За секунду до: как мозг конструирует будущее, которое становится настоящим

Томас Кун утверждал: ученые способны осмыслить данные своих измерений только потому, что им была привита парадигма, объясняющая их значение. Научиться понимать взаимоотношения сигналов с их источниками – ключевой шаг к обретению «научного зрения». Сам Кун писал, что, глядя на контурную карту, студент видит линии на бумаге, а картограф – изображение рельефа местности. Изучая фотографию пузырьковой камеры, студент замечает беспорядочные ломаные линии, а физик – запись знакомых субъядерных событий. Лишь после ряда преобразований сигналов в мозге студент превращается в обитателя научного мира, начинает видеть то же, что и ученый, и реагировать так же, как он[7].

Ваш мозг работает с беспорядочными ломаными линиями собственных измерений точно так же. Он может увидеть источники сенсорных теней, сформировав собственную парадигму и выдвинув свои теории устройства мира.

Бессознательные выводы

Идея, что восприятие работает именно так, была выдвинута минимум в XIX веке, и ее часто приписывают немецкому эрудиту Герману фон Гельмгольцу. Он был настоящим «человеком эпохи Возрождения», рядом с которым современные ученые могут почувствовать себя слегка неполноценными. Он внес значительный вклад в теорию электромагнетизма, гидродинамики и тепловой смерти Вселенной. Кроме того, он написал трактат «Физиологическая оптика», который до сих пор оказывает большое влияние на ученых, исследующих процессы восприятия в мозге[8].

Гельмгольц понимал, что результаты измерений внешнего мира, которые мы получаем от органов чувств, безнадежно испорчены и неоднозначны. О глазе он писал: «Если бы оптик захотел продать мне инструмент, обладающий всеми описанными дефектами, то я считаю, что имел бы полное право отругать его за безответственность последними словами»[9].

Он считал, что у нашего мозга есть «противоядие» от всех этих дефектов. Его ученый назвал бессознательными выводами. Идея состояла в следующем: зрительная система преодолевает неоднозначность необработанного, «низового» визуального изображения, добавляя определенные «верховые» познания, негласные допущения, что объекты в окружающем мире с наибольшей вероятностью расположены именно так. Эти наборы допущений превращаются в своеобразную бессознательную теорию работы визуального мира, которой придерживается мозг и которая позволяет зрительной системе делать обоснованные предположения о том, что происходит вокруг.

Согласно этой теории, вы, глядя на друга, не видите, что его голова вдруг стала вдвое больше или вдвое меньше, потому что ваша зрительная система уже заранее имеет определенное представление, как он выглядит. И эти гипотезы – закопанные глубоко в вашем разуме, ниже сознательного понимания, – определяют, как ваши системы восприятия интерпретируют неоднозначные сенсорные данные, полученные органами чувств.

Идеи Гельмгольца снова обрели популярность в 1970-х, особенно благодаря работам британского психолога Ричарда Грегори. Он провел явную аналогию между тем, как ученые выдвигают гипотезы, чтобы понять загадочные сигналы, генерируемые их инструментами, и тем, как наши системы восприятия выдвигают гипотезы, чтобы осмыслить ощущения[10]. Ключевое сходство, согласно Грегори, состоит в том, что гипотезы и в науке, и в восприятии помогают заполнить пустоты в неполном наборе данных, которые мы получаем.

Как и Гельмгольц, Грегори стремился подчеркнуть, что гипотезы, выдвинутые нашей системой восприятия, не обязаны быть сознательными предположениями – конкретными мыслями, фразами, звучащими в нашей голове и описывающими, как, по нашему мнению, выглядит мир. Он предположил, что однажды удастся дать другое, непропозициональное описание процесса, с помощью которого мозг строит гипотезы, – основанное на концепциях математики и вычислительной техники. И оказалось, что он был прав.

Байесовский мозг

Сейчас психологи и нейробиологи обращаются к математике, чтобы понять, как мозг формирует гипотезы и вычисляет выводы. Одной из идей, преобразивших современную нейробиологию, стало предположение, что наш мозг на самом деле байесовский.

