Память и восприятие кажутся совершенно разными процессами, и нейробиологи раньше были уверены, что мозг даже формирует их по-разному. Но в 1990-е годы исследования нейровизуализации показали, что части мозга, которые, как считалось, активны только во время сенсорного восприятия, работают и во время воспоминаний.
«Это заставило задуматься о том, отличается ли вообще представление памяти от перцептивного восприятия», — рассказывает Сэм Линг, профессор нейробиологии, возглавляющий лабораторию визуальной нейронауки Бостонского университета. Может ли воспоминание о прекрасной лесной поляне, например, быть просто воссозданием нейронной активности, которая ранее позволила нам увидеть ее?
«Вместо споров о том, участвует ли в процессе сенсорная кора мозга, встал вопрос: есть ли разница между двумя процессами? — вспоминает Кристофер Бейкер, исследователь из Национального института психического здоровья, который руководит отделом обучения и исследования пластичности мозга. — Маятник не просто качнулся в другую сторону, увеличилась амплитуда движения».
Даже если между воспоминаниями и переживаниями существует очень сильное сходство на нейронном уровне, мы знаем, что они не могут быть абсолютно одинаковыми. «Люди не путаются между ними», — говорит Серра Фавила, научный сотрудник Колумбийского университета и ведущий автор недавнего исследования, опубликованного в журнале Nature Communications. Ее команда выявила, по крайней мере, один из способов, с помощью которого воспоминания и восприятие изображений по-разному формируются на нейрогенном уровне.
Размытые пятна
Когда мы смотрим на мир, визуальная информация проходит через фоторецепторы сетчатки и попадает в зрительную кору, где последовательно обрабатывается различными группами нейронов. Каждая группа добавляет к изображению новые уровни сложности: простые световые точки превращаются в линии и края, затем в контуры, затем в формы, затем в целые сцены, воплощающие то, что мы видим.
В новом исследовании ученые сосредоточились на особенности обработки зрительных сигналов, которая очень важна для начальных групп нейронов. Речь о местоположении объектов в пространстве. Пиксели и контуры, составляющие изображение, должны находиться в правильных местах, иначе мозг создаст беспорядочное, нераспознаваемое искажение того, что мы видим.
Исследователи тренировали участников запоминать расположение четырех различных узоров на фоне, напоминающем доску для игры в дартс. Каждый узор располагался в совершенно определенном месте доски и ассоциировался с цветом в центре. Каждый участник проходил тест, чтобы убедиться, что он правильно запомнил эту информацию: например, если он видел зеленую точку, то знал, что фигура звезды находится в крайнем левом положении. Затем, по мере того как участники исследования распознавали и запоминали расположение узоров, ученые фиксировали их мозговую активность.
Сканирование мозга позволило исследователям определить, как нейроны фиксируют, где что находится, а также как они потом это воспроизводят. Каждый нейрон работает с одним участком, или «рецептивным полем», в пространстве зрения, например, в левом нижнем углу. «Нейрон срабатывает только тогда, когда вы помещаете что-то в этом небольшом пространстве», — говорит Фавила. Нейроны, настроенные на определенную точку в пространстве, обычно группируются вместе, что позволяет легко обнаружить их активность при сканировании мозга.
Предыдущие исследования зрительного восприятия показали, что нейроны на ранних, низких уровнях обработки имеют небольшие рецептивные поля, а нейроны на поздних, высоких уровнях — большие. Это вполне логично, поскольку нейроны высокого уровня получают сигналы от многих нейронов низкого уровня, собирая информацию по более широкому участку зрительного поля. Но расширение рецептивного поля также означает снижение пространственной точности, что приводит к эффекту, подобному тому, как если бы на карте Северной Америки нарисовать большую кляксу, чтобы обозначить Нью-Джерси. По сути, визуальная обработка информации в процессе восприятия — это вопрос превращения маленьких четких точек в крупные, размытые, но более выразительные пятна.
Но когда Фавила и ее коллеги изучили, как восприятие и память представлены в различных областях зрительной коры, они обнаружили серьезные различия.
Когда участники вспоминали изображения, рецептивные поля на самом высоком уровне зрительной обработки были того же размера, что и во время восприятия, но рецептивные поля оставались такого же размера на всех остальных уровнях, рисующих мысленный образ. На всех этапах вспоминаемый образ представлял собой большое, размытое пятно.
Это говорит о том, что при запоминании образа сохранялось только его представление самого высокого уровня. Когда мозг вновь обращался к воспоминанию, все области зрительной коры активизировались, но их активность была основана на менее точной версии в качестве исходного материала.
Поэтому в зависимости от того, откуда поступает информация — с сетчатки глаза или из места, где хранятся воспоминания, — мозг обрабатывает и воспроизводит ее совершенно по-разному. Точность первоначального восприятия теряется по пути в область, где содержится ваша память. «Нет волшебного способа ее вернуть», — считает Фавила.
Как считает Адам Стил, научный сотрудник Дартмутского колледжа, «поистине ценным» аспектом этого исследования было то, что ученые могли считывать информацию о воспоминаниях непосредственно из мозга, а не полагаться на слова человека о том, что он видит: «По-моему, та эмпирическая работа, что они проделали, — это нечто потрясающее».
Особенность или ошибка?
Но почему воспоминания всплывают таким «размытым» образом? Чтобы выяснить это, исследователи создали модель зрительной коры, в которой были разные уровни нейронов с рецептивными полями все большего размера. Затем они смоделировали вызванное воспоминание, посылая сигнал через уровни в обратном порядке. Как и при сканировании мозга, пространственная размытость, наблюдаемая на уровне с самым большим рецептивным полем, сохранялась на всех остальных уровнях. По словам Фавилы, это говорит о том, что образ воспоминания формируется именно так благодаря иерархической природе зрительной системы.
Одна из теорий о том, почему зрительная система так устроена, заключается в том, что это помогает распознавать объекты. Если бы рецептивные поля были маленькими, мозгу пришлось бы интегрировать больше информации, чтобы понять, что находится в поле зрения. Как считает Фавила, нам было бы сложно распознавать большие объекты, такие как Эйфелева Башня. Более «размытое» изображение в нашей памяти может быть «следствием того, что система оптимизирована для таких вещей, как распознавание объектов».
«Но остается неясным, ошибка это или особенность», — считает Томас Назеларис, доцент Университета Миннесоты. Он не участвовал в том исследовании, но в работе 2020 года пришел к аналогичному выводу, что процессы восприятия и памяти в мозге устроены совершенно по-разному. Он склоняется к идее, что это различие является преимуществом, вероятно, помогая отличать восприятие от воспоминаний. «Человек, чьи мысленные образы обладали бы всеми деталями и точностью образа сцены, мог бы легко запутаться», — объясняет Назеларис.
Размытость воспоминаний также может охранять нас от ненужной информации. Как считает Фавила, для нас, вероятно, важно помнить не то, где находится каждый пиксель в поле зрения, а то, что эти пиксели принадлежат члену семьи или другу.
«Не похоже, чтобы зрительная система была неспособна генерировать очень подробные, яркие и точные изображения», — считает Назеларис. Люди сообщали об очень ярких зрительных образах, например, когда они находились в «гипногогическом» состоянии между сном и бодрствованием. Наш мозг просто «не склонен к такому в часы бодрствования».
Фавила и ее команда надеются выяснить, происходит ли аналогичная обработка с другими аспектами зрительной памяти, такими как формы или цвета. Ученых особенно интересует, как эти различия в восприятии и памяти определяют поведение.