Читающий мозг в цифровом мире

Дорогой читатель,

Эмили Дикинсон – моя любимая американская поэтесса девятнадцатого века. Она была моей любимой поэтессой еще до того, как я осознала, как много она писала о мозге, и все это с самого невероятного и ограниченного наблюдательного пункта – окна ее второго этажа на Мейн-Стрит, в Амхерсте, в штате Массачусетс. Когда она писала: «Скажи всю правду, но уклончиво, успех в схеме, есть, ложь», она ничего не знала о множестве контуров мозга. Но, как и у великих неврологов XIX века, у нее было интуитивное понимание способности мозга «шире, чем небо», то есть квази-чудотворной способности мозга выходить за пределы своих границ, чтобы развивать новые, никогда прежде не востребованные им функции. Нейробиолог Дэвид Иглмэн недавно написал, что клетки мозга «соединены друг с другом в сети такой ошеломляющей сложности, что она обанкрочивает человеческий язык и требует новых видов математики… В одном кубическом сантиметре мозговой ткани столько же связей, сколько звезд в галактике, Млечный Путь».

Именно способность создавать эти извилистые ряды связей позволяет нашему мозгу выйти за пределы своих первоначальных функций и сформировать совершенно новую схему для чтения. Новая схема была необходима, потому что чтение не является ни естественным, ни врожденным; скорее, это неестественное культурное изобретение, которому едва исполнилось шесть тысяч лет, на любых «эволюционных часах». История чтения занимает немногим больше, чем пресловутое тиканье перед полуночью, однако этот набор навыков настолько важен в своей способности изменять наш мозг, что он ускоряет развитие нашего вида к лучшему, а иногда и к худшему.

Создание читающего мозга

Все начинается с принципа «гибкости в пределах» в конструкции мозга. Больше всего меня поражает не множество сложных функций мозга, а то, что он способен выйти за рамки своих первоначальных, биологически данных функций, таких как зрение и язык, и развить совершенно неизвестные способности, такие как чтение и умение считать. Для этого он формирует новый набор путей, соединяя, а иногда и перепрофилируя аспекты своих старых и более базовых структур. Подумайте о том, что делает электрик, когда его просят проложить новую проводку в старом доме, чтобы вместить современную, незапланированную систему путевого освещения. Без малейшего вмешательства со стороны электрика наш мозг перепрофилирует нас гораздо более изобретательным образом. Столкнувшись с чем-то новым для изучения, человеческий мозг не только перестраивает свои оригинальные части (например, структуры) и нейроны, отвечающие за основные функции, такие как зрение и слух, но он также способен переоборудовать некоторые из своих существующих нейронных групп в этих же областях, чтобы приспособиться к конкретным потребностям новых функций. Не случайно, однако, переименовываемые группы нейронов имеют связи с новой функцией. Как отметил парижский нейробиолог Станислас Деан, мозг рециркулирует и даже перенацеливает нейронные сети на навыки, которые когнитивно или перцептивно связаны с новым. Это прекрасный пример пластичности нашего мозга в пределах возможного. Эта способность формировать новые переработанные схемы позволяет нам изучать всевозможные генетически незапланированные виды деятельности, начиная с изготовления первого колеса, изучения алфавита, серфинга в сети во время прослушивания Coldplay и отправки твитов. Ни один из этих видов деятельности не является жестко спланированным или не имеет генов, специально предназначенных для его развития; это культурные изобретения, которые связаны с поглощением коры головного мозга. Тем не менее существуют значительные и даже трудные последствия того, что чтение не является жестко привязанным к языку. В отличие от чтения, устный язык является одной из наших основных человеческих функций. Как таковой он обладает специальными генами которые разворачиваются с минимальной помощью, чтобы дать нам возможность говорить, понимать и думать словами. Вот почему маленький ребенок, помещенный в любую типичную языковую среду, будет учиться говорить на этом языке практически без обучения. Это удивительная вещь. Не так обстоит дело с такой новинкой, как чтение. Конечно, существуют гены, отвечающие за базовые способности, такие как язык и зрение, которые перестраиваются, чтобы сформировать схему чтения, но сами по себе эти гены не производят способности к чтению. Мы, люди, должны научиться читать. Это означает, что мы должны иметь среду, которая помогает нам развивать и соединять сложный набор базовых и не очень базовых процессов, чтобы каждый молодой мозг мог сформировать свою собственную новую схему чтения. Я хочу подчеркнуть здесь кое-что существенное: без генетической схемы чтения не существует ни одной идеальной схемы чтения. Там могут быть разные схемы. В отличие от развития языка, отсутствие схемы чтения означает, что ее формирование подвержено значительным вариациям, основанным на специфических языковых требованиях читателя и условиях обучения.

