Ландшафты мозга. Об удивительных искаженных картах нашего мозга и о том, как они ведут нас по жизни - Ребекка Шварцлоуз

Рассказ о строении первичной вкусовой коры лучше всего начать с того, что нам известно о животных. Нейробиологи часто изучают тончайшие структуры головного мозга на животных. По понятным этическим причинам нельзя использовать инвазивные методы для детального анализа человеческого мозга, кроме как по медицинским показаниям. Технологии визуализации мозга, такие как фМРТ, позволяют наблюдать за активностью человеческого мозга, не нанося никакого вреда. Но эти методы имеют плохое пространственное разрешение, что означает, что они выявляют расплывчатую картину активности многих нейронов одновременно. По сравнению с прямыми методами исследования, которые ученые применяют для наблюдения активности мозга у животных, неинвазивные методы визуализации, такие как фМРТ, напоминают разглядывание мозга без очков.

Когда ученые исследовали вкусовую чувствительность у животных напрямую, они получали интересные результаты. В одном важном исследовании, проведенном на мышах, представлена очень четкая картина строения вкусовой карты в первичной вкусовой коре животного[67] (рис. 22). С помощью точного молекулярного метода ученые отслеживали, какие нейроны живого мозга возбуждаются, когда мышей (находящихся под действием анестезии) кормили химическими веществами со сладким, соленым, кислым и горьким вкусами и вкусом умами. Они обнаружили карту с зонами разных вкусов. Эти зоны располагаются в форме вытянутого бриллианта, при этом зоны горького и сладкого максимально удалены друг от друга, а между ними располагаются зоны соленого вкуса и умами. Ученые не нашли участок кислого вкуса и предположили, что он находится за пределами ткани, которую им удалось исследовать в этом эксперименте.

Рис. 22. Зоны вкуса в первичной вкусовой коре мыши. Художник Пол Ким.

В другом исследовании было показано, насколько важны эти участки для вкусового опыта мышей[68]. В данном случае ученые применили иной способ активации нейронов в специфических участках карты: они направляли луч лазера непосредственно в эти участки мозга. Замечательно, что они смогли это сделать в такой ситуации, когда мыши бодрствовали и вели себя обычным образом. Когда мыши пили воду из поилки, ученые с помощью лазера активировали зону горького вкуса в их первичной вкусовой коре. Хотя животные пили обычную воду, они реагировали так, как будто вода была очень горькой. Они высовывали язык, срыгивали и пытались избавиться от неприятного вкуса во рту с помощью лап. Напротив, когда ученые стимулировали лазером зону сладкого вкуса, мыши припадали к поилке, как будто пили не воду, а сироп[69].

Несмотря на эти интересные результаты, ученые все еще не полностью понимают природу и структуру карт вкуса у мышей и других грызунов. В некоторых исследованиях показано, что зоны вкуса перекрываются[70] и что карта строится скорее по принципу притягательности вкуса, нежели по принципу разграничения отдельных вкусов, таких как сладкий или кислый. Также обнаружено, что многие нейроны на карте вкуса реагируют на другие свойства пищи, такие как аромат, текстура и температура[71].

О картах вкуса у животных известно далеко не все, но еще меньше ясности в отношении карты вкуса у человека. Попытки исследовать организацию человеческой карты вкуса с помощью метода фМРТ привели к не согласующимся друг с другом и неоднозначным результатам. В некоторых исследованиях было установлено, что в первичной вкусовой коре человека есть зоны вкусов, но они слегка перекрываются[72]. Исследования, выполненные с помощью более тонких технологий[73], показали нечто совсем другое: вкус отображается без всякой карты.

Это может показаться удивительным, учитывая, насколько упорно мозг использует карты для отображения многих типов информации: в частности, мы уже знаем, что такая пространственная информация, как расстояние и локализация на картах мозга, соответствует информации о важнейших событиях в окружающем мире. Но хотя мозг переполнен картами, он может передавать информацию и другим способом – через распределенное кодирование.

Отображение информации с помощью распределенного кодирования в корне отличается от отображения на картах мозга. На карте соседние нейроны отображают события в соседних точках пространства, частот, времени и т. д. Кроме того, такие карты отображают информацию в основном через локализацию – в соответствии с тем, где в мозге нейроны проявляют наибольшую активность. Напротив, в областях мозга, использующих распределенное кодирование, нет очевидной связи между соседними нейронами. Эти области передают информацию через картину активности в целом отделе мозга, а не через локальную активность внутри каких-то зон. Эта картина активности представляет собой код.

Что я называю кодом и чем он отличается от карты? Представьте себе, что я пригласила вас на вечеринку и должна отправить вам указания, как дойти. Это задача на отображение: у меня есть информация (ваш путь ко мне), которую я должна отобразить на бумаге или в виде электронного сообщения. Если я хорошо это сделаю, вы поймете указания и придете на вечеринку. Я могу послать информацию двумя способами. Я могу нарисовать карту, на которой помечу путь от вашего дома к месту встречи. Или я могу написать словами, по каким улицам вам нужно идти, где повернуть и т. д.

Если я выбираю второй путь, я использую код, который отображает и передает информацию. Устная или письменная речь – ярчайший пример кодирования. Как мы составляем слова из букв? Многие письменные языки основаны на использовании алфавита – небольшого набора буквенных символов. Чтобы придать этим буквам смысл, я должна объединить их в слова. Лишь только путем соединения букв я могу создавать уникальные картины, или слова, которые что-то означают для вас и для меня.

В областях мозга, использующих распределенное кодирование, отдельные нейроны играют такую же роль, как буквы в письменной речи, основанной на алфавите. Один и тот же нейрон способен возбуждаться в ответ на многие сигналы, а одна и та же буква может использоваться для написания многих слов. Для распределенного кодирования важен специфический набор нейронов, активно возбуждающихся в конкретный момент времени. Информация заключается в картине возбуждения многих нейронов, а не в активности какого-то одного из них.

Карты – удобный способ отображения информации мозгом, поскольку они компактны и обеспечивают эффективную обработку информации. А в чем преимущества отображения информации с помощью кода? В случае речи преимущество заключается в гибкости. Каждая карта имеет размеры и границы. В случае мозговых карт это могут быть поверхности тела или участки поля зрения. Каждая часть карты описывает какие-то специфические вещи, так что там нет места для отображения нового, например, прикосновения к новой части тела или зрения с помощью нового глаза, встроенного на затылке. Аналогичным образом, если моя вечеринка переносится в другой город, находящийся за пределами исходной карты, которую я