эта работа была написана в рамках курса повышения квалификации "Нейрофизиология поведения" на биологическом факультете МГУ им. М.В. Ломоносова, 2020-2021 гг.
Работа защищена у В.А. Дубынина (оценка 100 баллов)
Чтение- сложный нейрофизиологический процесс, в ходе которого мозг сканирует и декодирует символы и их сочетания, связанные по фонетическим, семантическим и синтаксическим правилам, эксплицируя закодированный в них смысл.
Способность читать у человека не задана на генетическом уровне. Эволюционно она появилась относительно недавно. Принято считать, что протописьменность (знаковые системы, существовавшие до возникновения письменности, имеющие сходные с ней черты и служащие для фиксирования и передачи сведений), возникла в начале неолитического периода, в 7-м тысячелетии до н.э.
В силу этого, для того, чтобы научиться читать, мозг каждого человека в своем развитии должен пройти несколько важных этапов, без реализации которых, распознавание и декодирование символов с последующим раскрытием смысла написанного становится невозможным. При этом важно учитывать, что в зависимости от индивидуальных особенностей мозга, процесс обучения чтению у разных людей может отличаться.
Схематически процесс чтения можно представить как последовательность стадий:
1. Визуальная фиксация символов (букв, цифр, иероглифов, любых других знаков, используемых при написании текста) и их идентификация,
2. Сопоставление идентифицированного символа с соответствующими звуками, в случае с цифрами и знаками препинания- выявление их функционального значения в тексте (фонетическая идентификация символа),
3. Выявление значений сочетаний этих символов (идентификация слов и выявление их семантического значения),
4. Определение значений словосочетаний и предложений с учетом синтаксических правил,
5. Интерпретация смысла текста через призму когнитивной карты читателя, включающей в себя совокупность накопленных в предыдущем эмпирическом и теоретическом опыте аналитических и социокультурных понятий и инструментов.
Однако для того, чтобы эта когнитивная схема начала реализовываться, мозг должен пройти подготовительный этап- сконструировать систему первичных речевых центров в ходе освоения маленьким человеком окружающего мира. Этот процесс детально описали И.П. Павлов и его последователи в рамках выявления специфики второй сигнальной системы высшей нервной деятельности человека [1].
На самых ранних этапах развития мозга речевые центры устанавливают связь между словами и объектами окружающего мира. Это происходит во время контакта ребенка с внешним миром, обязательно в присутствии других людей, иллюстрирующих ему значения вновь услышанных слов. Например, мама показывает малышу игрушку и произносит слово «зайчик». Если она это делает не однократно, в мозге малыша возникает три центра: зрительный (в третичной зрительной коре- зрительный образ игрушки-зайчика), слуховой (в третичной слуховой коре- слуховой образ игрушки-зайчика) и речевой (в ассоциативной теменной коре, речевой образ игрушки зайчика) [2, стр. 281-282].
Зрительная система сканирует то как выглядит зайчик. Сигнал от сетчатки по зрительным нервам поступает в хиазму (здесь происходит частичный перекрест волокон). Далее зрительный нерв идет в мозг и входит в него на границе между таламусом и гипоталамусом (спереди в промежуточный мозг). Отсюда аксоны зрительного нерва расходятся в подкорковые и корковые зрительные центры, где обрабатывают зрительный сигнал: супрахиазменные ядра гипоталамуса (тут оценивается общее количество света, которое мы получаем), нейроны четырёххолмия среднего мозга (здесь мозг реагирует на новые зрительные сигналы), латеральное коленчатое тело и подушка таламуса (тут создается матрица картинки, которую мы видим, происходит контрастирование сигнала). Далее сигнал поступает в зрительную кору (затылочная доля) больших полушарий головного мозга.
В первичной зрительной коре происходит распознавание по-разному ориентированных линий (по отношению к горизонту) и формируется ретинотопическая карта сетчатки (поточечное отражение информации получаемой фоторецепторами). Во вторичной зрительной коре суммируется информация о наличии нескольких отдельных линий, обеспечивая восприятие геометрических структур, тут же происходит объединение черно-белого потока и потока сигналов о цвете, сравниваются сигналы от правого и левого глаза, что позволяет оценить размер объетов и расстояние до них. Третичная зрительная кора распознает сложные, обобщенные признаки сканируемых объектов. Именно здесь происходит распознавание образа зайчика [3, стр. 324-330].
