Биология зрительного восприятия произведений изобразительного искусства

 

Глава 14

Обработка мозгом зрительных образов

 

Исследуя роль неоднозначности и “вклада зрителя”, Эрнст Крис и Эрнст Гомбрих пришли к выводу, что человеческий мозг, будь то мозг художника или зрителя, генерируя внутренние представления о видимом, работает творчески. Кроме того, они утверждали, что все мы в некотором роде психологи, потому что мозг любого из нас также генерирует внутренние представления о психике других людей: об их восприятии, мотивах, влечениях и эмоциях. Эти идеи сыграли огромную роль в становлении когнитивной психологии искусства.

Но Крис и Гомбрих понимали, что их идеи были плодом умозрительных рассуждений о вещах, недоступных непосредственному наблюдению, а значит, не поддающихся объективному анализу. Чтобы непосредственно исследовать внутренние представления, заглянув в черный ящик мозга, и увидеть, как деконструкция формы порождает базовые фигуры (“строительные блоки” восприятия), когнитивной психологии необходимо было объединить усилия с нейробиологией.

В этой и следующих двух главах речь пойдет об изучении нейробиологами зрительного восприятия. И восприятие зрителями произведений искусства, и их эмоциональная реакция зависят исключительно от активности нервных клеток в особых отделах мозга. Но прежде чем рассматривать нейронные механизмы, лежащие в основе зрения и эмоций, нужно разобраться в устройстве центральной нервной системы.

 

Центральная нервная система состоит из головного и спинного мозга. Как и у всего нашего тела, у головного и спинного мозга есть левая и правая стороны, похожие на зеркальные отражения друг друга (рис. 14–1). Нейроны спинного мозга обеспечивают проявления простого рефлекторного поведения. Принцип его работы можно рассмотреть на примере одной из ключевых функций центральной нервной системы – получения сенсорной информации от поверхности тела и совершения соответствующих рефлекторных движений. Сенсорная информация, поступающая от рецепторов кожи, посылается по нервным волокнам (длинным отросткам – аксонам – сенсорных нейронов) в спинной мозг, где она преобразуется в скоординированные команды. Эти команды передаются в мышцы по длинным пучкам других нервных волокон – аксонам моторных нейронов.

Вверху спинной мозг переходит в задний мозг – нижний отдел головного мозга. Над задним мозгом располагаются средний и передний мозг (рис. 14–2). Из этих трех областей головного мозга для зрения, эмоций и реакции на произведения искусства особенно важен передний мозг.

 

Рис. 14–1. Центральная нервная система, состоящая из головного и спинного мозга, обладает двусторонней симметрией. Спинной мозг получает сенсорную информацию от кожи по пучкам длинных отростков нервных клеток (периферическим нервам) и посылает моторные сигналы мышцам по длинным отросткам моторных нейронов. Сенсорные рецепторы с их отростками и отростки моторных нейронов входят в состав периферической нервной системы.

 

Передний мозг – верхний отдел головного мозга. Передний мозг разделен на левое и правое большие полушария. Снаружи они покрыты корой. Кора больших полушарий, которую легко узнать по глубоким морщинам, представляет собой слой толщиной около 3 мм, содержащий около 10 млрд нервных клеток – нейронов. Складки коры больших полушарий состоят из извилин и разделяющих их борозд. Эта складчатость выработалась в ходе эволюции как средство экономии места, позволяющее уместить в полости черепа кору больших полушарий (если ее “развернуть”, она заняла бы площадь салфетки – около 1400 см²). Кроме того, складки позволяют сблизить связанные друг с другом участки мозга, облегчая их коммуникацию (рис. 14–3, 14–4). Устроены полушария почти одинаково. Конечно, мозг разных людей устроен чуть-чуть по-разному, однако основные извилины и борозды у всех схожи.

 

Рис. 14–2. Спинной мозг в верхней части соединен с задним мозгом, над которым располагаются средний и передний мозг.

