Правда, мы не замечаем всех этих сложнейших процессов: чаще всего ответы на вопросы, что мы сейчас видим и слышим, приходят на ум сами собой, а вся сложная внутренняя работа скрыта от нашего сознания. Если человек каждый день видит аккуратно нарезанную и упакованную колбасу только в магазине, скорее всего, он не представляет себе, как она там появляется. Она просто каждый день ждет его на полке супермаркета, а все премудрости того, как ее готовят и доставляют в магазины, для конечного потребителя остаются невидимыми. Со зрением и слухом дела обстоят примерно так же – мы не представляем себе, насколько сложно устроена обработка зрительных и слуховых сигналов до тех пор, пока какой-нибудь любопытный ученый не заглянет внутрь, чтобы попробовать в этом разобраться.
Глава 4Как мы воспринимаем мир
На рубеже XX–XXI веков появилось несколько культовых фильмов, ставивших под сомнение незыблемость реальности, данной нам в ощущениях, – «Темный город» (1998), «Матрица» (1999) и «Тринадцатый этаж» (1999). Во всех трех фильмах в центре сюжета герои, которые живут в иллюзорном мире, но воспринимают его как настоящий и до поры до времени не подозревают о подмене. Когда смотришь такое кино, невольно задаешься вопросом о том, насколько реален мир, который мы ощущаем, и как это проверить, если нельзя доверять ощущениям. Можно ли обмануть мозг и заставить его видеть и слышать не то, что есть на самом деле?
Ученые до сих пор не до конца понимают, как мозг интерпретирует электрические сигналы, поступающие в него.
Это отчасти философский вопрос (особенно касательно того, что мы знаем о «на самом деле» и существует ли оно вообще за пределами нашей психики). Но чтобы решить такую невообразимо сложную задачу и заставить мозг услышать и увидеть то, чего нет на самом деле, для начала нужно разобраться с более простой проблемой – понять, каким образом реальные звуки и изображения кодируются в мозге. Однако даже это современной науке пока еще не по зубам: простая задача оказывается совсем не такой простой, и сотни и тысячи ученых уже много лет ломают над ней головы.
Что мы уже знаем о восприятии? У всех органов чувств общий принцип работы – они переводят разные типы сигналов извне на понятный мозгу язык нервных импульсов. Чтобы понять, что кодирует нейрон, необходимо выяснить, что это за нейрон и откуда он получает сигналы. Залп разрядов у нейрона в зрительной коре кодирует особенности изображения, а в слуховой – характеристики звуков.
Стимулируя нервные окончания, ведущие в мозг, мы будем вызывать разные ощущения, в зависимости от того, откуда и куда идет отросток нейрона. Все, что активирует зрительный нерв, воспринимается как элементы видимого мира, а все, что активирует нейроны спирального ганглия во внутреннем ухе, – как звуки[10].
С точки зрения мозга звуки и образы – это всего лишь симфония электрической активности в огромной сети специализированных нейронов. В мозге нет звуков, форм и цветов, потому что для нервной системы в них нет никакого смысла – у него есть электрические импульсы, стремительно бегущие вдоль нервных окончаний. Мы еще очень слабо представляем, как мозг интерпретирует электрические сигналы, чтобы построить на их основе цельную картину окружающего мира – это чрезвычайно сложная вычислительная задача. Здесь задействовано множество специальных отделов, каждый из которых контролирует несколько сравнительно простых этапов, передает информацию дальше, а заодно отправляет обратную связь о том, что получилось, в нижележащие отделы. Передавая информацию вдоль конвейера отделов, мозг выделяет внутри нее все более сложные признаки. В зрительной системе линии и пятна постепенно преобразуются в фигуры, из которых выстраиваются объекты сложной формы; сопоставляя изображения от двух глаз, мозг оценивает расстояние до объекта и его размер, распознает в мозаике пятен на сетчатке знакомые нам предметы и т. п.