В то же время, звуки слова, произносимого мамой, достигают ушной раковины малыша, идут по наружному слуховому проходу, поступают на барабанную перепонку, далее- на молоточек, наковальню и стремечко, которые передают звуки на овальное окно, а с него- на улитку. От рецепторов улитки звуки поступают на слуховые ядра, расположенные на границе продолговатого мозга и моста (тут происходит сравнением сигнала от правого и левого уха для определения источника сигнала). Далее сигналы поступают в нейроны четырёххолмия среднего мозга (тут отмечается реакция на новые сигналы) и таламус (в нем контрастируются получаемые сигналы). Далее информация поступает в слуховую кору (височная доля) больших полушарий головного мозга.
В первичной слуховой коре завершается частотно-амплитудный анализ в диапазоне 2-3 Гц. Вторичная слуховая кора отвечает за восприятие несложных слуховых образов, представляющих собой сумму нескольких тональностей (шумы, скрипы, шорохи, плач, смех, крик боли и т.п.). Третичная слуховая кора отвечает за распознавание сложных слуховых образов, фундаментальным признаком которых является соотношение тональностей (музыка и речь). Часть третичной слуховой коры, отвечающая за восприятие слов, называется «зона Вернике» [3, стр. 332-337].
Возникновение речевых центров в ассоциативной теменной коре является результатом обучения ее нейронов, реагирующих на одновременно поступающие сигналы от зрительной и слуховой коры, характеризующие один и тот же объект.
При этом, мама может показывать малышу не только игрушку- зайчика, но и изображение зайчика в книге, печенье в виде зайчика, живого зайца, прыгающего на поляне и т.п. Для каждого такого образа будет возникать свой центр в третичной зрительной коре мозга малыша, и каждый из них будет связан все с тем же, уже возникшим ранее, речевым центром в ассоциативной теменной коре.
В то же время, слово «зайчик» могут произносить папа, бабушка, дедушка с разной громкостью и тембром. Для каждого такого слухового образа возникнет свой центр в третичной слуховой коре, который, как и в случае со зрительным сигналом, соединится с существующим речевым центром в ассоциативной теменной коре.
По мере развития малыша, его мозг начинает выделять общие отличительные особенности у всех увиденных зрительных образов зайчиков (например, наличие длинных ушей, маленького хвоста и т.п.) и формировать зрительные обобщения. Нейроны, осуществляющие подобные функции, находятся на границе зрительной и ассоциативной теменной коры. Со временем именно эти нейроны зрительных обобщений будут устанавливать связи с речевыми центрами ассоциативной теменной коры.
Аналогичная картина наблюдается и со слуховыми сигналами. Центры слухового обобщения, возникшие на границе слуховой и ассоциативной теменной коры (зоны Вернике) как результат выявления общих особенностей различных слуховых центров, связанных со словом «зайчик», со временем начинают напрямую взаимодействовать с речевыми центрами.
Так формируются первичные речевые центры. К 3-х летнему возрасту их количество достигает порядка 2000 «символов», описывающих объекты, их признаки и действия. Число первичных речевых центров со временем увеличивается. Их количество и скорость образования зависит от типа среды окружающей малыша. Если в поле его внимания находится много объектов отличающихся размером, цветом, фактурой и т.п., если рядом с ним есть взрослый, который комментирует специфику, назначение, признаки и другие характеристики этих объектов, число речевых центров будет быстро увеличиваться.
Наряду с этим, по мере увеличения в ассоциативной теменной доле количества первичных речевых центров, на основании выявления их общих отличительных особенностей начинают формироваться вторичные, третичные и т.д. речевые центры большей степени сложности. Так понятия «стол», «стул», «шкаф», обобщаются в «мебель», «зайчик», «кукла», «кубик»- «игрушки», «яблоко», «апельсин», «банан»- «фрукт» и т.д., а все вместе это- «предметы» [2, стр. 281-285].
Важно отметить, если количество первичных речевых центров, прежде всего, определяется типом предметов, окружающих малыша, в случае со вторичным, третичными и т.д. речевыми центрами, это так не работает. Мир предметов доступных сфере внимания ребенка ограничен. На увеличение количества и степени сложности речевых центров более высоких уровней хорошо работают услышанные малышом истории, рассказанные или прочитанные ему взрослым. Чем более разнообразными по сюжету, стилистике изложения и жанру они будут, чем более необычными будут вымышленные герои, встречающиеся в книгах, чем более отличающимися от привычно используемых будут слова и обороты, тем лучше эти книги и истории будут работать на увеличение количества речевых центров высших порядков. Кроме того, при прослушивании историй ребенок осваивает правила образования слов и предложений, знакомится с логикой изложения мысли, узнает о вариантах использования метафор и аналогий. [4, стр. 114-152].
Однако, вернемся к механизму чтения. Описанный выше опыт формирования системы речевых центров в ассоциативной теменной доле имеет двоякое значения для овладения навыком чтения.
