Где в мозге находится сознание и почему ученые десятилетиями искали его не там

В каждую секунду глаза передают в мозг огромный объем зрительной информации, но человек осознает лишь малую ее часть. Остальные сигналы обрабатываются без участия сознания. Чтобы понять, чем осознанная работа мозга отличается от неосознанной, нейробиологи используют специальные зрительные эксперименты, в которых физическая картинка перед глазами остается неизменной, а само восприятие человека меняется.

В основе таких экспериментов лежит явление бинокулярной конкуренции. Если показать левому и правому глазу два разных изображения одновременно — например, через очки с красным и сине-зеленым светофильтрами, — зрительная система не сможет сложить их в одну общую картину. Человек будет отчетливо видеть только одно из двух изображений, а второе полностью исчезнет из его восприятия, хотя свет от него продолжает непрерывно попадать на сетчатку глаза.

В лабораториях применяют еще более точную версию этого опыта — метод бинокулярного подавления вспышкой. Сначала одному глазу на одну или две секунды показывают первое изображение. Человек видит только его. Затем перед вторым глазом без всякой паузы резко включают второе изображение, оставляя первое на своем месте. В этот момент происходит переключение: наблюдатель начинает видеть только новую картинку, а старая становится для него полностью невидимой.

Для науки этот момент представляет огромную ценность. На оба глаза воздействуют два полноценных стимула, но в сознание попадает только один. Следовательно, если проследить за работой нервных клеток в разных отделах мозга и найти разницу в их реакции на видимую и подавленную картинки, можно точно установить, как именно рождается осознанное восприятие.

Однако за несколько десятилетий таких экспериментов ученые столкнулись с серьезным противоречием: ни в одном отделе мозга не удавалось найти чистый сигнал, который отвечал бы только за видимый образ. Решить эту проблему удалось группе нейробиологов из Калифорнийского университета в Беркли, Принстона и Калифорнийского технологического института под руководством Яниса Хессе и Дорис Цао. Их работа показала, что мозг не стирает невидимое изображение, а поочередно обрабатывает обе картинки в очень коротких интервалах времени — около 15 раз в секунду.

Загадка слабого сигнала и спор о центре сознания

В классических исследованиях ученые записывали электрическую активность отдельных нейронов у макак, чей зрительный аппарат устроен практически так же, как у человека. Особое внимание уделяли высшим зрительным отделам в нижневисочной коре мозга. Там находятся клетки, которые реагируют не на простые линии или пятна света, а на сложные целостные объекты — например, только на лица или только на здания.

Исследователи ожидали увидеть простую картину. Допустим, конкретная нервная клетка активно выдает электрические импульсы, когда обезьяна смотрит на лицо А, и почти молчит, когда ей показывают лицо Б. Если предъявить оба этих лица одновременно двум разным глазам и добиться того, чтобы обезьяна осознанно видела только лицо А, клетка должна реагировать на него в полную силу — точно так же, как если бы второго лица на экране вообще не было.

На практике результат всегда оказывался иным. Клетки действительно выдавали больше импульсов тогда, когда предпочитаемое ими изображение становилось видимым. Но эта разница в активности была удивительно слабой. В измерениях команды Цао избирательность нейронов в условиях конфликта между глазами составляла всего 23 процента от той четкой разницы, которую те же самые клетки показывали при просмотре картинок по очереди. Более того, по активности высших зрительных зон все еще можно было определить, какая именно картинка сейчас скрыта от сознания.

Из-за того, что в зрительных отделах не нашлось чистого сигнала восприятия, в нейробиологии разгорелся долгий спор о том, где именно в мозге рождается сознание.

Одна группа теорий утверждала, что зрительная кора в задней части мозга лишь первично обрабатывает сигналы от глаз, а само осознание происходит в передних отделах — в лобных долях (префронтальной коре), которые отвечают за внимание, планирование и принятие решений. Другая группа теорий настаивала, что сознательный опыт формируется непосредственно в задних, зрительных зонах за счет обмена сигналами между соседними отделами. Недавно эти подходы проверили в рамках крупного международного проекта COGITATE, но убедительных доказательств в пользу какого-то одного участка мозга так и не обнаружили: в лобных долях сигнал восприятия при проверке оказывался таким же размытым, как и в зрительных.

Авторы нового исследования поняли, что причина этой размытости кроется в самом способе измерения нейронной активности. В прежних работах ученые записывали клетки поодиночке. Поскольку один нейрон выдает не так много импульсов в секунду и часто срабатывает с небольшими случайными отклонениями, исследователям приходилось складывать и усреднять данные за целую секунду времени и по десяткам повторных показов одной и той же картинки.

