КиноФан

Пространственное мышление — это предмет изучения того, как когнитивная архитектура сознания воспринимает, организуется и взаимодействует с физическим пространством. Этим вопросом давно интересовались философы и ученые, и самый, пожалуй, важный исторический шаг осуществил Иммануил Кант в «Критике чистого разума» (1781/1787). Кант утверждал, что пространство, как мы его знаем, это подсознательная организующая функция человеческого мышления, эшафот, на котором мы становимся способными понять физический мир объектов, расширения и движения. В некотором роде, пространство для Канта было окном в мир, а не средством его постижения.

В то время как философы после Канта спорили по поводу его теории восприятия пространства, она стала основой эмпирических исследований 20 века на тему того, как ум воссоздает пространство, которое мы изучаем. Ключевое понимание того, как это происходит, представил американский психолог Эдвард Толмен в 1948 году.

Основной предмет исследований Толмена — поведение крыс в лабиринтах. В частности, его интересовало, понимают ли крысы окружающую среду за счет сугубо поведенческих механизмов или же в основе их навигационных способностей лежат когнитивные процессы. В процессе работы Толмен выяснил, что крысы могли эффективно перемещаться по лабиринтам, особо не опираясь на поведенческие мотивы. Это позволило сделать предположение, что крысы спонтанно формируют мысленное представление лабиринта, тем самым определяя нужные места и планируя маршруты для достижения пунктов назначения. Такое мысленное представление ученый назвал «когнитивной картой». Толмен предположил, что это понятие должно быть основным методом постижения пространственной среды у млекопитающих — крыс и людей.

И хотя понятие когнитивной карты получило широкое распространение в 1960-х годах с развитием когнитивной психологии, сам Толмен не особо много сделал для изучения процессов формирования и использования когнитивной карты. В частности, оставалось неясным, как когнитивные карты отличаются от других потенциальных стратегий навигации и понимания пространства, и смогут ли ученые определить ее нейронную основу.

В 70-х годах этими вопросами занялся Джон О’Киф и его коллеги, выразив свои исследования в элегантной теории под названием «Гиппокамп как когнитивная карта» (1976). В работе О’Киф и Линн Нейдел предположили, что определенный набор нейронов в гиппокампе — области мозга, вовлеченной в различные процессы памяти — ответственен за кодировку пространства в мозге млекопитающего. Эти клетки получили название пространственных (place cells). Прямая запись процессов в гиппокампе крыс показала, что активность именно в этой области мозга разгорается по мере того, как крыса попадает в определенное пространство.

Примечательно, но локации, в которых активизировались пространственные клетки, закреплялись в процессе многократного воздействия окружающей среды, превращаясь в своеобразные пространственные ориентиры. О’Киф и Нейдел полагали, что эти пространственные клетки формируют неврологическую основу когнитивной карты, а карта определялась взаимодействием различных элементов, составляющих среду. Исследования начала 2000-х годов на больных эпилепсией пациентах подтвердили существование пространственных клеток в человеческом гиппокампе, функционирующих аналогичным образом, что и у млекопитающих.

Пространственные клетки сами по себе успешно справляются с описанием местоположения в среде. Однако из-за их податливости к определению локаций в процессе экспериментальных манипуляций вроде перестановки пространственных ориентиров, осталось непонятным, способны ли они создавать пространственную структуру, посредством которой мы строим наше восприятие мира.

Второй тип клеток впервые был найден семьей Эдварда и Мэй-Бритт Мозер и их студентами в 2005 году. Так называемые сетчатые клетки, а точнее нейроны, образовывали модели, крайне напоминающие гексагональную сетку. В отличие от пространственных клеток, закономерности, наблюдаемые в работе сетчатых клеток не вытекали из свойств окружающей среды или любого из типов сенсорной информации. Напротив, они кодировали пространственные структуры, которые формировались непосредственно в головном мозге, и создавали подложку для внешней среды почти таким же образом, как предполагал Кант. Что характерно, сетчатые клетки (grid cells) находятся непосредственно в области мозга под названием энторинальная кора, одного из основных нейронных входов в гиппокамп, а значит, сетчатые клетки вполне могут быть источником пространственной структуры, на которой, собственно, и формируется когнитивная карта пространственной среды.

