увидим, оркестр состоит из многих исполнителей, чей вклад в общий ансамбль не поддается простым определениям и чье месторасположение в оркестре является одновременно и сложным, и переменчивым.

Традиционно специалисты по нейронауке использовали эффекты повреждения мозга для того, чтобы понять, как работает нормальный мозг. В самой упрощенной форме логика такого исследования продвигается следующим образом. Предположим, что повреждение области мозга A причиняет ущерб когнитивной функции A', но не когнитивным функциям B', C' или D',. В отличие от этого, повреждение области BВ причиняет ущерб когнитивной функции B', но не когнитивным функциям A', C' или D'; и так далее. Тогда мы можем заключить, что область мозга A ответственна за когнитивную функцию А', область мозга B — за когнитивную функцию В', и так далее.

Этот метод называется принципом двойной диссоциации. Этот проверенный временем метод лежит в основе классической нейропсихологии. К настоящему времени он внес больший вклад в наше понимание сложных отношений между мозгом и когнитивной деятельностью, чем любой другой метод. Однако он уязвим во многих аспектах. В сильно взаимосвязанном мозге повреждение одной области может затронуть работу других областей. Раненый мозг претерпевает различные формы естественной реорганизации («пластичность»), которая делает его весьма иллюзорной моделью нормальной функции. Несмотря на эти недостатки, метод повреждений позволил получить очень много полезной информации относительно мозга, и все наши сегодняшние теории о функции мозга до некоторой степени базируются на этой информации.

Эффекты влияния повреждений мозга на познавательную деятельность помогают ответить не только на вопросы «где», но и на вопросы «что». Наблюдая различные формы дезинтеграции познавательной деятельности, мы начинаем понимать, как природа «расщепляет» психические функции на специфические когнитивные операции, и как эти операции распределяются в мозге.

В течение нескольких последних лет появление мощных методов функциональной нейровизуализации изменило направление нейронауки. Как указывалось ранее, эти методы включают позитронно-эмиссионную томографию, компьютерную единичнофотонную эмиссионную томографию и особенно функциональное магнитно-резонансное сканирование. Основываясь на различных физических принципах, от радиоактивного излучения вещества до изменений локальных магнитных полей, эти методы объединяет одна общая черта. Они позволяют нам прямо наблюдать различные формы физиологической активности в различных частях мозга во время решения человеком различных когнитивных задач. Выдающийся американский психолог Майкл Познер сравнил влияние функциональной нейровизуализации на когнитивную нейронауку с влиянием телескопа на астрономию. Так же, как изобретение телескопа в начале семнадцатого века сделало возможным прямое наблюдение макрокосма, внедрение функциональной нейровизуализации в конце двадцатого века впервые в истории позволило нам прямо наблюдать мыслительные процессы.

Функциональная нейровизуализация имеет свои ограничения. Большинство ее методов не измеряет нейронную активность прямо. Вместо этого они используют непрямые (косвенные) измерения, или «маркеры»: кровообращение, глюкозный метаболизм и так далее. Однако имеются веские свидетельства в пользу того, что эти маркеры точно отражают уровни нейронной активности. Другое ограничение относится к нашей способности отождествлять источники активации, соотнося различные аспекты этой активации со специфическими психическими операциями. Специалисты по нейронауке разрабатывают все более мощные статистические методы для решения этой проблемы.

Еще одна проблема касается отношения между сложностью задачи и усилиями, требующимися для ее разрешения, и силой сигнала, регистрируемой томографом (fMRI, PET, SPECT). По мере ознакомления с задачей и ее освоением, сила сигнала обычно снижается³⁴. В принципе, это может означать, что высокоавтоматизируемая, не требующая усилий, «легкая» задача не сможет генерировать заметный сигнал. Но легкие и не требующие усилий познавательные задачи не являются, так сказать, внечерепными. Они также происходят в нашей голове и повреждения мозга продолжают влиять на них. Фактически, большая часть наших психических процессов не требует усилий и протекает автоматически, как если бы они управлялись автопилотом. В противоположность этому, требующие усилий и контролируемые сознанием познавательные задачи представляют только малую часть нашей психической жизни.

