Журнал "Вокруг Света" №8 за 2001 год

Досье: Империя чувств

Воздействие информации на наш организм происходит постоянно: несущий ее свет падает на сетчатку глаза, звуковые вибрации заставляют колебаться барабанную перепонку уха, молекулы, обладающие тем или иным запахом, распознаются обонятельными участками носа, на прикосновения моментально реагирует кожа... Способностью ощущать мы обязаны не только глазам, ушам, носу, языку или рецепторам кожи. Мы ничего не почувствуем, пока сигнал от какого-либо из перечисленных органов не достигнет определенного участка мозга.

Конечно, без носа, глаз и ушей наши способности восприятия не могут считаться полноценными, но отсутствие этих органов не будет играть никакой роли, если по какой-либо причине отключатся участки мозга, отвечающие за обработку сигналов. Повреждение, скажем, зрительного центра чревато полной слепотой и полной неспособностью различать как цвета, так и движущиеся объекты.

Вот эта зависимость, определяющая работу сенсорного аппарата человеческого организма, и является объектом пристального внимания ученых. В ходе многочисленных исследований в этой области было выявлено, что помочь специалистам разобраться в сложнейшем механизме сенсорного восприятия в числе прочего могут так называемые синестетики — люди с не совсем обычным чувственным восприятием, и животные, обладающие более развитыми способностями.

Разгадать принцип действия механизма обработки мозгом сенсорной информации — отнюдь не самоцель. Это необходимо для того, чтобы научиться имитировать чувственное восприятие как человека, так и животных для чисто практического приложения, а именно: использовав новые знания и возможности, помочь людям с ослабленным чувственным восприятием.

К тому же станут возможными создание новых роботов, обладающих способностью ощущать, и усовершенствование уже существующих разработок в этой области. Ведь таким машинам можно найти немало полезных применений.

Синестезия — редко встречающийся (один случай на 25 тысяч человек) феномен. У синестетиков взаимосвязаны два или даже более чувственных ощущения — источник одного выступает стимулятором и для другого или других. Синестетики ощущают звуки на вкус или обоняют визуальные объекты, видят музыку в цвете и различают на ощупь «мягкие» и «твердые» цифры. В процессе наблюдений было зафиксировано множество возможных комбинаций. Цвета, которые синестетики видят, когда им показывают цифры, или в некоторых случаях, когда слышат определенные звуки, устойчивы, но вовсе не одни и те же для всех.

Одно из объяснений таково. Проходя через мозг, чувственный стимул расщепляется на несколько потоков, которые параллельно обрабатываются несколькими участками. Взять, к примеру, зрительный центр, отвечающий за цвет, движение или контуры. Зрительный сигнал сначала попадает в зону немедленного восприятия, где собирается входящая информация, затем эта информация передается в участок коры мозга, который можно назвать «ассоциативной зоной». Там информация, в соответствии с нашим предыдущим опытом, приобретает свое значение. Ведь у каждого из нас возникает абсолютно уникальная картина мира, зависящая от генного набора и персональных особенностей мозга.

Взрослый человек обладает надежной системой нервных каналов, но под воздействием более частой нагрузки конкретные отделы мозга могут развиться особенно. Так, слуховой участок коры мозга у музыкантов на четверть «мощнее», чем, к примеру, у их слушателей.

Нейроны разных мозговых центров ведут себя одинаково. Но вот во что именно преобразуется поток электрических импульсов — в зрительные или же во вкусовые ощущения, — часто определяется тем, какие именно нейроны стимулируются.

Исследования показали: у синестетиков и несинестетиков в одинаковых условиях активизируются разные участки мозга. Первые, слушая речь, получают и визуальные впечатления — к слуховому центру подключается зрительный. Более того, обнаружено, что у синестетиков активизируется лимбический отдел коры — старейшая с эволюционной точки зрения зона мозга, связанная с эмоциями и памятью. Это наблюдение натолкнуло ученых на мысль, что синестезия унаследована нашими современниками от далеких предков.

