Эрик Кандель - Век самопознания. Поиски бессознательного в искусстве и науке с начала XX века до наших дней

Конец XX века был отмечен внедрением методов нейровизуализации, таких как позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) и функциональная магнитно-резонансная томография (ФМРТ). Эти методы произвели настоящую революцию в науке о мозге. Они дали ученым возможность измерять приток крови к нервным клеткам и потребление ими кислорода, коррелирующее с их активностью. ПЭТ и ФМРТ позволяют отслеживать не активность отдельных нейронов, а лишь активность участков мозга, включающих тысячи клеток. Тем не менее в распоряжении исследователей впервые оказались инструменты, позволяющие выявлять участки мозга, связанные с конкретными психическими функциями, и непосредственно следить за их выполнением.

Методы нейровизуализации позволяют увидеть, какие участки мозга активируются, когда человек выполняет то или иное задание. Хорошую службу они сослужили ученым, исследующим механизм распознавания лиц. В 1992 году Жюстин Сержан и ее коллеги из Монреальского неврологического института установили с помощью ПЭТ, что когда здоровые испытуемые смотрят на лица, в обоих полушариях активируются входящие в состав пути “что” веретеновидная извилина и передняя височная кора. А используя ФМРТ, Айна Пьюс и Грегори Маккарти из Йельского университета (а затем Нэнси Кэнуишер из Массачусетского технологического института) выделили отдел нижней височной коры, специализирующийся на распознавании лиц. Этот отдел – зона распознавания лиц веретеновидной извилины – активируется всякий раз, когда мы смотрим на какое-либо лицо. Когда мы смотрим, например, на дом, активируется не зона распознавания лиц, а другой специфический отдел мозга. При этом активация зоны распознавания лиц наблюдается и тогда, когда мы просто представляем себе чье-либо лицо. Нэнси Кэнуишер обнаружила, что может определить, о лице или о доме думает испытуемый, по тому, какой отдел его мозга активируется.

В 2006 году Маргарет Ливингстон, продолжившая изучение механизма распознавания лиц, объединила подход Айны Пьюс и Нэнси Кэнуишер с подходом Чарльза Гросса, воспользовавшись и ФМРТ, и регистрацией электрических сигналов отдельных нейронов в головном мозге обезьян. Ученица Хьюбела и наследница традиции Куффлера, она, в свою очередь, обучала Дорис Цао и Винриха Фрайвальда и сотрудничала с ними. Работы Ливингстон, Цао и Фрайвальда существенно расширили наши представления о механизмах восприятия лиц, задействованных в веретенообразной извилине и за ее пределами. С помощью ФМРТ эти исследователи устанавливали, какие области нижней височной коры активируются, когда обезьяна видит лицо, а с помощью регистрации электрических сигналов определяли, как на демонстрацию лиц реагируют нейроны этих областей.

Исследователи выделили в нижней теменной коре обезьян шесть участков, реагирующих исключительно на лица. Эти участки назвали лицевыми . “Лицевые участки” представляют собой маленькие области, около 3 мм в диаметре, лежащие вдоль оси, идущей от задней к передней части нижней височной коры. Вероятно, эта система распознавания лиц имеет иерархическую структуру. Один из участков (задний) расположен в задней части нижней височной коры, два – в середине, а три (передние) – в передней ее части. Цао и Фрайвальд вводили электроды в указанные шесть участков и регистрировали активность нейронов. Они установили, что клетки “лицевых участков” специализируются на обработке информации, связанной с лицами, и что в средних двух участках 97 % нейронов реагирует только на лица. Эти открытия подтвердили данные Нэнси Кэнуишер об особой роли веретеновидной извилины в распознавании лиц и позволили предположить, что в мозге приматов информация о лицах обрабатывается специализированными отделами.

Позднее Цао и Фрайвальд перешли к изучению связей шести “лицевых участков”. Ученые с помощью нейровизуализации наблюдали активность во всех шести участках во время электрической стимуляции одного из них. Активация одного из двух средних участков вызывала активацию нейронов в остальных пяти, а значит, все шесть участков связаны и, вероятно, образуют систему, специализирующуюся на обработке лишь одной категории объектов высокого уровня – лиц.

Фрайвальд и Цао задались вопросом, какого типа зрительная информация обрабатывается в каждом из шести участков. Они сосредоточились на средних и обнаружили, что нейроны данных двух участков распознают лица, используя стратегию, которая совмещает частичный и целостный подходы. Исследователи показывали обезьянам рисунки и фотографии лиц разной формы и ориентации и установили, что средние “лицевые участки” настроены на восприятие геометрии черт: они устанавливают форму видимого лица. Кроме того, клетки этих двух участков реагируют на ориентацию голов и лиц: они специализируются на восприятии лиц целиком и в обычном положении.

Открытие избирательной реакции средних “лицевых участков” на ориентацию лица перекликается с двумя ключевыми этапами, выделенными в ходе разработок компьютерных методов распознавания лиц. Классическая психология разграничивала два процесса: ощущение (сбор сенсорной информации) и последующее восприятие (использование знаний для интерпретации этой информации). В работе компьютерных программ для визуального анализа лиц также задействованы два процесса: опознание лица как лица и последующее установление его принадлежности. Таким образом, в работе “лицевых участков”, как и в работе компьютерных программ, обнаружение служит своего рода фильтром, исключающим объекты, не относящиеся к лицам, и помогающим распознаванию. Изучение поведения давно выявило, что мозгу легче распознавать лица в обычном положении. Нейробиологические исследования подтвердили важность этого механизма, показав: клетки “лицевых участков” височной коры слабее, не столь специфически реагируют на перевернутые лица, чем на лица в обычном положении.

Фрайвальд и Цао решили разобраться, как по “лицевым участкам” распределяется представление лиц. В частности, учитывая, что мы можем распознавать знакомые лица во многих ракурсах (спереди, слева, справа, сверху и снизу), они хотели понять, как “лицевые участки” извлекают из памяти информацию о принадлежности того или иного лица. Ученые демонстрировали обезьянам изображения 200 человеческих лиц в разных ракурсах. Реакцию животных регистрировали с помощью ФМРТ и электродов, позволяющих отслеживать активность отдельных нейронов в “лицевых участках”.

Исследователи сосредоточились на двух средних и двух передних “лицевых участках” и установили, что нейроны средних участков реагируют на лица в зависимости от ракурса. Так, нейрон, который сильнее реагирует на лицо Джека, чем Джилл, когда они показаны анфас, может сильнее реагировать, напротив, на лицо Джилл, когда они показаны в профиль. Особенно интересным явилось наблюдение: клетки одного из передних “лицевых участков” избирательно реагируют на ракурс. Например, некоторые из них активируются при демонстрации лиц в полный профиль (как справа, так и слева), но не в каком-либо промежуточном ракурсе. Фрайвальд и Цао отмечают, что открытие целого “лицевого участка” с такими нейронами позволяет предположить: зеркальные отражения могут играть важную роль в распознавании объектов в целом. Нейроны другого переднего участка, в свою очередь, оказались чувствительными к принадлежности лица независимо от ракурса. Так, нейроны, сильнее реагировавшие на лицо Джека анфас, чем на Джилл анфас, сильнее реагировали на Джека и в профиль.