Получая информацию извне, мозг не выстраивает внутри себя точную копию внешнего мира. Скорее он пытается сопоставить поступающие сигналы с тем, что мы знаем о мире, чтобы придать смысл тому, что мы видим и слышим. Мозг все время подбирает подходящие интерпретации для потоков входящей информации: если что-то выглядит, двигается и крякает, как утка, оно получает бирочку «утка», а затем бирочки присваиваются деревьям, кустам, небу и прохожим. Мир, который видит биолог, отличающий березу от дуба, а крякву от огаря, отличается от мира, видимого горожанином, для которого все птицы и деревья примерно на одно лицо: чем богаче наш зрительный опыт и глубже знания, тем больше интересного мы замечаем вокруг.
Мозг способен вычленять из огромного количества сигналов только те, что для нас важны.
Мы извлекаем из какофонии сигналов информацию, имеющую для нас смысл, – фактически соединяем между собой некие закономерности внутри воспринимаемых сигналов со своим опытом и ожиданиями. Так выстраивается согласованная модель мира, которую удобно использовать для прогнозов и планов на будущее. Вся эта внутренняя работа идет незаметно для человека и обычно дает довольно точные предположения о том, что происходит вокруг, – по крайней мере, до тех пор, пока все работает как следует.
В общем, качественному восприятию мира необходимо учиться: чем больше наши знания о мире, тем глубже восприятие.
Самая общая настройка зрения и слуха начинается сразу после рождения человека[11]: младенцы обучаются различать знакомые предметы и лица близких, звуки родной речи, а затем и узнавать отдельные слова, запоминая их значение. Примерно то же самое происходит, когда человек учит иностранный язык: мы обучаем слуховую и зрительную системы узнавать новые объекты – звучание и написание слов – и связываем их со значениями. Спустя время натренированный мозг перестает воспринимать иностранный язык как абракадабру и тарабарщину и начинает улавливать значение того, что видит и слышит. В арсенале мозга появляются новые шаблоны, которые можно прикладывать к реальности, чтобы придавать происходящему смысл.
Слух «самонастраивается» еще до рождения ребенка, так как новорожденные по-разному реагируют на звуки, которые слышали и не слышали, пока были в утробе матери.
Глава 5Как устроено зрение
Как устроен глаз
Зрительное восприятие можно разделить на два этапа: то, что происходит со светом внутри глаза, и обработку зрительной информации, отправляемой по зрительным нервам, внутри мозга. Начальный этап, на первый взгляд, напоминает работу фотокамеры (хотя даже здесь все намного сложнее, чем в фотокамере), а второй не имеет с фото- или видеофиксацией ничего общего.
Принципиальное устройство глаза действительно напоминает фотокамеру: спереди расположена система фотофиксации, а сзади находится чувствительная матрица, на которую попадает изображение. Передняя часть глаза работает на фокусировку и может регулировать поток света, попадающий внутрь, а задняя улавливает и анализирует сфокусированный свет. Фокусное расстояние изменяется с помощью хрусталика: его растягивает специальная цилиарная мышца, меняя радиус кривизны, фокусируясь на предметах вдали или, наоборот, перед самым носом. Радужная оболочка придает глазам цвет и может менять диаметр зрачка, регулируя размер диафрагмы – отверстия, через которое свет попадает в глаз.
В нашей сетчатке примерно 4,5–6 миллионов колбочек и 90-120 миллионов палочек.
Сфокусированное изображение попадает на сетчатку перевернутым: то, что находится справа, проецируется в левую часть сетчатки, а то, что было снизу, – наверх. На сетчатке свет улавливают специальные фоторецепторы – палочки и колбочки. Колбочки имеют коническую форму, они малочисленны[12], сосредоточены в центре сетчатки и отвечают за цветное зрение. Колбочки содержат один из трех типов йодопсина – это фоточувствительные пигменты, способные различать синий, красный или зеленый цвета[13].
Палочки имеют цилиндрическую форму, их особенно много на периферии сетчатки, и они способны улавливать даже слабый свет благодаря фотопигменту родопсину – он гораздо чувствительнее, чем йодопсин, и способен реагировать даже на единичные фотоны. Палочки обеспечивают нам сумеречное зрение, но при ярком свете не слишком полезны, поскольку родопсин засвечивается даже в темных областях изображения.
