Помоги проекту - поделись книгой:
На самом-то деле нейронаука не сумела ни подтвердить, ни опровергнуть такие гипотезы, поскольку трудно определить, какие именно изменения в мозгу способствуют обучению. Может быть, движение «От нуля до трех лет» сумело бы обосновать свои идеи детерминизма с помощью неофренологической теории, согласно которой процесс обучения происходит благодаря созданию синапсов? (Давайте пока не обращать внимания на веские доказательства, свидетельствующие против этой теории.) Ответ – да, сумело бы. Но только если возникновение новых синапсов оказалось бы невозможным у
Однако возникла и вторая форма – «отрицание переподключения». Собственно, «провода» в мозгу прокладываются в самом начале жизни, когда нейроны простирают во все стороны свои аксоны и дендриты. В ходе развития происходит и втягивание нейронных отростков. С помощью микроскопии удается наблюдать за этими захватывающими процессами. Часто кончик аксона завязывает синапс на дендрите, хватая его, словно синапс – это рука. Создание его, по-видимому, способствует дальнейшему росту аксона, хотя если такой синапс самоуничтожается, аксон «разжимает хватку» и втягивается обратно. Вообще говоря, аксональные отростки, похоже, нестабильны, пока не образуют синапсы. И хотя в юном мозгу рост и втягивание таких отростков – процессы весьма динамичные, отрицатели переподключения полагают, что к зрелости эти процессы затухают. «Провода» могут соединяться по-новому с помощью синапсов, и синаптический вес – меняться благодаря изменению силы синапсов, однако сами провода жестко зафиксированы.
Переподключение – предмет жарких споров: многие специалисты полагают, что оно играет важную роль в перекройке карт мозга, тех кардинальных изменениях его функционирования, которые наблюдаются после мозговой травмы или ампутации. Чтобы по-настоящему понять важность переподключения, нам следует вернуться к более фундаментальному вопросу: что определяет функции того или иного участка мозга?
Само понятие об участке мозга, выполняющем определенную функцию, основано на эмпирических фактах. Путем измерения нервных импульсов удается показать, что нейроны головного мозга, расположенные поблизости друг от друга (мы имеем в виду соседствующие тела клеток), склонны обладать сходными функциями. Можно представить себе иной тип мозга, где нейроны хаотически разбросаны вне всякой связи с их функциями. Такой мозг бессмысленно разделять на участки.
Но почему нейроны на одном и том же участке обычно имеют похожие функции? Одна из причин – в том, что большинство связей в мозгу осуществляется между близлежащими нейронами. А значит, нейроны данного участка «прислушиваются» главным образом друг к другу, поэтому логично предположить, что у них сходные функции – точно так же, как мы ожидаем меньшего разнообразия мнений в относительно замкнутой группе людей. Но это лишь часть истории.
В мозгу есть и кое-какие связи между отдаленными нейронами. Собственно, нейроны того или иного участка «слушают» не только соседей, но и своих собратьев из других полей мозга. Могут ли эти далекие источники нервных импульсов стать причиной усиления разнообразия? Могли бы, но только если бы они были распределены по всему мозгу. На самом же деле такие источники обычно сосредоточены лишь в ограниченном количестве участков мозга. Вернемся к нашей социальной аналогии и сравним участок мозга с группой людей, которая немного прислушивается к окружающему миру, но лишь посредством чтения газет и просмотра телепрограмм, причем все члены сообщества читают одни и те же газеты и смотрят одни и те же передачи. Такие внешние влияния окажутся чересчур скудными, они тоже не приведут к росту разнообразия (мнений ли, нейронных ли связей).
Почему дальние связи ограничены таким образом? Наверняка дело в организации «подключения проводов» в мозгу (его «монтажной схеме»). В большинстве парных участков мозга не хватает аксонов между половинками пары, так что у их нейронов просто нет возможности завязать контакты друг с другом. Иными словами, каждый участок мозга подключен к ограниченному набору участков-источников и участков-«мишеней». Этот набор именуют «коннекционным отпечатком», поскольку он, судя по всему, уникален для каждого участка мозга. Такой отпечаток часто несет в себе массу ценной информации касательно функций данного участка. Например, причина того, что бродмановское поле 3 передает тактильные ощущения (об этой функции я писал ранее), состоит в том, что эта область подключена к нервным путям, проводящим сигналы прикосновения, температуры и боли от спинного мозга к головному. Аналогичным образом причина того, что бродмановское поле 4 контролирует движения, состоит в том, что эта область направляет много аксонов в спинной мозг, который, в свою очередь, подключен к мышцам нашего тела.
