Рождественские лекции Королевского института (The Royal Institution) — это давняя традиция популяризации науки. В 2011 году профессор психологии Брюс Худ представил серию лекций под названием «Что в твоей голове?», посвященную удивительным механизмам работы человеческого мозга. В первом выпуске исследователь вместе с приглашенными экспертами наглядно демонстрирует, как этот сложный орган координирует наши действия, управляет восприятием и буквально создает собственную реальность, которая часто кардинально отличается от объективного мира.
⚡ Электрическая природа мысли и магнитный контроль 1:00
Профессор Брюс Худ начинает свое выступление с фундаментального тезиса: все, чем является человек — его личность, мысли, воспоминания — представляет собой продукт работы головного мозга. В отличие от сердца или почек, замена которых при трансплантации не меняет идентичность человека, именно мозг определяет наше «я». Чтобы подчеркнуть уникальность и сложность этого органа, лектор демонстрирует настоящий человеческий мозг, завещанный науке одним из доноров.
Для раскрытия механизмов работы мозга Брюс Худ приглашает своего коллегу — профессора Винса Уолша из Университетского колледжа Лондона. Уолш демонстрирует устройство под названием транскраниальный магнитный стимулятор (ТМС), способное воздействовать на мозг с помощью мощных магнитных импульсов. Во время эксперимента Худ просит коллегу рассказать известное детское стихотворение «Baa Baa Black Sheep». Как только аппарат ТМС активируется и направляется на речевую зону, профессор Уолш начинает заикаться и полностью теряет способность внятно говорить.
Принцип работы ТМС профессор Худ объясняет с помощью аналогии со старым кинескопным телевизором. Когда к экрану подносят обычный магнит, изображение сильно искажается. По словам лектора, это явление напрямую связано с открытиями Майкла Фарадея, основателя Рождественских лекций, который более 150 лет назад доказал взаимосвязь между магнетизмом и электрическими полями. Поскольку изображение в телевизоре формируется электронным лучом, магнит отклоняет его траекторию. Аналогично, если магнитный импульс нарушает способность человека говорить, можно сделать вывод: мозг общается с помощью электрических сигналов.
Однако обычный статический магнит у головы не нарушает речь. Как объясняет профессор Винс Уолш, для создания электрического тока, способного повлиять на нейроны, магнитное поле должно меняться чрезвычайно быстро. Каждый щелчок прибора длится всего 1/10 000 миллисекунды, обеспечивая необходимую скорость изменения поля.
В ходе дальнейших тестов исследователи демонстрируют и другие возможности ТМС:
- Нарушение моторного контроля: при стимуляции двигательной коры профессор Уолш теряет координацию и не может точно коснуться пальцем своего носа.
- Потеря пространственной ориентации: по словам Уолша, физически это безболезненно, но возникает странное ощущение потери контроля над мышцами и понимания, где именно его рука находится в пространстве.
- Блокирование простых автоматических действий: ТМС полностью сбивает ритм, когда профессора просят просто хлопать в ладоши.
По утверждению Винса Уолша, ТМС имеет важное практическое применение в медицине и науке:
- Снижение интенсивности стимуляции в определенных зонах позволяет моделировать различные расстройства, например, последствия инсульта, для проведения клинических исследований.
- Метод успешно применяется для лечения тяжелых форм депрессии.
🧲 Мозг в сканере: прямая трансляция из Челтнема 7:35
Доказав, что мозг является электрической системой, Брюс Худ переходит к методам его визуализации. С помощью прямой видеотрансляции лектор связывается с Центром визуализации в Челтнеме (Cheltenham Imaging Center), которым управляет фонд Cobalt Peel Fund. Там его коллеги — доктор Талия Гершо и профессор Иэн Лайберн — демонстрируют работу аппарата магнитно-резонансной томографии (МРТ).
Мощность МРТ-сканера наглядно иллюстрируется экспериментом: когда ассистент подносит к выключенному отсеку гаечный ключ на веревке, огромная сила магнита мгновенно притягивает его, натягивая трос горизонтально. По словам профессора Иэна Лайберна, магнитное поле сканера в 30 000 раз сильнее магнитного поля Земли. При этом, как утверждает Лайберн, процедура абсолютно безопасна для человека, поскольку это поле, в отличие от ТМС, является статическим и неподвижным.