 

Рис. 14–3.

 

Каждое полушарие разделено на четыре доли, названные в соответствии с лежащими над ними костями черепа: лобную, теменную, височную и затылочную. Лобные доли обоих полушарий занимаются преимущественно исполнительными функциями, моральной оценкой, регуляцией эмоций, планированием действий и управлением целенаправленными движениями. Теменные доли занимаются осязанием, вниманием, восприятием положения частей нашего тела и его места в пространстве. Затылочные доли занимаются обработкой зрительной информации. Височные доли важны для интерпретации зрительной информации, в том числе связанной со слухом и речью, а также для распознавания лиц.

 

Рис. 14–4.

 

Рис. 14–5.

 

Височные доли задействованы также в осознанном припоминании и переживании воспоминаний и эмоций. Эти функции осуществляются за счет связей височных долей с пятью структурами, лежащими в глубине переднего мозга под корой больших полушарий: гиппокампом, миндалевидным телом, полосатым телом, таламусом и гипоталамусом (рис. 14–5). Гиппокамп задействован в записи и извлечении из памяти недавних воспоминаний. Миндалевидное тело играет роль дирижера нашей эмоциональной жизни: оно координирует эмоциональные состояния посредством сигналов автономной нервной системы и гормонов. Кроме того, миндалевидное тело совместно с другими структурами, например префронтальной корой, обеспечивает влияние эмоций на когнитивные процессы, в том числе на сознательные ощущения. В каждом из двух полушарий мозга есть свой гиппокамп и свое миндалевидное тело.

В глубине каждого полушария располагается таламус – портал для всей сенсорной информации (кроме обонятельной), поступающей в кору больших полушарий. Именно через таламус осуществляется связь латерального коленчатого тела, специализирующегося на зрении и анализе поступающей от сетчатки информации, с корой. С таламусом соседствуют базальные ганглии, участвующие в регуляции выученных движений и некоторых когнитивных функций. Наружный участок базальных ганглиев называется полосатым телом. Оно задействовано в ощущениях вознаграждения и ожидания. Под таламусом располагается гипоталамус – небольшая, но очень важная структура, управляющая многими физиологическими функциями, например частотой сердечных сокращений и кровяным давлением, посредством регуляции работы автономной нервной системы. Изменения частоты сердечных сокращений и других физиологических показателей задействованы в большинстве наших эмоциональных реакций на жизненные ситуации. Кроме того, гипоталамус регулирует выделение гормонов гипофизом.

Средний мозг (самый маленький из отделов головного мозга) содержит аппарат управления движениями глаз, который играет ключевую роль в концентрации на объектах окружающего мира, в том числе компонентах произведений искусства. Кроме того, вентральная область покрышки среднего мозга содержит нейроны, которые синтезируют дофамин, необходимый для обеспечения фокусировки внимания и участвующий в положительном подкреплении.

Хотя большие полушария головного мозга выглядят одинаковыми и совместно обеспечивают восприятие, понимание и движение, в осуществлении этих функций они участвуют по-разному. Например, восприятие, понимание и активное использование грамматики и речи (как устной, так и языка жестов) осуществляются преимущественно левым полушарием (рис. 14–4), а интонациями речи занимается преимущественно правое полушарие (рис. 14–3). Помимо языка, левое полушарие специализируется на чтении и арифметике, а также на логическом, аналитическом и вычислительном способах получения информации. Правое полушарие, в свою очередь, обрабатывает информацию более обобщенно, цельно и, по-видимому, более творчески.