Из этих примеров как будто следует, что функция того или иного участка мозга сильно зависит от его подключения к другим участкам. Если это так, сдвиги в подключении должны приводить к изменению функции. Не мешает отметить, что этот принцип был продемонстрирован путем переподключения слуховой области коры так, чтобы она выполняла роль зрительной. Первый шаг на этом пути сделал в 1973 году Джеральд Шнайдер, разработавший оригинальный метод изменения маршрутов аксонов, растущих в головном мозге новорожденных хомячков. Намеренно повреждая определенные участки мозга, он направлял аксоны сетчатки в сторону от их обычной цели (зрительного нерва) к альтернативному пункту назначения – слуховому нерву. В итоге визуальные сигналы направлялись в ту кортикальную область, которая обычно отвечает за слуховое восприятие.
Функциональные следствия такого переподключения исследовали уже в 1990-е годы Мриганка Сур и ее сотрудники. Воспроизведя опыты Шнайдера на хорьках, они показали, что нейроны слуховой коры в таком случае начинают откликаться на визуальные раздражители. Более того, хорьки сохраняют способность видеть даже после того, как их зрительная кора «отключена», – вероятно, задействуя кору слуховую. Оба этих доказательства указывают на то, что слуховая кора изменила свою функцию, как бы став зрительной. Подобная «кроссмодальная» пластичность наблюдается и у людей. Например, если человек с ранних лет слеп, его зрительная кора активируется, когда он читает шрифт Брайля кончиками пальцев.
Такие наблюдения согласуются с доктриной Лешли об эквипотенциальности, однако здесь есть важная оговорка. Та или иная кортикальная область действительно способна научиться выполнять любую функцию, но лишь если у нее уже существует необходимое подключение к другим участкам мозга. Если бы каждый участок коры был подключен ко всем остальным (и ко всем участкам мозга вне коры), эквипотенциальность не требовала бы никаких дополнительных условий. Может быть, мозг стал бы гораздо более «гибким» и устойчивым к повреждениям, если бы «всё было подключено ко всему»? Может, и так. Но тогда он разбух бы до поистине гигантских размеров. Все эти «провода» занимают место, к тому же потребляют энергию. А мозг явно эволюционировал с учетом соображений экономии. Вот почему подключение одного участка мозга к другому весьма избирательно.
Эксперименты Шнайдера и Сур побудили юные мозги изменить схему подключения. А как насчет зрелого мозга? Если подключения между различными участками мозга становятся фиксированными во взрослые годы, то это должно ограничивать возможности изменений. И наоборот: если взрослый мозг способен переподключаться, у него больше шансов для восстановления после травм и болезней. Вот почему исследователи так хотят узнать, возможно ли переподключение в зрелом возрасте. А если возможно, то нельзя ли найти методы лечения, которые будут этому способствовать?
В 1970 году в поле зрения лос-анджелесских соцработников попала одна тринадцатилетняя девочка – немая, встревоженная, с большим отставанием в развитии. Джени (это псевдоним) стала жертвой чрезвычайно жестокого обращения. Всю свою недолгую жизнь она провела в изоляции: отец девочки держал ее в одной комнате и даже иногда связывал – чтобы не убежала. Узнав о Джени, общественность прониклась к ней сочувствием. Врачи и ученые надеялись, что она сумеет оправиться от физических и психических травм детства. Они решили помочь ей освоить язык и другие навыки социального поведения.
В том же году вышел фильм Франсуа Трюффо «Дикий ребенок» – о «маугли» из Аверона. Мальчика, названного Виктором, нашли примерно в 1800 году, он бродил, голый и одинокий, по лесам Франции. Делались попытки приобщить его к цивилизации, но он лишь научился произносить несколько слов. История сохранила и другие примеры «маленьких дикарей», выросших без человеческой любви и заботы. Ни один такой ребенок так и не научился говорить.