Это название дано в честь далекого предтечи теории вероятностей Томаса Байеса. Преподобный Байес жил в XVIII веке, и его круг интересов мог показаться необычным для священника. Он стремился разобраться в азартных играх вроде бросания монеток и костей, а также оценить вероятность разных результатов. Поэтому, наверное, не стоит удивляться, что он разработал ряд математических правил, которые и сейчас помогают нам количественно оценить вероятность тех или иных событий.

Байеса прославила названная в его честь теорема, которая утверждает, что, выдвигая гипотезы по поводу окружающего мира, мы не должны полагаться только на входящие данные[11]. Любые данные, которые мы получаем, должны быть сопоставлены с имеющимися знаниями о том, что может быть правдой, – то есть с нашей оценкой априорной вероятности.

Из-за нашего стандартного понимания того, что такое рациональное мышление, это утверждение может противоречить интуиции: если мы мыслим ясно, то должны в первую очередь сосредоточиться на получаемых данных, а не опираться на имеющиеся воззрения, разве нет? Но если немного поразмыслить, то вероятностный метод мышления окажется крайне полезным.

Представьте, что вы ночью смотрите на звезды. Вдруг по небу проносится что-то похожее на летающую тарелку – вот она здесь, а вот ее уже и нет. Что вы должны подумать? Если опираться только на данные, все выглядит так, словно у вас только что произошел близкий контакт с неземной жизнью. Однако у вас есть не одни свежие визуальные данные. Например, вы можете знать, что как раз сегодня вечером на орбиту должны выводить новый спутник, и он вполне может пролететь именно там, где вы его увидите. Или вы вспомните, что несносному соседскому мальчишке подарили на день рождения квадрокоптер, который он любит запускать по ночам. Эти уже имеющиеся варианты снижают вероятность того, что вы на самом деле увидели в ночном небе инопланетянина. С байесовской точки зрения, ваши выводы должны основываться на том, какое событие наиболее вероятно. Так что звонить в НАСА рановато.

Байес и его последователи обычно не интересовались человеческим разумом как таковым. Законы теории вероятностей – нормативные, а не описательные: они говорят нам, как мы должны думать, и далеко не факт, что они описывают то, как мы реально думаем. Но одна из самых соблазнительных идей современной нейробиологии такова: наш мозг на самом деле устроен так, что применяет или аппроксимирует именно байесовские рассуждения, которые превозносят математики: он интерпретирует все входящие данные, основываясь на собственной гипотезе о том, как, скорее всего, устроен мир.

Один из главных сторонников этой идеи – Карл Фристон. Созданная им модель мозга указывает на недооцененное свойство наших нейронных контуров и сетей: информация в нашей голове движется не только «вперед», в направлении от простого сенсорного анализа к более абстрактному мышлению. Она течет и «назад» – от высших отделов мозга к низшим[12].

Подобная архитектура создает мозг, который ведет себя точно как ученые. Обобщенные гипотезы о мире, хранящиеся в высших отделах мозга, могут проецироваться обратно на низшие отделы. Эти спроецированные гипотезы, в которых содержатся прежние теории и предположения, формируют нашу интерпретацию ненадежных и неоднозначных данных, получаемых органами чувств. Наше восприятие превращается в байесовский вывод, в котором объединяются входящие данные и существующие воззрения. Мы видим беспорядочные ломаные линии своих измерений сквозь призму теории, уже созданной нашим мозгом.

Камера, редактирующая свои снимки

Но если мы смотрим сквозь призму гипотез, значит, наш мозг может начать видеть то, что его инструменты даже не измеряли. Один из возможных способов это продемонстрировать – показать мозгу изображение вроде такого:

При виде иллюзии, известной как треугольник Канижа, большинству людей кажется, словно они видят белый треугольник, наложенный на три черных круга. Но его на самом деле нет. Его стороны – просто пустое пространство. Треугольник лишь подразумевается. Это лучшая догадка вашего мозга о том, что на самом деле изображено.

Если вы посмотрите на эту иллюзию, сидя в МРТ-сканере, то, наблюдая за активностью вашего мозга, мы увидим, что обобщенная гипотеза («я вижу треугольник») проецируется обратно в ваш визуальный центр[13]. Именно поэтому вы видите стороны треугольника, хотя на самом деле их нет.

