Как на самом деле работает воображение: новая теория доказала, что мозг не «рисует» образы, а стирает лишнее

Наш мозг обладает способностью формировать зрительные образы при полном отсутствии внешних стимулов. Человек может закрыть глаза и в деталях вспомнить лицо родственника, архитектуру знакомого здания или просто представить геометрическую фигуру. Нейробиология долго пыталась найти точный физиологический механизм этого процесса. Долгое время научное сообщество придерживалось наиболее очевидной гипотезы: воображение работает как реальное зрение, только запущенное в обратном направлении.

Однако группа исследователей из Университета Нового Южного Уэльса опубликовала теоретическую работу, которая указывает на глубокие противоречия в устоявшейся модели. Проанализировав накопленные данные нейровизуализации и физиологических экспериментов, ученые пришли к выводу, что мозг генерирует мысленные образы не за счет прямой активации клеток, а за счет сложного механизма избирательного торможения.

Как мы видим на самом деле и в чем ошибка старой гипотезы

Когда человек смотрит на реальный объект, информация обрабатывается снизу вверх. Свет попадает на сетчатку глаза и трансформируется в электрические сигналы. Эти сигналы отправляются в затылочную долю мозга — в первичную зрительную кору. Здесь нейроны реагируют на самые простые характеристики картинки: контрастные переходы, линии и углы определенного наклона. Далее сигнал поднимается в более высокие отделы мозга, где отдельные линии собираются в сложные формы, а затем происходит распознавание конкретных объектов и лиц. При этом реальный свет заставляет нейроны активно генерировать электрические разряды — потенциалы действия.

Старая концепция, известная как «гипотеза активации», предполагала, что воображение использует те же самые нейронные цепи, но информация движется сверху вниз. Высшие отделы мозга, ответственные за память и планирование, отправляют нисходящие сигналы в первичную зрительную кору и заставляют целевые нейроны производить такие же электрические разряды, как если бы на сетчатку падал реальный свет.

Долгие годы эта идея подтверждалась снимками функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ). Сканирование показывало, что когда человек что-то активно представляет, в его первичной зрительной коре фиксируется всплеск активности. Однако аппараты фМРТ имеют ограничение: они не фиксируют сами электрические разряды клеток. Томограф измеряет лишь локальное изменение кровотока и уровня кислорода. Прилив крови к участку коры действительно означает, что там происходит активная работа, но эта работа может заключаться не только в возбуждении нейронов, но и в их активном подавлении друг друга.

Физиологические эксперименты выявили факты, которые окончательно поставили старую гипотезу под сомнение. Главным аргументом стал феномен нейронной усталости. При реальном зрении клетки мозга, которые долго реагируют на один и тот же стимул, истощаются. Если вы будете долго смотреть на линии, наклоненные вправо, соответствующие нейроны устанут. Если после этого вы переведете взгляд на прямые линии, они покажутся вам наклоненными влево, потому что не уставшие клетки, отвечающие за наклон влево, будут временно доминировать.

Если бы воображение вызывало полноценные электрические разряды в зрительной коре, оно приводило бы к точно такой же нейронной усталости. Однако психофизические тесты показывают, что сколько бы времени человек ни пытался удерживать в уме образ конкретных линий или движущихся объектов, добиться сопоставимого физиологического истощения нейронов первичной зрительной коры невозможно. Нисходящие сигналы из центров памяти оказались слишком слабыми, чтобы самостоятельно запустить процесс генерации полноценных электрических разрядов без поддержки реального света.

Новая модель: создание паттерна через подавление

Отвергнув концепцию прямой активации, исследователи предложили новую модель, получившую название «гипотеза перестройки спонтанной активности».

Основой для этой теории послужил тот факт, что мозг никогда не находится в состоянии покоя. Даже в абсолютной темноте и при отсутствии каких-либо задач первичная зрительная кора демонстрирует непрерывную спонтанную электрическую активность. Клетки постоянно генерируют фоновые разряды, потребляя на поддержание этого процесса большую часть энергетических ресурсов мозга.