Весьма возможно, что достигнутая на сегодня разрешающая способность устройств функциональной нейровизуализации ограничена теми познавательными задачами, которые «требуют усилия», в то время как «не требующие усилий» автоматические задачи не производят различимого сигнала. Большая часть относительно сложных когнитивных активационных задач, используемых в экспериментах, вероятно состоит из как требующих, так и не требующих усилий когнитивных компонентов. Поэтому их активационные «ландшафты» могут быть обманчивыми, так как они отражают изолированные вершины с невидимыми долинами между ними. То, что вы видите, может быть намного меньше того, что происходит на самом деле. Попытки определять паттерны мозговой активации в условиях познавательной задачи, базируясь на данных функциональной нейровизуализации, можно уподобить попыткам Ноя представить себе ландшафт Месопотамии, глядя на вершину горы Арарат, выступавшую из воды после Всемирного потопа. Понимание отношений между силой сигнала и уровнем сложности в строго количественных задачах поможет интерпретировать данные об активации когнитивных функций, получаемые с помощью fMRI и PET. Доступные нам технологии нейровизуализации являются неоценимым инструментом когнитивной нейронауки в той мере, в какой мы осознаем эти ограничения и не принимаем данные слишком некритично и буквально.

Внедрение новых научных методов всегда увлекательно. Но в то же самое время оно угрожает стабильности установленных знаний. Большая часть научных открытий скорее расширяет и разрабатывает ранее накопленные знания, нежели опровергает их. Точки разрыва в потоке научного прогресса относительно редки. Когда они случаются и старые утверждения отвергаются в пользу радикально отличающихся от них, мы говорим, что наступил «сдвиг парадигмы». Историки науки горячо обсуждали отношения между прогрессом в научных методах и концептуальными прорывами. Что движет чем? Не каждый новый научный метод, будь он даже революционным, ведет к немедленному концептуальному сдвигу парадигмы. Хорошая новость состоит в том, что современные открытия функциональной нейровизуализации в целом подтвердили более ранние представления, основанные на изучении повреждений мозга. Плохая новость заключается в том, что до настоящих концептуальных прорывов нам еще далеко.

Модулярное помешательство

В начале 1980-х годов Галль и его френология пережили странное возрождение под именем «модулярности»³⁵. Повреждения мозга часто приводят к очень специфическим и узким когнитивным дефектам. Они могут затрагивать имена объектов, принадлежащих к специфической категории (например, цветов или животных), но не влиять на все другие имена объектов. Или они могут ухудшать распознавание специфического класса объектов, но не других объектов. Многие годы нейропсихологи были увлечены такими феноменами, которые известны как «сильные диссоциации». Некоторые из описанных сильных диссоциаций были необычными. В одном исследовании пациент, который был не в состоянии назвать персик или апельсин, без проблем называл счеты и сфинкса!

Сильные диссоциации весьма редки и большинство клиницистов ни разу не сталкивается с ними в ходе своей карьеры. Тем не менее, многие ученые считали, что сильные диссоциации представляют особый интерес и информативность для понимания мозговых механизмов когнитивной деятельности. Нейропсихологические исследования и теоретическая работа стали крайне зависимыми от поиска таких «интересных случаев», теоретическое значение которых стало символом веры. Многочисленные обычные случаи, которые надо было просеять в поиске малого числа драгоценных случаев сильных диссоциаций, отбрасывались как неинформативные.

Это хождение по кругу породило вывод, что кора состоит из различных модулей, каждый из которых отвечает за высокоспециализированную когнитивную функцию. Выдвигалось предположение, что модули инкапсулированы, отделены друг от друга четкими границами и весьма ограниченно взаимодействуют друг с другом. Случаи высокоспецифических когнитивных дефицитов (дисфункций) интерпретировались как поломки узкоспециализированных модулей, а существование таких случаев принималось как доказательство существования модулей.