В частности, мы можем заглянуть в отдел мозга, который называется зрительной корой. Она играет ключевую роль в восприятии визуального мира. Обычно мы считаем, что этот отдел мозга занимается измерениями. Его нейроны подключены к вашим глазам, и когда на сетчатку попадают определенные паттерны света, они же должны воссоздаваться и в зрительной коре – примерно как на камере, которая воссоздает падающий на нее свет в качестве изображения на снимке.

Но если мы запишем активность зрительных нейронов мозга, то увидим, что они не просто показывают данные измерений инструмента, добросовестно воссоздавая паттерны света, попавшего на сетчатку. Их активность редактируется, исправляется и переформируется, чтобы ваш мозг видел то, что ему кажется, а не просто нефильтрованный сигнал. Если мы посмотрим на вашу зрительную кору, когда вы изучаете иллюзии вроде треугольника Канижа, то увидим, что нейроны, отвечающие за пространство вдоль воображаемой фигуры, все равно срабатывают, хотя в этом участке визуального пространства нет ничего, что зрительные нейроны на самом деле способны увидеть[14]. Нейроны словно знают, что здесь должна быть сторона, хотя измерения ее и не показали.

Подобное поведение отдельных нейронов сообщает нам нечто очень глубокое. Поскольку они не могут на самом деле ничего «видеть» в своих входящих данных, их срабатывание вызвано знаниями об окружающем мире, которые хранятся в другой области мозга. Иными словами, такие результаты говорят нам, что ваш мозг в целом занимается выработкой гипотез о том, как устроен мир. И они проецируются в те области мозга, которые должны заниматься измерениями. Вместо того чтобы просто сделать снимок информации, попавшей на органы чувств, «камера» вашей зрительной системы проецирует на записываемое изображение свою интерпретацию – редактирует ваше визуальное восприятие, чтобы оно соответствовало вашим априорным ожиданиям.

Другие исследования показывают, что подобное проецирование далеко не ограничивается добавлением к воображаемой фигуре воображаемых сторон. Ваш мозг может добавлять к результатам своих измерений довольно сложные свойства в зависимости от того, что ожидает увидеть.

Например, в одном творческом исследовании со сканированием мозга добровольцы ложились в МРТ-сканер, и им показывали фотографии, на которых один угол был закрашен[15]. Ученые обнаружили, что участки зрительной коры, отвечавшие за эти пустые квадранты – не получавшие никакой входящей информации от глаз, – все равно «знали», что находится в оставшейся части рисунка. По паттернам активности мозга в этих пустых участках ученые обнаружили, что они все равно получают сложные гипотезы из других отделов мозга, говорящие им о том, что они должны видеть – например, толпу, идущую по рынку под открытым небом, или щегольски одетого водителя, который ловким маневром направляет кабриолет в туннель.

В следующих экспериментах удалось выяснить, что происходит примерно следующее: высшие области мозга проецируют гипотетическую входящую информацию на низшие; это напоминает грубый эскиз того, что они «должны» увидеть. Ваш мозг словно не терпит пустоты и считает ее «холстом», на который может проецировать собственные теории об устройстве внешнего мира.

Эти проекции «сверху вниз» работают постоянно, даже если ваши глаза видят полную картину. То, что вы воспринимаете, всегда пропитано вашими гипотезами и сформировано ожиданиями. Поток гипотез, проходящий по мозгу, «редактирует» активность ваших нейронов восприятия – увеличивает громкость ожидаемых сигналов и заглушает те, которых вы не ожидаете[16].

Итак, ваши ожидания срабатывают как фильтр. И из-за этого появляется субъективное стремление воспринимать все так, чтобы это соответствовало воззрениям человека[17]. Например, некоторые эксперименты, проведенные нами в лаборатории, показали: когда люди шевелят руками, их мозг посылает предсказательные сигналы, меняющие их предположения о том, что на самом деле делают пальцы[18]. Восприятие настолько субъективно, что люди начинают сообщать, будто видят, как их руки «двигаются», даже когда они не двигаются, – просто потому, что они этого ожидают[19].

Эти и другие подобные исследования показывают, что восприятие действительно очень напоминает напичканный теориями научный процесс. Ваш мозг, запертый внутри черепа ученый, придумывает теорию, чтобы объяснить активность своих инструментов, осмыслить неоднозначные результаты полученных измерений. Но эти предсказания и теории свободно проникают в восприятие, и ваш мозг начинает воспринимать то, что он ожидает, а не просто сигналы из внешнего мира. Выходит, видеть – значит верить, только не в том смысле, который вам, скорее всего, знаком.