С одной стороны, описанный путь сопоставления зрительного и слухового сигнала распространяется не только на игрушечного зайчика. Буквы, символы и их сочетания воспринимаются нашим мозгом при первом знакомстве с ними аналогичным образом. В случае чтения мозг, прежде всего, учится узнавать символы (буквы, цифры, иероглифы, любые другие знаки), каким бы почерком и шрифтом они не были написаны. Их образы поточечно отображаются в первичной зрительной коре, запоминаются и с течением времени распознаются автоматически, причем не только как отдельные буквы. В мозге бегло читающего человека обнаруживаются группы клеток (констелляции нейронов), работающих совместно и идентифицирующих целые слова. Вторичная и третичная зрительная кора отвечают за распознавание сочетаний букв и написанного текста.
Слуховая кора отвечает за распознавание звуков и их сочетаний. Главным образом, это происходит в зоне Вернике, которая особенно активируется при первом столкновении с новыми звуками и при обнаружении семантической аномалии.
На начальных этапах, когда распознавание букв и звуков затруднительно, очень сильно активируется затылочная кора и боковая затылочно-височная извилина в обоих полушариях. По мере овладения чтением, площадь активированных зон уменьшается и локализуется преимущественно в левом полушарии.
Первичные речевые центры формируются в данном случае на пересечении сигнала от зрительной коры об образе букв и сигнала от слуховой коры о звуковом соответствии этих букв в области ангулярной (участвующей, прежде всего, в семантической интеграции) и надкраевой (активно реагирующей на новые слова) извилины височной и теменной долей (преимущественно в левом полушарии).
В процессе чтения именно этот этап зачастую вызывает особую сложность. Сопоставить графему (то, что написано) и фонему (то, что звучит) непросто. Начинающие читать дети с трудом подбирают такие соответствия. При этом оказалось, что дети, слушающие много рифмованных стихов, особенно тех, в которых есть аллитерации, делают это гораздо проще своих сверстников. Это обусловлено тем, что их мозг до начала чтения учится воспринимать слова через внимание к аллитерации и рифме, а значит может классифицировать звуки и фонемы и как следствие- связывать их с соответствующими буквами и их сочетаниями [4, стр. 146].
Далее на основании первичных речевых центров, возникают вторичные, третичные и т.д., представляющие собой более сложные уровни их обобщений, отвечающие за распознавание слогов, слов и понимание их смысла. Эти центры являются результатом обучения нейронов ангулярной и надкраевой извилины височной и теменной долей коры, которое становится возможным благодаря знакомству мозга с новыми вариантами символьных сочетаний разного уровня сложности. У начинающих читателей эти центры активированы сильнее, чем у опытных [5].
Такая способность образовывать нейронные связи между центрами, осуществляющими зрительное обобщение букв и слуховое обобщение звуков им соответствующих, лежит в основе нашей способности читать. Наряду с этим, важное значение в процессе чтения имеет понимание прочитанного. Фундаментальную роль здесь играют ранее сформированные речевые центры. Они подключаются на стадии семантической интерпретации прочитанного. Так, например, они помогают выбрать из всех возможных смыслов слова тот, который лучше подходит по контексту (например, слово «ключ» имеет несколько значений: предмет, открывающий замок, источник воды, музыкальны знак. Какое именно значение лучше всего подойдет по контексту определяет система сформированных речевых центров. Чем богаче она будет, тем точнее будет интерпретация смысла) [6].
Анатомически за синтаксическое и семантическое распознавание прочитанного текста отвечает лобная доля. Так зона Брока (центр моторной организации речи) связанна с фонологической и синтаксической кодификациями, сильнее активируется при обнаружении неизвестной синтаксической формы и синтаксической аномалии. Наряду с этим, в процессе чтения активируется и дорсомедиальная кора, обеспечивающая вместе с таламусом внимание и концентрацию на тексте, а также когнитивную деятельность, связанную с его анализом. Здесь происходит осознание сложности текста, его синтаксический и логический анализ, интерпретация на основании существующей когнитивной матрицы читающего, и структурирование полученного знания.
При этом оказалось, что признаком повышенной эффективности распознавания слов является снижение активации в передних и задних вентральных участках и стабильная или повышенная активация в передних, средних и нижних височных участках коры больших полушарий. При анализе предложений височные и нижние лобные доли активируются сильнее чем при анализе смысла отдельных слов.
Наряду с активацией лобной доли при переходе от анализа слов и предложений к пониманию длинного связанного текста все больше активируется правое полушарие, при этом его участие в интерпретации смысла прочитанного тем больше, чем длиннее и сложнее текст [7].