 

Как мозг, особенно зрительная система, обрабатывает информацию? Вначале он получает информацию от органов чувств: зрительную – от глаз, слуховую – от ушей, обонятельную – от носа, вкусовую – от языка, осязательную и температурную – от кожи. После предварительной обработки мозг рассматривает сенсорную информацию в свете накопленного опыта и генерирует внутренние представления, образующие наше восприятие окружающего мира. Когда необходимо, он целенаправленно реагирует на поступающую информацию. При этом он совмещает друг с другом все аспекты нашей психической жизни: восприятие сенсорной информации, мысли, чувства, воспоминания и действия. Рассмотрим пример. Я замечаю на противоположном тротуаре двух знакомых, бессознательно сравниваю их лица с образами в своей памяти и понимаю, что это мои друзья Ричард и Том. Я перехожу улицу, чтобы поздороваться. Для всех этих процессов (вычислительного анализа, обращения к памяти, действий) требуются сигнальные способности огромного числа нейронов.

Нейроны – “строительные блоки” головного и спинного мозга – служат элементарными сигнальными единицами центральной нервной системы. Их сигналы состоят из потенциалов действия – очень коротких электрических импульсов, возникающих по принципу “все или ничего” и незначительно отличающихся друг от друга по амплитуде. Сигналы различаются не амплитудой импульсов, а частотой и конфигурацией последовательностей. Эти особенности сигналов позволяют нейронам передавать информацию.

Вся поступающая в мозг сенсорная информация (зрительная, слуховая, осязательная) зашифрована в виде нейронных кодов – последовательностей потенциалов действия нервных клеток. Когда мы смотрим на улыбающегося младенца, великое произведение искусства или закат, наслаждаемся красотой и тишиной вечера во время отпуска с семьей, эти ощущения возникают в результате потенциалов действия, генерируемых в определенных последовательностях в разных наборах нейронных сетей в мозге.

Чтобы представить, что требуется для зрительного восприятия, уместно сравнить способность мозга к обработке информации с возможностями искусственных вычислительных устройств. Накопленные к 40‑м годам XX века знания о механизмах работы мозга и обработке информации позволили создать компьютеры – “электронные мозги”. К 1997 году компьютеры стали настолько мощными, что суперкомпьютер Ай-би-эм “Дип блю” выиграл у Гарри Каспарова, в то время лучшего шахматиста планеты. И все же компьютеру с его исключительными способностями к усвоению правил, логике и расчетам с большим трудом давалось усвоение правил восприятия лиц, и он не мог научиться их распознавать. Недоступно это умение и большинству мощнейших современных компьютеров. Компьютеры превосходят человеческий мозг в области обработки и анализа данных, но уступают нашей зрительной системе в том, что касается проверки гипотез, творчества и умозаключений.

 

Ричард Грегори задался вопросом: “Похоже ли наше зрение на книжку с картинками? Когда мы видим дерево, возникает ли в мозге картинка дерева?”[142]И ответил: нет. В голове нет картинки дерева, а есть гипотеза о дереве и других объектах окружающего мира, отображаемых в сознании в виде зрительных ощущений.

Фрэнсис Крик, один из первооткрывателей структуры ДНК и, возможно, самый одаренный из биологов второй половины XX века, посвятил последние несколько десятилетий изучению сознательного зрительного восприятия. Крик говорил примерно то же, что Грегори: хотя нам кажется, будто в мозге есть картинка того, что видят глаза, на самом деле такой картинки там нет, а есть символическое представление – гипотеза о том, что они видят. Здесь нет ничего удивительного. Такие электронные устройства, как компьютер и телевизор, демонстрируют нам картинки, но внутри мы не найдем элементов, образующих изображение, например дерева, которое демонстрируется на экране, а найдем только систему микросхем и других деталей, обрабатывающих закодированные данные. Отсюда, писал Крик, следует, что

 

перед нами пример символа. Информация, содержащаяся в памяти компьютера, не составляет картинку, а лишь символизирует ее. Символ – это нечто, означающее нечто другое – как и слово. Слово “собака” означает определенную разновидность животного. Никто не спутает слово “собака” с настоящей собакой. Но символы отнюдь не исчерпываются словами. Например, красный свет светофора означает “стой”. У нас есть все основания полагать, что в мозге можно найти представление любой видимой картины в некоторой символической форме[143].