Для демонстрации возможностей «чтения мыслей» Брюс Худ просит Талию Гершо взять с собой в сканер обычный грецкий орех, спрятав его в одной из ладоней. Какая именно рука выбрана — держится в секрете до окончания сканирования. Результаты этого эксперимента исследователи анализируют в самом конце лекции.
🧠 Архитектура эволюции: от мышей до человеческой коры 10:25
Все биологические виды обладают схожими базовыми механизмами работы нервной системы, но их мозг имеет серьезные анатомические различия. Брюс Худ проводит интерактивную игру со зрителями, предлагая им угадать, каким животным принадлежат представленные образцы мозга, используя в качестве эталона размера монету в один фунт стерлингов. В ходе демонстрации аудитория идентифицирует мозг мыши, крысы, курицы, кошки и собаки.
Особое внимание лектор обращает на мозг лошади. Лошадь в среднем в три раза крупнее человека, однако ее мозг физически меньше человеческого. Этот факт доказывает, что размер тела не является точным предиктором размера мозга. По словам профессора Худа, если соотносить массу мозга с пропорциями тела, то человеческий мозг примерно в семь раза больше, чем можно было бы ожидать для млекопитающего нашего размера.
Демонстрируя пластиковую копию человеческого мозга, Худ отмечает его физические характеристики: средний вес органа составляет около 1,5 килограмма, и он разделен на два полушария. Каждое полушарие контролирует противоположную (контралатеральную) сторону тела. Именно поэтому при стимуляции левого полушария профессора Уолша с помощью ТМС реагировала его правая рука. Причины такой перекрестной организации в эволюции остаются для науки загадкой.
Главное визуальное отличие человеческого мозга от мозга грызунов заключается в структуре его поверхности:
- У мышей и крыс поверхность мозга практически гладкая.
- У человека она покрыта многочисленными складками, извилинами и бороздами.
Чтобы понять природу этих извилин, необходимо обратиться к главным строительным блокам мозга — нейронам. В среднем человеческом мозге насчитывается около 100 миллиардов нейронов. Они общаются между собой, посылая электрические импульсы через многочисленные разветвленные отростки — дендриты, а передачу информации другим клеткам осуществляет один толстый кабель — аксон.
Как отмечает Брюс Худ, нейронные сети, отвечающие за гибкость мышления и интеллект, сосредоточены исключительно в верхнем слое мозга толщиной всего 3–4 миллиметра — коре головного мозга (кортэкс, от латинского «кора»). Таким образом, для когнических способностей важен не общий объем мозга, а площадь поверхности коры. Если полностью развернуть и разгладить кору человеческого мозга, она займет внушительную площадь. Извилины — это эволюционное инженерное решение, позволяющее упаковать огромную поверхность коры внутрь черепной коробки. Без этого человеческая голова должна была бы быть как минимум в полтора раза больше, что создало бы колоссальные проблемы при рождении детей.
🌊 Зачем животным мозг и как быстро он работает? 15:51
Профессор Худ демонстрирует австралийских медуз (Australian blubber jellyfish), плавающих в аквариуме, задавая аудитории вопрос: в чем особенность их мозга? Правильный ответ заключается в том, что у медуз вообще нет мозга — лишь примитивная центральная нервная система.
По мнению Брюса Худа, ключевая эволюционная функция мозга заключается в навигации по окружающему миру. Медуза просто движется по воле приливов и отливов. Животные же используют мозг, чтобы:
- ориентироваться в пространстве и планировать траектории движения;
- добывать пищу и искать партнеров для размножения;
- вовремя замечать и избегать хищников;
- прогнозировать, что произойдет в следующий момент времени.
Живой организм функционирует как сложная мобильная фабрика с множеством цехов, чья деятельность требует жесткой координации. Часть процессов полностью автоматизирована: дыхание и сердцебиение контролируются стволом мозга, расположенным под корой, и не требуют осознанного контроля. Автоматические и заученные движения (например, ходьба) координируются мозжечком (cerebellum) в нижней части черепа. Но общее управление и интеграция потоков данных остаются задачей коры.
