От одноклеточных к сложному восприятию
Преобладающие на нашей планете одноклеточные организмы чувствуют среду обитания довольно обрывочно. У них механизмы восприятия устроены просто, но этого хватает для выживания. Микробы имеют весьма ограниченное восприятие: вероятно, ощущение наличия рядом хищника — единственное, что им следует «понимать». Многие из них имеют одномерное восприятие внешнего мира. Организмы становились сложнее, и средства восприятия окружающей среды делались разнообразнее. Органы чувств получили возможность независимо посылать информацию в мозг. Иногда связи между чувствами образуются случайно — из-за того, что они занимают соседние области в мозге. В других случаях, когда кроссмодальность позволяет успешно решить проблему, может быть задействован отбор. Восприятие более высокого порядка невозможно без взаимодействия чувств друг с другом, даже если они являются «командой соперников».
Морской лев Рио: буквы, цифры и звуки
Самка морского льва по имени Рио участвовала в эксперименте на кроссмодальность. Ее обучили связывать высокий звук с буквами, а низкий — с цифрами. Рио быстро и легко освоила эту систему. Затем ей дали послушать шесть разных звуков, объединенных попарно: колокольчик и сирена, свайп и белый шум, вибрация и гудок. Все эти звуки отличались от изначальных высоких и низких звуков. В каждой паре один звук был высоким, а второй — низким. Рио последовательно соотнесла колокольчик, свайп и вибрацию с буквами, а сирену, белый шум и гудок — с цифрами. Она создала кроссмодальный контекст, где новые звуки соответствовали визуальному ряду.
Львы узнают сородичей по голосу и внешности
Исследователи изучали африканских львов в дикой природе, используя теорию нарушения ожиданий. Этот подход оценивает реакцию особи на искусственно созданные отклонения от нормальных социальных реакций. Львы слышали громкий рык позади экрана, где изначально был изображен другой лев. Если узнавание особей не включает кроссмодальные реакции, подопытные львы должны одинаково реагировать на полностью видимого рычащего льва и на скрытый фальшивый рев. Львы странно реагировали на несогласованные звуковые сигналы и нормально — на рычание, связанное с визуальным образом. У львов (социальных животных) существует кроссмодальная аудиовизуальная связь для распознавания особей.
Шимпанзе: белый квадрат и высокий звук
В эксперименте 2011 года шимпанзе обучали заданию на определение черного и белого квадратов. При появлении изображения квадрата фоном звучал высокий или низкий тон. Если высокий звук звучал вместе с белым квадратом, шимпанзе быстрее идентифицировал квадрат как белый. Если высокий звук звучал с черным квадратом, шимпанзе медлил, перед тем как определить квадрат правильно. Шимпанзе ассоциируют белый цвет с высоким тоном, а черный — с низким. Это совпадает с человеческой реакцией: люди (как взрослые, так и младенцы) соотносят высокий тон и светлые изображения. Кроссмодальность, соединяющая светлые цвета с высоким тоном, существовала у общего предка шимпанзе и людей.
Почему светлое связано с высоким звуком? Панглоссианское объяснение
Эффект падающего сверху света: люди и шимпанзе предполагают, что свет всегда приходит сверху. Мы ассоциируем свет сверху с высокими звуками, потому что организмы, которые находятся над нами (птицы, белки), обычно меньше нас и издают тонкие, высокие звуки. Организмы, которые находятся ниже, издают низкие звуки. Организму нужно быстро решить: убегать или нет? Обычно организмы не убегают от существ, которые меньше их, и тех, кто издает высокие звуки. Низкий звук означает нечто иное. Чарльз Спенс и Офелия Дерой предлагают более простое объяснение: правильные соответствия — это связь света с размером и размера с высоким тоном. Поскольку кроссмодальные соединения транзитивны, в сознании соединяются свет и звук. Эта связь может быть не врожденной, а приобретенной.
Коннектом: карта связей в мозге
Коннектом — отображение аксональных синаптических связей в мозге. Один из способов — разрезать мозг на сотни тонких участков и просматривать их в электронном микроскопе. Коннектом нематоды C. elegans состоит из 279 клеток и 6393 синапсов. Этот примитивный червь чувствует свет, тактильные ощущения, запахи и вкус, но нет доказательств, что он обладает кроссмодальной сенсорной способностью. Для более крупномасштабной картины коннектомов используют МРТ и диффузионно-тензорную томографию. Основной аналитический инструмент — теория графов. Граф — это математическое описание сети связей одной области мозга с другой. Теория графов выделяет три интересных аспекта нейронных сетей:
- Концентраторы (хабы) — узел или нейрон с высокой связностью
- Блоки (клубы) — пучок нейронных связей более высокого порядка
- Сообщества — взаимосвязанный набор нейронов
Что отличает человеческий мозг
Анализ коннектомов показывает, что сообщества связей локализуются в определенных частях мозга большинства млекопитающих. Связи в основном происходят среди близких нейронов. Сообщества могут быть связаны с определенными сенсорными функциями. По мере развития мозга по линии приматов (и по мере его увеличения) большая масса порождала более тесно связанные сообщества нейронов. Это привело к специализации функций локализованных сообществ. Люди по сравнению с другими приматами отличаются плотностью белого вещества (которое состоит в основном из аксонов). В человеческом мозге более высокое соотношение белого и серого веществ, особенно заметное в префронтальной коре. Только одна четверть заметных связей между приматами общая для обезьян, человекообразных обезьян и людей. Области Брока и Вернике, отвечающие за речь, имеют чрезмерное количество связей именно в человеческом мозге.
Зеркальные нейроны: от макак к человеку
Зеркальные нейроны были впервые обнаружены у макак, но это свойство проявляется и у шимпанзе, и у людей. У макак, шимпанзе и людей присутствуют зеркальные нейронные связи в лобно-височной части мозга. У макак на этом пути зеркальные нейроны останавливаются. У людей и шимпанзе зеркальные связи распространяются в нижнюю височную кору. У шимпанзе они заканчиваются. Только у людей зеркальные связи распространяются в верхнюю теменную кору. Эрин Хехт и коллеги предположили, что именно так появились различия в способности к подражанию и социальному обучению использованию инструментов.
Путь от одноклеточных, чувствующих только присутствие хищника, до человека, чей мозг обладает сложнейшей сетью связей, занял миллиарды лет. Морской лев Рио связывает буквы со звуками, львы узнают сородичей по голосу и внешности, шимпанзе ассоциируют белый цвет с высоким тоном — все это проявления кроссмодальности, способности объединять информацию от разных чувств. Коннектом человеческого мозга — самая сложная сеть в известной нам вселенной. И только четверть ее связей общая с другими приматами. Остальное — то, что делает нас людьми: речь, способность к подражанию, создание инструментов. Несовершенный мозг, «команда соперников», эволюционировал в орган, способный не только воспринимать мир, но и понимать, как он это делает. И это, пожалуй, самое удивительное его достижение.