Знание – сила, Франция – бекон

Наш мозг впрыскивает свои теории не только в то, что мы видим. Один из лучших примеров того, как ожидания влияют на восприятие, – наши попытки осмыслить чужую речь.

Вот анонимный пост с онлайн-форума Reddit, который отлично иллюстрирует эту мысль.

Когда я был маленьким, отец сказал мне: «Знание – сила. Фрэнсис Бэкон».

Я понял это как «Знание – сила, Франция – бекон»[20].

Более десятка лет я не мог понять, что же значит вторая часть фразы и каким таинственным образом обе части связаны между собой. Если я приводил кому-то цитату полностью: «Знание – сила, Франция – бекон», – собеседники понимающе кивали. Или кто-нибудь говорил: «Знание – сила», – а я заканчивал: «Франция – бекон», – и на меня не смотрели так, словно я сказал что-то очень странное, а лишь задумчиво соглашались. Однажды я решился спросить учителя, что [это] значит, и он минут десять объяснял мне, что такое «Знание – сила», но ни слова не сказал о беконе и Франции. Когда я попытался добиться дальнейших объяснений, спросив: «Франция – бекон?» – он просто ответил: «Да». Мне было двенадцать, и я не решился расспрашивать дальше. Я просто смирился с тем, что никогда не пойму смысл этой фразы.

Lard_Baron, Reddit (2010)

Как показывают злоключения Lard_Baron, речь других людей особенно богата неоднозначностью и двусмысленностью. Нам часто кажется, что мы понимаем ее без усилий, но это чувство лишь маскирует трудности, которые испытывает слуховая кора мозга в работе с языком.

Один из редких случаев, когда мы сталкиваемся с этими трудностями во взрослой жизни, – если слышим, как кто-то говорит на неизвестном нам языке. Если вы когда-либо ездили в страну или регион, язык которых вам неизвестен, у вас наверняка бывало впечатление, что звуки из уст окружающих – сплошная стена шума. И это впечатление абсолютно верно.

Понимание устной речи совсем не похоже на чтение письменного текста. Каждое слово, напечатанное на этой странице, отделено от другого заметным пробелом, который показывает, где заканчивается одно и начинается другое. А вот естественная речь долетает до наших ушей как нефильтрованный поток шума, где конечный звук одного слова сразу переходит в звук следующего. Вы иногда слышите паузы между словами, однако часто это иллюзии, создаваемые вашим мозгом при обработке потока звуков. Но если все это непрерывный шум, откуда мозг знает, куда нужно вставлять «галлюцинаторные» паузы?

Звуки речи тоже вовсе не похожи на печатные буквы. Каждый раз, когда я нажимаю букву на клавиатуре, точно такая же буква появляется на экране, но вот естественная речь далеко не такая четкая и ясная. У каждого человека свой характерный голос, его можно сравнить со шрифтом при печати. Но еще бо́льшая трудность для мозга состоит даже не в том, что ваш голос отличается от моего, а в том, что ваш голос отличается от самого себя. Человеческий голосовой аппарат не идеальный инструмент, и, говоря, мы «коартикулируем» – смешиваем акустику каждого издаваемого нами звука с другими звуками, которые стремятся сорваться с наших губ в то же время. Таким образом, речь – примерно как набор предложения на клавиатуре, только клавиши непредсказуемо бегают туда-сюда, а уже набранные буквы способны менять форму.

Речь, которую мы слышим, часто неоднозначна и двусмысленна, но эта двусмысленность, как правило, остается незамеченной – например, в случае с «мондегринами». Мондегрины, или ослышки, случаются, когда человек постоянно слышит вместо произнесенной фразы другую – правдоподобную, но неправильную. Чаще всего они встречаются в песнях: например, Курт Кобейн завывает: «Here we are now, in containers» («А вот и мы в контейнерах»), а Боб Дилан тянет: «The ants are my friends» («Муравьи – мои друзья»)[21],[22].

