Как мозг дорисовывает реальность: ученые используют слепое пятно в сетчатке глаза для проверки теорий сознания

В 1668 году французский физик Эдм Мариотт провел простой эксперимент. Он закрепил на уровне глаз две небольшие монеты на расстоянии около одного метра друг от друга. Затем он закрыл левый глаз, а правым стал смотреть на левую монету. Постепенно отступая назад, Мариотт обнаружил интересную вещь: на определенном расстоянии правая монета полностью исчезла из его поля зрения.

Это открытие потрясло королевский двор Франции и научное сообщество того времени. Мариотт экспериментально доказал существование физиологического слепого пятна — области на нашей сетчатке, которая абсолютно слепа. В этом месте зрительный нерв выходит из глазного яблока и направляется к головному мозгу. Здесь физически нет места для светочувствительных клеток — ни палочек, ни колбочек.

Каждый день мы смотрим на мир через две огромные дыры в нашем зрении. Размер каждой из них в угловых величинах сопоставим с размером человеческого лица на расстоянии двух метров. Тем не менее в повседневной жизни мы не замечаем никаких темных пятен или провалов. Мозг непрерывно и незаметно заполняет пустоту информацией, которую он берет из окружающих областей.

Как именно происходит это заполнение и меняется ли при этом наше восприятие пространства, долгое время оставалось загадкой. Сегодня этот вопрос превратился в полигон для одного из самых важных экспериментов в современной науке о мозге. Ведущие нейробиологи мира решили использовать слепое пятно, чтобы разрешить спор о природе человеческого сознания.

Группа исследователей из Великобритании, Канады и Нидерландов опубликовала подробный протокол масштабного исследования в научном журнале PLOS One. Ученые, представляющие три принципиально разные теории сознания, объединились, чтобы провести один совместный эксперимент. Его результаты должны экспериментально доказать, кто из них прав, а кто ошибается.

Суть конфликта: как мозг строит реальность

Главный вопрос эксперимента формулируется просто: как человек воспринимает пространство и геометрические размеры предметов в той области, откуда мозг не получает никаких прямых сигналов?

Конкурирующие научные школы дают на этот вопрос три взаимно исключающих ответа.

Теория интегрированной информации (IIT) Джулио Тонони

Эта теория утверждает, что наше сознание и то, как мы воспринимаем мир, напрямую зависят от физической структуры связей между нервными клетками в мозге.

В затылочной доле коры головного мозга есть область, которая отвечает за первичное зрение. Она устроена как точная геометрическая карта сетчатки глаза. Каждой точке на сетчатке соответствует своя группа нейронов в мозге. Поскольку в зоне слепого пятна на сетчатке нет рецепторов, в мозг от нее не поступают сигналы. Из-за этого в соответствующей области коры формируется гораздо меньше нейронных связей.

Согласно теории Тонони, если в физической структуре связей мозга есть дефицит, то и наше внутреннее, субъективное ощущение пространства в этой зоне должно деформироваться.

• Прогноз теории: человек будет воспринимать пространство вокруг слепого пятна как сжатое. Расстояния между объектами, которые пересекают эту невидимую зону, покажутся нам меньше, чем они есть на самом деле, а площади предметов — сокращенными.

Теория предиктивного кодирования (Active Inference) Карла Фристона

Эта концепция рассматривает мозг не как пассивный приемник видеосигнала, а как сложный вычислительный центр, который постоянно строит предсказания о внешнем мире.

С точки зрения Фристона, мы видим не реальные сигналы, поступающие от глаз, а внутреннюю модель реальности, которую мозг рассчитал на основе прошлого опыта и законов физики. Мозг знает, что физическое пространство непрерывно и однородно. Поэтому его внутренняя модель игнорирует физиологические дефекты глаза. Он просто вычисляет, что должно находиться в слепой зоне, исходя из того, что расположено вокруг нее.

• Прогноз теории: никаких искажений геометрии пространства не произойдет. Субъективно человек будет воспринимать расстояния и размеры абсолютно правильно. Единственное отличие будет заключаться в точности оценок: из-за нехватки реальных данных ответы участников эксперимента будут более хаотичными и менее уверенными.

Нейрорепрезентационализм (NREP) Сириэла Пеннартца

Эта теория предлагает промежуточный вариант. Она согласна с тем, что мозг строит предиктивную модель мира, но подчеркивает, что эта модель постоянно корректируется другими органами чувств — движениями глаз, поворотами головы и осязанием.

Мозг собирает данные из разных источников и объединяет их в единую систему координат. Поскольку для построения картины в районе слепого пятна мозгу приходится делать сложные математические вычисления и сопоставлять данные от разных органов чувств, на границах этой зоны может возникать небольшая погрешность.

• Прогноз теории: серьезных искажений пространства не будет, но ученые зафиксируют крошечное, едва заметное смещение в оценках размеров из-за погрешностей при совмещении разных систем координат.