Например, китайский, основанный на чтении символов-иероглифов, как контуров дождя, имеет как сходство, так и заметные отличия от мозга, читающего алфавит. Большой, фундаментальной ошибкой, имеющей много печальных последствий для детей, учителей и родителей во всем мире, является предположение, что чтение естественно для человека и что оно просто возникнет «целым полотном», как язык, когда ребенок будет готов. Это не так; большинство из нас должны быть обучены основным принципам этого неестественного культурного изобретения. К счастью, мозг приходит хорошо подготовленным, чтобы узнать много неестественных вещей из-за своей основной конструкции. Самый известный принцип проектирования, нейропластичность, лежит в основе практически всего интересного в чтении, начиная с формирования новой схемы путем соединения старых частей, переработки существующих нейронов и заканчивая добавлением новых и усовершенствованных ветвей в схему с течением времени.

Самое важное для этой дискуссии, однако, что пластичность также лежит в основе того, почему схема чтения – дождь – по своей сути пластична (читается изменчиво) и подвержена влиянию ключевых факторов окружающей среды: а именно, что она читает (как конкретная система письма, так и содержание), как она читает (конкретный носитель информации, такой как печать или экран, и ее влияние на то, как мы читаем) и как она формируется (методы обучения). Суть дела заключается в том, что пластичность нашего мозга позволяет нам формировать как все более сложные и расширенные схемы, так и все менее сложные схемы, в зависимости от факторов окружающей среды. Второй принцип касается работ психолога середины ХХ века Дональда Хебба, которые помогли концептуализировать то, как ячейки формируют рабочие группы, или ячеистые сборки, которые помогают им стать особенными по определенным функциям. При чтении рабочие группы нейронных клеток в каждой из структурных частей схемы (таких как зрение и язык) учатся выполнять некоторые из наиболее очень специфических функций. Эти особенные группы создают сети, которые позволяют нам видеть мельчайшие черты букв или слышать мельчайшие элементы в звуках языка, или фонемы, буквально в миллисекундах. Более конкретно и не менее важно, что специализация клеток позволяет каждой рабочей группе нейронов стать автоматической в своей конкретной области и стать практически автоматической в своих связях с другими группами или сетями в цепи чтения. Другими словами, для того чтобы чтение состоялось, должна существовать звуковая автоматизация для нейронных сетей на локальном уровне (т. е. внутри структурных областей, таких как зрительная кора головного мозга), что, в свою очередь, допускает одинаково быстрое соединение по всем структурным пространствам мозга (например, соединение визуальных областей с языковыми областями). Таким образом, всякий раз, когда мы называем хоть одну букву, мы активируем целые сети специфических нейронных групп в зрительном пространстве коры головного мозга, которые соответствуют целым сетям в равной степени специфических групп клеток на основе языка, которые соответствуют сетям специфических артикулятор-групп моторных клеток с точностью до миллисекунды. Умножьте этот сценарий в сто раз, когда задача состоит в том, чтобы изобразить то, что вы делаете, читая эту самую букву с полным (или даже неполным) вниманием и пониманием смысла.

По сути, сочетание этих трех принципов лежит в основе того, о чем мало кто из нас когда-либо подозревал: схема чтения, включающая вход из двух полушарий, четыре доли в каждом полушарии (лобном, височном, теменном и затылочном) и все пять слоев головного мозга (от самого верхнего теленцефалона и прилегающего к нему диэнцефалона ниже него; к средним слоям мезенцефалона; к нижним уровням метенцефалона и миеленцефалона). Любой, кто до сих пор верит в архаичный слух о том, что мы используем только крошечную часть нашего мозга, еще не осознает, что мы делаем, когда мы читаем.

Полет по кольцам дю Солей

Если мы, как общество, хотим в полной мере осознать последствия происходящих изменений в нашем пластичном читающем мозге, нам необходимо проникнуть «под колпак» схемы чтения. Или, если хотите, как бы под купол. Чтобы воплотить в жизнь многочисленные, одновременно происходящие операции в читающем мозге, которые происходят каждый раз, когда мы читаем одно слово, я не могла придумать лучшего визуального средства, метафоры, чем цирк с тремя кольцами. Не просто какой-нибудь цирк с тремя кольцами, а цирк полный актеров и фантастических существ, которых только можно вообразить в шатре Цирка дю Солей, где магия превосходит доверие! Я хочу, чтобы с помощью нейробиолога и талантливой художницы Кэтрин Студли вы тоже это испытали.