Информация поступает в мозг по периферической нервной системе. Чтобы измерить скорость прохождения нервного импульса по руке, Худ проводит эксперимент с цепочкой из 15 волонтеров. Участники берут друг друга за плечи и должны по цепочке передавать сжатие. Время замеряется от первого нажатия до выкрика «Стоп» последним участником.
Результаты замеров распределились следующим образом:
- Первая попытка (передача через плечо): импульс проходит цепочку за 3,10 секунды.
- Вторая попытка (после короткой тренировки): время сокращается чуть менее чем до 3 секунд.
- Третья попытка (участники берутся за руки): время прохождения увеличивается почти на целую секунду.
Профессор Худ объясняет замедление в третьем тесте чистой геометрией: теперь сигналу приходится преодолевать не просто расстояние от плеча к плечу, а длину двух вытянутых рук каждого участника. Прибавка расстояния составила около 15 метров, которые импульс преодолел примерно за секунду. Из этого Худ делает вывод, что скорость нервного импульса составляет от 10 до 15 метров в секунду. Это значительно медленнее, чем думает большинство людей, ведь скорость движения электрического тока в проводах выше скорости нервного импульса примерно в 3 миллиона раз.
🦗 Нейробиология на практике: от саранчи до человеческого глаза 21:16
Чтобы доказать возможность прямой фиксации нервной активности, Худ приглашает специалистов по нейробиологии из Ньюкасла — доктора Клэр Райан и доктора Питера Симмонса. Они привезли с собой живую пустынную саранчу.
Ученые помещают самку саранчи на спину в пластилиновое ложе и аккуратно вводят ей в грудной отдел тончайший провод, напоминающий акупунктурную иглу. Доктор Клэр Райан подчеркивает, что эта процедура безболезненна для насекомого. По ее словам, саранча обладает уникальной и очень простой нервной системой, предотвращающей столкновения. Это критически важно, так как в многомиллионных роях насекомые летят на огромной скорости вплотную друг к другу, но никогда не сталкиваются.
Исследователи подключают провод к звуковому оборудованию, позволяя залу услышать активность одного конкретного гигантского нейрона саранчи. Этот нейрон напрямую передает команды к крыльям и способен мгновенно прервать цикл полета, заставив насекомое спикировать вниз, чтобы уклониться от птицы или сородича по рою. Когда Брюс Худ приближается к левому глазу саранчи (при фиксации с правой стороны), динамики начинают издавать частый сухой треск — это электрические разряды нейрона, реагирующего на угрозу. Если к насекомому подносят круглый диск, имитирующий летящую навстречу другую особь, треск становится непрерывным.
Доктор Клэр Райан делится практическими результатами исследования:
«Это потрясающая схема. На основе нервной системы саранчи мы создали искусственный микрочип, который интегрировали в автомобильный сенсор системы предотвращения столкновений».
В будущем, как надеются ученые, эта биологическая технология поможет водителям избегать массовых аварий на дорогах.
Затем профессор Худ переносит этот опыт на человека. На волонтера по имени Билли надевают специальную шапочку с внешними электродами. Поскольку ученых интересует зона обработки зрительной информации (зрительная кора), датчики размещают строго на затылке. Билли выводят на экран изображение приближающейся саранчи. Электроды мгновенно фиксируют всплеск электрической активности и формируют на графике характерную ЭЭГ-волну, демонстрирующую фазы обработки визуального стимула человеческим мозгом.
👁️ Иллюзия кинематографического зрения 28:07
Большинство людей убеждены, что их зрение подобно видеокамере — панорамное, четкое и зафиксированное в мельчайших деталях по всему полю обзора. Профессор Худ доказывает, что это ощущение является иллюзией. Оператор Джо проецирует на экран картинку со своей наплечной камеры — она действительно яркая и детализированная по всему периметру.