Такой подход работает только в том случае, если мозг удерживает состояние неизменным всю секунду, пока длится опыт. Но если нервные клетки внутри одной секунды быстро переключаются с одной картинки на другую, любое усреднение смешает эти два процесса и даст слабый, нечеткий результат.

Как прочитать изображение напрямую из мозга

Чтобы отказаться от усреднения по времени и увидеть, что делают нервные клетки в каждую конкретную миллисекунду, ученым потребовалось одновременно записать работу сотен нейронов и расшифровать их сигналы.

Для этого исследователи обратились к системе распознавания лиц в мозге макак-резусов. В нижневисочной коре обезьян есть несколько небольших участков (в работе изучали два из них — зоны ML и AM), где от 70 до 90 процентов клеток специализируются исключительно на лицах.

Еще в 2017 году лаборатория Дорис Цао выяснила точный принцип работы этих клеток. Любое лицо можно описать с помощью 50 числовых показателей: 20 из них задают геометрическую форму и пропорции (расстояние между глазами, ширину носа, контур головы), а еще 30 описывают яркость, тени и текстуру кожи. Оказалось, что каждый нейрон в лицевых зонах мозга отвечает за определенное сочетание этих параметров: чем сильнее в показанном лице выражена нужная черта, тем больше электрических импульсов выдает клетка.

Эта прямая зависимость позволяет ученым проводить обратную процедуру. Сначала обезьяне показывают множество обычных портретов и фиксируют, как именно реагирует каждая записанная клетка. А затем, зная эти индивидуальные настройки, компьютерная программа может в любой момент времени проанализировать текущие импульсы нескольких сотен нейронов и буквально нарисовать на экране то лицо, которое сейчас обрабатывает мозг животного.

В новом эксперименте ученые сначала проверили надежность самого метода подавления вспышкой на 14 добровольцах-людях. Испытуемые смотрели на экран через цветные очки и нажимали на кнопки, сообщая, какую картинку они видят — для левого глаза, для правого или смешанную. В интервале от 300 до 1000 миллисекунд после появления новой картинки люди в 82 процентах случаев видели только ее (для сравнения: когда на экране без всякого конфликта показывали всего одну картинку, люди нажимали правильную кнопку в 87 процентах случаев — небольшая разница объяснялась обычными случайными ошибками при быстрых нажатиях).

Убедившись, что в окне от 300 до 1000 миллисекунд новая картинка гарантированно вытесняет старую из сознания, исследователи усадили перед такими же экранами двух макак. Обезьянам предъявили 1500 уникальных лиц, разбитых на 750 пар. В это время в мозг животных с помощью новейших датчиков Neuropixels ввели тончайшие кремниевые иглы, каждая из которых считывала электрические импульсы сразу сотен отдельных нейронов в реальном времени.

Переключения каждые 60 миллисекунд

Когда ученые взяли общую активность всех записанных клеток за период от 300 до 1000 миллисекунд и попытались восстановить по ней картинку, получился уже знакомый по старым работам результат: программа нарисовала размытое лицо, в котором смешались черты видимого и подавленного изображений.

Тогда исследователи отказались от общего усреднения и нарезали запись каждой отдельной секунды на короткие отрезки длиной всего по 10 миллисекунд. Для каждого такого отрезка специальный алгоритм сравнивал текущие импульсы всех сотен нейронов с тем, как эти же клетки ранее реагировали на каждое из двух лиц по отдельности. Если реакция клеток в данные 10 миллисекунд была ближе к первому, осознаваемому лицу, отрезку присваивали «Состояние 1». Если реакция оказывалась ближе к подавленному, невидимому лицу, отрезок относили к «Состоянию 2».

Результат полностью изменил представление о работе зрительной коры. Пока одному глазу показывали только одну подготовительную картинку, нейроны стабильно находились в одном состоянии. Но как только перед вторым глазом вспыхивало новое лицо и начиналось подавление, вся группа клеток начинала быстро и согласованно переключаться между «Состоянием 1» и «Состоянием 2».

Оба состояния занимали практически одинаковое время — примерно по 50 процентов от длительности каждого показа. Переходы из одного режима в другой происходили со средним интервалом в 60-67 миллисекунд, то есть около 15 раз в секунду.

Затем ученые собрали вместе все 10-миллисекундные отрезки, отнесенные к «Состоянию 1», и отдельно — все отрезки «Состояния 2», после чего заново запустили программу восстановления изображений.

Из отрезков «Состояния 1» программа восстановила точный, детальный портрет осознаваемого лица. Точность совпадения отдельных черт превысила 80 процентов — это почти равно максимально возможной точности в 90 процентов, которая достигается при показе одной картинки без всякого конфликта между глазами. Никаких следов второго лица в эти миллисекунды в активности клеток не было.

