Нейроны для чтения

Если нейронные сети, изначально предназначенные для зрительного распознавания объектов, адаптируются к овладению чтением, то нам по‑ прежнему нужно убедительное описание того, как клетки в области «буквенной кассы» распознают написанные слова менее чем за одну пятую доли секунды. Какой тип нейронного кода записан в коре опытного читателя? Присваиваются ли каждой букве, слогу и слову свои собственные нейроны? Как эти клетки располагаются на поверхности коры?

Детальная карта нейронов, отвечающих за чтение, пока не составлена. В настоящее время средства визуализации человеческого мозга не могут распознать отдельные клетки. Однако наши обширные знания о мозге других приматов позволяют строить предположения о природе нейронного кода для чтения. Хотя большинство теоретических моделей сильно недооценивают истинную сложность нервной системы, они могут послужить основой для новых экспериментальных работ и привести к изобретению новых методов нейровизуализации. Исходя из этого, я и мои коллеги предложили предварительную модель нейронной архитектуры для чтения (рис. 3. 9)[250].

В основу нашей модели положен хорошо известный факт, что вентральная зрительная система организована в виде иерархии, охватывающей область от затылочного полюса в задней части мозга до передних отделов височной доли. Как я уже объяснял, при переходе с одного иерархического уровня на следующий размер рецептивного поля нейронов увеличивается в два‑ три раза. Это означает, что они реагируют на все более крупные участки сетчатки. Параллельно с этим возрастает и сложность элементов, вызывающих возбуждение нейронов, а также их стабильность относительно размера, положения и освещения.

Рис. 3. 9. Гипотетическая модель нейронной иерархии, поддерживающей зрительное распознавание слов. На каждом следующем уровне нервные клетки учатся реагировать на сочетание реакций нейронов предыдущего, более низкого уровня. В нижней части пирамиды, обеспечивающей распознавание слов и изображений, клетки обнаруживают локальные контрасты и ориентированные полосы. По мере того как мы поднимаемся выше, специализация нейронов возрастает. Они обнаруживают буквы, пары букв (биграммы), затем морфемы и маленькие слова. На каждой стадии рецептивное поле расширяется в два‑ три раза. Клетки начинают реагировать независимо от положения слова и деталей изображения (по материалам статьи Dehaene et al., 2005). Использовано с разрешения Trends in Cognitive Science.

Теперь представим, как могла бы измениться эта нейронная архитектура, если бы ее постоянно бомбардировали письменные слова. Предположим, что ее основная задача состоит в извлечении наиболее выраженных закономерностей из поступающих зрительных сигналов. На входе, в первичной зрительной коре (V1), нейроны относительно просты: они распознают только линии в узком поле сетчатки глаза. Как впервые обнаружили Хьюбел и Визель, любой нейрон в пределах ограниченной зоны сетчатки, на которую он реагирует, предпочитает вид маленькой черты любому другому зрительному стимулу. Поскольку буквы и слова состоят из таких линий, можно с уверенностью полагать, что овладение чтением не ведет к фундаментальным изменениям в схеме первичного кодирования. Большая часть нейронного рециклинга, вероятно, происходит на более высоком уровне – в области, записывающей сложные свойства зрительного образа. Однако не исключено, что даже самые первые стадии зрительной обработки претерпевают изменения в мозге опытных читателей. Область V1 вполне может обрабатывать такие распространенные формы, как T и X. И действительно, лабораторные эксперименты как на обезьянах, так и на взрослых людях показали, что интенсивная тренировка может влиять даже на ранние стадии зрительной обработки в первичной зрительной коре[251]. Овладение навыком чтения в раннем возрасте, когда мозг ребенка максимально пластичен, вероятно, вызывает аналогичные изменения.

Впрочем, большинство букв, судя по всему, кодируются нейронами в следующих двух областях – V2 и V4. Объединяя несколько элементарных линий, нейроны в зоне V2 действуют как элементарные детекторы контуров. На следующем уровне, в области V4, комбинации этих наборов позволяют нейронам избирательно реагировать на простые формы, которые, предположительно, включают в себя буквы. Еще до овладения чтением многие нейроны кодируют такие конфигурации, как T, L, X или O. Имея подобный алфавит элементарных форм в качестве отправной точки, научиться идентифицировать другие буквы очень просто. По всей вероятности, усвоение букв начинается в передних отделах вентральной височной коры. Именно здесь Танака обнаружил корковые колонки, реагирующие на заученные формы у макаки. Позже, когда чтение становится более автоматическим и мы учимся читать очень мелкий шрифт, процесс идентификации может постепенно вернуться в задние части мозга[252].

Если нейроны в области V4 распознают только единичные сочетания кривых, они могут кодировать только один вариант буквы. Как же мы узнаем, что одна и та же буква может появляться и в верхнем, и в нижнем регистре? Мои коллеги и я предполагаем, что это абстрактное знание возникает не в области V4, а на следующей стадии. Это происходит путем объединения реакций нескольких детекторов V4. Согласно нашей модели, верхний и нижний регистры распознаются как версии одной и той же буквы – вывод, требующий культурного научения, – в зрительной области V8 в обоих полушариях. Как показывают эксперименты с использованием фМРТ, этот участок мозга действительно способен обнаруживать повтор букв, напечатанных в верхнем или нижнем регистре.

Помните, что на каждом уровне пространственная терпимость нейронов возрастает: по мере того, как они объединяют реакции от многочисленных детекторов с разными рецептивными полями, их отклики становятся менее чувствительными к изменениям местоположения и размера (рис. 3. 9, правый столбец). Однако в области V8 инвариантность остается неполной и не распространяется на всю сетчатку. Следовательно, детекторы букв должны присутствовать во всех точках, где могут появляться буквы во время чтения. Вероятно, существуют десятки нейронных колонок, кодирующих букву «А», каждая из которых реагирует только в том случае, если она занимает строго определенное место на сетчатке.