Однако, как утверждает Худ, человеческий глаз устроен иначе: детально мы способны воспринимать лишь центральную часть пространства — зону размером примерно с ноготь большого пальца на вытянутой руке. Чтобы сымитировать реальное человеческое зрение, оператор размывает края кадра, оставляя четким лишь крошечный пятачок в центре.
Причина, по которой мы не замечаем этого размытия, кроется в постоянном движении глаз. Человек совершает быстрые скачкообразные движения глазами — саккады — с частотой до 4–5 раз в секунду. Мозг непрерывно сканирует мир этими «детализированными пятнами», сохраняет обрывки информации в памяти и собирает из них иллюзию целостной, богатой деталями панорамы.
Но если бы обычная камера двигалась с такой скоростью и частотой, зрителя бы мгновенно укачало от постоянного смазывания и дерганья картинки. Мозг решает эту проблему радикально: в момент совершения саккады он полностью отключает обработку зрительной информации. По словам Брюса Худа, если суммировать все эти микроскопические паузы, то в течение дня человек остается абсолютно слепым в общей сложности около двух часов, даже не подозревая об этом.
Этот феномен лектор доказывает с помощью волонтера Эми и обычного зеркала. Если смотреть в зеркало и переводить взгляд с левого глаза на правый и обратно, человек никогда не увидит движения собственных зрачков. Мозг блокирует визуальный сигнал на время перемещения фокуса, делая нас слепыми к собственным движениям.
🍦 Язык мозга и ментальные репрезентации 32:06
Мир поставляет нам разрозненные сенсорные данные. Профессор Худ демонстрирует это на примере поедания мороженого: мы видим форму, чувствуем запах, слышим хруст вафельного рожка, ощущаем холод и сладость. Каким-то образом мозг объединяет эти разные сигналы в единое неделимое переживание вкусного десерта. Процесс интеграции Худ называет формированием ментальных репрезентаций.
Для демонстрации этого процесса зал превращается в модель нейросети:
- Часть зрителей в шлемах отвечает за формы (одни реагируют на круглое, другие — на продолговатое).
- Вторая группа кодирует цвета (зеленый, желтый).
- Третья группа отвечает за вкусовые рецепторы (сладкое, соленое).
Когда человек впервые пробует банан, в его мозге одновременно активируются вспышки датчиков «продолговатый», «желтый» и «сладкий». При повторении опыта связи между этими группами нейронов укрепляются. По словам профессора Худа, в нейробиологии это описывается фундаментальным правилом: «нейроны, которые активируются вместе, связываются вместе» (neurons that fire together, wire together). При этом мозг экономно использует свои ресурсы: при дегустации винограда активируются те же рецепторы «сладкого», но в комбинации с датчиками «круглой формы» и «зеленого цвета».
Репрезентации могут приводить к ложным ожиданиям. Например, если человек, привыкший к сладкому зеленому винограду, впервые пробует в Средиземноморье зеленую оливку, его мозг на основе визуального сходства заранее прогнозирует сладкий вкус. Столкновение репрезентации с соленой реальностью вызывает когнитивный шок и сильное удивление.
Как подчеркивает лектор, паттерны возбуждения — это не сам объект, а его внутренний символ, репрезентация, являющаяся истинным языком мозга. Масштабы этой внутренней сети колоссальны: 100 миллиардов нейронов формируют до 10 000 связей каждый. Общая протяженность нервных волокон в одной голове достигает 180 000 километров, чего достаточно, чтобы обогнуть Землю четыре раза.
🗣️ Ошибки интеграции и ментальные призраки 37:05
Обычно интеграция зрения и звука работает безупречно (например, при падении крышки от бака). Но иногда мозг ошибается. Худ демонстрирует говорящий череп: зрители отчетливо «видят» и «слышат», как предмет издает звуки отрыжки, хотя динамик расположен в другом месте. Этот обман восприятия называется эффектом чревовещателя (ventriloquist effect). Мозг автоматически привязывает звук к наиболее логичному движущемуся объекту в поле зрения.
