Люди и обезьяны проиграли воронам: почему эти птицы принимают решения в 2 раза быстрее нас

Когда человек переходит дорогу или выбирает нужный товар на полке магазина, ему редко приходится считать доли секунды. Даже если мы задумаемся на полсекунды, прежде чем сделать шаг или протянуть руку, в обычной жизни это никак нам не навредит. В совершенно иных условиях живут птицы. Во время полета сквозь ветви деревьев или при ловле подвижных насекомых любая задержка между тем, что птица увидела, и тем, куда она повернула, грозит столкновением или потерей добычи. Жизнь в воздухе требует от нервной системы предельно быстрой работы.

Однако быстрая реакция бывает разной. Одно дело — простейший рефлекс, когда животное автоматически вздрагивает от громкого звука или резкого движения в кустах. В таком случае мозг почти не размышляет: сигнал от глаз или ушей по кратчайшему пути идет к мышцам. Совсем другое дело — осознанный выбор. Это ситуация, когда обстановка вокруг неясная, видимость плохая, а животному нужно присмотреться, оценить ситуацию и выбрать одно правильное действие из нескольких возможных.

Долгое время ученые считали, что способность быстро и точно анализировать сложную информацию зависит от особого отдела мозга — коры больших полушарий. У человека и обезьян эта кора сильно развита. У птиц же ее нет вовсе. Тем не менее недавние эксперименты немецких биологов показали удивительный результат: когда воронам нужно решить сложную зрительную задачу и сделать выбор, их мозг справляется с этим по тем же самым правилам, что и мозг человека, но делает это ровно в два раза быстрее.

Загадка птичьего мозга

Чтобы понять, почему это открытие так важно для науки, нужно разобраться, чем мозг птицы отличается от нашего. Если посмотреть на мозг человека или обезьяны, мы увидим поверхность, покрытую множеством складок и извилин. Этот внешний слой и есть кора больших полушарий. Если рассмотреть ее под микроскопом, окажется, что нервные клетки в ней расположены ровными рядами, один над другим — всего шесть слоев. Именно эта шестислойная кора отвечает у млекопитающих за мышление, внимание, память и принятие сложных решений.

Мозг птицы устроен совершенно иначе. Внешне он совершенно гладкий, без единой извилины, и у него нет слоистой коры на поверхности. Вместо ровных слоев нервные клетки в птичьем мозге собраны в плотные внутренние скопления, которые биологи называют ядрами.

Из-за такого строения на протяжении всего девятнадцатого и большей части двадцатого века в науке держалось ошибочное мнение, будто птицы — существа примитивные. Считалось, что раз у них нет коры полушарий, то и думать они не могут, а все их поведение состоит из врожденных инстинктов и простых привычек.

Пересмотр этих взглядов начался лишь несколько десятилетий назад, когда исследователи стали внимательно изучать поведение врановых птиц — ворон, воронов, грачей и соек. Выяснилось, что эти птицы умеют делать вещи, которые раньше приписывали только человеку и человекообразным обезьянам. Вороны способны изготавливать орудия труда из веточек и проволоки, чтобы доставать пищу из узких щелей. Они запоминают лица конкретных людей на многие годы, умеют считать предметы в пределах нескольких штук и даже планируют свои действия на будущее — например, прячут еду про запас так, чтобы за ними никто не подглядывал.

Стало очевидно: отсутствие коры полушарий никак не мешает воронам решать сложные умственные задачи. Позднее ученые нашли в задней и боковой части переднего мозга птиц особый участок, который взял на себя функции человеческой коры. В научной литературе его называют каудолатеральным нидопаллиумом. Проще говоря, это главный центр управления в голове птицы. Именно сюда стекается информация от глаз и ушей, здесь она обдумывается и отсюда отдаются команды для осмысленных действий.

Но один важный вопрос оставался без ответа: как именно нервные клетки в этом птичьем центре управления принимают решения по долям секунды и могут ли они конкурировать по скорости с развитым мозгом человека и обезьян?

Как измерить скорость мысли

Ответить на этот вопрос взялись исследователи Филипп Шмидбауэр и профессор Андреас Нидер из Института нейробиологии Тюбингенского университета в Германии. Свою работу они опубликовали в ведущем научном журнале Science.

Для эксперимента ученые привлекли двух черных ворон. Чтобы проверить именно скорость обдумывания, а не простой рефлекс, птицам предложили задачу, которую давно используют в опытах с людьми и обезьянами.

Ворону усаживали перед чувствительным к прикосновениям экраном — таким же, как в современных смартфонах или платежных терминалах. На этом экране перед птицей появлялся круг, заполненный множеством мелких белых точек. Точки не стояли на месте, а постоянно двигались. Задача вороны состояла в том, чтобы понять, в какую сторону смещается основной поток точек — влево или вправо. Сделав выбор, птица должна была ударить клювом по одной из двух боковых кнопок на экране: левой или правой. За правильный ответ ворона получала лакомство — кусочек корма, поэтому птицы охотно и внимательно участвовали в тестировании.

Главный секрет этого теста заключается в том, что ученые могут легко менять его сложность.