Глаза улавливают свет с помощью палочек и колбочек. Всего их около 200–250 миллионов.
Над палочками и колбочками располагается несколько слоев нервных клеток, сквозь которые свет проходит перед тем, как его улавливают фоторецепторы. Возбуждаясь, палочки и колбочки передают сигналы не дальше в сторону мозга, а в обратном направлении – к слою биполярных клеток, лежащих снаружи от фоторецепторов, а те в свою очередь – на ганглионарные клетки, лежащие еще ближе к хрусталику и дальше от мозга. В итоге отростки ганглионарных клеток собираются все вместе и идут прямо через сетчатку по дороге к мозгу. Здесь возникает слепое пятно, где проходят только нервные волокна, и нет никаких светочувствительных клеток. Обычно мы не замечаем, что в глазном дне есть слепые пятна: во-первых, в правом и левом глазах они расположены в разных участках зрительного поля, а во-вторых, мозг умеет достраивать тот кусочек изображения, который, как ему кажется, может быть в слепом пятне.
Строение сетчатки неоднородно: в центре находятся желтое пятно и центральная ямка – область наибольшей четкости и максимальной цветности изображения [2]. В центральной ямке расположены только рецепторы-колбочки, чувствительные к цветовым различиям. Здесь они очень плотно упакованы, и над ними нет слоя нервных клеток и волокон, которые могут искажать световые волны. В центральной ямке передача зрительной информации идет без сжатия – каждая колбочка передает сигнал своей биполярной клетке, а та, в свою очередь, – единственной ганглионарной клетке, которая отправляет сигнал по собственному нервному волокну в составе зрительного нерва.
Отростки центральных ганглионарных клеток составляют 70 % всех волокон в зрительном нерве, то есть огромная область зрительного поля за пределами центральной ямки дает только 30 % информации о том, что мы видим. Так происходит потому, что чем дальше от центральной ямки, тем сильнее сжатие информации – здесь преобладают не колбочки, а палочки, помогающие нам видеть в сумерках, при этом множество палочек передают свои сигналы небольшому числу клеток в следующих слоях. По этой причине мозгу сложно точно определить форму и расположение объектов, которые проецируются на периферию сетчатки – для этого необходимо перевести взгляд в сторону, чтобы изображение попало в центр поля зрения.
Чем же заняты остальные клетки сетчатки, помимо палочек и колбочек (их, между прочим, насчитывается более 50 типов)? Эти клетки обрабатывают и ужимают информацию, облегчая мозгу задачу. У нас в глазах около 200–250 миллионов палочек и колбочек, при этом на 20 палочек приходится всего 1 колбочка, зато она сидит в центре и получает эксклюзивный доступ к остальным клеткам сетчатки. А вот в каждом зрительном нерве миллион аксонов, так что всего глаза покидает 2 миллиона аксонов. То есть уже в самой сетчатке информация ужимается как минимум в сто раз.
Чем больше ученые изучают процессы, происходящие в сетчатке, тем очевиднее, что она не просто воспринимает световую информацию и слегка фильтрует ее перед отправкой в мозг – здесь она проходит предварительную обработку, чтобы отправить мозгу отчет, содержащий результаты анализа изображения на сетчатке [3].
Например, сейчас описано 15 типов ганглионарных нейронов, отправляющих информацию из сетчатки в мозг. 90 % из них составляют мелкоклеточные нейроны – они анализируют мелкие детали того, что мы видим. Еще 5 % – крупноклеточные нейроны, они реагируют на перемещение объектов по сетчатке. Ганглионарные клетки специфичны: каждая из них предпочитает определенное направление движения и мало интересуется стимулами, которые движутся в другие стороны. При этом сетчатка различает, когда изображение двигается целиком, потому что мы перемещаем взгляд, и когда в поле зрения есть отдельные подвижные объекты. Получается, что сетчатка умеет замечать в мешанине сигналов движение объекта против потока. Если же одновременно двигается все изображение, сетчатка на мгновение гасит сигналы и передает изображение с нового положения после того, как оно стабилизировалось. Благодаря этому мы не замечаем, что постоянно совершаем саккады – быстрые движения глазами, позволяющие нам бегло осматривать поле зрения[14] [4].