Рабочая память (та, которая удерживает необходимую информацию на короткое время, пока мозг с ней работает) на начальных этапах чтения дает нечто вроде временного пространства для достаточно долгого удержания информации о буквах и словах, чтобы мозг мог связать эту информацию с постоянно усложняющейся концептуальной информацией, имеющейся у ребенка. По мере прогрессирования навыка чтения становится трудно отделить рабочую память от синтаксической обработки, поскольку при синтаксическом анализе она может быть сильно нагружена. У хорошо читающего мозга интерпретация смысла текста происходит еще и с учетом информации из долговременной памяти о накопленном когнитивном и жизненном опыте.
Лимбическая система в процессе чтения помогает расставлять приоритеты и оценивать то, что мы читаем. Если чтение вызывает положительные эмоции, мы получаем положительное подкрепление и продолжаем читать, если нет- мы теряем к этому процессу интерес. На начальных этапах чтение, как правило вызывает отрицательные эмоции в силу того, что прикладываемые усилия не приносят быстрого ожидаемого результата. Однако, со временем, когда мозг с техническими вопросами начинает справляться более уверенно, содержание прочитанного может вызывать сильные положительные эмоции, тем самым мотивируя читать снова и снова [4, стр. 194-203].
При этом, важно отметить, что для реализации представленного механизма чтения в мозге должны функционировать все упомянутые зоны. Повреждение хотя бы одной из них приведет к большим сложностям с чтением. Так при повреждении зоны Вернике теряется способность понимать речь и распознавать фонемы- звуки и их сочетания, разрушение зоны Брока приводит к невозможности объединения отдельных речевых движений в целостный речевой акт, нарушения в работе ангулярной извилины приводят к потере способности читать и писать.
Алексия является нарушением чтения, возникающим при поражении различных отделов коры левого полушария (у правшей), нередко сочетающееся с потерей способности писать (аграфия) и грамотно говорить (афазия).
Дислексия - избирательное нарушение способности к овладению навыками чтения и письма при сохранении общей способности к обучению . Оно связано с трудност ям и с точным и/ или беглым распознаванием слов, проблемами с письмом и декодированием текста. Эти сложности, как правило, возникают из-за дефицита фонологического компонента языка, вызванного нарушениями в работе задней части левой средней височной извилины [8].
В заключении следует отметить, что чтение представляет собой сложный многоступенчатый нейрофизиологический процесс. Овладеть чтением может человек, мозг которого способен функционально обеспечить реализацию ряда сложных когнитивных процессов, связанных с обработкой слов, предложений и целостного текста. На самом простом уровне мозг начинающего читателя должен научиться декодировать буквы и находить соответствующие им звуки, интерпретировать значения слов. На более высоком уровне сложности читатель должен уметь идентифицировать словосочетания и предложения с учетом синтаксиса языка, и декодировать их смыслы. На самом сложном уровне читатель должен уметь связывать предложения в абзацы и целостный текст, выявлять смысл прочитанного и уметь эксплицировать полифонию смыслов с учетом многообразия фонетических, семантических, синтаксичестких и когнитивных аспектов.
Литература:
1. Павлов И.П. Полное собрание сочинений. - М.: Изд-во АН СССР, 1951 – 1954 . Т. 3, кн. 2: [Двадцатилетний опыт объективного изучения высшей нервной деятельности животных: главы XXXVI—LXIII (1923-1936 гг.)] / ред. Э. Ш. Айрапетянц. - 1951.
2. Дубынин В.А. Регуляторные системы организма человека. – М.: Дрофа, 2003 г.
3. Сергеев И.Ю., Дубынин В.А., Каменский А.А. Физиология человека и животных. Том 1. Нервная система: анатомия, физиология, нейрофармакология. – М.: Юрайт, 2020.
4. Вульф М. Пруст и кальмар: Нейробиология чтения. – М.: КоЛибри, Азбука-Аттикус, 2020.
5. Julie A. Fiez and Steven E. Petersen. Neuroimaging studies of word reading // PNAS, February 3, 1998, 95 (3) 914-921; https://doi.org/10.1073/pnas.95.3.914
6. David A.Swinney . Lexical access during sentence comprehension: (Re)consideration of context effects // Journal of Verbal Learning and Verbal Behavior , Volume 18, Issue 6 , December 1979, Pages 645-659.
7. Nicole Landi , Stephen J. Frost , W. Einar Menc et al. Neurobiological bases of reading comprehension: Insights from neuroimaging studies of word level and text level processing in skilled and impaired readers // Read Writ Q. 2013 Apr 1; 29(2): 145–167. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3646421/
8. International Dyslexia Association https://dyslexiaida.org/definition-of-dyslexia/