В соответствии с этой схемой, кора понималась как мозаика из многочисленных модулей, разделенных четкими границами, с ограниченным взаимодействием между ними. Каждый модуль наделялся высокоспецифичной функцией. Поиск сильных диссоциаций признавался ведущим методом нахождения этих мистических модулей. Для каждой вновь описанной значительной диссоциации постулировался новый модуль, и их список расширялся. Это весьма напоминало расцвет френологии, за исключением того, что сильные диссоциации, вызванные повреждениями мозга, заменив шишки на черепе, стали ведущим источником открытий.

Ошибочность такого подхода становится очевидной, когда понимаешь, что на каждый случай сильной диссоциации приходятся сотни случаев слабой диссоциации, где нарушены сразу многие функции, хотя и в различной степени. Принимая априорное решение о том, что эти гораздо более многочисленные случаи не важны, а важны только сильные диссоциации, специалист неизбежно склоняется к предубеждению в пользу модулярной теории мозга.

В действительности модулярная теория объясняет очень мало, поскольку, не обладая способностью свести многообразие специфических фактов к упрощающим общим принципам, она не удовлетворяет фундаментальным требованиям любой научной теории. Подобно религиозным языческим верованиям древности, она просто создает параллельную номенклатуру, изобретая новое божество для каждого предмета. Тем не менее, подобно каждому упрощенному представлению, она соблазняла иллюзорной привлекательностью немедленной объяснимости — путем введения нового модуля для каждого нового наблюдения!

Сильные диссоциации, по их крайней редкости, скорее отражают идиосинкразии индивидуальных когнитивных стилей и условий и имеют мало отношения к инвариантным принципам мозговой организации. Если это так, то тогда редкие сильные диссоциации являются не чем иным, как плохо интерпретируемыми статистическими отклонениями.

Вот подумайте: мой родной язык — русский, английский я выучил в подростковом возрасте. Мое владение обоими языками варьирует в зависимости от обстоятельств и изобилует сильными диссоциациями. Утомление, опьянение или болезнь оказывают четкое и разнонаправленное воздействие на мою способность общаться на двух языках. На английском языке мое владение конкретным лексиконом (например, названиями предметов домашнего обихода, которые я выучил ребенком) становится весьма неуверенным, но мое владение абстрактным лексиконом (т.е. научной терминологией, которую я выучил во взрослом возрасте) остается неизменным. На русском языке происходит обратное: я начинаю спотыкаться в попытках передать понятия высокого уровня, но мой повседневный язык остается неуязвимым. Определенные части лексикона (например, названия цветов и рыб) ухудшаются в равной степени на обоих языках, потому что я никогда их толком не знал ни на одном из этих языков. У моего хорошего друга, известного психолога из южной Калифорнии, родным языком является английский и он отлично владеет русским. Он сообщает о столь же сильных, зависящих от состояния, диссоциациях в обоих языках, сходных по характеру, но не по специфике.

Если кому-то из нас не повезет и его поразит инсульт, это повлияет на когнитивную нейропсихологическую теорию по-разному, в зависимости от того, кто из нас будет обследоваться и на каком языке. Будут точно документированы и полностью описаны сильные диссоциации, обусловленные абсолютно индивидуальными обстоятельствами наших личных биографий, которые не имеют никакого значения для нейронауки.

Верно, что билингвизм сравнительно мало распространен. Однако у различных людей могут играть роль другие необычные когнитивные факторы. Комбинация этих исключений может вызывать самые сильные диссоциации. Каждый индивидуальный когнитивный профиль — это ландшафт, состоящий из вершин (сильные качества) и долин (слабые качества), и разрывы в их высоте могут быть весьма драматичны. Мое почти полное невежество относительно названий рыб и цветов в моем родном русском языке — показательный случай.

Влияние массивного неврологического расстройства на весьма пересеченный когнитивный ландшафт можно сравнить с наводнением, которое затапливает долины, но не достигает вершин. Плавные переходы между индивидуальными сильными и слабыми точками покажутся сильными диссоциациями и легковерный нейропсихолог будет затоплен морем артефактов.

Когнитивные градиенты и когнитивные иерархии

Для объяснения работы новой коры (неокортекса) часто используется дидактический прием. Этот прием прост, но эвристически эффективен. Он базируется на понятии трехуровневой иерархии в новой коре.