Подобные случаи показывают: по всей вероятности, существует некий
Когда нашли Джени, ученые рассчитывали, что ее случай может опровергнуть гипотезу о критическом периоде. Они решили изучать Джени в процессе ее реабилитации. Девочка достигла обнадеживающих результатов в освоении языка, но в конце концов финансирование этих работ иссякло. И тогда жизнь Джени совершила трагический поворот. Ей пришлось сменить несколько приютов, и ее умственные способности, судя по всему, деградировали.
Эти исследования уже завершались, когда в научных журналах появились статьи, где сообщалось, что Джени по-прежнему выучивает новые слова, но синтаксис дается ей с трудом. Судя по научно-популярным работам о ней, появившимся позже, ученых это обескуражило: они предрекали, что она никогда не научится правильно строить фразу. Мы не узнаем, продвинулась бы Джени по этому пути дальше или нет. Ее случай дает кое-какие свидетельства в пользу существования критического периода для успешного освоения языка, однако трудно делать четкие научные выводы на основании этой истории, сколь бы грустной и трогательной она ни была.
Окулисты постоянно сталкиваются с менее угнетающими формами неполноценности, связанной с нехваткой нужных раздражителей. Ослабление зрения для одного глаза часто проходит незамеченным, если другой глаз по-прежнему видит нормально. Очки или удаление катаракты легко позволяют скорректировать проблему, связанную с одним глазом. Однако пациент, возможно, все равно не будет нормально видеть этим глазом или же будет страдать стереослепотой, поскольку у него что-то не так в мозгу. (Может быть, вы надевали 3D-очки в кино. Они создают ощущение глубины, посылая в ваши глаза чуть-чуть отличающиеся друг от друга картинки. Стереослепотой называется расстройство зрения, при котором человек не способен в таких случаях воспринимать трехмерное изображение.) Специалисты называют это отклонение амблиопией («ленивым глазом», «затуманенным зрением»), однако здесь повинен не только глаз, но и мозг.
Амблиопия показывает: зрение – не просто врожденная способность. Мы должны учиться видеть, приобретая новый опыт, и для такого обучения тоже существует критический период. Если в течение определенного отрезка времени мозг лишен нормальных визуальных стимулов, поступающих от одного из глаз, тот не будет развиваться нормально. Во взрослые годы уже ничего не исправить. Но детям возвращают нормальное зрение, если амблиопию обнаруживают и лечат в
Похоже, амблиопия подтверждает тезис, выраженный в заглавии фильма Роба Райнера: «Первые годы жизни длятся вечно». Раннее вмешательство в физиологию играет важнейшую роль, заявляет движение «От нуля до трех лет». Лечение амблиопии как будто показывает, что после завершения критического периода мозг становится менее «ковким». Но может ли нейробиология показать это напрямую? Как слабое или откорректированное зрение меняет мозг в критический период и почему такие изменения не происходят позже?
В 1960-е – 1970-е годы Дэвид Хьюбел и Торстен Визель изучали эти вопросы, проводя опыты на котятах. Чтобы имитировать амблиопию, они прикрывали им один глаз, вызывая, как они это называли, «монокулярную депривацию». Спустя несколько месяцев они снимали накладку и проверяли зрение своих подопечных. Котята, как и люди, страдающие амблиопией, плохо видели тем глазом, который был лишен визуальных раздражителей. В попытке выяснить, что изменилось в мозгу подопытных животных, Хьюбел с Визелем записали нервные импульсы нейронов бродмановского поля 17. Поскольку эта кортикальная область играет важную роль в зрительном восприятии, ее называют также первичной зрительной корой (зрительной зоной V1). Они измерили степень отклика каждого нейрона левого и правого глаза на визуальную стимуляцию. В глазу, который был лишен зрительных стимулов, лишь немногочисленные нейроны отозвались на такую стимуляцию.