Время в голове

Время оказалось гораздо более сложным понятием как для психологии, так и для нейробиологии. Несмотря на десятки лет исследований, большинство из того, что мы знаем о представлении времени в мозге, пришло из двух направлений: как перекрестные события разбиваются на отдельные эпизоды и как эти эпизоды последовательно упорядочиваются во времени.

В 70-х годах было выдвинуто предположение, что гиппокамп имеет решающее значение для разделения шаблонов опыта на определенные независимые эпизоды, которые и составляют содержимое нашей системы эпизодической памяти. Однако эта гипотеза была построена в основном на наработках нейропсихологии, где поражения головного мозга в области гиппокампа нарушали способность разделять и составлять эпизоды, а также на компьютерных моделях, демонстрирующих работу системы эпизодической памяти.

В начале 2000-х годов появились первые доказательства значительной роли гиппокампа в разборе и упорядочивании эпизодических событий, причем как у животных, так и у людей. Использование массива экспериментальных методик позволило ученым обнаружить, что гиппокамп имеет решающее значение в кодировании визуальных стимулов — будь то картинки, показанные на экране компьютера или ориентиры в пространстве — и при этом создает уникальные шаблоны активности во время перекрестного показа сегментов пути во время продвижения через среду по маршруту.

Последнее обстоятельство крайне важно, так как оно демонстрирует чистую работу пространственных клеток в гиппокампе во время навигации. В такой модели можно было бы ожидать, что гиппокамп постоянно активен во время преодоления сегментов маршрута, в то время как физическое местоположение человека остается одним и тем же. Это говорит о том, что гиппокамп вовлечен в создание представления, а не просто определяет пространственное положение в окружающей среде.

Ключевой прорыв в определении типов дополнительной информации, вовлеченной в работу гиппокампа, осуществил Говард Эйхенбаум и его коллеги по Бостонскому университету. В 2011 году авторы предложили новый тип нейронов гиппокампа, обозначенный как «временные клетки» (time cells), то есть клетки времени. Ряд опытов, проведенных на крысах, показал, что временные клетки уникальным образом кодируют последовательные события и способны устранять неоднозначность перекрестных событий, формируя упорядоченные во времени эпизоды.

Говоря нормальным языком, эти выводы имеют крайне важное значение для того, чтобы понять, как гиппокамп функционирует и на какие процессы опирается: эпизодическая память, навигация и воображение. В частности, это позволяет предположить, что гиппокамп в состоянии работать как с пространством, так и со временем, в зависимости от того, какой тип информации нужно преобразовывать.

Пространство и время в голове

Если у нашего восприятия пространства и времени есть схожие нейронные корреляты, рождается серьезный вопрос: действительно ли пространство и время различны в нашем сознании или же они продукт обобщенной нейрокогнитивной системы, которая позволяет нам понимать мир? И хотя Кант говорил больше о пространстве, чем о времени, современные когнитивные нейрофизиологи начали составлять сложные теории, адресованные этому вопросу. Одно из предположений Демиса Хассабиса и Элеоноры Магуайр подразумевает, что основная функция гиппокампа — не является понимание прошлого и будущего или продвижение сквозь пространство как таковое. Напротив, благодаря сотрудничеству с общей системой, развитой по всему мозгу, гиппокамп позволяет нам конструировать представление о мире в пространственно-временном контексте, что дает нам возможность симулировать прошлый опыт для предсказаний будущего, и в конечном счете применять эту информацию напрямую к настоящему.

Однако хотя подобная роль пространственно-временного контекста привлекает внимание видных ученых последние десять лет, остается расхождение между восприятием пространства и времени. К примеру, восприятие пространства у нас остается стабильным, в то время как время регулярно растягивается по необходимости — моменты протекают быстрее или медленнее в зависимости от предпочтения нашего внимания и действиям в мире.

На какой бы из сторон не была обнаружена правда, в ближайшие годы, несомненно, мы узнаем больше о том, как разум воспринимает пространство и время и как это восприятие влияет на наше постижение мира. Вот, крысы, к примеру, не верят в виртуальную реальность (крысы определенно что-то знают), а чем виртуальная реальность не пространство-время?