Одной из самых поражающих уже не обыденное, а исследовательское воображение экспериментаторов стала работа американских психологов Роджера Шепарда и Жаклин Метцлер, в которой авторы смогли рассчитать среднюю скорость вращения объекта в уме и доказать, что в уме у нас вообще что-то «вращается». Последнее было важно, поскольку скептики утверждали, что наш разум подобен компьютеру и любую информацию он перекодирует в символы, а потом уже оперирует с ними по определенным правилам. (Подробнее о компьютерной метафоре см. главу 1.) Если это так, никаких образов и тем более мыслительных операций с образами вроде простого умственного вращения существовать не должно.
Авторы исследования показывали участникам своего эксперимента попарно изображения, на которых были нарисованы трехмерные фигуры (рис. 3.2). При этом иногда в одну пару попадали совершенно разные трехмерные фигуры, а иногда – изображения одной и той же фигуры, но повернутые на определенное количество градусов друг относительно друга. Участникам нужно было как можно быстрее нажать на одну кнопку, если им казалось, что фигуры разные, или другую кнопку, если фигуры казались одинаковыми.
Рис.3.2. Изображение пар трёхмерных фигур, которые предъявлялись испытуемым
В результате психологи обнаружили, что время реакции у испытуемых прямо пропорционально градусу поворота трехмерной фигуры. То есть чем больше повернута одна фигура на рисунке относительно другой, тем дольше человек давал правильный ответ. При этом удалось даже рассчитать среднюю скорость мыслительного вращения трехмерной фигуры – примерно 6 градусов в секунду. На основе этого можно предположить, что трехмерная фигура в сознании человека может совершить полный оборот вокруг своей оси в среднем за минуту.
Это исследование впоследствии стало одним из самых сильных аргументов в пользу того, что образы участвуют в выполнении различных когнитивных операций и что человек – это не просто компьютер с галлюцинациями в виде осознанных переживаний. Сами когнитивные процессы у человека могут быть устроены принципиально иначе по сравнению с вычислительными процессами в компьютере, в том числе и за счет участия зрительных образов.
Но на этом история не закончилась, и спустя 27 лет было проведено исследование, показавшее принципиальную связь вращения трехмерных фигур в уме и вращения реального физического объекта в руках. Американские психологи Макс Векслер, Стивен Косслин и французский физиолог Алан Бертоц просили испытуемых вращать в руках джойстик, параллельно выполняя задания из классического исследования Шепарда и Метцлер, описанного выше.
В результате были обнаружены поразительные факты. Если человек вращает в руках джойстик в том же направлении, в котором ему нужно вращать в уме трехмерную фигуру, он справляется с заданием быстрее и допускает меньшее количество ошибок. Т. е. реальное вращение объекта в руках может ускорять и упрощать вращение образа в сознании. Помимо этого, если замедлять или ускорять физическое вращение джойстика, это будет влиять на умственное вращение, замедляя или ускоряя также и его. Таким образом, умственное вращение меняется в зависимости от направления и скорости вращения физического.
Схожие результаты о связи движений руками и умственного вращения были получены и в исследованиях активности головного мозга. С одной стороны, с помощью фМРТ было показано, что во время выполнения задач на умственное вращение активировались части моторной коры, отвечающие за движение руками. С другой стороны, если влиять на активацию моторной коры с помощью транскраниальной магнитной стимуляции (метода изменения электрической активности в конкретных участках мозга за счет воздействия на них магнитным полем), мы также можем воздействовать на скорость умственного вращения.
В конце концов оказывается, что можно тренировать людей выполнять какие-то двигательные упражнения, а потом, судя по результатам многочисленных исследований, это проявится в скорости выполнения заданий на умственное вращение. К тому же есть данные, согласно которым люди с высоко развитыми моторными навыками, например спортсмены, показывают более высокий уровень успешности в области умственного вращения. И наоборот, люди с определенными расстройствами двигательной сферы (например, миотоническая дистрофия 1-го типа[61]) демонстрируют ухудшение процессов умственного вращения по сравнению со здоровыми людьми.
Все эти многочисленные результаты исследований показывают тесную связь между реальным движением и воображаемым движением, между образным мышлением и моторной активностью человека. Но главное объяснение всех этих фактов опять обращает наше внимание на идею симуляции. Судя по всему, когда мы оперируем образами, наш разум задействует те же процессы, которые обычно помогают нам двигаться.