Отдельно глаз умеет выделять приближающиеся объекты – те, что движутся не вправо и влево, а прямо на нас. Для этого тоже есть специальные ганглионарные клетки – они срабатывают, когда в области зрения, за которую они отвечают, появляется пятно и увеличивается в размерах.
Сетчатка умеет подкручивать резкость и контраст на границах между контрастными объектами. Это происходит благодаря латеральному (боковому) торможению. Возбуждаясь, фоторецептор не только отправляет сигнал дальше, но еще и подтормаживает соседей через горизонтальные клетки. Чем активнее клетка, тем сильнее она тормозит соседей. Пока освещенность одинаковая, все тормозят друг друга с одинаковой силой, а вот на контрастной границе получается перекос в силах: в итоге краевые клетки в светлой зоне, примыкающие к тени, передают сигнал чуть ярче, чем клетки, у которых нет темных соседей, а темные, наоборот, дополнительно затемняют сигнал на границе со светлыми. Этот эффект особенно хорошо заметен на контрастной решетке: перекрестье будет выглядеть темнее, чем вертикальные и горизонтальные линии. Так получается, потому что латеральное торможение усиливает контраст у тонких линий, а вот в центре светлого пятна темных соседей нет, перекрест дополнительно не подсвечивается и поэтому выглядит темнее. Боковое торможение сигналов на границе работает не только в пространстве, но и во времени: благодаря этому мы видим относительно четкие силуэты объектов, когда они стремительно проносятся мимо нас.
У наших глаз есть специальный инструмент для того, чтобы вовремя увидеть летящий в нас объект, – ганглионар-ные клетки.
Приведенные изображения демонстрируют особенности работы сетчатки наших глаз. Справа вверху: если зафиксировать взгляд на минуту на четырех точках в центре картинки, а затем перевести на однородный фон, можно увидеть послеобраз – инвертированный «засвет» сетчатки. Сверху справа: простой тест на слепое пятно: если прикрыть один глаз, а взгляд второго зафиксировать на букве (правый на П или левый на Л) и отодвинуться от картинки примерно на три расстояния между П и Л, вторая буква пропадет из поля зрения – ее проекция попадет как раз в область слепого пятна на сетчатке.
Ниже показано, как работает латеральное торможение (слева) и решетка Германа, демонстрирующая эффект латерального торможения: нейроны сетчатки подтормаживают соседей, благодаря этому край между пятнами света и тени выглядит более контрастным. Если у проекции на сетчатке нет контрастных соседей, то участок не подсвечивается: по этой причине узлы решетки кажутся темнее, чем горизонтальные и вертикальные линии.
Еще одна важная функция сетчатки – адаптация к освещенности и контрасту: когда мы долго фиксируемся на контрастных изображениях, они меняют восприимчивость сетчатки. Если после этого перевести взгляд на равномерно освещенную поверхность, можно заметить инвертированный след, в котором на месте темных пятен будут светлые, а на месте светлых – темные. Когда определенная область сетчатки воспринимает один и тот же сигнал долгое время, нейроны «устают»: в их клетках истощаются запасы нейромедиатора, и они хуже проводят сигналы по сравнению с теми областями, которые все это время были неактивны и имеют в запасе свежие пузырьки с нейромедиаторами для передачи сигнала.
Бывают и другие варианты послеобразов, например подвижные: если долго смотреть на водопад, а затем перевести взгляд на неподвижные объекты, может возникнуть иллюзия, что часть изображения медленно поднимается вверх. Таким же образом сетчатка адаптируется к паттернам в изображении: области сетчатки, куда долго проецируются горизонтальные полосы, намного сильнее среагирует на появление вертикальных [3].
