Текст: ГодЛитературы.РФ
С каждым ведь бывает: заходишь на кухню, видишь пачку печенья и малодушно съедаешь парочку, хоть и обещал себе завязать со сладким. На все про все несколько секунд — но в мозге за это время происходят миллионы процессов. Причина — в электрических импульсах, с помощью которых нейроны обмениваются между собой информацией; с их помощью мы принимаем решения, управляем движениями своего тела и много чего еще делаем — например, распознаем лица.
На таком вот простом примере с печеньем нейробиолог Марк Хамфрис объясняет природу этих импульсов и рассказывает, что в принципе известно ученым о работе мозга. Получился крайне улекательный, хоть и не самый простой для усвоения научпоп; выяснить, подходит вам такое или нет, как раз поможет небольшой фрагмент книги, выпущенной издательством Individuum.
Марк Хамфрис. «Скорость мысли. Грандиозное путешествие сквозь мозг за 2,1 секунды» [пер. с англ. А. Снигирова]. — М.: Individuum, 2022. — 304 с.
Глава 10
Ограничения скорости
Печенье уже на пути к вашему рту. По мере того как оно поднимается все выше, импульсы разбегаются по вашему мозгу: от сетчатки до зрительной коры, через префронтальную кору, дальше в моторную кору и базальные ганглии, вниз по стволу мозга и в спинной мозг. Для вас это был лишь миг. Всего две секунды. От искоса брошенного взгляда до печенья во рту — мгновение ока.
От простейшего рефлекса, отдергивания руки от обжигающей чашки, до замирания, когда тигр вежливо покашливает у вас за спиной. От принятия решения, является ли летящее к вам черно-белое пятно восторженным далматинцем или разъяренной пандой, до вашей памяти, подсказывающей следующие слова в любимой песне, чтобы вы могли проорать в караоке припев, попадая в ноты так же часто, как слепой лучник. Скорость, с которой ваш мозг может — должен — реагировать на внешний мир, ставит жесткие требования к тому, как быстро должны работать импульсы. И ваш мозг действительно способен реагировать до неприличия быстро.
Простые реакции на внешний мир занимают всего несколько миллисекунд. Я показываю вам картинку, и первое заметное изменение потока импульсов от ганглиозных клеток сетчатки происходит примерно через 20 миллисекунд. V1, первичная зона зрительной коры, реагирует примерно через 40–50 миллисекунд после появления изображения. Каждый пит-стоп на шоссе «Что» добавляет еще примерно 10 миллисекунд: реакция в V2 возникает через 10 миллисекунд после отправки сигнала из V1; в V4 — примерно через 10 миллисекунд после V2. Шоссе «Как» работает быстрее, нейроны области MT меняют свою активность всего через 10 миллисекунд после первого заметного изменения в V1.
Логично, правда? Шоссе «Как» — это быстрый, реактивный маршрут через кору головного мозга для определения, где и как что-то движется, чтобы обеспечить вам возможность выбора: немедленно дотронуться и схватить или наоборот, пригнуться и ускользнуть. Шоссе «Что» медленнее, это маршрут через кору головного мозга, заполненный обменом мнениями и консультациями, для того чтобы понять, что представляет собой то, что вы увидели, и помочь определить, съедобно ли это, можно ли это погладить или оно собирается наказать вас за опоздание на работу. Медленнее, но веретенообразная область распознавания лиц взорвется активностью менее чем через 100 миллисекунд после того, как в поле вашего зрения попадет знакомое лицо.
Впрочем, и более сложные активности не занимают у мозга много времени. Вот вам подобное испытание: я покажу картинку всего на 30 миллисекунд, пока вы удерживаете кнопку; ваша задача — отпустить кнопку, но только в том случае, если на картинке изображено животное. При мимолетном взгляде ваш мозг должен использовать импульсы из сетчатки, несущие информацию о том, где была темнота, а где свет и под каким углом находились границы света и темноты, не только для восстановления из точек и штрихов рисунка, то есть понять, что это картинка, но затем еще и сравнить эту реконструированную картинку-концепцию с некоторыми сохраненными воспоминаниями о том, как выглядят животные. А затем — еще и принять решение, есть ли на картинке какие-либо из этих животных. Выглядит не так уж просто. Тем не менее вы, скорее всего, дадите как минимум 90% правильных ответов. Потому что ваш мозг может решать подобные задачи очень быстро: время от первого появления изображения в поле зрения до момента, когда активность в конце шоссе «Что» (в вашей префронтальной коре) сигнализирует о принятии решения, животное на изображении или нет, составляет всего 150 миллисекунд. И если это звучит неправдоподобно быстро, то как вам такое: Терри Стэнфорд с коллегами показали, что всего 30 миллисекунд достаточно, чтобы новая порция зрительной информации повлияла на решение.
Конечно, чем больше мозгу нужно обрабатывать, тем медленнее реакция. Как только ваш мозг определил, изображено ли на картинке животное, нужно проделать еще одну работу. Вы должны выбрать правильное действие — отпустить кнопку или нет, — а затем выполнить его физически. Скорее всего, между появлением изображения и отпусканием кнопки в среднем пройдет около 450 миллисекунд. Поскольку ваш мозг, кажется, уже через 150 миллисекунд знает, изображено ли на картинке животное, это должно означать, что организовать правильную физическую реакцию сравнительно сложно.