Как устроен эксперимент

Чтобы проверить эти гипотезы, исследователям потребовалось создать условия, в которых можно измерить человеческое восприятие с точностью до долей миллиметра. Проблема в том, что у человека два глаза, и их слепые пятна находятся в разных частях поля зрения. Когда мы смотрим на мир двумя глазами, левый глаз видит то, что попадает в слепую зону правого, и наоборот.

Чтобы изучить работу слепого пятна, ученым нужно было тестировать только один глаз, но при этом избежать утомления мышц лица, которое возникает, если человек просто зажмуривается.

Для решения этой задачи исследователи применили систему раздельного показа изображений:

1. Цветные очки: участники эксперимента надевают очки с красным и зеленым стеклами. На экран выводятся объекты разных цветов на специальном фоне. Благодаря фильтрам левый глаз видит только зеленые объекты, а правый — только красные. Это позволяет тестировать слепое пятно одного глаза, сохраняя оба глаза открытыми.
2. Сверхточный контроль взгляда: участник фиксирует голову на специальной подставке и смотрит на крестик в центре экрана. Перед его лицом установлена скоростная камера-айтрекер. Она делает снимки глаз сотни раз в секунду. Если человек переведет взгляд хотя бы на долю градуса, компьютер мгновенно отключит изображение на экране. Это гарантирует, что тестовые объекты будут появляться строго на границах слепого пятна.
3. Индивидуальная калибровка: перед началом основных тестов ученые до секунды выверяют форму, размер и точное положение слепого пятна на сетчатке конкретного человека, так как у каждого человека его параметры уникальны.

После калибровки участники проходят три основных теста.

Тест первый: измерение расстояний

На экране на короткое время появляются две пары точек. Одна пара расположена в обычной зоне видимости. Точки второй пары находятся по разные стороны от слепого пятна — так, чтобы воображаемая линия между ними проходила прямо через слепую зону.

Участник должен ответить, в какой паре точки расположены ближе друг к другу. Если правы сторонники первой теории (IIT), то из-за сжатия пространства точки, разделенные слепым пятном, будут казаться людям более близкими, чем они есть на самом деле.

Тест второй: оценка площади

Участникам показывают круг, который физически окружает их слепое пятно. В центре экрана появляется другой круг, размер которого можно менять с помощью колесика мыши.

Задача испытуемого — настроить размер центрального круга так, чтобы он казался точно таким же по площади, как и периферийный круг вокруг слепого пятна. Если пространство внутри слепой зоны сжимается, то внешний круг будет казаться меньше своего реального размера, и человек настроит центральный круг на меньшую площадь.

Тест третий: оценка кривизны движения

По экрану движется точка. Ее траектория прокладывается в непосредственной близости от границы слепого пятна. На самом деле точка движется по идеально прямой линии.

Участник эксперимента должен определить, была ли траектория прямой или изогнутой. Если пространство вокруг слепой зоны деформировано, прямая линия движения покажется человеку искривленной.

Почему важен формат научной дуэли

Обычно научные исследования устроены иначе. Каждая группа ученых работает в своей лаборатории, проводит собственные тесты и часто интерпретирует любые неоднозначные результаты в пользу своей любимой теории. Это приводит к затяжным спорам, которые могут длиться десятилетиями.

Карл Фристон, Джулио Тонони и Сириэл Пеннартц заранее договорились о том, как именно будет проходить эксперимент. Они совместно разработали программу, утвердили математические методы обработки данных и открыто опубликовали свои прогнозы еще до начала сбора данных.

Это означает, что ученые добровольно лишили себя возможности скорректировать свои гипотезы после того, как увидят результаты. Какими бы ни оказались финальные данные, исследователям придется признать правоту или ошибку своих теоретических построений.

Что это меняет для нас?

Спор вокруг слепого пятна, кроме попытки попытки разобраться в деталях работы человеческого глаза, это еще и фундаментальный спор о том, как устроено наше сознание.

Если результаты подтвердят теорию интегрированной информации (IIT), это будет означать, что наше восприятие реальности жестко ограничено физической архитектурой мозга. Наше сознание в таком случае — это прямой продукт физических нейронных сетей, и любые дефекты или особенности этих сетей напрямую меняют то, как мы чувствуем пространство, время и геометрию мира.

Если же подтвердится теория активного предсказания, это докажет, что наш разум работает гораздо более гибко. Сознание в этой трактовке оказывается сложной программой, которая рассчитывает оптимальную модель окружающего мира. Мозг успешно преодолевает любые несовершенства наших органов чувств, создавая для нас иллюзию стабильной и непрерывной реальности.

Истина будет установлена после того, как лаборатории в Глазго и Торонто завершат сбор данных у всех участников эксперимента. Независимо от того, какая теория окажется ближе к реальности, этот эксперимент станет важным шагом вперед для когнитивной науки. Он показывает, как совместная работа ученых и строгие методы проверки могут превратить физиологический недостаток нашего тела в инструмент для изучения механизмов человеческого разума.

Источник:PLOS One