Пока нет убедительного объяснения причин синестезии. Хотя ее частенько квалифицируют как «функциональное отклонение», бесспорно одно — она не тормозит развитие интеллекта. Некоторые ученые полагают, что смешение ощущений способно создавать гениев. Один из примеров тому — Людвиг ван Бетховен.

Зачастую высказывается мнение, что синестезия сопряжена с совершенным видением. Нечто подобное ей порой возникает и у «обычных» людей под воздействием некоторых лекарственных препаратов или наркотиков. Как бы то ни было, разгадка механизма множественности ощущений ведет к более полному пониманию «нормального» восприятия окружающего.

Много нового о том, как воспринимаются и запоминаются цвета, позволил узнать эксперимент, в котором участвовали люди, видящие цифры в сочетании с цветом. В ходе испытаний, проведенных в больнице Цюрихского университета, замерялась скорость реакции синестетиков на появление на дисплее компьютера различных цветоцифровых пар. Сначала подопытные использовали только левую руку, а затем только правую. Полученные данные сравнили с показателями «обычных» добровольцев, предварительно выучивших набор пар. Синестетики быстрее реагировали левой рукой на цвета, которые ассоциировались с небольшими числами, и правой — на цвета, связанные с цифрами большими. Ученые пришли к выводу: цвета имеют для синестетиков определенный размер; «нормальные» же люди хранят информацию о малых числах в левом полушарии мозга, а о больших — в правом, управляющем математическими способностями.

Теоретически робота можно наделить любыми чувствами. Исследователи из университета Огайо сделали электронный нос, который распознает по запаху разные сорта сыра. Такая машина не только послужит в пищевой промышленности, но и поможет разобраться в хитростях механизма обоняния. Ведь по сравнению с тактильными ощущениями, зрением и слухом, мы мало знаем о вкусе и обонянии. В наших носах миллионы рецепторов — протеины на поверхности клеток улавливают молекулы пахучих веществ. Мозг распознает запахи по комбинациям сигналов, поступающих от рецепторов.

Создатели электронного носа задались целью сымитировать реальную связь сенсора с нервной системой. Многие годы ушли на то, чтобы искусственный нос освоил спектр запахов, доступных его живому «прототипу». NOSE (Neotronics Olfactory Sensing Equipment), разработанный британской компанией Neotronic Technology, использует 12 полимерных сенсоров, воспроизводящих «отпечатки» запахов. Изменения в поведении сенсоров показывают различные компоненты запаха и воспроизводят их на компьютере в графической форме, сложность которой зависит от сложности запаха. NOSE может заменять человека при анализе запахов пищи, спиртных напитков, парфюмерии и табака.

И все же потрясающее изобретение лишь приоткрывает проблему, связанную с ощущениями электронных устройств. Робот не может самостоятельно оценивать качество запаха или вкуса, он лишь сравнивает полученные параметры с человеческими ощущениями.

Для роботов разработано уже множество разнообразных «органов чувств» — сенсоров. Некоторые способны фиксировать ощущения за гранью человеческого восприятия. Пример тому — глаз, составленный из большого количества фототранзисторов, сориентированных в разных направлениях, улавливающих световую информацию, и в виде электрических импульсов, передающих ее в искусственную нейронную сеть. Сейчас экспериментаторы пытаются научить робота ориентироваться в пространстве по световым сигналам.

Другие специализированные машины умеют определять присутствие воды и других жидкостей; «видят» тепло с помощью термовизуальных сканеров; улавливают разницу между твердым и мягким благодаря тактильным сенсорам. Таким роботам уготована служба в самых разных экстремальных условиях — от обработки токсичных веществ до применения в космосе.

Однако ученые сдерживают свои фантазии, ставя перед собой конкретные прикладные задачи. Пока никакие самые совершенные искусственные органы чувств, никакая система синтетических ощущений не могут тягаться с восприятием самых «простых» живых созданий.