 

Итак, мы разобрались еще не во всех деталях нейронных механизмов символического представления.

Мы знаем, что восприятие окружающего мира (зрительное, слуховое, обонятельное, вкусовое и осязательное) начинается с органов чувств. Зрение начинается с глаз, получающих информацию о мире в форме света. Хрусталик глаза фокусирует свет, проецируя крошечное двумерное изображение на сетчатку – слой нервных клеток, выстилающий изнутри глазное яблоко. Данные, собираемые при этом специализированными клетками сетчатки, соответствуют окружающему миру примерно так же, как пиксели на дисплее компьютера соответствуют изображению. Обе эти системы, биологическая и электронная, осуществляют обработку информации. Однако зрительная система формирует зрительный образ (в виде нейронных кодов), требующий гораздо больше информации, чем то скромное ее количество, которое мозг получает от глаз. Недостающую информацию поставляет сам мозг.

В итоге то, что предстает перед нашим мысленным взором, выходит далеко за рамки изображения, проецируемого на сетчатку. Вначале зрительная система деконструирует это изображение, превращая его в электрические сигналы, описывающие линии и контуры. Таким образом определяются границы видимых объектов или лиц. Эти сигналы проходят перекодировку в мозге, а затем (в соответствии с гештальт-принципами и личным опытом) реконструкцию и доработку, превращаясь в образы, которые мы в итоге воспринимаем. К счастью для нас, хотя необработанных данных, получаемых глазами, недостаточно для формулирования глубокой гипотезы, которую мы называем зрением, она все-таки оказывается на удивление точной. Более того, мозг каждого способен порождать образы мира, на удивление схожи с образами, видимыми другими.

В конструировании этих внутренних представлений окружающего мира и задействованы творческие процессы в мозге. Наши глаза работают не по принципу фотоаппарата. Цифровой фотоаппарат позволяет получать изображения, соответствующие видимой нами картине, будь то пейзаж или портрет, воспроизводя ее пиксель за пикселем. Глаза на это не способны. Вместо этого они, по словам специалиста по когнитивной психологии Криса Фрита, делают следующее: “Наше восприятие мира – это фантазия, совпадающая с реальностью… Мы воспринимаем не те необработанные и неоднозначные сигналы, что поступают из окружающего мира к глазам, ушам и пальцам. Наше восприятие гораздо богаче – оно совмещает все эти сигналы с сокровищами нашего опыта”[144].

 

Ключевой принцип устройства мозга состоит в том, что любой психический процесс (будь он задействован в восприятии, эмоциях или моторике) осуществляется определенными группами специализированных нейронных сетей, структурированных, иерархически организованных и размещенных в специфических отделах мозга. Это верно и в отношении процессов зрительной системы.

Нервные клетки, обрабатывающие зрительную информацию, объединены в иерархические последовательности передатчиков, посылающих информацию по одному из двух параллельных проводящих путей обработки в зрительной системе. Эти последовательности начинаются с сетчатки, ведут в латеральное коленчатое тело таламуса, затем в первичную зрительную кору затылочной доли, а затем еще в три десятка областей затылочной, височной и лобной долей коры. Каждый передатчик ответственен за определенный процесс преобразования поступающей в него информации. Передатчики, из которых состоит зрительная система, отличаются от передатчиков, обрабатывающих осязательную, слуховую, вкусовую и обонятельную информацию, и имеют в мозге вполне определенное представительство. Информация, поступающая от разных сенсорных систем, сводится воедино лишь на высшем уровне обработки.

На каждом из двух параллельных путей зрительной системы анализируются определенные аспекты видимого мира. Путь “что” занимается цветом и всеми видимыми объектами. Передатчики на этом пути посылают информацию в области височной доли, связанные с восприятием цвета и распознаванием предметов, тел и лиц. Путь “где” занимается местоположением этих объектов. По этому пути информация передается в теменную долю. Каждый из путей состоит из последовательности иерархически упорядоченных передатчиков, обрабатывающих зрительную информацию и отправляющих ее дальше. Клетки каждого передатчика связаны с клетками следующего. Все вместе они образуют единую зрительную систему.