В заднем отделе полушария первый уровень иерархии состоит из первичных сенсорных проекционных зон. Они организованы «стимулотопическим» образом, что приблизительно означает поточечную проекцию поля стимулов на поле коры. Проекции являются непрерывными (или, как говорят математики, «гомеоморфными»). Это означает, что смежные точки поля стимулов проецируются на смежные точки кортикального пространства. Первичные области сенсорной проекции включают ретинотопическую проекцию в зрительной коре затылочной доли, соматотопическую проекцию в соматосенсорной коре теменной доли и «частотнотопическую» проекцию в слуховой коре височной доли. В лобной доле первый уровень иерархии представлен моторной корой, которая также является соматотопической. Соответствие между пространствами стимулов и первичными проекционными зонами топологически корректно, но метрически деформировано. Различные области коры связаны с различными частями стимульного пространства не на основе их относительных размеров, но на основе их относительной важности.

Второй уровень иерархии состоит из областей коры, которые вовлечены в более сложную переработку информации. Эти области не организованы стимулотопическим образом. Однако каждая из этих областей все еще привязана к конкретной модальности. Эти области коры, называемые модально-специфическими отделами ассоциативной коры, являются смежными с первичными проекционными зонами коры.

Наконец, третий уровень иерархии состоит из областей коры, которые появляются на поздних стадиях эволюции мозга и считаются играющими центральную роль в наиболее сложных аспектах переработки информации. Они не связаны с какой-то одной модальностью. Вместо этого, функцией этих зон коры является интеграция входных сигналов, приходящих от многих модальностей. Они называются гетеромодальной ассоциативной корой и включают нижневисочную кору, нижнетеменную кору и, разумеется, префронтальную кору.

Когда эффекты от повреждений мозга изучаются реалистически и без явных предубеждений, возникает картина мозга, весьма отличная от модулярной. Повреждение смежных частей коры порождает сходные, но не идентичные когнитивные потери. Этот паттерн свидетельствует о том, что смежные области неокортекса выполняют сходные когнитивные функции, и что постепенный переход от одной когнитивной функции к другой соответствует постепенной, непрерывной траектории на поверхности коры. Принцип, по которому когнитивные функции распределены по коре, является градуированным и непрерывным, а не модулярным и инкапсулированным. Этот принцип организации, который я назвал «градиентным», в особенности применим к гетеромодальной ассоциативной коре; возможно в меньшей степени к модально-специфическим отделам ассоциативной коры и менее всего к первичной проекционной коре, которая сохраняет сильно модулярные свойства.

Понятие когнитивного градиента впервые возникло у меня в конце 1960-х годов, когда я начал слушать курс нейропсихологии. Вместе с другими студентами я столкнулся с калейдоскопом нейропсихологических синдромов, бесконечным и несвязанным перечнем. Я чувствовал, что мне требуется автодидактический метод, который позволил бы мне организовать эти нейропсихологические синдромы в связанную упрощающую схему. Градиентная модель превосходно служила этой цели, так как она позволяла мне скорее интерполировать синдромы, чем запоминать их наизусть. Затем я пришел к пониманию того, что градиентное понятие корковой функциональной организации является также мощным концептуальным и объяснительным средством в осмыслении мозга и мозговых расстройств, значительно более мощным, чем доминировавший в то время взгляд на кору как состоящую из дискретных функциональных областей. Наряду со всем прочим, мои градиенты позволяли мне точно предсказывать эффекты от конкретных повреждений мозга, еще не видя их эмпирически, и мне эта игра доставляла большое удовольствие. Это также помогало объяснить, как приобретали свои функции различные части новой коры. Я начал думать о моих градиентах как о нейропсихологическом аналоге периодической таблицы элементов Менделеева.

Первым человеком, с которым я поделился моей градиентной теорией, был Эхтибар Джафаров из Баку. Эхтибар, тоже студент факультета психологии Московского государственного университета, несколькими курсами младше меня, был моим протеже. Блестящий эрудит и математический вундеркинд, он служил показательным примером культурных противоречий. Обладая творческим и строгим умом, полностью адаптированным к западной философии и литературе, он тем не менее сохранял свои восточные нравы.