Cпектр сенсорного восприятия у многих животных шире, чем у человека, поэтому братья наши меньшие могли бы многое поведать о недоступном нам мире. Ведь зрительный и слуховой аппараты человека воспринимают достаточно ограниченный диапазон световых и звуковых волн, а вкусовой и обонятельный — не способны распознавать на расстоянии химические вещества. Увы, для восприятия немалого числа сигналов, поступающих из окружающего мира, у нас просто-напросто нет рецепторов.

А вот многие представители животного мира приспособились воспринимать информацию о среде крайне оригинальными способами. Сенсорные способности животных столь же разнообразны, сколь и их виды.

Специалисты, занятые разработками в области биоакустики, не только подробнейшим образом изучили и систематизировали слуховые способности животных на земле, в воздухе и под водой, но и открыли много нового касательно зрительных, химических и магнетических способов их ориентации.

Человеку доступны звуки частотой от 20 до 20 000 герц. А вот некоторые животные способны улавливать как ультразвук, так и инфразвук. В брачный период горбатые киты «поют» свои песни неразличимым для человеческого уха «басом».

Длинные звуковые волны, преодолевая огромные расстояния, достигают адресата: самки чутко улавливают призывные вибрации. Из наземных млекопитающих инфразвук доступен слонам. Мощные низкочастотные сигналы — эдакий «молчаливый гром» — сочетаются у этих гигантов со зрением, обонянием, языком прикосновений. Все это помогает им вести сложный групповой образ жизни. Но вот как киты и слоны улавливают инфразвук на далеком расстоянии и как с его помощью ориентируются — пока неизвестно.

Дельфины тоже полагаются на cвой слух, но они способны улавливать только высокочастотные звуки. Объяснение простое: им нет нужды далеко путешествовать, добывая себе пропитание. Они довольствуются быстрой и юркой рыбой, которую гораздо проще «запеленговать» с помощью ультракоротковолнового природного «локатора».

Ставку на обоняние сделали рептилии. В сочетании с языком парный орган Якобсона способен, в частности, безошибочно улавливать и распознавать запах секрета, выделяемого сородичами. Высовывая язык, змея всего несколько секунд ловит им пахучие молекулы, находящиеся в воздухе или на субстрате. Потом убирает язык в отверстие Якобсонова органа и мгновенно получает полную информацию о химических соединениях. Точный «химанализ» веществ в мизерной концентрации позволяет им безошибочно находить добычу, источник воды, а в сезон размножения — пару.

Цветы привлекают пчел не только ароматом, улавливаемым обонятельными чувствительными клетками усиков, но и окраской. У пчелы пять глаз: 2 больших — с 6 900 шестиугольными фасетками (структурные единицы глаза), улавливающими лучи света под малым углом зрения, и 3 — однолинзовых — чувствительных к интенсивности света. Некоторые насекомые и птицы видят мир в ультрафиолетовом свете, в котором цветовые пигменты отражаются иначе, поэтому окружающий мир они видят более ярким, чем человек.

Похоже, глаз птицы наделен одной загадочной способностью — ощущает магнетизм, который и позволяет крылатым странникам не сбиваться с традиционных маршрутов своих дальних перелетов. Экспериментально подтверждено, что домашние голуби ориентируются по запаху и магнетическим ощущениям.

Клетки сетчатки птичьего глаза содержат особые компоненты, позволяющие чувствовать магнитное поле, но только при солнечном свете. Ученые уверены, что все животные в большей или меньшей степени наделены магнетическими ощущениями. Зафиксирована реакция на магнитные поля у пчел, черепах, радужной форели, домашних голубей и обычной мухи. Новозеландские исследователи, к примеру, выделили особые клетки, по свойствам напоминающие магнит. Такие клетки, ведущие себя наподобие стрелки компаса, расположены на морде радужной форели и в клюве некоторых птиц.

Интересно, что крошечные кусочки минерального магнита были найдены и в образцах человеческого мозга. Видимо, такие частицы могут действовать как встроенный компас, наделяя человека чувством направления.

Игорь Аникеев