Наверное, самая удивительная особенность сетчатки – это ее способность предсказывать будущее. Правда, речь идет о предсказании будущего изображения на интервалах в несколько десятков миллисекунд, но даже с такими оговорками это очень впечатляет! Дело в том, что зрительная информация попадает в мозг с опозданием: для того чтобы сигнал отправился в мозг, сначала должна произойти целая цепочка событий, начиная с возбуждения фоторецептора.
Как назло, наши фоторецепторы – самое слабое звено в вопросах скоростной передачи изображения: от того момента, когда свет попал в колбочку, до того, когда она запускает нервный импульс, проходит несколько десятков миллисекунд[15] (далее – мс). Кажется, что это немного, но, например, теннисный мяч при умелой подаче за это время может пролететь один-два метра: чтобы его отбить, теннисисту нужно как можно точнее знать, где он находится, но у него нет ничего, кроме зрения с неизбежными задержками.
Оказалось, что когда изображение мяча перемещается по сетчатке, его проекция запускает волну активности вдоль ганглионарных клеток. Удивительным образом эта волна в точности соответствует положению мяча, если бы его перемещения отображались без задержки на передачу сигнала от колбочек [3]! Получается, что сетчатка способна рассчитывать прогнозируемое положение объекта без задержек на работу фоторецепторов, если этот объект стремительно, но без скачков перемещается в пределах нашей видимости – за счет коллективной активности ганглионарных клеток[16].
Мозг и зрение
Аксоны ганглионарных клеток собирают сигналы от сетчатки, образуют зрительный нерв, и он отправляется от сетчатки глаза внутрь мозга. Там часть волокон перекрещивается: аксоны от половины сетчатки, которая ближе к носу, меняются местами; в итоге то, что мы видим слева, анализирует правое полушарие, а тем, что справа, занимается левое. После перекреста зрительные нервы становятся зрительными трактами. От перекреста основная часть нервных волокон направляется к таламусу, хотя небольшая часть отправляется к верхним буграм четверохолмия и в некоторые другие зоны – например, через гипоталамус и спинной мозг к эпифизу, который занимается циклами сна и бодрствования. Верхние бугры четверохолмия отвечают за ориентировочные рефлексы – они управляют движениями глаз и способны оперативно переводить взгляд на новый стимул, который появился на периферии нашего поля зрения, чтобы мы могли быстро его рассмотреть, распознать и отреагировать, если требуется. Еще одна область, которая может получать зрительные сигналы напрямую, находится возле покрышки мозга: считается, что она помогает животным обходить препятствия во время перемещений [5].
Часто, резко переводя взгляд с одного объекта куда-то еще, можно увидеть как бы его отпечаток в пространстве. Он называется послеобразом.
Латеральное коленчатое тело – это отдел таламуса, который получает зрительную информацию и передает сигнал дальше к зрительной коре. Здесь сигналы распределяются по сегментам: отдельно от правого и левого глаза и отдельно от мелкоклеточных и крупноклеточных ганглионарных клеток: то есть мелкие детали изображения и перемещения объектов по сетчатке от каждой из них анализируются по отдельности параллельно друг другу. Отсюда сигналы попадают в первичную зрительную кору, где впервые происходит сопоставление сигналов от правого и левого глаза – благодаря этому изображения могут приобретать глубину и объем.
Зрительная кора расположена в затылочной части больших полушарий, большая ее часть прячется между полушариями на их срединной поверхности. Вокруг первичной зрительной коры (V1), связанной с таламусом, находятся более высокоуровневые отделы, получающие зрительную информацию после обработки в V1.
Устройство зрительной коры
Хотя мы не точно не знаем, происходит ли осознанное зрительное восприятие в первичной зрительной коре (скорее всего, нет), очевидно, что без работы V1 оно невозможно.
Люди с повреждениями в V1 обладают слепозрением: при таком расстройстве они не осознают, что могут видеть, но каким-то образом пользуются зрением неосознанно: обходят предметы, указывают на них или, например, просовывают письмо в прорезь ящика намного увереннее и точнее, чем слепые. Пациенты с такими повреждениями зачастую способны даже верно назвать цвет, форму и направление движения объекта, настаивая, однако, что лишь делают предположения и ничего перед собой не видят [6]. Еще одна особенность слепозренияя – неспособность к визуальному воображению: такие люди не могут мысленно представить предмет и не видят сновидений.
