Биология

«Ландшафты мозга. Об удивительных искаженных картах нашего мозга и о том, как они ведут нас по жизни». Как развиваются зоны, отвечающие за восприятие предметов

Мы взаимодействуем с миром с помощью мозговых карт. Они формируются с первых недель жизни и постоянно обновляются. Без них мы не смогли бы не только видеть, слышать и чувствовать, но также общаться, мыслить и двигаться. В книге «Ландшафты мозга. Об удивительных искаженных картах нашего мозга и о том, как они ведут нас по жизни» (издательство «Corpus»), переведенной на русский язык Татьяной Мосоловой, когнитивный нейробиолог Ребекка Шварцлоуз рассказывает, откуда они взялись, чем карты мозга у животных отличаются от человеческих и почему они отображают недостоверную картину мира. Предлагаем вам ознакомиться с фрагментом о том, как мы приобретаем способность распознавать лица, части тела и различные предметы.

Построение карты предметов

Как сформировались специализированные зоны на нашей карте предметов? Учитывая, что зрительные и слуховые карты существуют в мозге зародыша еще до того, как у него появляются зрение и слух, возможно, дети рождаются, уже имея зоны предметов, которых еще не видели? Этот вопрос некоторое время был предметом горячих дискуссий. Но теперь у нас есть правдоподобные версии того, как развиваются (а в некоторых случаях не развиваются) зоны на карте предметов.

Повернем время вспять и окажемся в материнской матке. Волны активности из сетчатки, которые настраивали наши первые зрительные карты, не останавливались в области V1. Но к тому моменту, когда они дошли от сетчатки к таламусу и области V1, в ее ближние и дальние уголки, их сила и связность значительно уменьшились. Под влиянием этих слабых волн отдаленные территории еще незрелой зрительной коры

Arcaro M.J., Livingstone M.S. A Hierarchical, Retinotopic Proto-organization of the Primate Visual System at Birth. eLife. 6 (2017): e26196.

слабое предпочтение по отношению к сигналам из определенных частей поля зрения. Некоторые из этих клеток также приобрели слабое предпочтение по отношению к движению или простейшим видимым признакам, таким как форма или изгиб линий. Но по большому счету эти клетки оставались в химическом и структурном плане незрелыми для формирования строгих предпочтений и мощных сигналов еще на недели дольше, чем клетки зрительной карты V1, клетки карты звуковых частот A1 и клетки других первичных сенсорных карт. К моменту рождения человека зарождающаяся карта предметов была своего рода ничейной территорией, занятой молодыми нейронами, ожидавшими руководящих указаний.

С момента появления на свет мы получаем зрительный опыт, позволяющий тренировать клетки на этой ничейной территории. Новорожденные дети не выбирают, на что смотреть; обычно они видят то, что взрослые помещают непосредственно у них перед глазами. И в большинстве случаев это лицо самого взрослого. До трехмесячного возраста малыши чаще всего с близкого расстояния видят людей, которые о них

Smith L.B. et al. The Developing Infant Creates a Curriculum for Statistical Learning. Trends in Cognitive Sciences. 22 (2018): 325–36.

. В одном исследовании при анализе зрительного окружения маленьких детей выяснилось, что на каждый час записи 15 минут приходилось на изображение лиц крупным планом. Расположение человеческих сосков также может быть одним из факторов, способствующих восприятию лиц в младенчестве, поскольку в длительные периоды кормления новорожденный ребенок находится в непосредственной близости от материнского лица. Такое близкое и интенсивное раннее наблюдение за лицами — прекрасный способ обучения незрелых зрительных нейронов, особенно тех, которые уже имеют слабое предпочтение к сигналам из центральной ямки, в результате чего крупный фрагмент карты отводится на отображение и обработку информации о лицах. Важно, что эта территория будет включать в себя веретенообразную зону лиц.

Чтобы лучше понять, как на карте предметов возникают специализированные зоны, группа нейробиологов изучала детенышей макак. У взрослых макак карта предметов

Tsao D.Y. et al. Faces and Objects in Macaque Cerebral Cortex. Nature Neuroscience. 6 (2003): 989–95.

на соответствующую карту у взрослых людей; на обеих картах есть специальные зоны, участвующие в обработке образов лиц, частей тела, предметов и сцен. Исследователи

Livingstone M.S. et al. Development of the Macaque Face-Patch System. Nature Communications. 8 (2017): 10.1038/ncomms14897.

изображения новорожденным макакам и сканировали их формирующиеся карты предметов с помощью фМРТ. В результате сканирования не удалось обнаружить признаков существования специализированных зон распознавания лиц или предметов. Наблюдались различные паттерны активности нейронов, соответствовавшие положению предъявляемых изображений на сетчатке, но не типам показанных на них предметов. Специфические и устойчивые ответы на лица и предметы возникали постепенно через пять или шесть месяцев после рождения животного.