В самых простых попытках все сто процентов точек на экране двигались строго в одну сторону — например, только направо. В таком случае направление очевидно с первого взгляда.

Но в других попытках исследователи специально запутывали картинку. Они настраивали программу так, чтобы в одну сторону двигалась только половина точек, а то и вовсе лишь пятая или десятая их часть. Все остальные точки при этом метались по экрану совершенно беспорядочно, во всех направлениях сразу.

Представьте, что вы смотрите на такое мельтешение. Если вы бросите на экран лишь один мимолетный взгляд, вы не поймете, куда смещается общая масса точек, потому что беспорядочное движение большинства будет сбивать вас с толку. Чтобы дать правильный ответ, мозгу необходимо некоторое время понаблюдать за картинкой, отсеять случайные перемещения и уловить главное направление. Именно это время — от появления точек на экране до удара клювом по боковой кнопке — и измеряли немецкие биологи с точностью до одной тысячной доли секунды (миллисекунды).

Двести тридцать пять миллисекунд на выбор

Когда ученые обработали данные тысяч таких попыток, выяснилось, что вороны решают эту задачу со стремительной скоростью. В среднем от момента, когда точки начинали двигаться на экране, до момента, когда ворона сообщала о своем решении, проходило всего 235 миллисекунд.

Чтобы понять, насколько это мало, достаточно вспомнить, что в одной секунде содержится тысяча миллисекунд. Обычное моргание человеческого глаза занимает от 300 до 400 миллисекунд. То есть за то время, пока человек успевает один раз моргнуть, ворона успевала увидеть сложную картинку на экране, проанализировать движение множества мелких точек, принять решение и нажать клювом на нужную мишень.

Когда исследователи сопоставили эти цифры с результатами людей и обезьян (макак), которые проходили точно такой же тест с движущимися точками, разница оказалась двукратной. Человеку и обезьяне на выполнение этого задания требуется в среднем около полусекунды — примерно в два раза больше времени, чем вороне.

При изучении работы мозга всегда возникает подозрение: возможно, животное действует так быстро просто потому, что не думает, а торопится и нажимает на кнопки наугад? Ведь если на экране всего два варианта ответа — левый и правый, — то даже при совершенно бездумном тыкании клювом птица будет случайно угадывать правильный ответ ровно в половине случаев, то есть с точностью 50 процентов.

Однако проверка показала, что вороны вовсе не гадали. Когда сигнал на экране был четким и большинство точек двигалось в одну сторону, точность ответов птиц приближалась к 100 процентам. Они практически не совершали ошибок. Когда же задачу усложняли и основное направление движения было трудно разглядеть из-за беспорядочного мельтешения остальных точек, процент правильных ответов предсказуемо снижался, но все равно оставался заметно выше случайных 50 процентов. Это доказало, что даже в самых трудных условиях вороны действительно анализировали увиденное, прежде чем сделать выбор.

Что происходит внутри мозга по миллисекундам

Самая важная часть исследования проходила параллельно с поведенческими тестами. Ученые хотели увидеть, как именно рождается решение внутри головы птицы. Для этого они использовали тончайшие датчики, которые улавливали слабые электрические импульсы отдельных нервных клеток в том самом центре управления птичьего мозга — каудолатеральном нидопаллиуме.

Нервные клетки общаются между собой с помощью коротких электрических разрядов. Когда клетка не занята работой, она подает такие сигналы редко. Когда же клетка активно включается в обработку информации, она начинает посылать импульсы очень часто — десятки раз в секунду. Наблюдая за тем, как меняется частота этих импульсов во время теста с точками, Филипп Шмидбауэр и Андреас Нидер смогли буквально по шагам проследить, как формируется мысль вороны.

Весь процесс укладывается в четкое расписание:

Первые 70 миллисекунд. Точки появляются на экране и начинают двигаться. Световые лучи попадают в глаз птицы на сетчатку, преобразуются в электрические сигналы и бегут по зрительным нервам вглубь мозга. На это уходит чуть меньше одной десятой доли секунды. Ровно через 70 миллисекунд после начала показа картинки исследователи зафиксировали первые изменения в центре принятия решений. Нервные клетки в этой области разделились по своим реакциям: одни клетки начинали активнее работать, если точки на экране смещались влево, а другие — если поток шел вправо. Сама ворона в этот момент еще сидела совершенно неподвижно, но ее мозг уже начал сортировать зрительную информацию.

От 70 до 235 миллисекунд. В этот короткий промежуток времени в мозге птицы шел процесс накопления данных. Пока глаза вороны следили за экраном, нервные клетки, отвечающие за выбранное направление, с каждой миллисекундой выдавали все больше и больше электрических импульсов.

Записи показали, что эти клетки одновременно отражали сразу два важных обстоятельства. Во-первых, скорость их работы зависела от качества картинки на экране. Если точки двигались четко и согласованно, активность клеток росла очень быстро и резко. Если же движение было запутанным и неясным, активность клеток росла медленно и плавно — мозгу требовалось больше времени, чтобы собрать доказательства. Во-вторых, по работе этих клеток можно было заранее, еще до удара клювом, точно предсказать, какую именно сторону — левую или правую — в итоге выберет ворона.

