Чтение онлайн

Некоторым из котят в этом втором исследовании также предоставляли возможность передвигаться, когда их зрячий глаз был закрыт, а глаз, подвергавшийся ранее визуальной депривации, открыт. Визел и Хьюбел описали поведение котят следующим образом: «Когда животное передвигалось, исследуя свое окружение, то вышагивало с широко расставленными лапами и неуверенно, а его голова двигалась вверх и вниз в странной кивающей манере. Котята наталкивались на большие препятствия, такие как ножки стола, и даже на стены, которые они обычно исследовали, используя в качестве щупа свои усы. Когда животных ставили на стол, они ступали за его край, несколько раз неуклюже упав на пол. Когда перед глазом перемещали какой-то объект, ничто не свидетельствовало, что он воспринимался, и не делалось никаких попыток за ним следовать. Как только колпачок снимали с [зрячего] глаза, котенок вел себя нормально, изящно спрыгивая со стола и умело избегая объекты на своем пути. Мы заключили, что у этих животных в глазу, подвергавшемся депривации, имело место глубокое, возможно полное, нарушение зрения».

Если объединить эти два исследования, то результаты показывают, что связи в зрительной системе котят развивались должным образом, но что ее части атрофировались со временем из-за неиспользования. До работы Хьюбела и Визела большинство исследователей зрения полагали, что зрительная система не формируется до рождения. Они считали, что необходим визуальный опыт, чтобы заставить зрительные клетки образовать связи друг с другом. Очевидно, это не так. По-видимому, клетки с самого начала связаны друг с другом, но полное отсутствие визуального опыта делает эти связи неэффективными.

Так какое же отношение к детской психологии имеет весь этот разговор о корковых бинокулярных клетках, зрительной системе кошек и клеточной атрофии из-за неиспользования? Фактически, работа Хьюбела и Визела имеет много общего с детской психологией. Просто для того чтобы увидеть картину крупным планом, вам необходимо уменьшить разрешение микроскопа своего критического мышления. Самым непосредственным следствием их работы является то, что она помогла нам понять, как работает зрительная система человека. Когда кошка выслеживает мышь, мы знаем, что она должна увидеть объект и распознать в нем мышь. Чтобы этого добиться, кошка сначала должна обработать визуальную информацию своими глазами; затем глаза посылают информацию к части мозга, называемой таламусом, а тот направляет ее в зрительную кору. В зрительной системе человека также используются глаза, таламус и зрительная кора. Поскольку обе системы так похожи друг на друга, то известное нам о зрительной системе котят можно приложить к зрительной системе людей. Вдобавок, исследование Хьюбела и Визела показало, что к тому времени, когда визуальная информация достигает визуальной коры, она поступает в форме неразложимого паттерна. Нам это известно потому, что клетки в зрительной коре реагируют наиболее интенсивно на линии и края в определенной ориентации. Если у котят визуальная информация достигает коры в форме простого паттерна, тогда становится намного более понятным, почему мы, люди, не воспринимаем мир как смешение 252-х миллионов отдельных световых точек.

Конечно, следующей проблемой, к которой необходимо обратиться, является то, что мы не воспринимаем мир и как смешение отдельных линий и краев. Но открытие Хьюбелом и Визелом корковых клеток, распознающих края, по крайней мере, дает нам способ осмысления вопроса, почему мы не видим мир таким. Прежде всего само существование корковых клеток, распознающих края, говорит о возможности того, что клетки высшего уровня могут отвечать за распознавание визуальных паттернов высшего уровня. Простая логическая версия такова. Когда человек смотрит на кромку или линию, образ кромки или линии проецируется на сетчатую оболочку в задней части глазного яблока. В этой оболочке глазного яблока имеются палочки и колбочки. Когда образ проецируется на сетчатку, интенсивно реагируют палочки и колбочки, которые непосредственно контактируют с образом. Остальные палочки и колбочки остаются в относительном покое. Активные палочки и колбочки затем посылают сигналы через таламус к зрительной коре. Теперь, поскольку мы знаем, что информация о краях и линиях передается к корковым клеткам от палочек и колбочек, разумно заключить, что индивидуальные корковые клетки суммируют работу, проделанную большими группами палочек и колбочек. Если корковые клетки делают это с сигналами от нескольких палочек и колбочек, почему клетки высшего уровня не могут выполнять аналогичную суммирующую функцию с сигналами от нескольких корковых клеток?