Благодаря стечению обстоятельств, я, вероятно, несу ответственность за поступление Эхтибара в университет. Аспирантов часто просили интервьюировать абитуриентов, что было частью процедуры приема. Деканат предупредил нас, что факультет психологии имеет особую привлекательность для «психически неустойчивых» абитуриентов. В свете этого опасения и в духе культуры, в которой мы жили, мы были проинструктированы отслеживать абитуриентов-«психов» и тайком делать на их личных делах магическую пометку — черную метку мечтаниям абитуриента о Московском университете.

И вот в знойный июльский полдень я сидел в душной аудитории старого здания Московского университета на Манежной площади. Как я ни заставлял себя слушать невнятную речь юного оболтуса, сидевшего напротив меня, мое внимание отвлекалось. В это время моя приятельница Наташа Калита за смежным столом интервьюировала безукоризненно одетого, долговязого южанина с черными как смоль волосами. Юноша, которому на вид не было еще двадцати, говорил на превосходном русском языке, но с характерным кавказским акцентом. От скуки я начал прислушиваться к их разговору. Молодой южанин говорил о теореме Гёделя, в то время как Наташины все более соловевшие глаза выражали полное непонимание. Когда южанин перешел к машине Тьюринга, я увидел, как рука Наташи потянулась к магическому карандашу. Но я уже почувствовал родственный дух и очень быстро предложил Наташе поменяться абитуриентами. Она взяла моего бессвязного оболтуса, а я закончил интервью с молодым южанином.

Я написал хвалебное заключение, и Эхтибар стал студентом-первокурсником, возможно, самым ярким на факультете психологии. В результате описанного знакомства он привязался ко мне и видел во мне своего защитника. Между нами быстро появилось взаимное интеллектуальное уважение и мы стали обсуждать наши далеко идущие идеи и теории.

Когда несколькими годами позднее я был готов покинуть страну, Эхтибар прилетел из Москвы в Ригу, чтобы попрощаться. Мы провели вечер в тихой беседе в гостиной квартиры моих родителей на третьем этаже. Как «персона нон грата» и «изменник Родины», я подозревал, что квартира прослушивалась, и мы предусмотрительно удалили из комнаты и отключили телефон (большинство советских людей считали телефон самым распространенным устройством для прослушивания квартир). Много лет спустя Эхтибар рассказал мне, что по возвращении в Москву он был вызван в КГБ, где его спрашивали о целях его поездки ко мне и предъявляли подробное содержание нашей прощальной беседы как доказательство всеведения органов госбезопасности. Я не знаю, как они записали на магнитофон нашу беседу. Я могу только предполагать, что на улице рядом с домом был припаркован грузовик, начиненный подслушивающим оборудованием. Хотя у меня оставалось мало иллюзий о правителях моей страны, я нашел эту историю ошеломляющей, но скорее печальной, чем возмутительной. Я не был активным диссидентом; по всем рациональным стандартам, я был политическим никем. И это показатель того, как использовались ресурсы в стране, не славившейся своим богатством, всего за полтора десятилетия до ее окончательного распада под своей собственной тяжестью.

Итак, Эхтибар был тем, кому я поведал мою доморощенную градиентную теорию, которая резко отличалась от всего, что нам преподавали о мозге. Это было сделано стильно, за обедом с красным грузинским вином и видом на панораму Москвы из ресторана, расположенного на верхнем этаже здания гостиницы Министерства обороны, которое студенты называли «Пентагоном», неподалеку от университетского городка. Выбор места для обеда был весьма ироничным, так как я — с молчаливого согласия Лурии — как раз тогда пытался избежать советского военного призыва, что было весьма опасным предприятием в то время и в том месте.

Эхтибар был впечатлен идеей и поддержал ее. Поэтому я решил продвинуть ее далее и на следующий день обсудил ее с Александром Романовичем. Я всегда думал о моей градиентной модели как о прямом и непосредственном порождении подхода самого Лурии к отношениям между мозгом и психикой. Но, к моему удивлению, он не стал рассматривать ее в таком свете и фактически отклонил в пользу более традиционной «локализационной» концепции. Одна из хороших черт Лурии заключалась в том, что с ним можно было не соглашаться в научном споре без риска подорвать личные отношения. Даже когда он не разделял ваши идеи, он не чувствовал, что они ему угрожают. Его реакция не имела ничего общего с раздражением; она могла варьировать в диапазоне от энтузиазма до благожелательного безразличия, и именно последнее было его реакцией на мою теорию.