Когда информация достигает высших уровней пути “что”, производится ее переоценка. Этот нисходящий анализ основан на четырех принципах: пренебрежение деталями, не важными в данном контексте для поведения, поиск постоянства, попытка выделить важнейшие постоянные черты предметов, людей и пейзажей и, что особенно важно, сравнение видимого образа с образами, виденными в прошлом. Эти биологические данные подтверждают гипотезу Криса и Гомбриха о том, что зрение – не столько окно в мир, сколько продукт нашего мозга.

 

Творческие способности мозга наглядно проявляются в способности зрительной системы выявлять одну и ту же картину в разительно отличающихся условиях освещенности и удаленности. Когда мы входим из солнечного сада в темную комнату, интенсивность света, попадающего на сетчатку, может уменьшиться в тысячу раз, но и на солнце, и в полумраке белая рубашка будет выглядеть белой, а красный галстук-бабочка – красным. Мозг заинтересован в получении информации о постоянных признаках объектов, в данном случае – о спектре отражаемого ими света. Он делает поправки на перемену освещения, вновь и вновь вычисляя цвета рубашки и галстука, чтобы обеспечить опознавание этих важных признаков в разных условиях.

Эдвин Лэнд, изобретатель техники моментальной фотографии, использованной в фотоаппаратах “Полароид”, высказал идею, приведшую к пониманию восприятия нами цвета. Мозг воспринимает цвет, оценивая соотношение длин световых волн, отражаемых белой рубашкой и красным галстуком, а затем в различных условиях поддерживает это соотношение. При этом он игнорирует изменчивость длин волн, отражаемых той или иной поверхностью, и считает красный галстук красным при любом освещении и в любое время суток. Это явление называют константностью цветовосприятия (рис. II–16). Однако тот же галстук при том же освещении покажется нам совсем иным, если надеть его с голубой рубашкой: изменится соотношение длин световых волн.

В итоге, хотя длину волн, отражаемых красным галстуком, можно объективно измерить, как физическое свойство попадающего на сетчатку света, видимый нами красный цвет представляет собой порождение мозга при определенном наборе условий, то есть в определенном контексте. На цветовой контраст немалое влияние оказывают высшие отделы мозга. Таким образом, наше восприятие цвета, как и восприятие формы, порождает мозг.

Размеры, форма и яркость изображений, проецируемых на сетчатку, также все время меняются, но мы обычно этого не замечаем. Гомбрих в книге “Образ и глаз” приводит пример: когда к нам приближается переходящий улицу человек, его изображение на сетчатке может увеличиться вдвое, но человек при этом выглядит приближающимся, а не увеличивающимся в размерах. Как мы узнаем из главы 16, способность мозга хранить постоянные параметры видимых объектов обеспечивается чувствительностью зрительной системы к сенсорным признакам расстояния, таким как относительные размеры, знакомые размеры, линейная перспектива и перекрывание. Эти признаки связаны с отображением трехмерных объектов в виде двумерных изображений на сетчатке. Кроме того, мозг опирается на накопленный опыт, когда на сетчатке менялись размеры изображений объектов, на самом деле не увеличивавшихся и не уменьшавшихся.

Наша способность видеть объекты постоянными, несмотря на изменение их размеров, формы и яркости их изображений на сетчатке, демонстрирует замечательное умение мозга преобразовывать проецируемые на сетчатку двумерные картинки в связные, устойчивые трехмерные модели окружающего мира. Следующие две главы посвящены тому, что нейробиологам удалось узнать о механизмах деконструкции и последующей реконструкции зрительных образов нашим мозгом.

 

Глава 15