Очень возможно, что все происходит именно так. Хьюбел и Визел назвали корковые клетки, которые они изучали, «простыми» («simple») клетками. Простые клетки реагируют на края и линии, которые, как мы видели, представляют собой паттерны сигналов от групп палочек и колбочек. Очевидно, группы простых корковых клеток могут также посылать информацию к высокоуровневым «сложным» («complex») корковым клеткам. Сложные клетки суммируют информацию от групп простых корковых клеток. Представьте, к примеру, что сложная клетка принимает сигналы от двух простых клеток. Представьте, что одна из этих простых клеток лучше всего реагирует на вертикальную линию, а другая — на горизонтальную. В этом случае если в поле зрения присутствует и вертикальная, и горизонтальная линия, скажем в форме прямого угла, каждая из двух простых клеток интенсивно прореагирует. Соответственно, интенсивно прореагирует и сложная клетка, которую они питают информацией. А это означает, что сложная клетка суммирует сигналы от двух простых клеток, а каждая простая клетка суммирует сигналы от группы палочек и колбочек. Когда в поле зрения имеется прямой угол, заставляющий интенсивно реагировать две простые клетки, и когда эти две простые клетки реагируют и заставляют интенсивно реагировать сложную клетку, тогда мы можем в итоге сказать, что сложная клетка реагирует на визуальное присутствие прямого угла. Мы также можем назвать эту сложную клетку «детектором угла в 90°».

Но эту логику можно продолжать дальше. Группы сложных клеток сами могут быть связаны с клетками еще более высокого уровня, называемыми «сверхсложными» («hypercomplex») клетками, которые суммируют паттерны реакций сложных клеток. Интенсивное реагирование сверхсложной клетки говорит о наличии в поле зрения паттерна еще более высокого уровня. Это может быть не угол, а геометрическая фигура. По мере того как уровень реагирования все более повышается вверх по цепочке, повышается и степень визуального суммирования и интеграции. Могут существовать сверх-сверхсложные и сверх-сверх-сверх-сложные клетки. В конце концов, мы можем иметь клетки очень высокого уровня, которые отвечают за нашу способность распознавать очень сложные визуальные картины в окружающем нас мире. Кое-кто предполагает даже, что в верхней части корковой лестницы может иметься некая «клетка бабушки», которая интенсивно реагирует на зрительный образ вашей бабушки!

Следует признать, что картина, которую я нарисовал, несколько упрощена. И лавина исследований, которую вызвала ранняя работа Хьюбела и Визела, уже выявила ряд недостатков в их ранних результатах. Но именно их начальная работа послужила толчком к дальнейшим исследованиям, и за нее они получили должное признание.

Вторым, намного более общим результатом этой работы было открытие авторами нервной пластичности. Этот термин отражает идею, согласно которой нервный контур можно изменять посредством опыта (в данном случае пластичность означает гибкость). Нервная пластичность является важнейшей темой для исследователей мозга и для детских психологов, поскольку она напрямую касается вопроса «природа или воспитание» (более углубленное обсуждение спора «природа или воспитание» см. в разделе 19 об Анастази). Если вы помните, Хьюбел и Визел установили, что функционирование зрительных корковых клеток можно изменить радикальным образом, если устранить визуальные сигналы, идущие от одного глаза. Но степень изменения зависит от того, когда были прекращены визуальные сигналы. У кошек прекращение визуальных сигналов от одного глаза в течение первых 20-ти дней жизни, по-видимому, не оказывает большого влияния на то, насколько восприимчива корковая клетка к информации от этого глаза. Но если визуальные сигналы не поступают в течение первых 2-4 месяцев жизни, тогда корковые клетки полностью перестают реагировать на этот глаз даже после того как зрение восстановлено. Нервная пластичность нарушается столь серьезно, что когда кошек заставляют воспользоваться этим глазом, чтобы заметить край стола, они просто падают вниз. Поскольку нервный контур зрительной системы можно менять посредством опыта, значит, он определенно пластичен.

Этот результат указывает на возможность того, что нервный контур в остальной части мозга также может быть пластичным. Мозг может функционировать в соответствии со своего рода философией «используй или потеряешь». Связи и проводящие пути в мозге, которые не используются, могут просто атрофироваться, тогда как используемые связи и пути часто буквально расцветают. Пластичность также свидетельствует о возможности того, что если некоторые корковые клетки не используются по своему прямому назначению, они могут кооптироваться другими системами, которые способны использовать их с большей пользой. Несколько очень интересных исследований, проведенных Хелен Невилл (Neville), показывают, что слуховая кора (часть головного мозга, участвующая в реализации функции слуха) взрослых людей, родившихся глухими, может брать на себя некоторые зрительные функции. Как это может происходить? Она предполагает, что на момент рождения могут существовать нервные связи между зрительными участками таламуса и слуховой корой. В норме эти связи не сохраняются, поскольку сама слуховая система получает представительство в слуховой коре. Но у людей, родившихся глухими, клетки в слуховой коре не получают слуховых сигналов, поэтому, как и у кошек Хьюбела и Визела, эти связи атрофируются. Это оставляет нетронутыми раннее существовавшие связи между зрительной системой и слуховой корой, а поскольку визуальные сигналы продолжают поступать, связи со слуховой корой постоянно усиливаются. Со временем между зрительной системой и слуховой корой может возникнуть настоящее товарищество.

