«Фокусы мозга: Как нейронаука объясняет иллюзии восприятия»

Фокусники искусно управляют вниманием зрителя, чтобы заставить его верить в то, что кажется невозможным. И удается им это не благодаря одной только ловкости рук. В книге «Фокусы мозга: Как нейронаука объясняет иллюзии восприятия» («Альпина нон-фикшн»), переведенной на русский язык Натальей Луговой, нейроученые Хорди Ками и Луис Мартинес рассказывают, почему фокусы застигают нас врасплох и какие когнитивные процессы лежат в основе иллюзионизма. Предлагаем вам ознакомиться с фрагментом о том, на какие жертвы приходится идти нашему мозгу, чтобы обработать поступающую зрительную информацию.

Наше зрение относительно, а не абсолютно

Для сетей мозга характерно наличие физических «узких мест», в которых информация, полученная и обработанная множеством нейронов, передается уже значительно меньшим числом клеток, чтобы на последующих этапах обработки снова разрастись. Это экономит физическое пространство мозга и уменьшает метаболические затраты. В процессе обработки зрительной системой мозга зрительная информация проходит несколько таких физически узких мест, начиная с того, что поступающая на сетчатку информация из внешнего мира передается в мозг через очень тонкий зрительный нерв. 

Чтобы информация могла пройти через такое узкое место, ее значительную часть мозг отфильтровывает и отбрасывает. Из-за этого информация об изображении сначала сжимается, а затем дополняется на своем пути через мозг. При сжатии изображение неизбежно теряет разрешение, восстановить которое можно только с помощью процесса дополнения, называемого интерполяцией. Интерполяция создает новую информацию внутри изображения, прошедшего через фильтр, так что разрешение восстанавливается, но возникает другой побочный эффект: теряется резкость. 

Чтобы разобраться, как и почему это происходит, вернемся к проблеме объема зрительного нерва. В главе 2 мы рассказывали о фоторецепторах сетчатки глаза, посредством которых человек получает зрительную информацию. В каждом глазу у нас около 100 миллионов фоторецепторов, которые более или менее равномерно покрывают поверхность сетчатки наподобие пиксельных ячеек на матрице цифровой камеры. Фоторецепторы улавливают фотоны и преобразуют этот физический стимул в понятный мозгу локальный код электрических сигналов. Проблема состоит в том, что для индивидуальной передачи информации от каждого из этих 100 миллионов фоторецепторов потребовалось бы 100 миллионов «проводов» — аксонов ганглионарных клеток сетчатки, образующих зрительный нерв, который соединяет глаз с мозгом. Но это невозможно с точки зрения пространства и энергии. Зрительный нерв, состоящий из 100 миллионов аксонов, имел бы такой же диаметр, как сам глаз, и занимал бы около 40 процентов от общего объема мозга. Кроме того, пришлось бы соответствующим образом увеличить структуры мозга, отвечающие за прием и обработку этой информации. В итоге получилась бы голова размером с небольшой грузовик — нецелесообразное решение с конструктивной точки зрения, которое к тому же требовало бы непомерного количества энергии. 

В сетчатке, первом физически и функционально узком месте, происходит очень важный процесс сжатия: вместо 100 миллионов аксонов, идущих в мозг от каждого глаза, из нее выходит лишь один миллион. То есть разрешение нашей «камеры» — всего один мегапиксель! Такое сильное сжатие сокращает занимаемый объем и потребление энергии, но — в отличие от сложных искусственных алгоритмов сжатия — ведет к очень значительным потерям информации. В итоге, чтобы реконструировать изображение после передачи информации в мозг, необходимо восстановить утраченное. Мы получаем на сетчатке снимки в высоком разрешении, передаем их в низком разрешении по зрительному нерву, а в коре головного мозга восстанавливаем до исходного разрешения с помощью интерполяции. Недостающая информация восполняется, в частности, новыми данными, взятыми из ближайших соседних пикселей. 

Однако интерполяция всегда сопряжена с одной проблемой: конечное изображение приобретает разрешение, но теряет резкость. Увеличение размера и создание новых точек между уже имеющимися неизбежно снижают качество изображения. Например, на границах с двумя предельными оттенками, белым и черным, интерполяция создает серые пиксели, усредняя разность с соседним цветом — белым или черным (смотрите рисунок 5.1). 

Такой способ заполнения с уменьшением контраста между двумя реальными оттенками кажется разумным. В результате вы переходите не от белого к черному, а от белого к серому и от серого к черному. Однако такое снижение контрастности ведет к потере резкости, так как при ближайшем рассмотрении границы кажутся размытыми. Оно сродни «диффузии через сетку» — старому приему телевизионщиков и фотографов, когда при съемке знаменитости на объектив натягивали капроновый чулок, чтобы сгладить морщины и дефекты кожи на изображении. Чтобы компенсировать нежелательную потерю резкости вследствие интерполяции, наш мозг сравнивает изображение в каждой точке с соседними и обрабатывает только изменения, различия — то есть контраст. Поэтому на практике наше зрение относительно, а не абсолютно, так как сети мозга научились эффективно выявлять контраст. Вы можете оценить этот эффект, рассмотрев рисунок 5.2. 