Согласно новой гипотезе, когда человек хочет что-то представить, высшие когнитивные центры мозга не пытаются передать вниз команду на возбуждение конкретных нейронов. Вместо этого они используют нисходящие пути связи для передачи тормозных сигналов. Задача этих сигналов — избирательно подавить ту часть фоновой спонтанной активности зрительной коры, которая не соответствует представляемому объекту.

Чтобы сформировать образ геометрической фигуры, мозг не заставляет нейроны по контуру этой фигуры производить электрические импульсы. Напротив, он резко снижает электрическую активность всех остальных клеток в зоне обработки, которые находятся за пределами нужного контура или отвечают за неактуальные признаки. В результате на фоне подавленных участков оставшаяся естественная спонтанная активность формирует требуемый зрительный паттерн.

Надежность такого механизма подтверждается недавними нейрофизиологическими исследованиями. Ученые обнаружили, что нейронные сети способны кодировать сложную информацию не только за счет того, какие клетки активируются, но и за счет того, какие клетки замолкают. Паттерн временно неактивных, заторможенных нейронов несет в себе исчерпывающий объем данных, достаточный для того, чтобы алгоритмы машинного обучения могли безошибочно определить, какой именно образ обрабатывается в зрительной коре.

Ответы на загадки человеческой психики

Механизм избирательного подавления фоновой активности дает строгие физиологические объяснения явлениям, которые ранее считались исключительно психологическими.

Во-первых, новая теория объясняет, почему мысленные образы всегда менее стабильны и менее детальны, чем реальные объекты. Поскольку фундаментом для воображения служит базовая спонтанная активность мозга, которая по своей природе является динамической и непрерывно флуктуирует каждую долю секунды, мысленный образ неизбежно искажается и меняется. Человек не способен идеально зафиксировать представляемую картинку именно потому, что электрофизиологическая база, на которой она строится, находится в постоянном движении.

Во-вторых, модель торможения проясняет природу индивидуальных различий в способностях людей к визуализации. В человеческой популяции существуют крайние состояния: афантазия, при которой человек полностью лишен способности формировать зрительные образы, и гиперфантазия, при которой образы по четкости не уступают реальному зрению. Исследования показали, что качество воображения напрямую зависит от уровня базовой возбудимости первичной зрительной коры и эффективности механизмов торможения.

Если зрительная кора человека чрезмерно возбудима, нисходящие сигналы не способны эффективно подавить фоновый шум. В результате четкий паттерн не формируется, что приводит к афантазии. Если же тормозные механизмы нервной системы работают эффективно, мозг способен жестко подавить лишнюю активность и сформировать предельно контрастный внутренний образ, характерный для людей с гиперфантазией. Эксперименты с использованием транскраниальной стимуляции постоянным током подтвердили этот тезис: когда ученые искусственно снижали базовую возбудимость зрительной коры у добровольцев, яркость их внутреннего воображения объективно возрастала.

В-третьих, механизм подавления выполняет критически важную эволюционную функцию. Разница в физиологических процессах позволяет нервной системе строго разделять информацию. Если бы воображение, как и реальное зрение, строилось на генерации мощных электрических разрядов в одних и тех же клетках, мозг не имел бы физических критериев для отличия внешнего стимула от внутреннего воспоминания. Способность обрабатывать реальный свет через возбуждение нейронов, а мысленные представления — через подавление фонового шума, создает защитный барьер. Разрушение этого барьера, при котором внутренние сигналы начинают неконтролируемо активировать зрительную кору, наблюдается при тяжелых психических расстройствах, сопровождающихся визуальными галлюцинациями.

Таким образом, генерация зрительных образов в человеческом сознании обеспечивается не прямой активацией структур мозга. Для создания сложной внутренней репрезентации нервная система реализует энергозатратный и высокоточный процесс избирательного подавления собственной постоянной активности.

Источник: Psychological Review