Из-за неоднозначности естественной речи любое конкретное высказывание расшифровать невозможно. Звуки допустимо интерпретировать множеством разных способов. Представьте, что вы услышали фразу: «Вот, купили вчера с сыном в кондитерской, такая вкуснятина». Звучит вроде бы безобидно, но, судя по звукам, донесшимся до ваших ушей, собеседник может на самом деле говорить что-то невообразимое: «Водку пили вчера с сыном в кондитерской, такая вкуснятина». Даже если ваш мозг сможет отбросить откровенно странные варианты, из одних только слов не всегда понятно, что имеется в виду. Например: «На столе лежат гранаты» – это фрукты, оружие или драгоценные камни?

Из-за такой неопределенности речи язык не может быть понят исключительно «снизу вверх». Когда лингвисты разбирают понимание языка, они обычно представляют себе иерархическую схему, где маленькие обрывки звуков (фонемы) соединяются вместе, формируя слова, а те образуют предложения и еще более крупные смысловые единицы. Но если и звуки, и слова, и предложения по определению неоднозначны и двусмысленны, хоть с какой-либо уверенностью сопоставить звуки с фонемами, фонемы – со словами, а слова – со значениями невозможно.

Но, к счастью, мозгу не обязательно понимать речь полностью «снизу вверх». Он умеет вырабатывать гипотезы. Вычленив вероятностные паттерны из услышанной речи, мозг составляет прогнозы, какие звуки и слова услышит дальше, и спускает их «сверху вниз». Включив эти прогнозы в процесс обработки языка, мы начинаем замечать границы слов в непрерывной речи, определять, какие именно звуки произнесены и что означает все вместе. Но восприятие «сквозь призму теории» еще и помогает объяснить, почему и когда слуховая кора сбивает нас с толку и заставляет услышать что-нибудь вроде «Знание – сила, Франция – бекон».

«Где ты был год назад?»

Подумаем, как мозг ставит несуществующие паузы в нужных местах, чтобы подчеркнуть пунктуацию в предложениях. Вот запись моего голоса, произносящего простую фразу (слова подписаны сверху):

Осциллограмма иллюстрирует то, что я вынес в заголовок: фраза (Where were you a year ago? – «Где ты был год назад?») содержит отдельные слова, но звуки речи выходят изо рта сплошным потоком шума. Здесь нет удобных пауз, подобных пробелам в тексте: звуки переходят один в другой без остановок, означающих начало и конец слова. Но, хотя с физической точки зрения это непрерывный шум, если я проиграю вам эту запись, ваш мозг вставит в нее пять субъективных пауз, чтобы разметить отдельные слова. Откуда мозг знает, где ставить паузы?

Возможно, вы подумаете, что разделить поток звуков «wherewereyouayearago» на отдельные слова не так и трудно. Это в самом деле просто, если вы хорошо знаете английский язык. Вы знаете, что слово «where» в английском языке существует, а вот «wherewere» – нет, так что поставить воображаемую паузу в нужном месте легко. Но это решение – на самом деле отчасти жульничество. Вы можете пользоваться этой стратегией для разделения входящих звуков только потому, что знаете английские слова. Но если вам нужно знать язык, чтобы разделить поток звуков на отдельные слова, возникает проблема «курицы и яйца»: вы не вычлените из непрерывного потока отдельные слова, не зная языка, но вы не можете знать языка, не понимая слов.

Именно в таком состоянии невежества пребывают младенцы. В их крохотные уши врывается неотфильтрованный шум на непонятном языке, и их мозгу приходится разбираться, где проводить границы, вообще не подозревая, что значит этот непонятный шум.

Но даже мозг младенца уже ведет себя как ученый, формируя прогнозы и выдвигая гипотезы о паттернах услышанных звуков. Конкретные паттерны, на которые люди настраиваются, чтобы решить задачу, называются «переходными вероятностями» – вероятностями того, что после одного звука вы услышите другой.

Представьте, что вы младенец, который слышит непрерывный поток звуков: «wherewereyouayearago». Вы начинаете свою жизнь с нулевым словарным запасом. Но, прислушиваясь к говорящим вокруг вас взрослых, вы садитесь на «диету» из акустических паттернов. И с их помощью вы можете узнать, какие звуки чаще следуют друг за другом.