Радость удачи

Мало кто сомневается в огромной значимости работы Хьюбела и Визела. Но их случай также свидетельствует о том, насколько важно иметь на своей стороне немного удачи, когда вы пытаетесь сделать себе имя в устоявшейся научной области. Мы посвятили несколько последних страниц разговору о том, как Хьюбел и Визел осуществили запись корковых реакций одиночной клетки в ответ на простые визуальные паттерны, такие как линии и кромки. Они сделали карьеру на этих микроскопических записях, и комитет по присуждению Нобелевских премий признал их за эту работу. Но очень немногие люди вне исследовательского сообщества неврологов осознают, насколько близко Хьюбел и Визел были к тому, чтобы потерпеть полное поражение на своем революционном пути к открытию.

Принимая Нобелевскую премию, Дэвид Хьюбел сказал в своей речи, что когда он и Торстен Визел начали попытки со снятием показаний для индивидуальных корковых клеток, то добились небольшого успеха. Прежде всего, когда вы вводите электрод внутрь поверхности мозга, то не видите, где он находится. А когда вы не видите то, что делаете, может потребоваться множество операций методом проб и ошибок, прежде чем будет получен нужный результат. Но они были уверены, что с их методикой все в порядке, поскольку она была разработана и успешно использовалась Верноном Маунткаслом (Mountcastle) при изучении соматосенсорной коры у кошек и обезьян. Тем не менее, по какой-то причине они сначала не обнаружили ничего, что заставляло бы зрительные корковые клетки реагировать. Поскольку они знали, что их записывающая техника в порядке, то решили, что проблема должна быть связана с тем, как они проецируют котятам визуальные образы. В результате, им пришлось проецировать образы на потолок лаборатории! Хьюбел пишет: «Не имея другого держателя головы [кошки], мы продолжали какое-то время использовать держатель головы для офтальмоскопа, что создавало проблему, так как взгляд кошки был направлен прямо вверх. Чтобы разрешить эту трудность, мы принесли несколько простыней, которые подвесили между трубами и паутиной, украшавшими потолок в подвале [института] Уилмера, придав всей обстановке вид циркового шатра. Однажды нас посетил Верной Маунткасл и пришел в ужас от этого зрелища. Метод был определенно неудобным, поскольку нам приходилось смотреть на потолок в течение всего эксперимента». К счастью, они, в конце концов, добились того, что их проекционная система сработала. В итоге они стали проецировать простые визуальные паттерны прямо на сетчатку кошек, используя специальное приспособление, которое позволяло им вставлять в проекционный аппарат либо небольшую медную пластину с отверстием, либо небольшой стеклянный слайд с черной меткой. Приспособление попускало свет сквозь отверстие в медной пластине, проецируя одиночное пятно света на сетчатку кошек, или же пропускало свет через стеклянный слайд, проецируя на сетчатку тень от черной метки. Хотя они начали буквально бомбардировать сетчатку кошек пятнами света и тенями, их первоначальные записи по-прежнему оказывались неудачными. Сначала корковые клетки, вопреки ожиданиям, совершенно не реагировали на визуальные образы. Но через несколько часов, снимая показания для клетки под номером 3004, исследователи сделали свое знаменитое открытие. (В действительности они не снимали показаний для 3003 других клеток. Просто они решили начать нумерацию своих клеток с 3000, чтобы поразить Маунткасла, у которого количество записей для клеток шло на тысячи.) Клетка 3004 продемонстрировала весьма интенсивную реакцию. Это открытие более всего поражало тем, что клетка реагировала не на пятно света и не на тень — ожидаемые источники реакций; она реагировала на край стеклянного слайда, когда его вставляли в проекционный аппарат! Следующие 9 часов Хьюбел и Визел провозились со слайдом, чтобы воспроизвести ту же интенсивную реакцию. В конце дня они пришли к выводу, что клетка реагировала наиболее энергично на край с ориентацией, соответствовавшей углу, под которым слайд вставляли в проекционный аппарат. Когда ориентация была верной, «клетка начинала посылать сигналы, подобно строчащему пулемету».

Вероятно, вы можете вообразить, насколько легко было Хью-белу и Визелу упустить момент и не сделать это открытие. Прежде всего, они, очевидно, оставили проекционный аппарат включенным, когда вставляли один слайд за другим. Если бы у них была привычка выключать аппарат после каждого проецирования, тень от края слайда никогда не попала бы на сетчатку кошки, и клетка 3004 никогда бы не прореагировала. Кроме того, только благодаря счастливому случаю они снимали показания для клетки, чья предпочитаемая ориентация точно соответствовала углу края слайда. Если бы они снимали показания для клетки, которая предпочитала вертикальные края, то не сумели бы вызвать вообще никакой реакции. Но, в конце концов, они оставили аппарат включенным, а клетка 3004 оказалась подходящей по предпочтению линии именно такой ориентации; и примерно 20 лет спустя комитет по присуждению Нобелевских премий назвал их имена.