В отрезках «Состояния 2» произошел полный переворот: те же самые нейроны с высокой точностью воспроизвели портрет подавленного, невидимого для сознания лица, а информация о видимом лице упала до нуля. В дополнительном опыте, где алгоритм должен был просто угадать одно конкретное лицо из десяти возможных внутри одной попытки, в «Состоянии 1» он правильно называл видимое лицо в 61 проценте случаев, а невидимое — лишь в 4 процентах. В «Состоянии 2» показатели менялись местами.

Это доказало, что за обработку видимого и скрытого образов не отвечают две разные группы клеток. Одни и те же нейроны зрительной коры каждые 60 миллисекунд полностью меняют свою задачу: сначала они детально воспроизводят то изображение, которое мы осознаем, а в следующие 60 миллисекунд — то изображение, которого мы совершенно не замечаем.

Защита от математической ошибки

В подобных исследованиях существует опасность принять за реальную работу мозга статистическую погрешность, которая возникает при сортировке данных.

Представим, что на самом деле клетки мозга вовсе не переключаются между двумя картинками, а всю секунду выдают один и тот же усредненный сигнал. Поскольку живые клетки не работают идеально ровно, в какие-то 10 миллисекунд они случайно выдадут чуть больше импульсов, а в следующие 10 миллисекунд — чуть меньше. Если программа сначала рассортирует эти случайные отклонения по сходству с двумя лицами, а затем использует эти же отобранные отрезки для рисования портретов, она неизбежно восстановит оба лица просто потому, что сама же подобрала под них подходящий случайный шум.

Чтобы исключить эту ошибку и доказать, что переключения действительно происходят синхронно во всей группе клеток, авторы провели строгую перекрестную проверку.

Они случайным образом разделили все записанные нейроны на две равные и независимые группы. Первую половину клеток использовали только для того, чтобы определить, в какой именно момент времени мозг находится в «Состоянии 1», а в какой — в «Состоянии 2». Вторую половину клеток программа при этом вообще не видела. Когда разметка времени по первой группе была готова, ученые брали вторую группу клеток и восстанавливали изображения лиц только по ее сигналам.

Логика этой проверки проста: если кажущиеся переключения — это лишь случайные сбои отдельных клеток, то случайные отклонения в первой половине нейронов никак не совпадут со случайными отклонениями во второй половине, и восстановить лица по второй группе не получится. Ученые проверили это на четырех компьютерных моделях, и модели без реального общего переключения клеток действительно провалили этот тест.

Но на реальных записях мозга макак проверка полностью подтвердила открытие: в те самые миллисекунды, когда первая половина клеток фиксировала переход в «Состояние 1» или «Состоянии 2», вторая независимая половина клеток синхронно выдавала четкий портрет соответствующего видимого или невидимого лица. Точный математический расчет показал, что в среднем клетки удерживают состояние видимого лица в течение 64 миллисекунд, а состояние подавленного лица — в течение 59 миллисекунд.

Исследователи также проверили еще три альтернативных объяснения. Во-первых, они убедились, что два состояния не возникают из-за того, что в одних попытках обезьяна видит одно лицо, а в других — второе: даже если принудительно брать равное число миллисекунд каждого состояния строго внутри одного показа, портреты обоих лиц восстанавливаются без потерь. Во-вторых, если перед анализом случайно перепутать шаблоны лиц, с которыми программа сравнивает активность клеток, восстановление изображений полностью разрушается. В-третьих, ученые доказали, что эти переключения никак не связаны с известными в науке общими волнами активности коры мозга, когда все клетки одновременно то затихают, то возбуждаются.

Почему мы видим только одну картинку

После всех проверок перед учеными встал главный вопрос. Если зрительная кора тратит ровно половину времени на детальную прорисовку видимого лица и ровно половину времени — на такую же детальную прорисовку подавленного лица, почему в нашем сознании присутствует только одно из них? Чем именно работа клеток в первом состоянии отличается от их работы во втором?

Самое очевидное предположение заключалось в том, что в фазе осознаваемого лица нейроны просто работают активнее и выдают в сумме больше электрических импульсов. Однако подсчеты это опровергли: общая средняя частота импульсов всех клеток в подавленном «Состоянии 2» оказалась даже немного выше, чем в сознательном «Состоянии 1».

Настоящее различие обнаружилось тогда, когда ученые проанализировали чувствительность каждой отдельной клетки к деталям изображения. Как уже упоминалось, каждый нейрон в лицевой зоне настроен на определенные пропорции или черты лица: чем заметнее эта черта на картинке, тем сильнее меняется частота импульсов клетки.