Например, в английском языке вы часто будете слышать сочетание «where», но потом обнаружите, что после него может идти множество разных других звукосочетаний: «where is…», «where are…», «where do…», «where did…» и т. д. Из-за этого следующий звук – переход – предсказать трудно. Ваш мозг может понять, что та или иная часть потока звуков – отдельное слово, отслеживая точки перехода. Это повышает вероятность того, что рано или поздно вы опознаете «where» как отдельное слово. Именно благодаря такой аналитической обработке звуков большинство из нас отличает «where wolves live» («где живут волки») от «werevolves live» («оборотни живут»), хотя они звучат абсолютно одинаково, и понимает, что имеется в виду, скорее всего, первый вариант (если только на дворе не Хэллоуин).

Отслеживание этих переходов для вычленения слов обычно работает хорошо, но при этом и объясняет, почему мы ошибаемся. Например, психолог Стивен Пинкер описал очень милый диалог между мамой и ребенком. Когда та строго сказала ему: «Behave!» («Веди себя хорошо»), – ребенок с негодованием ответил: «I am heyv!»[23] Подобные ошибки вполне логичны, если в вашей «языковой диете» сочетание «be» ранее встречалось только как отдельное слово, например в сочетаниях «be good» («будь хорошим») или «be quiet» («молчи», буквально «будь тихим»), а не в составе слов вроде «behave» или «befriend» («подружиться»)[24].

Сложные эксперименты показали, что даже в восемь месяцев младенцы уже умеют использовать подобные паттерны, чтобы вычислять, где слова начинаются и заканчиваются, причем даже в несуществующих языках[25]. Например, психолог ставит младенцу непрерывный поток слогов, включающий последовательность «бидакупадотиголабубидакуголабупадотитупиробидакупадоти». Звучит как бессмыслица, но на самом деле это искусственный язык, придуманный экспериментаторами: в нем есть повторяющиеся вымышленные слова вроде «голабу», «тупиро», «бидаку» и «падоти». Младенцы не могут понять, где они начинаются и заканчиваются, по смыслу, ведь «тупиро» и «бидаку» не имеют смысла, но статистическая структура речевого потока все равно дает информацию о переходных вероятностях – например, за «ту» всегда следует «пи», потом «ро». А вот что будет дальше, предсказать невозможно.

Удивительно, но уже этих паттернов вполне хватает, чтобы младенцы научились вычленять выдуманные «слова» из непрерывного потока шума. Через пару минут слушания подобной псевдоречи ребенок уже не с таким интересом прислушивается к другим «настоящим» словам из псевдоязыка – знакомым сочетаниям звуков вроде «бидаку». Однако он удивляется, если вдруг слышит «неправильное» слово вроде «дапику» – состоящее из того же набора звуков, но в неожиданной последовательности. Это показывает, что младенческий мозг очень быстро сформировал гипотезы о том, какие сочетания звуков вероятны, а какие нет. И, хотя мы не способны точно узнать, что происходит в субъективном ментальном мире ребенка, – бессловесные младенцы не могут нам об этом рассказать, – мы можем предположить, что эти гипотезы позволяют им вставлять собственную воображаемую пунктуацию там, где, как им кажется, проходят границы воображаемых слов. Услышав неправильное «дапику», младенец удивляется, понимая, что его гипотеза о языке оказалась неверна и он ставит паузы не в тех местах – точь-в-точь как описанный Пинкером ребенок, который настаивает, что на самом деле он очень даже «хейв».

«Извините, послышалось»

Прогнозирование не только помогает слушателям разделять на слова речевой поток. Оно еще и становится отличным способом избавиться от двусмысленности в устной речи. Время от времени по интернету разлетаются вирусные ролики с бистабильной речью – звуками, которые без редактирования могут быть услышаны разными слушателями совсем по-разному. На одной такой записи можно услышать одну и ту же звуковую волну либо как «Янни», либо как «Лорел». На другой – одно и то же слово слышится или как «green needle» («зеленая иголка»), или как «brainstorm» («мозговой штурм»). А в одной особенно хитрой мультистабильной химере разные люди могут услышать настолько отличающиеся слова, как «iPhone», «nightfall» («наступление ночи»), «Throw a knife» («Брось нож») и даже «I saw a dinosaur» («Я видел динозавра»)[26].