Еще мы можем замедлить ваш мозг, заставив его заниматься математикой. Возможно, вас это не удивит. Тем не менее французский нейробиолог Станислас Деан решил проверить, насколько именно упадет скорость. Он давал группе добровольцев простое задание: определить, больше или меньше некоторое число, чем пять. В среднем участникам требовалось около 400 миллисекунд между предъявлением числа и физическим ответом, заключавшимся в нажатии кнопки. То есть мозгу нужно было меньше половины секунды, чтобы распознать число, сравнить его с пятью, а затем отреагировать, нажав правильную кнопку. А иногда добровольцы делали это даже быстрее.
Хитрость эксперимента Деана заключалась в том, что он манипулировал всеми тремя частями задачи — пониманием, сравнением, ответом, — чтобы выяснить, какая из них вызывает затор. Ответ давался быстрее, если число было показано, а не произнесено, то есть мозг понимает визуальную информацию быстрее, чем полученную на слух. Реакция была тем быстрее, чем дальше число отстояло от пяти, а это наводит на предположение, что числовая прямая действительно существует. И нажатие кнопок правой рукой происходило быстрее, чем левой: все добровольцы были правшами, так что доминирующий контроль этой руки в их левой моторной коре (про латерализацию см. в четвертой главе) играет в пользу ускорения прохождения команд. Таким образом, самый быстрый ответ в 375 миллисекунд был получен при визуальном предъявлении числа, значительно отличающегося от пяти, когда в качестве ответа требовалось нажатие правой кнопки. Самый медленный отклик в 435 миллисекунд был при прослушивании числа, близкого к пяти, для которого требовалось нажать на левую кнопку. Но эти различия в скорости — понимании, сравнении, действии — сдвигали общее время реакции мозга всего на несколько десятков миллисекунд.
Мы можем еще больше замедлить работу мозга, не дав ему достаточно информации. Здесь мы снова возвращаемся к фильмам с беспорядочно движущимися точками. Вспомните: задача состоит в том, чтобы определить доминирующее направление, в котором движутся точки, и сообщить о принятом решении, повернув глаза к источнику света в том же направлении — посмотрев на лампочку слева или справа. Мы можем контролировать, насколько сложна задача, изменяя долю точек, движущихся в одном направлении. И чем меньше точек движется в одном направлении, тем сложнее задача и тем медленнее люди, обезьяны и грызуны принимают решения6. Если половина точек движется в одном направлении, то на принятие решения уходит около 400 миллисекунд и почти все решения верны. Но снизьте количество синхронно двигающихся точек до 3%, тогда на принятие решения будет уходить примерно в два раза больше времени, и все равно испытуемые будут совершать множество ошибок. Хуже того, если мы сыграем с испытуемыми жестокую шутку, заставляя точки двигаться хаотически, то есть исключим возможность правильного ответа, люди будут смотреть на экран в течение секунды или более, даже если их проинструктируют, что требуется принимать решение как можно быстрее. Когда мы собираем рассеянную, сложную информацию, мозг сразу замедляется. Замедление по-прежнему относительно — в конце концов, это лишь секунда.
Ваше решение стащить печенье в трудную минуту сочетает в себе все вышеперечисленное и еще много чего. Импульсы объединяют все эти светлые и темные участки и границы в рассыпчатое овсяное печенье в полумраке коробки с приоткрытой крышкой, на которой нацарапано фломастером «Печенье», стоящей на коричневатой столешнице. Импульсы о распознавании в этом овсяно-коричневом полукруге, усеянном темными и светлыми кусочками, последнего печенья, съедобного объекта, ответа на насущную проблему выхода из дремоты перед неизбежным общим собранием. Импульсы буферной памяти, фиксирующей, где ваши коллеги были всего лишь долю секунды назад, кто рядом с кем, кто куда смотрел. Импульсы для накопления всех этих воспоминаний и новой информации в качестве свидетельств в пользу или против того, схватить это печенье или лучше не стоит. Импульсы для исполнения сложносоставного движения, заканчивающегося прикосновением кончика пальца к его рассыпчатому краю. Даже если учесть вялость вашего полудремлющего после сытного обеда мозга, это примерно 300 миллисекунд, чтобы собрать «что» и «где» из зрительных и слуховых входящих сигналов, еще 1,5 секунды, чтобы вспомнить все и принять решение, и еще 300 миллисекунд, чтобы наклониться и дотянуться до этого кусочка плотской утехи. На все про все — 2,1 секунды.
В таких временных масштабах импульсы на самом деле неуклюже медлительны. Физический процесс создания и отправки импульса устанавливает жесткий нижний предел того, сколько импульсов может быть передано, получено и заново отправлено в течение одной или двух секунд. Вызвать скачок напряжения можно быстро, но не бесконечно быстро: диффузия молекул, переток ионов, рост и падение потенциала. Суммирование всплесков для достижения критической точки может происходить быстро, но не бесконечно быстро. Создание импульса при достижении критического уровня потенциала происходит быстро, но тоже не бесконечно быстро. Бег импульса по аксону стремителен, но тоже занимает время. Каждый шаг в процессе создания и отправки импульса — это время, это задержка на пути обработки того, что происходит в мире. Даже если каждый входящий импульс, поступающий к нейрону, вызывает всплеск напряжения, достаточно большой, чтобы подтолкнуть нейрон к его критической точке, все равно пройдет не менее 10 миллисекунд от момента, когда импульс приземлится на конец синапса, до момента прибытия нового импульса в пункт назначения — а возможно, и еще дольше, если аксон медленный, или длинный, или и то и другое сразу. Как же тогда мы ухитряемся выяснить все «что» и «где» в процессе охоты на печенье менее чем за 300 миллисекунд? <...>