Означает ли этот важный процесс возникновения специализаций в первые месяцы жизни, что для формирования таких зон, как веретенообразная зона лиц, в этот период обезьяны должны видеть лица? Чтобы ответить на этот вопрос, ученые

Arcaro M.J. et al. Seeing Faces Is Necessary for Face-Domain Formation. Nature Neuroscience. 20 (2017): 1404–12.

трех обезьян с момента рождения в таких условиях, когда они не видели лиц ни людей, ни обезьян. Люди, которые ими занимались, носили на лице маски. Когда обезьянам было около трех месяцев, им показали несколько изображений человеческих лиц — это были первые лица, которые они увидели. Возможно, вы думаете, что обезьяны уставились на лица, поскольку увидели их впервые. Но обезьяны стали рассматривать руки людей на картинках более внимательно, чем их лица, — между тем как обезьяны такого возраста обычно направляют внимание именно на лица. Через пять месяцев с помощью метода фМРТ ученые показали, что в мозге этих обезьян нет зон, ответственных за распознавание лиц. Если обезьяны в раннем возрасте не имели возможности видеть лица, на их картах предметов не формировались соответствующие зоны. Однако появились зоны, ответственные за восприятие наиболее подвижных, важных и социально значимых элементов из окружающей среды — частей тела, особенно кистей рук.

Это исследование было проведено на обезьянах, но есть доказательства, что такой же процесс происходит у людей. В результате сканирования мозга маленьких детей методом фМРТ

Deen B. et al. Organization of High Level Visual Cortex in Human Infants. Nature Communications. 8 (2017): 139

, что основные зоны, ответственные за обработку информации о лицах и сценах, можно обнаружить у детей в возрасте от четырех до шести месяцев. В младенчестве и в раннем детстве реакция на предметы разного рода на формирующейся карте предметов становится более устойчивой и четкой. На общей карте выделяются специализированные зоны для наиболее значимых категорий, таких как лица или тела, и они

Grill-Spector K. et al. Developmental Neuroimaging of the Ventral Visual Cortex. Trends in Cognitive Sciences. 12 (2008): 152–62; Golarai G. et al. Experience Shapes the Development of Neural Substrates of Face Processing in Human Ventral Temporal Cortex. Cerebral Cortex. 27 (2015): bhv314.

более обширные территории. В частности, зоны лиц продолжают увеличиваться и специализироваться и в подростковом возрасте, что сопровождается постоянным улучшением способности распознавать лица.

Предполагается, что этот длительный период уточнения и нейронной специализации зависит от того, видит ли ребенок лица, однако экспериментально это не подтверждено. Из этических соображений нельзя лишать ребенка возможности видеть лица в первые месяцы или годы жизни. Однако некоторые дети рождаются или воспитываются в таких условиях, в которых они видят лица по-другому. В эту категорию попадают дети, родившиеся с катарактой. Катаракту можно удалить, но время проведения операции влияет на развитие мозга. В частности, если у маленького ребенка левый глаз был временно закрыт плотной катарактой, возможно, у него никогда

Le Grand R. et al. Expert Face Processing Requires Visual Input to the Right Hemisphere During Infancy. Nature Neuroscience. 6 (2003): 1108–12.

нормальная способность распознавать лица. Не давая левому глазу возможности видеть лица, катаракта лишает правое полушарие информации о лицах в первые месяцы жизни ребенка. Даже после операции и многократных наблюдений лиц в последующие годы у таких людей обычно присутствует как минимум частичное нарушение распознавания лиц. Это долгосрочное нарушение подтверждает, что возможность видеть лица в первые месяцы жизни играет особую и незаменимую роль.

Возможно, дело в том, что через четыре месяца после рождения ребенка мозг уже недостаточно восприимчив для развития зон, ответственных за обработку информации о лицах. Или, может быть, к этому времени ребенок лишается возможности жить в окружении лиц. В первые четыре месяца он преимущественно видит человеческие лица, но ситуация довольно быстро меняется, когда он учится сидеть, ползать, трогать различные предметы и держать их в руках. Время наблюдения за лицами резко сокращается. Вместо этого ребенок гораздо чаще

Fausey C.M. et al. From Faces to Hands: Changing Visual Input in the First Two Years. Cognition. 152 (2016): 101–7.

руки — как свои собственные, так и руки того, кто его растит, — обычно с игрушкой, чашкой или каким-то другим предметом. Теперь дети исследуют мир, выбирая, с чем они хотят взаимодействовать, и их зрительный опыт определяется новыми положениями и движениями тела. По мере того как лица в поле зрения сменяются руками и предметами, новый зрительный опыт специфическим образом способствует отображению на предметной карте мозга уже не лиц, а частей тела и мелких предметов.

Следующий важный этап в развитии карты предметов наступает примерно в пятилетнем возрасте, когда дети учатся читать. В процессе овладения грамотой у детей

Dehaene S. et al. Illiterate to Literate: Behavioural and Cerebral Changes Induced by Reading Acquisition. Nature Reviews Neuroscience. 16 (2015): 234–44.