Детекторы контраста

Как же работают эти детекторы контраста? 

Мы уже отмечали, что сетчатка глаза отдает предпочтение тем точкам в пространстве, где есть перепад яркости. Для этого используются нейроны - детекторы двух типов: «яркостные» (реагирующие на включение, «on» — клетки) и «темновые» (реагирующие на выключение, «off» — клетки). «Яркостные» нейроны регистрируют локальное увеличение яркости. Сильнее всего они реагируют на стимулы на границе между темным и освещенным участком. Когда яркость распределена равномерно, эти клетки просто не реагируют — и сетчатка не посылает сигнал в мозг. «Темновые» нейроны ведут себя наоборот, обнаруживая локальные изменения яркости от большей к меньшей. Сети включения и выключения подавляют друг друга: когда активна одна из них, вторая не работает, что еще больше усиливает ощущение контраста и качество изображения, помогая восстановить его резкость. 

Подобные нейроны, специализирующиеся на обнаружении локальных изменений различных характеристик изображения, таких как цвет, размер, форма и движение, и даже атрибутов более высокого когнитивного уровня, таких как идентификация объектов, есть и в других областях мозга. 

Поскольку узких мест в мозге много и для преодоления нежелательных побочных эффектов таких узких мест необходимы сети «включения» и «выключения», имеются также подобные сети, контролирующие такие разнообразные виды поведения, как чувство страха, принятие решений и двигательная активность. Как и клетки сетчатки, эти нейроны в других сетях мозга не реагируют на абсолютные значения обрабатываемых параметров, а выступают детекторами контраста и изменений и, соответственно, не активируются, пока в зрительной сцене все стабильно. 

Нейробиологам, изучающим зрительную систему, хорошо знакома присказка о том, что голодная жаба, окруженная мертвыми мухами, умрет от голода, поскольку мухи не двигаются и она их не может увидеть. В отсутствие контраста мы ничего не видим и ни на что не обращаем внимания. Вспомните животных, которые мимикрируют под окружающую среду с помощью маскировочной окраски, стремясь максимально слиться с ней. Нечто подобное происходит и в черном театре, где предметы и люди растворяются на черном фоне, становясь невидимыми, словно их не существует. Вот почему в сцене наше внимание привлекают точки максимального контраста, области максимальных изменений — как пространственных, так и временных. Иллюзионисты используют этот факт в своих целях. 

Относительное, а не абсолютное зрение имеет и другие неоспоримые адаптационные преимущества, например позволяет нам без проблем читать один и тот же текст при очень разных условиях освещения — как в комнате при искусственном свете, так и на залитом солнцем пляже или террасе. И там и там мы легко различаем черные буквы минимальной яркости (почти не отражающие свет) на максимально ярком фоне белой страницы. В обоих случаях мы видим черные буквы несмотря на то, что количество света, которое они отражают на солнце, может значительно превышать то, которое белая страница отражает в помещении. 

Ведь излучение лампы накаливания намного слабее солнечного, так что в помещении меньше света, который может отражаться. А если бы наше восприятие опиралось на абсолютные измерения, а не на контрасты, черный цвет на солнце казался бы ярче, чем белый в доме, и мы смогли бы отличать черное от белого далеко не во всех ситуациях. Другими словами, мы бы утратили способность к генерализации. К счастью, это не так. Наше восприятие основано на локальном сравнении черного и белого в каждой конкретной ситуации, и это позволяет различать их всегда одинаково. Поскольку оно возникло как адаптация к передаче информации сквозь узкие места, такая способность приспосабливаться к различным условиям видимости, называемая зрительным постоянством, является общей для всех типов обработки информации мозгом. 

Стратегия относительного, а не абсолютного подхода к обработке информации и обнаружения контрастов в пространстве и во времени выработалась для компенсации негативных эффектов интерполяции  — потери резкости в результате сжатия при прохождении узкого места и последующего дополнения информации. Эти узкие места, в свою очередь, возникли как наиболее целесообразное решение для передачи больших объемов информации на большие расстояния с минимальными затратами — в отношении как занимаемого пространства, так и потребления энергии. 

Такую стратегию экономии энергии мозг применяет повсеместно, даже с риском потери данных — включая информацию, которая определяет не только то, как мы видим, но и то, на что обращаем внимание, как воспринимаем вкус, как осязаем и даже что запоминаем. Об этом мы поговорим подробнее в главе 8.

Подробнее читайте:
Ками Х. Фокусы мозга: Как нейронаука объясняет иллюзии восприятия / Хорди Ками, Луис Мартинес ; Пер. с англ. [Натальи Луговой] — М. : Альпина нон-фикшн, 202 6. — 320 с. : ил.