Почему мозг достраивает картину мира и создаёт иллюзии

Мозг достраивает картину мира каждый раз, когда мы открываем глаза. То, что мы воспринимаем как непрерывную и подробную реальность, не является простой копией изображения, попавшего на сетчатку. Мозг объединяет поступающие сигналы с контекстом, прошлым опытом и ожиданиями — и из этого создаёт наиболее вероятную картину происходящего.

Это легко не заметить, потому что результат обычно выглядит совершенно убедительно. Например, в каждом глазу есть слепое пятно — участок сетчатки, где зрительный нерв выходит из глаза и фоторецепторов нет. В повседневной жизни мы не видим постоянную дыру в поле зрения: зрительная система использует информацию вокруг неё и данные от второго глаза, поэтому пробел обычно остаётся незаметным.

Это не исключение. Сенсорная информация постоянно оказывается неполной, шумной или неоднозначной. Освещение меняется, часть предметов закрыта другими объектами, изображение движется по сетчатке при каждом движении глаз. Тем не менее мир не кажется нам набором обрывочных сигналов.

Восприятие — не фотография

Глаз передаёт мозгу информацию о свете, цвете, контрасте, движении и других свойствах изображения. Но сами эти сигналы ещё не говорят однозначно, что находится перед нами.

Один и тот же рисунок на сетчатке может возникнуть от разных объектов и при разных условиях освещения. Поэтому мозгу приходится интерпретировать входные данные. Контекст помогает решить, какие линии принадлежат одному предмету, какой объект находится ближе, где заканчивается тень и что, вероятнее всего, скрывается за препятствием.

Именно поэтому зрительные иллюзии так показательны. Два физически одинаковых элемента могут казаться разными из-за окружения. Неподвижное изображение может создавать ощущение движения. Неоднозначная фигура способна внезапно «переключаться» между двумя интерпретациями, хотя само изображение не изменилось.

В подобных случаях меняется не внешний стимул, а его интерпретация.

Это не означает, что мозг произвольно выдумывает окружающий мир. Сенсорные данные жёстко ограничивают возможные интерпретации. Но восприятие возникает из сочетания того, что поступило от органов чувств, и того, что нервная система уже знает о вероятном устройстве окружающей среды.

Ожидание меняет даже раннее зрение

Насколько глубоко ожидания способны влиять на обработку зрительной информации, хорошо показывает эксперимент Питера Кока, Яннеке Йехи и Флориса де Ланге, опубликованный в журнале Neuron в 2012 году.

Исследователи набрали 20 здоровых добровольцев; данные 18 человек вошли в окончательный анализ. Участники смотрели на простые изображения из полос, различавшихся по ориентации. Перед изображением звучал тон, который с вероятностью 75% предсказывал, какую ориентацию полос человек сейчас увидит.

Во время задания активность мозга измеряли с помощью функциональной МРТ. Исследователи анализировали не только общую силу ответа зрительной коры, но и распределение активности, позволяющее определить, какую информацию о стимуле содержит нейронный сигнал.

Получился на первый взгляд странный результат. Когда изображение соответствовало ожиданию, общая активность первичной зрительной коры V1 была ниже. Но информация об ориентации полос в этом сигнале становилась более различимой.

Иными словами, ожидаемый стимул вызывал меньший общий ответ, но его нейронное представление было точнее.

Участники также лучше различали небольшие изменения ориентации ожидаемых изображений. Улучшение поведения было связано с тем, насколько сильнее ожидание улучшало представление стимула в V1.

Авторы интерпретировали результаты как «заострение» сенсорного представления: ожидание может подавлять менее полезную активность и тем самым делать важные особенности изображения более отчётливыми. Однако это был небольшой эксперимент с простыми зрительными стимулами, поэтому из него нельзя заключить, что найден единый механизм всего человеческого восприятия.

Мозг как система предсказаний

С этим результатом хорошо согласуется влиятельная идея, известная как predictive processing — предиктивная обработка информации.

В её упрощённом варианте мозг не ждёт пассивно полного набора сенсорных данных. Он постоянно формирует предположения о том, что должен увидеть, услышать или почувствовать, а затем сравнивает эти ожидания с поступающими сигналами.

Особенно важной становится разница между ожиданием и реальными данными — ошибка предсказания. Если происходящее соответствует ожидаемому, нет необходимости одинаково интенсивно обрабатывать каждую деталь. Если появляется что-то неожиданное, несоответствие требует дополнительной обработки и может заставить систему изменить свою внутреннюю модель.

Такой принцип выглядит привлекательным потому, что реальному организму редко доступны идеальные данные. Быстрое распознавание опасности, лица или знакомого предмета гораздо полезнее, чем попытка каждый раз заново анализировать всю сцену как набор отдельных пикселей.

Но predictive processing — это теоретическая рамка, а не окончательно доказанная единая теория мозга. Исследователи продолжают спорить о том, насколько широко этот принцип можно применять и какие именно нейронные механизмы реализуют предсказания в разных системах.

И для понимания иллюзий даже не требуется считать, что всё восприятие работает исключительно по одной такой схеме. Достаточно более фундаментального факта: восприятие зависит не только от сенсорного сигнала, но и от контекста, внимания, опыта и ожиданий.

Отсюда и возникает кажущийся парадокс. Система, позволяющая нам надёжно ориентироваться в мире, одновременно способна вводить нас в заблуждение.

Но иллюзии — не доказательство того, что зрение работает плохо. Наоборот, многие из них показывают правила, которые в обычной жизни помогают мозгу быстро находить наиболее вероятное объяснение неполных данных. Иногда необычно построенное изображение использует эти правила против самой системы восприятия — и тогда мы видим то, чего в физическом стимуле буквально нет, или неправильно оцениваем то, что там есть.

Мы поэтому воспринимаем не необработанный поток света, достигающий сетчатки. Мы воспринимаем результат работы нервной системы, которая непрерывно отбирает, сопоставляет и интерпретирует информацию.

Большую часть времени эта реконструкция настолько точна, что мы вообще не замечаем её существования. Иллюзии интересны именно потому, что на несколько секунд делают этот скрытый процесс видимым.