Итак, функции нейронов первичной зрительной коры изменились из-за монокулярной депривации. Может быть, это вызвано переменами в коннектоме? Неплохая догадка – если мы верим в максиму коннекционистов, согласно которой функции нейрона определяются главным образом его связями с другими нейронами. В 1990-е годы Антонелла Антонини и Майкл Страйкер опубликовали результаты экспериментов, указывающие на то, что в подобных случаях происходит переподключение аксонов, доставляющих визуальную информацию в зону V1. Каждый входящий аксон – монокулярный, т. е. несет сигналы лишь от одного глаза. Лишение одного глаза визуальных стимулов заставляет аксоны резко втягиваться, а аксоны другого глаза расти. В результате происходит переподключение, и нервные пути, ведущие от несчастного глаза к зоне V1, исчезают, однако создаются новые пути – от другого глаза к V1. Вот правдоподобное объяснение того, почему Хьюбел и Визель обнаружили лишь небольшую долю нейронов зоны V1, откликающихся на сигналы от глаза, который перед этим был лишен зрительных стимулов.
Обнаружение такого переподключения зоны V1 сыграло важную роль в нейронауке, позволив выявить коннектомное изменение, которое может лежать в основе процесса обучения. Поскольку переподключение и создает, и уничтожает синапсы и нервные пути, оно становится еще одним аргументом против неофренологической гипотезы, согласно которой обучение сводится просто к созданию новых синапсов.
Антонини и Страйкер получили возможность рассмотреть и другую проблему: почему по завершении критического периода мозг становится менее пластичным? Хьюбел и Визель продемонстрировали, что монокулярная депривация вызывает изменения в зоне V1 у котят, но не у взрослых особей. Эти изменения обратимы, пока котята молоды, однако делаются необратимыми во взрослые годы. Антонини и Страйкер объясняли это, показывая, что в зрелом возрасте монокулярная депривация не приводит к переподключению зоны V1. Более того, переподключение, спровоцированное в критический период, обратимо, если монокулярную депривацию оборвать на ранней, а не на поздней стадии.
Работы Антонини и Страйкера вроде бы говорят в пользу эффективности раннего вмешательства, о котором твердят сторонники движения «От нуля до трех лет». Однако в таком рассуждении кроется подвох, о котором предупреждал Уильям Гринаф, тот самый, который обнаружил интенсификацию нейронных связей в головном мозге крыс, помещенных в обогащенную среду. Амблиопия, как и одинокое взросление Джени, лишает ребенка возможности приобретать нужный опыт, какой получают в нормальных условиях. Вероятно, у такой депривации тоже есть свой критический период. Не следует ли из этого, что существует и критический период для обогащения детства особыми разновидностями опыта?
Нет, не следует, отвечают нам Гринаф и его коллеги. Поскольку такие разновидности опыта, как визуальная стимуляция и нахождение в среде родного языка, на протяжении всей истории человечества доступны всем детям, находящимся в нормальных условиях, мозг в ходе своего развития у каждого конкретного ребенка как бы «ожидает», что с ними встретится, и уже успел эволюционировать так, чтобы в значительной степени полагаться на этот опыт. В то же время такие разновидности опыта, как чтение книг, не были доступны нашим предкам. И возможно, мозг не успел эволюционировать так, чтобы зависеть от этих навыков. Вот почему взрослый человек по-прежнему может научиться читать, даже если в детстве ему не предоставили такую возможность.
На самом-то деле движению «От нуля до трех лет» нужен пример существования критического периода для обучения на основе
Легко можно догадаться, что поначалу Стрэттон переживал острую потерю ориентации, его даже тошнило. То, что он видел, противоречило его движениям. Пытаясь дотянуться до предмета, лежащего сбоку от него, он использовал не ту руку. А когда он поправлял себя и тянулся нужной рукой, уже самое простое действие вроде наливания молока в стакан оказывалось для него весьма изматывающим процессом. Зрение конфликтовало и с его слухом: «Я сидел в саду, и мой друг, который со мной разговаривал, начал бросать камешки где-то в боковой части моего поля зрения. Но звук падающих камешков долетал до меня не с той стороны, с которой я невольно ожидал его услышать, наблюдая их полет, а с противоположной». Однако на восьмой день, к тому времени, как Стрэттон закончил свой эксперимент, ученый двигался с куда большей свободой, и его зрение пришло в согласие со слухом: «Например, костер потрескивал именно там, где я его видел. И постукивание карандаша по ручке кресла исходило, несомненно, от видимого мною предмета».