Момент принятия решения. Электрическая активность нервных клеток росла до тех пор, пока не достигала определенного верхнего предела. В нейробиологии эту границу называют порогом принятия решения. Как только частота импульсов доходила до этой критической отметки, накопление информации прекращалось. Мозг считал задачу решенной и немедленно отправлял сигнал двигательным областям, которые управляют мышцами шеи и головы. Ворона клевала выбранную мишень на экране.

Разное устройство — одинаковые правила работы

Когда немецкие ученые построили графики работы нервных клеток ворон и положили их рядом с такими же графиками, полученными ранее в опытах на людях и обезьянах, обнаружилось поразительное сходство.

В науке давно известно, как принимает решения мозг приматов. Когда человек или обезьяна пытается разглядеть что-то нечеткое и сделать выбор, нервные клетки в нашей коре больших полушарий ведут себя точно так же: они постепенно наращивают свою электрическую активность по мере того, как глаза собирают информацию, а когда эта активность доходит до порогового уровня, человек нажимает на кнопку.

Открытие исследователей из Тюбингена заключается в том, что мозг птицы, несмотря на полное отсутствие слоистой коры, работает по тем же самым правилам.

Это явление представляет огромный интерес для понимания того, как вообще развивался разум на Земле. Эволюционные пути предков современных птиц и предков млекопитающих разошлись более 300 миллионов лет назад. С тех пор эти две группы животных развивались совершенно независимо друг от друга. У млекопитающих сформировалась шестислойная кора на поверхности мозга, а у птиц — плотные скопления клеток внутри мозга. Строение оказалось разным, однако базовый принцип обработки информации и принятия решений природа в обоих случаях использовала один и тот же. Это доказывает, что постепенное накопление сигналов до определенного предела — самый надежный и эффективный способ принять верное решение в неясной обстановке, и для его работы вовсе не обязательно иметь мозг человеческого типа.

Почему птицы думают быстрее

Ответив на вопрос о том, как вороны принимают решения, ученые столкнулись со следующим вопросом: почему этот процесс идет у них в два раза быстрее, чем у приматов?

Профессор Андреас Нидер объясняет эту разницу прежде всего образом жизни птиц и задачами, которые им приходится решать каждый день в природе. Человек и обезьяны — существа сравнительно медлительные. Мы передвигаемся по земле или лазаем по крупным ветвям деревьев, где обстановка меняется не так стремительно.

Птица же находится в совершенно других физических условиях. Во время полета скорость ее перемещения в пространстве очень высока. Ей нужно непрерывно следить за множеством мелких веток, листьев, потоками воздуха и другими птицами в стае, мгновенно выбирая, с какой стороны облететь препятствие и куда приземлиться.

Вторая причина связана с тем, как птицы добывают пищу. У приматов для захвата еды есть руки с цепкими пальцами, которыми мы можем нащупать предмет даже не глядя. У вороны рук нет — ее главным рабочим инструментом служит клюв. Чтобы точно схватить клювом мелкое зерно, увертливое насекомое или вытащить личинку из-под коры, птице необходимо очень быстро и точно направлять голову, опираясь исключительно на свое зрение. Животные, чей мозг в процессе эволюции тратил на такие зрительные решения слишком много времени, просто не выживали и не оставляли потомства. В результате естественный отбор сохранил только тех пернатых, чья нервная система умела обрабатывать зрительные данные с минимальной задержкой.

При этом ученым еще предстоит детально разобраться, за счет каких именно внутренних свойств птичьего мозга достигается такая высокая скорость. У биологов уже есть несколько обоснованных предположений, которые будут проверяться в дальнейших исследованиях.

Одно из них связано с размерами мозга и плотностью расположения клеток. Мозг вороны по своему объему и весу значительно меньше мозга обезьяны и тем более человека. Однако недавние подсчеты показали, что нервные клетки в мозге певчих и врановых птиц упакованы гораздо плотнее, чем у млекопитающих. В одном кубическом миллиметре мозговой ткани вороны содержится в несколько раз больше нейронов, чем в таком же объеме мозга примата.

Поскольку клетки расположены очень близко друг к другу, а сам мозг компактный, электрическим сигналам приходится преодолевать гораздо меньшие расстояния при передаче информации из одного отдела в другой. В большом мозге человека сигнал тратит драгоценные десятки миллисекунд просто на то, чтобы пробежать по длинным нервным волокнам от затылочной части, где обрабатывается зрение, до лобной части, где принимается решение. В компактном мозге вороны этот путь в несколько раз короче, что дает огромный выигрыш во времени. Кроме того, ученые планируют проверить, отличаются ли сами клетки птиц от клеток млекопитающих по скорости передачи электрических разрядов.

Работа немецких нейробиологов наглядно показывает, что оценивать умственные способности животных по внешнему сходству их мозга с человеческим — ошибочный путь. Природа способна создавать компактные и при этом чрезвычайно быстрые нервные системы, которые в задачах на скорость оценки окружающего мира легко превосходят возможности человека.

Источник: Science