Из-под купола цирка

Представьте себя внутри круглого деревянного насеста на самом верху огромного циркового шатра смотрящим на сцену внизу. С этой точки зрения формирование схемы считывания очень похоже на то, что происходит в многочисленных действиях цирка с тремя кольцами. Но в нашем читательском цирке будет пять колец с ансамблями фантастически одетых исполнителей, готовых разыграть гамму процессов, а нам необходимо прочесть всего лишь одно-единственное слово. К счастью для нас обоих, по моей просьбе мы сейчас видим только то, что происходит в левом полушарии и, что еще важнее, в замедленном темпе, так что вы сможете наблюдать все, что происходит снаружи, головокружение от почти автоматических скоростей, которые задействованы в трех больших перекрывающихся кольцах, а затем к двум чуть меньшим кольцам, соединенным с большими. Каждое из больших колец изображает обширные области, лежащие в основе зрения, языка и познания, и представляет собой единое из оригинальных деталей, которые соединены в новую схему считывания. Первое из двух меньших колец представляет двигательные функции, исполнители которых необходимы для артикуляции звуков речи и некоторых других довольно удивительных действий, которые вскоре развернутся. Неудивительно, что это кольцо связано не только с языком, но, что еще более удивительно, и с познанием. Другое кольцо, которое связано с языком и познанием, выполняет аффективные функции и связывает широкий спектр наших чувств с нашими мыслями и словами. Теперь обратите свой взор на освещенный стеклянный ящик в дальнем углу, где всевозможные «очень важные персоны», кажется, выполняют свои очень важные дела. Этот ящик является чем-то вроде персонального исполнительного центра нашего мозга, где сосредоточены различные формы внимания, памяти, выработки гипотез и принятия решений, осуществляется это в области, находящейся прямо за нашими лбами, называемой префронтальной корой.

Представьте себе, что эти основные кольца накладываются на большие структурные области, которые включают в себя различные слои мозга (см. рис. 1 для одного из неподражаемых рисунков Студли, только верхний, кортикальный слой читающего мозга). Кольцо зрительного восприятия занимает большую часть затылочной доли в левом полушарии и часть в правом, по крайней мере для наших алфавитных систем. Как и кольца языка и познания, зрительное кольцо включает в себя области среднего мозга и мозжечка для координации всех своих действий на почти автоматической скорости. В отличие от визуальных потребностей системы алфавитного чтения, китайские и японские системы письма Кандзи используют значительно больше визуальных областей правого полушария для обработки всех визуально сложных иероглифов, которые необходимо запомнить их читателям, и связать с понятиями. Кольцо языка занимает обширную территорию с отделами в нескольких слоях в обоих полушариях, в частности теменные и височные доли, отвечающие за зрение, а также области в лобной доле примыкают к двигательным областям. Аналогично кольцо познания и более глубоко расположенное кольцо аффекта (некоторые из сетей которого сформированы внизу в диэнцефалоне, или втором слое мозга, прямо под корой головного мозга) имеют значительное перекрытие с языковыми областями. Близость и перекрытие многих частей этих колец подобны физическому аналогу того, насколько тесно связаны и взаимозависимы их функции. Этот взгляд на кольца представляет собой наш первый рудиментарный взгляд на схему считывания для английской системы письма.

Рисунок 1.

Прожектора внимания

Теперь давайте подробнее рассмотрим, что происходит внутри слоев колец, когда мы читаем одно слово на английском языке. Как будто по команде, огромное изображение слова, которое мы еще не можем разобрать должным образом, мелькает на самом большом верхнем уровне шатра прямо под глазами. Мы должны быстро перенести наше внимание, чтобы проследить за внезапно зажженными лучами нескольких прожекторов, которые только что были включены префронтальным блоком управления. Системы внимания мозга эквивалентны биологическим прожекторам: если не включить свет, больше ничего не произойдет. Но обратите внимание, что существуют различные виды прожекторов. Это нужно мозгу для того, чтобы иметь возможность выделять различные формы внимания для каждой из них из многих этапов или процессов, связанных с чтением. Мало кто когда-либо понимал, насколько центр внимания расходуется каждой функцией, которую мы выполняем, и что многочисленные его формы вступают в действие еще до того, как мы видим слово. Первые прожекторы, которые выполняют работу системы ориентации внимания, имеют три быстро выполняемых задания. Во-первых, они помогают нам отсоединиться от того, что мы первоначально посещали, что происходит в теменной доле нашей коры (т. е. в верхнем слое теленцефалона). Во-вторых, они помогают перенести наше внимание на то, что находится перед нами в данном случае, на конкретное слово вверху. Этот акт перемещения нашего зрительного внимания происходит в глубине нашего среднего мозга (т. е. в мезенцефалоне, или третем слое). В-третьих, они помогают сконцентрировать наше новое внимание и, таким образом, предупреждают всю цепь чтения, чтобы та подготовилась к действию. Последняя фокусировка внимания перед чтением происходит в специальной области под корой, которая функционирует как один из основных коммутаторов мозга: очень важный таламус, который находится в диэнцефалоне, или во втором слое, каждого полушария. Однако, для того чтобы начать реальное действие в цепи, нам все еще нужен еще один специфический набор прожекторов, организованный системой исполнительного внимания префронтальной коробки управления внутри обеих лобных долей. Эта критическая система управляет всем последующим в своего рода когнитивном рабочем пространстве. Среди прочего, она с самого начала удерживает нашу сенсорную информацию в оперативной памяти, чтобы мы могли интегрировать различные формы информации, которая там собирается, и не терять ее из виду – от решения математических задач «в голове» до запоминания цифр в номере телефона, букв в слове и слов в предложении. Существует чрезвычайно тесная связь между системой внимания и различными видами памяти.