Первичная зрительная кора анализирует простейшие формы вроде точек и ориентированных полос и их перемещения в зрительном поле в различных областях сетчатки. Соседние области в коре V1 анализируют сигналы от соседних нейронов в сетчатке – это называется ретинотопией. Центральная область сетчатки больше представлена в коре, чем периферия, поскольку посылает больше информации.
Многие нейроны в V1 работают как детекторы признаков, где каждая клетка настроена на определенное сочетание параметров: например, нейрон может активироваться, только если замечает вертикальную красную полосу в определенной области сетчатки, и она движется справа налево. Если полоса движется слева направо, нейрон промолчит. Нейроны, предпочитающие определенное направление полосы, образуют вертикальные колонки. Если сдвигаться вдоль поверхности коры вбок, оптимальная ориентация постепенно будет поворачиваться, совершая полный оборот вокруг оси примерно 1 мм.
Из первичной зрительной коры V1 сигналы отправляются в V2 – это первый в иерархии ассоциативный зрительный отдел, где анализируются все более сложные признаки зрительных образов. V2 тоже обладает ретинотопией, она делится на четыре квадранта, где анализируется одна четверть зрительного поля – верхняя или нижняя половина правого или левого зрительного поля. Здесь анализируются не только сложные формы и их ориентация в пространстве, но и воспринимаемая глубина изображения, то есть мир приобретает объем.
Более высокоуровневые зоны изучены намного хуже, чем V1 и V2. Ученые делают предположения о том, чем они заняты, исследуя зрительное восприятие у обезьян и пациентов с повреждениями в этих отделах. Считается, что зоны с V3 по V6 анализируют различные движения объектов в поле зрения. Некоторые из этих зон активируются на особый тип зрительных иллюзий, когда человеку кажется, что объекты движутся, хотя на самом деле картинка неподвижна, то есть мозг может видеть движение там, где его нет. Зрительная кора V7, вероятно, связана с восприятием симметричных форм, а V8, скорее всего, нужна для нормального цветовосприятия.
Что, где и как в зрительной системе
Информация от обоих глаз сходится в первичной зрительной коре, но затем опять раздваивается. Как ни странно, у мозга не только два глаза, но и две независимые зрительные системы, которые по-разному используют то, что мы видим [5]. Из V1 информация отправляется по двум направлениям. Вниз, в сторону височной доли, идет поток, отвечающий за распознавание объектов, которые мы видим, – это путь ЧТО. Одновременно вверх, в сторону теменной доли, направляется второй поток, отвечающий за локализацию объектов в пространстве и за то, чтобы мы могли ими манипулировать, – это путь ГДЕ/КАК. В коре есть что-то вроде разделения труда: одни зоны заняты тем, что пытаются определить, ЧТО мы видим, а другие в это время стараются понять, ГДЕ это находится (и КАК это удобнее всего схватить).
Как это часто бывает, разобраться с тем, как устроены эти системы, помогли пациенты. У человека есть около трех десятков зрительных отделов, и повреждения в любом из них могут вызвать проблемы со зрением, но проявляться они будут по-разному [5]. Если у человека в обоих полушариях мозга поврежден вентральный (то есть нижний) путь ЧТО, у него развивается зрительная агнозия: он не может назвать или описать, что видит, но с легкостью берет предмет. Удивительно в этом синдроме то, что человек не может сказать или показать руками размеры блока, но при этом расставляет пальцы ровно на то расстояние, которое требуется, чтобы схватить блок рукой. Короче говоря, пациент со зрительной агнозией управляет движениями, полагаясь на зрительную информацию, о которой он понятия не имеет, если его об этом спросить.
Двусторонние повреждения дорсального (то есть верхнего) пути ГДЕ/КАК называются зрительной атаксией. В этом случае человек, наоборот, прекрасно видит, что перед ним, может описать форму, размер и ориентацию предметов, но не может взять предмет – он путается с тем, насколько широко нужно раскрыть ладонь и как далеко протянуть руку, чтобы удобно схватить то, что находится у него перед носом.