Оказалось, что в отрезки времени, относящиеся к «Состоянию 1», клетки реагируют на изменение черт осознаваемого лица на 21 процент резче и чувствительнее, чем те же самые клетки реагируют на черты подавленного лица в «Состоянии 2». В фазе осознанного восприятия нейронная сеть передает различия между деталями картинки с большим размахом и четкостью. Это отличие настолько стабильно, что компьютерный алгоритм легко отличает «Состояние 1» от «Состояния 2» по общему рисунку импульсов, даже если ему не сообщать, какие именно картинки сейчас находятся перед глазами обезьяны.

Именно эта разница в 21 процент и дала ответ на старый вопрос нейробиологии: почему в прежних экспериментах при усреднении активности за целую секунду реакция клеток на видимый образ оказывалась такой слабой, но все же заметной.

В течение секунды нейрон половину времени работает на видимое лицо, а половину времени — на подавленное. Когда ученые в старых работах складывали все импульсы за секунду вместе, эти два противоположных процесса почти полностью гасили друг друга. Тот небольшой перевес в пользу видимой картинки, который десятилетиями находили исследователи, оставался только потому, что в фазе видимого лица чувствительность клеток к деталям на 21 процент выше. Когда группа Дорис Цао искусственно уравняла эту разницу в компьютерных расчетах и снова сложила данные за всю секунду, всякая связь между работой нейронов и тем, что видит обезьяна, полностью исчезла — показатель связи упал с 0,45 до статистического нуля (минус 0,02).

Роль лобных долей и значение открытия

На последнем этапе работы исследователи проверили, как ведут себя клетки в префронтальной коре — тех самых лобных долях, которые многие теории считали главным фильтром, отсекающим неосознаваемую информацию. Зонды ввели в два участка лобной коры (зоны PO и PVL), где также есть клетки, реагирующие на лица.

Хотя сами портреты из активности лобных долей восстанавливались с меньшей четкостью, чем из специализированных зрительных зон, общий принцип работы оказался точно таким же. Лобная кора не содержала чистого, непрерывного сигнала сознательного восприятия. Вместо этого ее нейроны с той же высокой скоростью поочередно переключались между обработкой видимого и невидимого лиц. При этом, когда ученые сравнили одновременные записи из двух соседних зрительных участков (ML и AM), выяснилось, что они переключаются между состояниями довольно независимо друг от друга — у каждого участка коры свой ритм переключений.

Результаты этого исследования меняют базовые представления о том, как устроено восприятие в мозге приматов и человека:

• Сознание определяется не местом, а временем. Попытки найти в мозге особый анатомический участок, куда попадает только осознаваемая информация, не учитывали фактор времени. И зрительные отделы на затылке, и лобные доли хранят информацию сразу об обоих конкурирующих изображениях, разделяя их по коротким 60-миллисекундным интервалам.
• Скрытая информация обрабатывается полностью. Изображение, вытесненное из сознания, не гаснет в начале зрительного пути и не превращается в слабый остаточный шум. В свои отрезки времени оно доходит до высших отделов коры, включая лобные доли, с сохранением всех деталей формы и текстуры. Это дает прямое физиологическое объяснение тому, почему стимулы, которых человек совершенно не замечает, способны в экспериментах влиять на его выбор, переключать внимание и вызывать реакцию в центрах эмоций.
• Универсальный принцип работы мозга. Поочередная обработка разных сигналов одними и теми же клетками все чаще обнаруживается и в других процессах: при распределении внимания, при удержании нескольких предметов в рабочей памяти, при ориентации в пространстве и при выборе между несколькими решениями. Такой механизм позволяет мозгу не смешивать разные потоки информации, используя одни и те же нейронные сети.

Авторы работы приходят к выводу, что для перехода информации в сознание недостаточно просто активировать нужную зону коры — мозгу требуется механизм отбора нужных временных отрезков.

Когда органы чувств сталкиваются с неоднозначной обстановкой, мозг выбирает одну основную версию происходящего. В те 60 миллисекунд, когда обрабатывается эта выбранная версия, клетки работают с повышенной чувствительностью к деталям, и именно в эти моменты сигнал передается дальше — в системы мозга, отвечающие за речь, самонаблюдение и управление действиями. Однако отвергнутая версия не стирается: каждые следующие 60 миллисекунд кора мозга продолжает детально просчитывать альтернативную картину мира в фоновом режиме, не допуская ее в сознание, но удерживая наготове на случай, если внешние условия изменятся.

Источник: biorxiv