Мне удалось описать мою градиентную теорию только 15-ю годами позднее, в 1986 году, когда я получил возможность провести год в качестве приглашенного исследователя в Институте высших исследований Еврейского университета в Иерусалиме. Когда журнальная статья, в которой я ввел понятие когнитивного «кортикального градиента», была наконец опубликована в 1989 году³⁶ и затем перепечатана как глава книги³⁷, она была большей частью проигнорирована.

Понятие модулярности было слишком распространенным и привлекало своей простотой. Но сегодня модулярность отступает, а градиентная теория мозговой коры находится на подъеме. Я убежден, что это является подлинным сдвигом парадигмы в когнитивной нейронауке и, как каждый сдвиг парадигмы, он дается с трудом. В примечательном эссе «Скотома: забывание и игнорирование в науке» Оливер Сакс уподобляет нынешние изменения в наших взглядах на мозг сдвигу парадигмы в физике в начале двадцатого века³⁸. Это было время, когда ньютонова физика дискретных тел была заменена новой физикой поля — электрического, магнитного и гравитационного.

Как я показываю далее в этой книге, понятие модулярности не следует отвергать полностью. Модулярность, вероятно, адекватно описывает архаический принцип нейронной организации, который позднее в ходе эволюции был подчинен градиентному принципу И если это так, то существует поразительная параллель между эволюцией мозга и интеллектуальной эволюцией того, как мы думаем о мозге. Как и эволюция самого мозга, эволюция наших теорий о мозге характеризовалась сдвигом парадигмы от модулярности к интерактивности.

Вещь есть вещь

Градиентный принцип легче всего понять при анализе двух фундаментальных аспектов нашего психического мира: восприятия и языка. Рассмотрим два альтернативных способа, которыми могут кодироваться психические представления вещей. Согласно первой версии, различные категории вещей (фрукты, цветы, одежда, инструменты и т.д.) кодируются как отдельные «модули», каждый из которых занимает отличное, четко очерченное местоположение на коре. Согласно второй версии, представление каждой категории вещей распределяется в соответствии с ее различными сенсорными компонентами: зрительными, тактильными, звуковыми и т.д.

Первая возможность — это реализация модулярного принципа мозговой организации. Сторонники этого принципа обычно указывают на случаи трудностей восприятия или называния, затрагивающие специфические, изолированные категории предметов. Как указывалось ранее, такие случаи крайне редки, но они существуют. Вторая возможность — это реализация градиентного, непрерывного принципа корковой организации. Чтобы помочь решить, какая из двух альтернатив ближе к истине, мы обратимся к своеобразному классу неврологических расстройств, — к так называемым «ассоциативным агнозиям».

Представьте себе прогулку по универмагу. Вы обнаруживаете, что окружены сотнями объектов, большинство из которых уникально по крайней мере в некотором отношении. Насколько вероятно, что вы уже видели этот конкретный образец галстука, этот конкретный покрой одежды или эту конкретную форму вазы? Вероятно, вы не сталкивались ранее с точными копиями каждого из этих объектов. Тем не менее, вы немедленно распознаете их как представителей некоторых знакомых категорий: галстуки, одежда, вазы. Парадоксальным образом, мы мгновенно узнаем эти объекты, хотя, строго говоря, они являются новыми для нас.

Категориальное восприятие, способность узнавать уникальные объекты как представителей общих категорий, является фундаментальной когнитивной способностью, без которой мы не смогли бы действовать в окружающем нас мире. Мы принимаем эту способность как данность и в большинстве случаев реализуем ее автоматически, без усилий и мгновенно. Но в случае заболевания мозга эта фундаментальная способность может оказаться существенно ослабленной, даже если не затронуты первичные ощущения (зрение, слух, тактильные ощущения). Мы называем такие заболевания ассоциативными агнозиями³⁹.