Крайне редко встречаются случаи, когда повреждения в дорсальном пути ограничены небольшими областями, избирательно реагирующими на передвижения объектов. Такие люди имеют почти нормальное зрение, вот только мир для них замирает и воспринимается как серия статичных кадров, в которых ничего не двигается, просто внезапно один кадр сменяет другой, где все совершенно иначе. Только что воды в стакане было на донышке, и вот уже она переполнила стакан, и вокруг него красуется лужица. Только что автомобиль был на горизонте, и внезапно он оказывается перед самым носом, а спустя время опять виднеется где-то вдали.
Наша сетчатка умеет (хоть и с опережением всего на несколько десятков миллисекунд) предсказывать будущее!
Если в результате инсульта у человека повреждаются определенные области в нижней части височных долей, может развиться прозопагнозия – проще говоря, он перестает узнавать лица, потому что отдел коры, который этим занимается, не работает.
Повреждения в различных областях затылочной и височной долей могут вызывать проблемы с восприятием цвета, симметрии, неподвижных объектов (при этом с подвижными все будет в порядке), с чтением (без проблем с письмом и пониманием речи на слух). Такие истории еще раз показывают, что зрительное восприятие – не пассивный процесс: множество отделов мозга слаженно работают, чтобы сконструировать модель видимого мира, и если какие-то из них перестают функционировать, модель мира лишается каких-то подробностей, которые мозгу просто нечем воспринимать.
Поток ЧТО не только отвечает за узнавание объектов, но и контролирует визуальное воображение и зрительную память. Чтобы мысленно представить себе что-то, нужен нижний поток, а чтобы сделать что-то прямо здесь и сейчас, не обойтись без верхнего. Вероятно, эти пути по-разному воспринимают видимый мир во времени и пространстве: зрение для действий должно оперативно анализировать картинку в целом, чтобы мы могли точно отбить теннисную подачу, а образное зрение позволяет рассматривать изображения в мельчайших подробностях, забыв о времени. В любом случае две эти системы прекрасно дополняют друг друга и выглядят единым целым до тех пор, пока каждая из них исправно работает.
О чем могут рассказать зрительные иллюзии
Мы часто забываем о том, что наше зрение отражает не физическую реальность, а то, что мозг думает о ней. Все потому, что чаще всего мозг чрезвычайно точен в своих интерпретациях. Используя плоские проекции с искажениями и неточностями на периферии – это все, чего можно добиться от сетчатки глаз, мозг выстраивает яркую и объемную картину. Вдобавок ко всему хитрый мозг самоустраняется из процесса восприятия: создает для нас впечатление, что наблюдаемый мир находится не в голове, а перед глазами и появляется там сам собой, без всякого участия зрительной коры.
Но иногда физическая реальность и то, как мы ее воспринимаем, расходятся настолько, что это нельзя не замечать, и тогда мы видим зрительные иллюзии. Иллюзии – это бреши в картине мира, которую рисует наш мозг, и через них можно подглядывать за тем, как он работает. Иллюзии появляются тогда, когда мозг не верит глазам и подправляет то, что мы видим. Подумать только: для мозга глаза – единственный источник зрительной информации, и тем не менее он считает, что ему виднее. Почему же так происходит?
Примеры зрительных иллюзий
Собственно, это как раз то, о чем нам могут рассказать зрительные иллюзии. И стоит признать, что у мозга есть веские причины «вносить правки». Ниже список самых важных причин, почему мозг не верит глазам [7]:
1. Сетчатка плоская, а мир объемный. Из трех измерений нам остаются только ширина и высота, а глубина мира схлопывается. В общем случае восстановить трехмерную реальность по двумерному изображению нельзя: любой плоской фигуре, попадающей на сетчатку, может соответствовать бесконечное множество форм в трехмерном мире. Например, шары, эллипсы, цилиндры и конусы самых разных размеров могут выглядеть на сетчатке как одно круглое пятно.