По сути, Стрэттон обнаружил, что мозг способен на «перекалибровку» зрения, слуха и движений, дабы разрешать возникающие между ними конфликты. Хирургиофтальмологи сталкиваются с такой же перекалибровкой у страдающих страбизмом. Это отклонение, обычно именуемое косоглазием, иногда удается исправить операцией на глазодвигательных мышцах, отвечающих за вращение глазного яблока. Его поворот, происходящий в результате операции, меняет зрение пациентов, как бы поворачивая и мир вокруг них. Такой сдвиг можно обнаружить путем несложного опыта: пациента просят указать на некий объект, но не позволяют при этом видеть свою указывающую руку. Пациент неизменно промахивается, указывая в пространство сбоку от объекта, поскольку теперь его движения приходят в противоречие с его изменившимся зрением. Но если провести такой же эксперимент через несколько дней после операции, подобные ошибки будут возникать реже, свидетельствуя о том, что мозг проводит перекалибровку.
Что же происходит в мозгу пациента, приспосабливающегося к последствиям операции по лечению косоглазия? С 1980-х годов Эрик Кнудсен с коллегами разбирался в этой проблеме, проводя эксперименты на сипухах, птицах, внешне похожих на сов. На птиц надевали специальные очки, отклонявшие свет и тем самым поворачивавшие воспринимаемый мир вправо на 23°. Так ученые моделировали поворот воспринимаемого мира, вызываемый операцией по лечению косоглазия. (Подобные очки используются для лечения тяжелой формы страбизма.) Птицы, выросшие с этими очками, вели себя в буквальном смысле «со сдвигом»: слыша звук, они поворачивали голову не к его источнику, а правее. Эта «сдвинутость» позволяла им смотреть прямо на источник звука, компенсируя поворот, который давали очки.
Чтобы изучить нейронные причины этих поведенческих изменений, Кнудсен и его коллеги исследовали inferior colliculus – нижний холмик. Эта часть мозга играет важную роль в определении направления, с которого приходит звук: она сравнивает сигналы, поступающие от левого и правого уха. Подобно карте человеческого тела, существующей в бродмановских полях 3 и 4 (помните сенсорного и моторного гомункулуса?), в нижнем холмике есть карта внешнего мира. Записывая нервные импульсы нейронов этой мозговой структуры, Кнудсен и его сотрудники показали, что на ее карте происходит своего рода смещение в направлении, согласующемся с «кривобоким» поведением. Ученые показали также, что на этой карте смещаются входящие аксоны, а значит, перекройку карты, возможно, вызывает их переподключение.
Позже Кнудсен с коллегами продемонстрировали существование критического периода для обучения, работая с птицами разного возраста, – надевая им такие очки или снимая их Надевание очков на взрослых сипух, выросших в нормальных условиях, не меняло их зрительного поведения. Для молодых особей, выросших в очках, их эффект оказывался обратимым, если очки снимали сравнительно рано, а не в зрелом возрасте.
Основываясь на примерах с нижним холмиком и зрительной зоной V1, как будто можно заключить, что во взрослом мозгу переподключение невозможно. Значит, вот почему взрослым гораздо труднее приспосабливаться к переменам? В главе 2 я уже отмечал, что взрослые хуже восстанавливаются после удаления полушария головного мозга, чем дети. Принцип Кеннарда обобщает эти наблюдения: чем младше жертва повреждения мозга, тем эффективнее восстановление мозговых функций. Принцип порицали за упрощенность, ведь исключения из этого правила хорошо известны. Но в нем есть доля истины. Он вытекает из «отрицания переподключения», так как переподключение является важным механизмом перекройки карты мозга.
Однако и гипотеза «отрицания переподключения» по-прежнему подвергается нападкам. Непрерывное наблюдение аксонов живого мозга с помощью микроскопии в течение долгих периодов времени показывает, что новые нейронные ветви могут расти и у взрослых. Такие эксперименты по-своему противоречивы, однако в научном сообществе ширится убежденность в том, что во взрослом организме возможен по крайней мере небольшой рост аксонов, хотя на большие расстояния они, возможно, отрастать уже не могут. Некоторые специалисты предполагают, что такое переподключение служит причиной перекраивания карты мозга, которое сопровождает «появление» фантомных конечностей, хотя убедительных доказательств этого пока не представлено.