Движения и математическое мышление
Математическое мышление чаще всего представляется как абстрактное и выходящее за пределы повседневного опыта. Недаром многие школьники задаются вопросом, где им в жизни могут пригодиться логарифмы или интегралы. В целом сама способность человека оперировать числами, формулами, математическими функциями и другими абстрактными сущностями поражает и вызывает большое количество вопросов.
Один из них касается происхождения математического мышления. Благодаря чему наш мозг способен поддерживать сложную мыслительную активность, которая требует оперирования культурным опытом в виде искусственного языка математики? Можно предположить, что наш мозг развивался в ходе биологической эволюции на протяжении миллионов лет, и в какой-то момент в нем появились и закрепились такие структурные и функциональные особенности, которые позволяют нам мыслить абстракциями.
Однако этот ответ не выдерживает простейшей критики. Биологическая эволюция – очень медленный процесс. И она никак не могла поспеть за развитием культуры и письменности, требующих способности оперировать знаками при использовании естественного языка или математики.
На подобный парадокс обратил внимание французский нейробиолог Станислас Деан, и чтобы как-то с ним справиться, сформулировал гипотезу нейрональной вторичной переработки. Гипотеза эта проводит довольно неожиданную аналогию между мозгом и мусором. Концепция вторичной переработки (англ. recycling) предполагает, что можно вдохнуть новую жизнь в мусор, если его переработать и повторно использовать, иногда даже для новых целей. Точно так же определенные участки мозга, которые формировались и специализировались под определенные задачи (например, восприятие значимых сигналов из окружающей среды и управление движениями организма для выстраивания подходящего поведения в связи с поступающими сигналами), можно переучить для решения задач, к которым эволюция мозг не готовила. В соответствии с этой гипотезой система восприятия и система управления движениями приняли на себя функции по поддержанию математического и вербального (словесного) мышления.
Как это отражается в реальной жизни? Начнем с того, что маленькие дети, которые учатся выполнять простейшие арифметические операции вроде сложения и вычитания, довольно часто начинают считать на пальцах. Порой учителя или родители даже ругают детей за то, что они, вместо того чтобы решить пример в уме, украдкой заглядывают под стол и загибают пальцы, чтобы облегчить себе счет. Согласно многим экспериментальным исследованиям, уровень развития мелкой моторики у маленьких детей позволяет предсказывать успешность решения ими математических задач.
Но самое поразительное – связь движений пальцев рук и математических операций не пропадает полностью с возрастом, и даже у взрослых можно обнаружить много интересного. Например, с помощью фМРТ было обнаружено, что во время решения арифметических примеров в уме у взрослых активируется та часть моторной коры, которая отвечает за движения пальцами рук. Как будто взрослые, давным-давно научившиеся считать в уме и автоматизировавшие навыки применять арифметические операции, всё равно симулируют движения пальцев.
Может быть, это просто случайность? Мало ли какие зоны активируются в мозге во время решения сложных задач. Ведь, помимо моторной коры, подключаются и другие участки мозга – возможно, вместе они образуют более сложную систему, ответственную за обеспечение процессов решения таких задач. Но все-таки есть вероятность, что активация моторных зон во время решения математических задач – это возможность взглянуть на устройство нашего мышления.
Как же это проверить? Действительно ли существует «скрытое» движение пальцев, сопровождающее некоторые математические операции, но при этом невидимое для внешнего наблюдателя без дополнительных, довольно сложных аппаратных методов?
Группа бельгийских психологов в 2013 году нашла способ разобраться с этим. В своем эксперименте они просили испытуемых положить кисть правой руки на теннисный мячик и попеременно перебирать пальцами (см. рис. 3.3). В процессе перебирания пальцами участникам исследования необходимо было в уме решать арифметические примеры на сложение, вычитание или умножение. В результате оказалось, что люди, перебирающие пальцами, медленнее решали задачки на сложение и вычитание, но не на умножение по сравнению с людьми, которые просто решали эти задачки в уме без дополнительной моторной активности. В целом неудивительно, что, решая примеры на умножение в уме, люди не замедлялись из-за движений пальцами. Все-таки на пальцах умножать не так просто, и не все это умеют, да и в ходе раннего обучения детей учат с опорой на них складывать и вычитать, а не умножать. Но полученный результат говорит о том, что даже у взрослых людей движения пальцев рук могут вмешиваться в абстрактные процессы оперирования числами. Как это объяснить? Если выполнение арифметических примеров предполагает симуляцию движений пальцами, то реальные движения пальцами будут конфликтовать с этой симуляцией, что и приведет в итоге к замедлению математического мышления. Это и обнаружил эксперимент.