Мозг не полагается только на бинокулярное зрение и использует еще множество трюков, чтобы достроить третье измерение по плоским изображениям, которые мы видим.
Если дорисовать к линии еще несколько под разными углами, мозг использует эту дополнительную информацию, чтобы добавить в картину глубину, а затем применяет ее, чтобы сделать вывод о размерах объектов (даже если они ему примерещились) и длине отдельных линий.
2. Мы можем построить множество догадок о том, что сейчас перед нами, но мир вокруг один-единственный – проще говоря, нужна однозначность. Красная таблетка не может быть одновременно синей, а утка – зайцем. Если хороших вариантов несколько, мы можем переключаться между ними, но не воспринимать их одновременно.
3. Мозг умный. Когда ему приходится выстраивать трехмерное пространство по двумерным изображениям от глаз, он использует накопленный опыт, чтобы выбрать самый вероятный вариант. Мозг ставит на тот вариант, который чаще всего выглядит на плоскости так, как мы видим сейчас. Скажем, тонкая прямая полоска на картинке – это, скорее всего, спичка, а не монетка, потому что спичка выглядит как полоска со многих ракурсов, а монетка чаще – как эллипс или кружок. Прямые углы встречаются часто, а острые и тупые редко.
Комната Эймса легко обманывает умный опытный мозг. Это комната с непрямыми углами, где соотношения сторон и углов тщательно подобраны, а заглянуть внутрь можно через единственное окно. Только отсюда помещение с непрямыми углами выглядит так, как обычная прямоугольная комната. Мозг, как всегда, ставит на статистику и проигрывает, но в реальном мире эта ставка обычно срабатывает: прямоугольных комнат в миллионы раз больше, чем комнат Эймса.
Без способности мозга прогнозировать мы никогда не смогли бы «достроить» объем объектов, так как сетчатка – плоская.
4. Глаз не всегда видит все важные для восприятия детали, и мозгу приходится додумывать недостающее, анализируя контекст. Он дает дополнительную информацию, необходимую для правильного восприятия: скажем, цвета объектов зависят от цвета фона, потому что он помогает оценить освещение внутри сцены. Когда фон малоинформативен, и контекста недостаточно, мозг руководствуется тем, что знает о мире, и старается восполнить пробелы в восприятии.
Наверное, самой нашумевшей иллюзией такого типа стала фотография полосатого платья на пересвеченном фоне, которое люди воспринимали или как сине-черное на свету или как бело-золотое в тени. Этой иллюзии посвящено немало солидных научных статей – ученые пытались понять, почему люди видят платье на фотографии по-разному. Например, оказалось, что совы чаще видят платье сине-черным, а жаворонки – бело-золотым. Скорее всего, это связано с тем, какая схема освещения лучше знакома человеку и кажется более вероятной. Совы привычнее к электрическому свету, а жаворонки больше времени проводят на ярком солнце, поэтому они по-разному достраивают предпочтительный контекст для фото с платьем [8].
5. Наконец, мозг предсказывает будущее [9]. Глаз работает медленно, а мозгу нужно реагировать быстро. Сигналы от глаза поступают в мозг с запозданием: мы видим не то, что происходит сейчас, а то, что было 50–100 мс назад. А чтобы вовремя среагировать, нам нужно знать, что случится еще через 100–200 мс. Нервам и мышцам тоже требуется время, чтобы, например, отбить подачу ровно тогда, когда мяч окажется в зоне досягаемости (а информация от зрения еще только обрабатывается в сетчатке). Мозг действует, как королева из «Алисы в стране чудес»: все время стремится забежать вперед, чтобы не отстать слишком сильно.
Если мы видим линии в такой перспективе, как будто стремительно движемся, а горизонт и объекты вдоль нашего пути разбегаются по сторонам, мозг воспринимает происходящее на картинке как движение, поэтому он корректирует изображение так, как оно будет меняться на ходу. Это отлично срабатывает, когда мы несемся вперед, и видимый мир действительно меняется, как и предсказывалось. На статичном рисунке эти исправления выглядят странновато, но мозг автоматически подправляет картинку – ему так привычнее.