Еще более глубокую ошибку демонстрирует знаменитый эффект МакГурка (McGurk effect). На видео спикер беззвучно артикулирует слог «га-га», в то время как аудиодорожка транслирует чистый звук «ба-ба». Из-за конфликта каналов восприятия мозг находит компромиссное решение, и большинство людей в зале отчетливо слышат несуществующий слог «да-да». Но стоит закрыть глаза, как иллюзия исчезает, и ухо начинает четко фиксировать реальный звук «ба-ба».
Мозг настолько нацелен на поиск структуры и порядка, что готов создавать ментальные образы там, где их нет:
- Люди легко видят очертания животных в хаотично рассыпанных на полу кофейных зернах.
- При взгляде на знаменитый куб Неккера (Necker cube) мозг попеременно переключает восприятие перспектив, заставляя грани разворачиваться то в одну, то в другую сторону, поскольку не может удерживать обе концепции одновременно.
- В иллюзии Каниджи (Kanizsa square) четыре подрезанных круга создают устойчивое ощущение присутствия белого квадрата в центре, хотя никаких линий там нет.
Профессор Худ заявляет, что если ввести микроэлектрод в зрительную кору во время демонстрации иллюзии Каниджи, нейроны будут генерировать импульсы так, словно перед глазами находится реальный физический квадрат. Более того, современные исследования с использованием функциональной МРТ показывают: когда этот «призрачный» квадрат заставляют двигаться по экрану, в мозге испытуемых активируются зоны, отвечающие за восприятие реального движения. На основе этих данных профессор Худ высказывает мнение, что мозг фактически не имеет прямого контакта с объективной реальностью — он непрерывно генерирует свою собственную версию происходящего вокруг.
📐 Геометрия Ames Room и сеанс чтения мыслей 49:36
Для финальной демонстрации Худ возвращает на сцену представленных в начале лекции детей — Чарли и Иону. Их уводят в специальную комнату Эймса (Ames room), построенную за кулисами.
Когда дети расходятся по углам комнаты, на экранах происходит трансформация: Чарли превращается в крошечного карлика, а Иона становится настоящим гигантом. Стоит им поменяться местами, как их масштаб зеркально меняется.
Профессор Худ раскрывает секрет этой оптической иллюзии с помощью миниатюрной модели комнаты. Специфический ракурс камеры скрывает тот факт, что комната имеет форму трапеции с сильно скошенными стенами и полом. Мозг зрителя, опираясь на ложные маркеры перспективы, считает комнату идеально квадратной, а людей — находящимися на одинаковом расстоянии от объектива.
Этот эффект идентичен иллюзии Понцо (Ponzo illusion), где две абсолютно равные зеленые линии, помещенные между сходящимися рельсами, кажутся зрителю разными по размеру из-за навязанного ощущения перспективы удаляющегося объекта. Чтобы окончательно развеять магию, Худ сам заходит в комнату Эймса и идет вдоль дальней стены, наглядно демонстрируя на камере свой стремительный «рост» по мере приближения к объективу по скрытой диагонали.
В завершение лекции Брюс Худ возвращается к эксперименту с чтением мыслей Талии Гершо в Челтнеме. Профессор Иэн Лайберн присылает по сети результаты МРТ-сканирования. Сначала демонстрируется структурный снимок мозга, а затем — функциональная карта активности во время просмотра Талией визуального объекта: на ней ярко вспыхивает затылочная область (зрительная кора).
Наконец, на экран выводится снимок, сделанный в момент, когда Талия изо всех сил сжимала спрятанный грецкий орех. На томограмме четко видна зона повышенной активности в правом полушарии мозга. Пользуясь принципом контралатерального управления, зал безошибочно скандирует ответ: орех находится в левой руке. Доктор Талия Гершо в прямом эфире раскрывает ладонь и подтверждает, что сжимала орех именно левой рукой.
Подводя итог лекции, профессор Худ отмечает, что современные технологии позволяют считывать базовую физическую активность мозга на расстоянии более 100 миль. Однако, по мнению исследователя, умение фиксировать простые мышечные сокращения или зрительные стимулы еще не означает способность по-настоящему читать сложные человеческие мысли. Человек устроен невероятно сложно, и вопрос о том, кто именно координирует работу всех этих миллиардов нейронов и управляет нашим сознанием, профессор оставляет для следующей лекции.
