Мы все немного галлюцинируем. Только обычно мозг вовремя исправляет свои ошибки. Представьте, что вы заходите в супермаркет, в котором покупаете продукты уже несколько лет. Еще не успев осмотреться, вы уже знаете, где искать хлеб, молоко и овощи, потому что ваш мозг заранее формирует наиболее вероятную модель того, что вы сейчас увидите. На этот раз, однако, в магазине перестановка, и хлебный отдел переехал туда, где раньше были напитки.
В первые секунды вы автоматически идете по привычному маршруту, но поступающие в ваш мозг зрительные сигналы быстро показывают, что прогноз оказался неверным. Новая зрительная информация представляется вашему мозгу достаточно надежной («мне это точно не кажется»), и он меняет свою внутреннюю модель магазина. Через несколько минут вы уже запоминаете новую планировку, и при следующем визите мозг, скорее всего, будет использовать именно ее, хотя не исключено, что еще пару раз вы пойдете не туда. То, что мы называем «по привычке», и есть ситуация, когда новая модель еще не полностью заместила старую.
Давайте отметим, что в этой ситуации важно не то, что мозг ошибся – ошибки прогнозирования возникают постоянно, – а то, что он быстро оценивает поступившую информацию как более достоверную, чем прежнее ожидание, и обновляет внутреннюю модель.
Так происходит всегда: мозг непрерывно строит вероятностные модели окружающего мира и сопоставляет их с сенсорной информацией, поступающей от органов зрения, обоняния, осязания, слуха, вестибулярного аппарата. Наше восприятие возникает в результате этого сопоставления, а не является прямой копией внешней реальности, скорее, это отражение в некоем зеркале, которое может быть слегка кривоватым, затуманенным, недостаточно освещенным. Именно это знание заставляет ученых пересмотреть представления о, казалось бы, давно понятных вещах.
Откуда берутся иллюзии
Наверняка вам приходилось сталкиваться со зрительными иллюзиями, хотя бы самыми знаменитыми из них, например с треугольником Канижа.
Это завораживающая оптическая иллюзия, которая демонстрирует удивительную особенность того, как наш мозг воспринимает и интерпретирует визуальную информацию. На картинке мы видим равносторонний треугольник, хотя на самом деле он физически не присутствует на изображении. Вместо этого мозг дорисовывает его контуры, основываясь на расположении и форме трех угловых элементов.
Эта зрительная иллюзия – отнюдь не ошибка зрения, это ошибка интерпретации увиденного. Предыдущий опыт (внутренняя модель) оказывается статистически более вероятным, соответственно, мозг делает наиболее вероятное предположение в условиях недостаточной сенсорной информации.
Взвешенное доверие
Внизу: Как выяснили исследователи из Городского университета Нью-Йорка, мозг кошки также способен распознавать несуществующий квадрат в иллюзии Канижи, и даже прятаться там, как в настоящей коробке
Это, пожалуй, центральная идея последних лет. Термин «вес доверия» (он же «весовой коэффициент точности») – математический или, как в нашем случае, когнитивный механизм, который определяет степень доверия мозга к источнику информации.
Когда мозг фиксирует ошибку прогноза, он не сразу ее исправляет. Сначала он взвешивает, насколько этой ошибке следует доверять. Проще говоря, одни сигналы достаточно надежны, чтобы изменить внутреннюю модель, а другие считаются шумом и игнорируются.
Вот пример.
Вы каждый день ездите одной и той же дорогой на работу, но сегодня навигатор показывает пробку на этом пути и предлагает объезд. Измените ли вы маршрут?
Это зависит не столько от самого сообщения, сколько от того, насколько вы доверяете этому источнику. Если навигатор обычно работает безошибочно и вы уже видите впереди плотный поток машин, вы повернете. Если же связь пропадает, карта зависает, а дорога впереди выглядит свободной, вы, скорее всего, проигнорируете рекомендацию.
