[12].
У ЭЭГ ограничено и пространственное разрешение, то есть способность сообщать нам местоположение активирующихся нейронов из-за явления, которое можно описать обратной задачей для уравнения Пуассона. Представьте себе, что вы стоите на футбольном стадионе с большим полупрозрачным куполом и светите на его внутреннюю поверхность фонариком. В то же самое время я смотрю на этот купол снаружи, и мне нужно определить, где именно вы находитесь. Вы можете стоять в любой точке футбольного поля и светить в центр купола, но ваше местоположение не повлияет на то, что я увижу, — я буду наблюдать одно и то же. Могут немного различаться угол падения и яркость света, но любое предположение, которое я сделаю о том, где вы находитесь, останется лишь предположением. А если свет фонарика, прежде чем дойти до купола, отразится от нескольких зеркал и других поверхностей, я запутаюсь еще больше. То же касается и электрических сигналов в мозге, которые генерируют различные источники, — они могут располагаться на поверхности или глубоко в бороздах (желобках) мозга и отражаться от борозд, прежде чем достигнуть электрода на поверхности головы. Тем не менее ЭЭГ оказалась полезна для понимания музыкального поведения, потому что музыка развивается во времени, а у ЭЭГ лучшее временнóе разрешение из всех инструментов для изучения человеческого мозга.
Несколько экспериментов, проведенных Стефаном Кёльшем, Анджелой Фридеричи и их коллегами, позволили нам узнать о сетях нейронов, участвующих в понимании музыкальной структуры. Во время эксперимента воспроизводятся последовательности аккордов, которые либо разрешаются стандартным способом, согласно схеме, либо заканчиваются неожиданными сочетаниями нот. После начала звучания аккорда электрическая активность в мозге, связанная с музыкальной структурой, наблюдается в течение 150–400 мс, а активность, связанная с музыкальным смыслом, возникает примерно через 100–150 мс. Структурная обработка, то есть восприятие музыкального синтаксиса, локализована в лобных долях обоих полушарий в областях, близких и частично совпадающих с теми, которые обрабатывают синтаксис речи, таких как зона Брока, и проявляется независимо от наличия музыкального образования у слушателей. Области, участвующие в музыкальной семантике, то есть в ассоциировании последовательности нот с ее значением, по-видимому, находятся в задней части височной доли с обеих сторон, рядом с областью Вернике.
Музыкальная система, по-видимому, функционирует независимо от языковой, о чем свидетельствуют многочисленные исследования пациентов, которые в результате повреждения мозга утрачивают только одну из этих способностей, но не обе сразу. Самый известный случай — история Клайва Уиринга, музыканта и дирижера, у которого повреждения мозга наступили в результате герпетического энцефалита. Как сообщил невролог Оливер Сакс, Клайв утратил большую часть автобиографической памяти, кроме музыкальных воспоминаний. Сообщалось и о других случаях, когда пациент больше не мог обрабатывать музыку, но при этом сохранял языковые способности и воспоминания. Когда у Равеля отказали некоторые части коры левого полушария, он утратил чувство высоты звука, не потеряв, однако, чувства тембра, и этот недостаток вдохновил его на создание «Болеро» — пьесы, где во всей красе предстают именно вариации в тембре. Короче говоря, музыка и речь действительно задействуют некоторые общие нейрональные ресурсы, но при этом идут каждая своим путем. Тесное соседство зон обработки музыки и речи в височных долях, а также их частичное перекрытие позволяют предположить, что сети нейронов, которые задействуются для обработки музыки и языка, скорее всего, изначально нераздельны. Затем получение человеком опыта и нормальное развитие дифференцируют функции этих двух очень похожих популяций нейронов. Достаточно вспомнить о том, что младенцы в самом раннем возрасте считаются синестетами. По-видимому, они неспособны различать сигналы, поступающие от разных органов чувств, и воспринимают мир как своего рода психоделический союз всех чувств. Младенцы могут ощущать цифру 5 как красную, вкус сыра чеддер как ре-бемоль, а запах роз как треугольники.
В процессе развития в связанности нейронов формируются различия, поскольку некоторые связи отсекаются. Кластер нейронов, одинаково реагировавший на зрительные образы, звуки, вкусы, прикосновения и запахи, распадается на специализированные сети. Вероятно, тем же образом у всех нас возникают сети, отвечающие за восприятие музыки и речи, — в одних и тех же областях мозга и с участием одних и тех же систем нейронов. По мере развития ребенка и получения им нового опыта постепенно формируются свои пути для восприятия музыки, свои — для речевой деятельности. Они могут совместно использовать некоторые общие ресурсы, и Ани Патель выдвинул наиболее выдающуюся гипотезу, затрагивающую эту тему, — гипотезу об общих ресурсах синтаксической интеграции (SSIRH).