По своей природе наше знание внешнего мира многомерно. Мы можем вызвать зрительный образ зеленой кроны дерева, также как звук листьев, шуршащих на ветру, запах цветущих цветов, ощущение шероховатой коры, которой касаются наши пальцы. Как в случае ассоциативных агнозий страдает способность распознавания предметов? Разделяют ли подобную судьбу различные атрибуты психического представления предмета? Происходит ли перцептивный «провал» в случае ассоциативных агнозий по целым предметам, или по их сенсорным размерностям?

Исследования эффектов влияния повреждения мозга на познавательную деятельность показали, что в случае агнозий способность воспринимать объекты никогда полностью не разрушается. Обычно она ограничена определенными сенсорными системами, не затрагивая других. В соответствии с этим характеризуются и получают имя различные частичные агнозии. Пациент со «зрительной предметной агнозией» не способен распознать общеизвестный предмет визуально, но немедленно распознает его путем прикосновения. Пациент с «чистой предметной астереогнозией» не способен распознать тот же общеизвестный предмет путем прикосновения, но распознает его визуально. Пациент с «ассоциативной слуховой агнозией» не способен распознать общеизвестный предмет по его характерному звуку (например, собаку по ее лаю), но без затруднений распознает его визуально или путем прикосновения⁴⁰.

Итак, ни одна из этих агнозий не уничтожает полностью нашу способность воспринимать предмет, — только частично. При каждой из форм агнозии дефицит ограничен отдельной сенсорной модальностью (зрительной, слуховой или тактильной); в этой и только в этой модальности восприятие пациента серьезно нарушено. Таким же образом, этот частичный дефицит обычно не ограничен особым классом предметов (как предметы одежды или домашние приспособления), но затрагивает до некоторой степени все типы предметов. Но пациент не является слепым, глухим или онемевшим. Хотя агнозии определенно привязаны к определенным сенсорным системам, первичные сенсорные системы сами по себе не затронуты.

Какова нейроанатомия ассоциативных агнозий? Территории коры, повреждение которых ведет к этим агнозиям, являются смежными с областями, ответственными за сенсорные входные сигналы, как они поступают в кору. Территория зрительной предметной агнозии примыкает к зрительной коре затылочной доли, территория ассоциативной слуховой агнозии примыкает к слуховой коре височной доли, и территория чистой предметной астереогнозии примыкает к соматосенсорной коре затылочной доли.

Отсюда следует, что психическое представление предмета не является модулярным. Оно является распределенным, так как его различные сенсорные компоненты представлены в различных частях коры. И оно является градиентным, так как области этих частичных репрезентаций постепенно переходят в зоны соответствующих сенсорных модальностей.

Слово к вещи

Рассмотрим два альтернативных способа, которыми в мозге может кодироваться знание о значении слов:

1. Репрезентация значений слов по своей природе модулярна. Все значения слов связаны вместе в узел и отделены от мозгового представления реального физического мира, который они обозначают.

2. Репрезентация значений слов распределена. Она распределена в тесной нейроанатомической близости к мозговым репрезентациям соответствующих аспектов физического мира. Это может означать, что значения различных типов слов закодированы в различных частях коры.

Хотя большинство репрезентаций вещей и событий включают многие сенсорные модальности, некоторые из них более зависимы от определенных сенсорных модальностей, чем от других. У людей психические представления физических объектов зависят главным образом от зрительной модальности и только вторично — от других сенсорных модальностей. Это отражено в идиоме «предстать перед умственным взором» — не «умственным слухом» или «умственным обонянием». Вы можете проверить это сами, попросив вашего друга описать общеизвестный предмет. Скорее всего, это описание будет фокусироваться на том, как предмет выглядит, и только позднее, под нажимом, — на том, как он звучит, пахнет или осязается. В противоположность этому, говорящая собака (относительно более обоняющее создание) почти определенно придумала бы идиому «предстать перед внутренним носом». В то же время, психические представления физических действий — идти, бежать, ударять — являются по своей природе не столько зрительными, сколько моторными и тактильными/проприоцептивными.