Информация одна и та же, но ее вес разный, и если бы мозг обновлял свои представления после каждой неожиданности, мы жили бы в мире непрерывного хаоса. С другой стороны, если бы он не обновлял их вовсе, мы не смогли бы учиться, поэтому одна из важнейших задач мозга – не просто замечать ошибки прогноза, а решать, какие из них действительно заслуживают доверия.
Картинка непрерывно корректируется
В современной нейробиологии и когнитивных науках есть такое понятие, как прогностическое (оно же прогнозирующее или предиктивное) кодирование. Так называют процесс, при котором мозг постоянно генерирует прогнозы и обновляет их на основе фактических данных (сигналов извне). Предполагается, что восприятие представляет собой результат постоянного сопоставления прогнозов мозга с реальными сенсорными данными, которое, в свою очередь, минимизирует ошибки прогнозирования, внося коррективы в изначальную прогностическую картину (так внутренняя модель магазина изменяется, когда мы видим, что полки с хлебом оказались на новом месте).
Еще в XIX веке физиолог Герман фон Гельмгольц предположил, что мозг постоянно «догадывается» о происходящем. Современная нейробиология во многом подтвердила эту идею. И здесь важно отметить: мозг не сравнивает мир с внутренней моделью один раз. Цикл «прогностическая модель + сенсорная информация = уточненная модель => новая внутренняя модель и т.д.» идет десятки и сотни раз в секунду.
Теория прогностического кодирования выглядит убедительно, но возникает закономерный вопрос: как ученые могут проверить, действительно ли мозг непрерывно сравнивает свои ожидания с поступающей информацией?
Один из самых распространенных – функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ), которая позволяет увидеть, какие области мозга становятся активнее, когда человек сталкивается с неожиданным событием. Если испытуемому многократно предъявлять один и тот же стимул, а затем внезапно изменить его, в сенсорных и ассоциативных областях коры возникает характерная реакция, соответствующая обработке ошибки прогноза.
Еще более точную картину дают электроэнцефалография (ЭЭГ) и магнитоэнцефалография (МЭГ), регистрирующие электрическую активность мозга с точностью до миллисекунд.
Один из наиболее изученных феноменов – ошибка несоответствия. Если человек слышит последовательность одинаковых звуков, а затем неожиданно появляется звук другой высоты, мозг реагирует на него еще до того, как человек осознает изменение. Считается, что именно эта реакция отражает рассогласование между ожидаемым и реальным сенсорным сигналом.
Наконец, важную роль играют вычислительные модели. Исследователи создают математические описания того, как мозг должен обновлять свои внутренние представления, а затем сравнивают прогнозы модели с результатами экспериментов. Если модель правильно предсказывает поведение человека и особенности активности мозга, это становится дополнительным аргументом в пользу лежащих в ее основе механизмов.
Разумеется, ни один эксперимент не доказывает теорию окончательно. Однако данные, полученные разными методами и в разных лабораториях, постепенно складываются в картину, которая хорошо согласуется с идеей о том, что восприятие основано не только на обработке сенсорной информации, но и на постоянном уточнении наших внутренних моделей окружающего мира.
А где проходит граница между нормальным прогнозированием и психическим отклонением?
Многие исследования показывают, что изменения именно в обработке ошибок прогноза могут действительно играть существенную роль в ментальных заболеваниях. Предположительно, происходит это так.
Мозг больного неправильно определяет вес случайных сенсорных событий, то есть обычный шум начинает казаться значимым. Мозг начинает искать ему объяснение, и так постепенно могут формироваться бредовые идеи.
Представьте, что вы ждете друга на вокзале. В толпе вы несколько раз замечаете человека в пальто, похожем на его. Каждый раз на долю секунды вам кажется, что это он, но через мгновение становится ясно, что это кто-то другой. Ваш мозг не придает этим ошибкам большого значения. Совпадение оказывается недостаточно надежным, чтобы изменить внутреннюю модель.