новая зона мозга, которая специализируется на обработке написанных слов и последовательностей букв, особенно того алфавита и языка, на котором дети учатся читать. Эта зона развивается прямо рядом с веретенообразной зоной лиц в левом полушарии и со временем захватывает некоторую часть территории лиц, превращая нейроны, ранее предпочитавшие реагировать на лица, в нейроны, предпочитающие письменные символы. Одновременно у детей увеличивается веретенообразная зона лиц в правом полушарии, как бы компенсируя потери в левом.

Если люди учатся читать не в детстве, а уже будучи взрослыми, зона лиц на карте предметов не перестраивается. К этому времени зрелость и опыт, вероятно, фиксируют зоны лиц, предотвращая любые возможные притязания на территорию левой веретенообразной зоны лиц. Конечно, это не означает, что взрослые люди не могут научиться читать; многие могут. Но данное наблюдение помогает объяснить, почему этот процесс происходит труднее и не позволяет достичь такого же быстрого и плавного чтения. Оно также показывает, что такие же принципы, как при построении карт M1 и A1, работают и при построении предметных карт: участки карты экспроприируются и сдаются в жестокой борьбе за пространство мозга. Когда время проходит и пыль оседает, вовлечение территории мозга в обработку чего-либо (какого-то типа предметов или диапазона звуковых частот) оказывает глубокое влияние на нашу способность обнаруживать, различать и идентифицировать.

Этот жесткий процесс захвата территории в процессе развития не означает, что взрослые не могут узнавать новые типы предметов. Хотя островки на зрелой карте предметов отводятся под обработку информации о каких-то специфических типах предметов, таких как лица, даже в мозге взрослых людей остается пространство для отображения менее привилегированных типов предметов или для узнавания новых предметов. Отображение новых предметов производится с помощью распределенного кодирования, как в пириформной коре для отображения запахов. Мы изо дня в день видим новые устройства и в результате этого опыта наносим их на свою карту предметов. Распределенное кодирование обеспечивает гибкость, необходимую для распознавания новых типов предметов.

В одном хитроумном эксперименте было показано, как нейронное отображение новых предметов становится менее распределенным по мере того, как люди больше узнают об этих предметах и их использовании. Ученые

Weisberg J. et al. A Neural System for Learning about Object Function. Cerebral Cortex. 17 (2007): 5

взрослых людей использовать самодельные приспособления, собранные из детских конструкторов, чтобы тянуть, толкать, поднимать или разбрасывать другие предметы. Когда люди видели изображения этих приспособлений до тренировки, сканы показывали рассеянные или распределенные картины активности на их картах предметов. Но когда им показывали изображения приспособлений после тренировок, повторное сканирование демонстрировало наличие специфической активности в островке предметной карты, ответственном за отображение инструментов. Иными словами, одно и то же изображение вызывало на картах предметов разную активность до и после того, как люди узнавали, как использовать эти самодельные устройства. Отображение устройств поменялось не из-за изменения зрительной информации, а из-за накопленных знаний и опыта. Этот результат прекрасно подтверждает, что распознавание не сводится к зрительному восприятию.

На самом деле ученые уже задумались о том, имеет ли смысл вообще воспринимать карты предметов и составляющие их зоны в качестве зрительных областей. Эти зоны никоим образом

Peelen M.V., Downing P.E. Category Selectivity in Human Visual Cortex: Beyond Visual Object Recognition. Neuropsychologia. 105 (2017): 177–83

обработкой только зрительных сигналов. Если мы закрываем глаза и слышим слово «молоток» или стук молотка, усиливается активность зоны мозга, ответственной за отображение инструментов. То же самое происходит, если мы изображаем рукой движение, как будто пользуемся молотком, или даже просто представляем себе это действие. Более того, слепые от рождения люди имеют такие же карты предметов, как зрячие люди. По многим аспектам строения и расположения их карты предметов очень похожи на карты зрячих людей, хотя одни люди при распознавании предметов в основном

Van den Hurk J. et al. Development of Visual Category Selectivity in Ventral Visual Cortex Does Not Require Visual Experience. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 114 (2017): E4501—E4510; Wang X. et al. How Visual Is the Visual Cortex? Comparing Connectional and Functional Fingerprints Between Congenitally Blind and Sighted Individuals. Journal of Neuroscience. 35 (2015): 12545–59.

на зрение, а другие никогда предметов не видели.

Подробнее читайте:
Шварцлоуз, Ребекка. Ландшафты мозга. Об удивительных искаженных картах нашего мозга и о том, как они ведут нас по жизни / Ребекка Шварцлоуз; пер. с англ. Татьяны Мосоловой. — Москва: Издательство АСТ: CORPUS, 2024. — 336 с. — (Элементы 2.0).

Источник

Статьи по теме

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

одиннадцать + 18 =

Кнопка «Наверх»