Кольцо зрения

После предварительного направления нашего внимания происходит нечто поразительное – начинается то действие, которого мы так долго ждали! Сейчас из сетчатки быстро выезжают две группы велосипедистов на каждый глаз, состоящие из ярко одетых актеров на огромных одноколесных велосипедах. Эти группы собираются ехать на своих велосипедах по самым высоким и длинным проводам, которые пересекают всю длину мозга от сетчатки глаз до самой отдаленной точки в самых задних отделах головного мозга – затылочных долей.

Группы в каждом глазе начинают движение вместе, но быстро разделяются на X-образном пересечении, называемом оптическим хиазмом, которое достаточно уместно здесь назвать перекрестком железнодорожных путей. В этот момент четыре группы разделяются, по одному набору велосипедистов для каждого глаза, едущих противоположными путями через многочисленные слои головного мозга, чтобы достичь зрительных областей в задней части обоих полушарий. То, как они организованы, означает, что каждый глаз посылает одну группу своих велосипедистов в каждое полушарие. Это мастерская конструкция с большими эволюционными преимуществами. Подумайте: даже с одним глазом у нас есть два полушария, которые обеспечивают нам существенную визуальную информацию. Четыре группы велосипедистов должны сделать несколько остановок на пути, но они кажутся невозмутимыми, так как несут свою информацию с молниеносной скоростью. В течение 50 миллисекунд все они приходят со своими сообщениями в одну очень специфическую область в затылочных долях, называемую стриальной зрительной корой, которая получила свое название от полос, образованных ее шестью слоями чередующихся белого и серого вещества. После прибытия в четвертый слой этой кортикальной области велосипедисты разъезжаются веером (см. рис. 2).

Рисунок 2.

Внезапно все кольцо зрения в затылочных долях начинает вращаться очень быстро, и информация от велосипедистов моментально передается скоплениям крошечных шарообразных существ, которые выглядят неопределенно… ну, скажем, как маленькие глазки с ручками и ножками. Одна группа этих трудолюбивых шаров идентифицирует сообщение велосипедистов как набор «букв» и немедленно передает эту информацию соседним шарообразным существам в более глубоких областях коры головного мозга, которые сигнализируют, что они являются реальными и допустимыми буквами, другая группа быстро исследует особенности, из которых состоят буквы (например, линии, круги и диагонали) и идентифицирует их как хорошо известные английские буквы t+r+a+c+k+s. Казалось бы, почти сразу после того, как вторая группа узнала буквы в слове, что множественные действия выполняются другими командами специализированных нейронов, которые врываются в действие. Некоторые шары реагируют только на одиночные буквы, в то время как другие на буквенные образцы, встречающиеся в словах, такие как ack и tr в дорожках, другие определяют наиболее часто используемые, значимые части слов, называемые морфемами (например, префиксы и суффиксы, такие как множественное число окончания – s в нашем слове). Становится ясно, что каждая рабочая группа в этом кольце имеет свою собственную территориальную область и работает быстро и умело на этих весьма специфических кусочках визуальной информации. Мы не можем не заметить, что некоторые группы шаров выглядят безмятежно спокойными и неинтересными или, по крайней мере, неполноценными, с небольшим количеством активации после того, как мы видим наше слово. Некоторые из них идентифицируют только наиболее часто встречающиеся целые слова, такие как stop и the, и слова, часто называемые словами зрения, которые не нуждаются в дальнейшем анализе другими зрительными нейронами. Другие, очевидно, посвящены другим визуальным особенностям. Что не является очевидным, так это то, как велосипедисты находят с такой скоростью точные группы нейронных шаров, которые способны идентифицировать их конкретные кусочки визуальной информации. Наверное, неудивительно, что за этой загадкой скрывается еще один набор замечательных принципов дизайна в данном случае – ретинотопная организация и представление. (Ретинотопия