Как и я, мой коллега и друг Винод Менон, специалист по системной нейронауке из Медицинской школы Стэнфордского университета, заинтересовался возможностью использовать точные данные, полученные в лабораториях Кёльша и Фридеричи, для убедительного доказательства гипотезы Пателя. В исследовании нам пришлось использовать другой метод изучения мозга, поскольку пространственное разрешение ЭЭГ недостаточно для определения области мозга, связанной с музыкальным синтаксисом.
Так как гемоглобин крови обладает слабым магнитным свойством, изменения в кровотоке можно проследить с помощью магнитно-резонансной томографии, или МРТ: гигантский электромагнит показывает различия в магнитных свойствах, которые, в свою очередь, могут рассказать нам о том, куда в организме поступает кровь в любой конкретный момент. Интересно, что исследования по разработке первых МРТ-сканеров вела британская компания EMI и финансировались они в значительной степени из прибыли от продажи пластинок The Beatles, так что песню «I Want to Hold Your Hand» («Я хочу держать себя за руку») вполне можно было бы назвать «Я хочу сканировать твой мозг». Так как нейронам для выживания необходим кислород, а кровь переносит насыщенный кислородом гемоглобин, мы можем отследить ее ток в мозге. Мы исходим из предположения, что активирующимся нейронам нужно больше кислорода, чем тем, которые находятся в состоянии покоя, и поэтому в областях мозга, участвующих в решении конкретной когнитивной задачи, в данный момент кровоток будет сильнее всего. Когда мы используем аппарат МРТ таким образом, чтобы изучать функции отдельных областей мозга, эта технология называется функциональной МРТ, или фМРТ.
Изображения, полученные с помощью фМРТ, позволяют увидеть живой функционирующий человеческий мозг в процессе мышления. Если вы будете представлять, как тренируете подачу в теннисе, мы сможем отследить, как кровь движется вверх к моторной коре, а благодаря высокому пространственному разрешению фМРТ мы увидим, что активна именно часть моторной коры, отвечающая за движения руки. Затем, если вы станете решать математическую задачу, кровь начнет движение к лобным долям, и в частности к областям, которые ассоциируются с решением арифметических задач, так что на фМРТ мы увидим это движение и в конечном итоге обнаружим приток крови в лобных долях.
Сможем ли мы благодаря этой науке Франкенштейна, которую я только что описал, — науке визуализации работы мозга — когда-нибудь прочитать чужие мысли? Рад сообщить: вероятно, не сможем, и уж точно не сможем в обозримом будущем[13]. Причина в том, что у мыслей слишком сложная структура и они задействуют слишком много областей мозга. Наблюдая за фМРТ, я способен сказать, что вы слушаете музыку, а не смотрите немое кино, но я пока не в силах определить, что звучит у вас в голове — хип-хоп или григорианский хорал, не говоря уже о том, какую конкретную песню вы слушаете или какую конкретную мысль обдумываете.
Благодаря высокому пространственному разрешению фМРТ можно с точностью до пары миллиметров определить, где именно в мозге происходит что-либо. Проблема, однако, заключается в том, что временнóе разрешение у фМРТ не особенно хорошее — из-за того, что для перераспределения крови требуется достаточно много времени и оно происходит с так называемым гемодинамическим отставанием. Однако другие ученые уже исследовали это когда музыкального синтаксиса, или музыкальной структуры. Мы же хотели узнать, где он обрабатывается и, в частности, входят ли в это где области, известные как речевые центры. И мы увидели именно то, что ожидали. Прослушивание музыки и внимание к ее синтаксическим особенностям — к ее структуре — активируют определенную область лобной коры слева, называемую орбитальной и относящуюся к полю Бродмана 47. Область, которую мы обнаружили в своем исследовании, частично совпадала с уже изученными центрами обработки языка, но захватывала и некоторые уникальные зоны. Помимо активации в левом полушарии, мы также обнаружили активацию в аналогичной области правого полушария. Это говорит о том, что внимание к структуре в музыке требует участия обеих половин мозга, тогда как внимание к структуре в языке задействует только левую половину.
Но удивительнее всего то, что области левого полушария, которые, как мы обнаружили, участвуют в определении музыкальной структуры, оказались теми же, что активируются у глухих людей во время общения на языке жестов. Это говорит о том, что область мозга, которую мы идентифицировали, не просто обрабатывает последовательность аккордов в музыке или предложение в речи и делает вывод о том, есть ли в них какой-то смысл. Оказалось, что она еще и реагирует на визуальную информацию, например на последовательность слов, воспроизведенных с помощью американского жестового языка. Мы нашли доказательства существования такой области мозга, которая обрабатывает структуру в целом, при том что эта структура передается во времени. Несмотря на то что данные туда поступают из различных популяций нейронов, а данные оттуда передаются через различные сети, она постоянно участвует в решении любых задач, связанных с организацией информации во времени.