Предметы представлены в языке существительными, причем не любыми существительными, а конкретными существительными. «Стул» — это предметное слово, а «независимость» — нет. Действия представлены в языке глаголами, точнее конкретными глаголами. «Бежать» — слово действия, а «озаботиться» — нет. Что представляют собой корковые представления предметных слов и слов действия? Представлены ли они вместе в различимых частях коры, или их представления распределены, согласно их значению, по различным частям коры?

Изучение пациентов с повреждениями мозга позволяет предположить, что кортикальная топография языка определенно распределена. Нарушение наименования является обычно не глобальным, а частичным. Потеря предметных слов (или «аномия на существительные») вызывается повреждением части височной доли, смежной со зрительной затылочной долей. В этих случаях слова действия относительно сохранны. В противоположность этому, потеря слов действия (или «аномия на глаголы») вызывается повреждением лобной доли, прямо перед моторной корой. Это позволяет предположить, что корковое представление объектных слов тесно связано с корковым представлением самих объектов и что корковое представление слов действия тесно связано с корковым представлением самих действий⁴¹.

В пользу этого заключения свидетельствуют новейшие исследования здоровых испытуемых с использованием методов функциональной нейровизуализации. Алекс Мартин и его коллеги из Национального института психического здоровья рассмотрели большое число таких исследований и пришли к выводу, что как корковое представление предметов, так и корковое представление словесных значений, обозначающих предметы, являются в высшей степени распределенными⁴². Различные компоненты этих лексических представлений локализованы близко к сенсорным и моторным зонам, которые участвовали в получении информации о соответствующих предметах. Например, именование животных активизировало левые затылочные зоны, тогда как именование инструментов активизировало левые премоторные области, ответственные за движения правой руки⁴³. Это изображено на рисунке 5.4.

a) ЖИВОТНЫЕ

b) ИНСТРУМЕНТЫ

Рис 5.4. Распределенное корковое представление языка. Корковое представление значений слов, обозначающих предметы, является в высшей степени рассредоточенным. Различные свойства этих представлений хранятся близко к тем сенсорным и моторным зонам, которые участвовали в получении информации об этих предметах: a — зона усиленного кровотока, когда испытуемые называют рисунки животных, по сравнению с называнием инструментов; b — зона усиленного кровотока, когда испытуемые называют рисунки инструментов, по сравнению с называнием рисунков животных. (Адаптировано из: Martin A. et al. Neural correlates of category-specific knowledge // Nature. 1996. Vol. 379, № 6566. P. 649-652.)

И опять возникает явно не модулярная, а распределенная и непрерывная картина корковой функциональной организации, соответствующая градиентной модели. Знание значения слова не хранится в мозге в виде отдельного, компактного модуля. Различные аспекты значения слова распределены в тесной связи с теми аспектами физической реальности, которые они обозначают.

Парадоксально, но многие открытия, на которые обычно ссылаются сторонники модулярности, более естественно вписываются в градиентную теорию коры. Вследствие повреждения мозга с большей вероятностью может быть утрачена способность именовать живые существа, чем способность именовать неживые предметы⁴⁴. Из всех фактов, упоминавшихся в пользу модулярного взгляда на мозг, этот является одним из наиболее хорошо установленных. Но простой здравый смысл позволяет предположить другое объяснение.

Большая часть неживых предметов, с которыми мы контактируем, сделана человеком. Сделанные человеком предметы созданы с определенной целью; мы делаем нечто с их помощью. В большинстве случаев из этого следует, что умственные представления неживых предметов имеют дополнительный аспект: представление действий, связанных с этими предметами. Этот аспект большей частью отсутствует в умственных представлениях живых существ. В результате, умственные представления неживых предметов распределены более широко, вовлекают больше частей мозга и поэтому менее подвержены влиянию повреждения мозга.

Подобно умственным представлениям самого физического мира, умственное представление языка, обозначающего физический мир, является распределенным. Тесное взаимоотношение, тесный параллелизм существует между этими двумя нейронными репрезентациями. Они, видимо, являются парными, одно приложено к другому. Это имеет как эволюционный, так и (прошу прошения за телеологический порыв) эстетический смысл. Нейронная организация является и экономной, и элегантной.