Мозг показывает нам прошлое: ученые обнаружили два этапа формирования зрительного восприятия

Нам кажется, что зрение работает практически мгновенно: достаточно открыть глаза, и окружающий мир сразу возникает перед нами как непрерывная и законченная картина. Однако нейробиологи получают все больше свидетельств того, что субъективное ощущение реального времени может быть иллюзией. Прежде чем мы осознаем увиденное, мозг успевает зарегистрировать отдельные зрительные события, некоторое время хранить информацию о них, сопоставить произошедшее и только затем сформировать единое восприятие.

Исследование нейробиологов Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) позволило проследить два последовательных этапа этого процесса по электрической активности мозга. Полученные результаты помогают объяснить один из наиболее необычных феноменов человеческого зрения: иногда событие, произошедшее позже, способно изменить наше субъективное восприятие того, что произошло несколькими мгновениями раньше.

Такое явление называют постдикцией. Его принцип хорошо демонстрирует простой зрительный эксперимент. Если человеку очень быстро показать две цветные точки в разных местах, при определенных условиях наблюдатель может увидеть не две отдельные вспышки, а одну перемещающуюся точку, которая меняет цвет непосредственно во время движения.

Парадокс заключается в последовательности событий. В момент появления первой точки мозг еще не располагает информацией о второй. Тем не менее цвет второй точки влияет на то, каким человек воспринимает весь эпизод. Следовательно, окончательная версия увиденного формируется не непосредственно в момент поступления первого зрительного сигнала. Мозг некоторое время ожидает дополнительную информацию и только потом собирает события в связную картину.

Это не означает, что человек постоянно видит мир с заметной задержкой или что мозг буквально воспроизводит запись произошедшего. Скорее, зрительная система использует короткие временные окна, в пределах которых несколько последовательных сигналов могут рассматриваться как части одного события. Благодаря этому мы воспринимаем быстро меняющийся мир не как хаотическую последовательность отдельных кадров, а как стабильное пространство с движущимися объектами.

Чтобы подробнее изучить этот механизм, Маэлан Менетрей, Майкл Херцог и Дэвид Паскуччи использовали зрительную иллюзию, известную как парадигма последовательного метаконтраста, или SQM. Весь экспериментальный эпизод занимает менее секунды, но за это время мозг должен обработать целую последовательность быстро сменяющих друг друга сигналов.

Участникам показывали вертикальные линии. У одной из них нижняя часть на короткое время слегка смещалась относительно верхней — влево или вправо. Затем на экране последовательно появлялись пары обычных вертикальных линий, причем их положение постепенно удалялось от центра.

Из-за высокой скорости смены изображений возникала иллюзия двух потоков, движущихся наружу. При этом отдельные смещения могли переставать восприниматься как самостоятельные события и объединяться мозгом в единый зрительный результат. Именно это позволило исследователям сравнить информацию, которая физически поступила в зрительную систему, с тем, что человек в конечном итоге осознал.

Предыдущие эксперименты с подобными иллюзиями показывали, что временная интеграция зрительных сигналов может продолжаться примерно 290–450 миллисекунд. Для повседневного восприятия это очень небольшой интервал, но с точки зрения работы нервной системы за несколько сотен миллисекунд успевает произойти множество процессов.

В новом исследовании участвовали 18 добровольцев в возрасте от 18 до 23 лет. Пока они выполняли различные варианты зрительного теста, ученые регистрировали электрическую активность мозга с помощью электроэнцефалографии. После каждого эпизода участники сообщали, в какую сторону, по их мнению, было направлено воспринимаемое смещение.

Затем исследователи применили методы машинного обучения для анализа паттернов ЭЭГ. Задача состояла не просто в обнаружении реакции мозга на зрительный стимул. Ученые хотели определить, сохраняется ли в нейронной активности информация о каждом отдельном событии — его направлении, последовательности и времени появления — даже тогда, когда сам человек уже не способен сознательно различить эти события.

Результаты показали отчетливое разделение обработки информации на два этапа. Первый сигнал возникал преимущественно в затылочных областях мозга примерно через 200 миллисекунд после появления зрительного смещения. Это закономерно, поскольку в задней части мозга расположены области коры, непосредственно участвующие в обработке зрительной информации.

Самое интересное заключалось в содержании этого сигнала. Мозг продолжал сохранять сведения об отдельных смещениях и порядке их появления даже тогда, когда участники эксперимента не могли сознательно сообщить о них. Если два противоположных сигнала субъективно объединялись, ранняя активность мозга все равно позволяла обнаружить след каждого из них.

Получается необычная ситуация: информация уже присутствует в мозге, но еще не является частью осознанного зрительного опыта. Зрительная система словно располагает исходными данными, из которых позднее будет построена окончательная версия происходящего.

Примерно через 450 миллисекунд исследователи обнаружили другой паттерн активности, более выраженный в центральных и теменных областях. В отличие от раннего сигнала он отражал уже не отдельные элементы первоначальной последовательности, а интегрированный результат. Более того, именно эта поздняя активность лучше соответствовала тому, что участники в итоге сообщали об увиденном.

Так возникает модель, в которой зрительное восприятие формируется как минимум в два этапа. Сначала мозг кодирует отдельные события и сохраняет их временную структуру, а затем объединяет поступившую информацию в целостное представление, которое становится доступным сознанию.

Это заставляет иначе взглянуть на привычное ощущение непрерывности зрения. Глаз действительно постоянно получает световую информацию, однако сознание, по-видимому, не обязательно получает каждое изменение в виде независимого мгновенного «кадра». Между физическим событием и его субъективным восприятием происходит сложная обработка, во время которой мозг решает, какие сигналы относятся друг к другу.

Подобный механизм имеет очевидный биологический смысл. Реальный мир наполнен движением, кратковременными изменениями освещения, шумом и неполными зрительными сигналами. Если бы нервная система воспринимала каждый сигнал абсолютно независимо, стабильное восприятие окружающей среды было бы гораздо сложнее. Временная интеграция позволяет связывать фрагменты информации и создавать устойчивую модель происходящего.

Однако ученые осторожны с выводом о том, что обнаруженный поздний сигнал является непосредственным моментом возникновения сознания. Активность примерно через 450 миллисекунд может отражать не только осознанное восприятие, но и последующие процессы — например, принятие решения, подготовку ответа или оценку увиденного.

Именно поэтому работа представляет интерес для исследований природы сознания. Одна из сложнейших задач современной нейробиологии заключается в том, чтобы отделить процессы первичной обработки сенсорной информации от механизмов, непосредственно связанных с субъективным опытом. Если определить момент, когда независимые бессознательные сигналы превращаются в единое осознаваемое событие, можно приблизиться к пониманию того, каким образом физическая активность нейронов становится тем, что человек ощущает как «я вижу».

Исследование также показывает, насколько сильно наше восприятие отличается от работы обычной камеры. Камера регистрирует последовательность изображений в том порядке, в котором они поступают на сенсор. Мозг действует активнее: он сопоставляет события, учитывает их временную близость и способен использовать более позднюю информацию для интерпретации более ранней.

Поэтому окружающий мир, который кажется нам непосредственной и непрерывной реальностью, в определенном смысле является результатом реконструкции. Мы осознаем не необработанный поток сигналов от глаз, а уже собранную мозгом модель происходящего. И хотя на ее создание требуются лишь доли секунды, именно в этом коротком промежутке между стимулом и осознанием может скрываться один из ключей к пониманию природы человеческого сознания.