Теперь представим гипотетическую ситуацию, которую некоторые ученые считают моделью психоза. Если мозг начинает придавать слишком большой вес случайным совпадениям, каждое такое событие воспринимается как значимое. Цепочка событий в таком случае может развиваться так: «Я уже третий раз замечаю одного и того же человека. Это слишком маловероятно, чтобы быть случайностью, значит, за мной наблюдают».
Мы видим, что, согласно этой гипотезе, проблема может заключаться не столько в самой способности делать выводы, сколько в том, каким событиям мозг придает статус достаточно надежных, чтобы перестроить внутреннюю модель происходящего.
А вот с галлюцинациями возможна противоположная ситуация. В некоторых условиях внутренние ожидания становятся настолько сильными, что начинают преобладать над сенсорными данными. Человек действительно «слышит» голос, и это не сознательная фантазия, а восприятие, возникшее вследствие нарушения баланса между ожиданием и входящими сигналами.
Представьте такую ситуацию. Вы идете по улице, работает кондиционер, шумят машины, разговаривают люди. На мгновение кажется, что кто-то окликнул вас по имени, но через секунду становится понятно: это просто случайное сочетание звуков. Большинство людей хотя бы раз испытывали нечто подобное.
Это иллюстрация того, что мозг не пассивно регистрирует акустический сигнал, а постоянно проверяет гипотезы о его источнике. Если ожидание услышать знакомый голос оказывается достаточно сильным, неоднозначный шум может на короткое время интерпретироваться как речь.
Согласно одной из современных гипотез, при некоторых психотических расстройствах баланс между ожиданиями и сенсорными данными может изменяться. Внутренние модели способны оказывать настолько сильное влияние, что голос воспринимается как реально существующий, даже если внешнего источника звука нет, и человек абсолютно убежден, что слова, обращенные к нему, он реально слышал.
Важно подчеркнуть: это не фантазия и не сознательное решение человека. Речь идет о реальном субъективном восприятии.
Лица в узорах
Практически все люди способны увидеть лицо в облаках, в рисунке древесной коры, в фасаде дома, в электрической розетке. Это явление называется парейдолией.
Дело в том, что внутренние модели мозга чрезвычайно чувствительны к человеческим лицам (лучше несколько раз ошибиться, чем не заметить реального человека), но это пока что не галлюцинация: внешний стимул есть, просто он интерпретируется определенным образом. Некоторые исследователи, однако, предполагают, что при определенных заболеваниях этот механизм может смещаться настолько, что внутренние ожидания начинают формировать восприятие даже при отсутствии соответствующего внешнего сигнала.
Чего мы пока не знаем
Несмотря на огромную популярность теории прогностического кодирования, многие вопросы остаются открытыми. Пока не существует единой модели, которая объяснила бы работу всех областей мозга, а многие идеи продолжают активно проверяться в экспериментах.
Во-первых, до сих пор неизвестно, реализует ли мозг прогностическое кодирование как единый универсальный принцип или разные его области используют разные механизмы обработки информации. Лучше всего эта теория описывает работу сенсорных систем – зрения, слуха и осязания. Насколько те же принципы применимы к памяти, эмоциям, принятию решений или сознанию, пока остается предметом дискуссий.
Также исследователи пока не знают, как именно прогнозы и ошибки «закодированы» в нервной ткани. Использует ли мозг для этого отдельные группы нейронов, передающих прогнозы и ошибки, или он распределил эти функции между множеством нейронных сетей.
Ученые пока не знают и того, какова в этом деле роль нейромедиаторов, прежде всего дофамина – возможно, именно он помогает мозгу оценивать значимость ошибки прогноза и решать, стоит ли менять внутреннюю модель.
Возможно, главное открытие последних лет заключается не в том, что мозг иногда ошибается. А в том, что наше восприятие вообще никогда не было простой фотографией реальности. Мы видим мир не таким, каков он есть, а таким, каким мозг считает наиболее вероятным. И каждую секунду он проверяет собственные догадки, исправляя их снова и снова.
Коллажи Дмитрия ПЕТРОВА