Другие исследователи оспаривают саму идею критического периода, заявляя, что последствия детской депривации могут оказаться более обратимыми, чем полагали раньше. Обычно считается, что стереозрение во взрослые годы обрести невозможно. Но в своей книге «Исправляя взгляд на мир» нейробиолог Сьюзен Барри рассказывает, как она отчасти приобрела стереозрение в сорок с лишним лет, хотя все предыдущие годы страдала стереослепотой из-за детского косоглазия. Она сумела добиться успеха благодаря специальным тренировкам зрения.
Успех Барри как будто показывает, что явления критического периода могут возникать и во взрослые годы, пусть и не так легко. Антонини и Страйкер, похоже, довольно убедительно показали, что зона V1 во взрослые годы теряет способность меняться, так как в организме зрелого человека прекращаются все процессы переподключения нейронов. Но это утверждение, казавшееся незыблемым фактом, недавно подвергли сомнению: в последние годы разработано несколько методик лечения, которые восстанавливают пластичность зрительной зоны V1 у взрослых. В ходе этого лечения больному в течение четырех недель давали флуоксетин (антидепрессант, больше известный под торговой маркой «прозак»), предварительно в течение десяти дней держа пациента в темноте или же применяя несложное «обогащение среды», сходное с розенцвейговским. Как сообщалось, такие методики лечения продлевали критический период так, что он захватывал зрелые годы, или даже отменяли его вообще.
Кнудсен с коллегами вначале отмечали, что взрослые сипухи не умеют приспосабливаться к повороту зримого мира. Однако дальнейшие эксперименты вселяют некоторый оптимизм. Птицам последовательно надевали разные очки со всё более возрастающим углом поворота. Со временем зрелым особям удавалось приспособиться к тому же повороту на 230, к которому юные птицы приспосабливались в один прием. Это открытие дает возможность предположить, что взрослые могут учиться так же эффективно, как и дети, надо лишь верно подобрать режим подготовки.
Оптимизм касательно пластичности взрослого мозга нынче в моде. В 1990-е годы движение «От нуля до трех лет» противопоставляло «жесткость» зрелого мозга податливости мозга младенца. Теперь маятник качнулся в обратную сторону. В своей книге «Мозг, изменяющий себя. Успехи нейронауки: личные истории» Норман Дойдж рассказывает впечатляющие вещи о взрослых, которым удавалось фантастическим образом восстановиться после тех или иных неврологических заболеваний. Он заявляет, что мозг чрезвычайно пластичен – куда больше, чем могли бы полагать нейробиологи и врачи.
Разумеется, истина где-то посередине. Неверно было бы с порога отрицать возможность переподключения нейронов в зрелом мозгу, но такое отрицание все-таки имеет под собой кое-какую почву – в определенных условиях. К примеру, в зрелом мозгу, возможно, не могут расти определенные типы ветвей, протянутые от определенных нейронов к другим нейронам, а может быть, от определенных участков мозга к другим его участкам. К тому же это упрощенческий подход – считать переподключение каким-то отдельным явлением. На самом деле оно включает в себя целый ряд процессов, вовлеченных в рост и втягивание нейритов. Более совершенные формы «отрицания переподключения» могли бы фокусироваться лишь на одном из процессов, которые подразумеваются этим звонким термином.
А раз такие отрицания не абсолютны, а зависят от многочисленных условий, не исключено, что их удастся обойти с помощью специальных программ обучения и подготовки, как и показал Кнудсен. К тому же, судя по всему, мозговые травмы по-своему облегчают переподключение мозга, как бы высвобождая механизмы роста аксонов, в нормальном состоянии подавляемые специальными молекулами. В будущем, возможно, разработают методики медикаментозного лечения, которые будут воздействовать на такие молекулы, позволяя мозгу переподключаться так, как он не в состоянии делать сейчас.
Из-за примитивности наших экспериментальных методик сейчас мы можем обнаруживать лишь самые «грубые» разновидности переподключения. Вот почему нейробиологи вынуждены рассматривать довольно-таки экстремальные случаи – к примеру, монокулярной депривации или стрэттоновских очков. Остающиеся пока невидимыми более тонкие разновидности переподключения могут, между тем, играть весьма важную роль в более нормальных процессах обучения. Даже если коннектомика просто поможет дать более ясную картину этого явления, она волей-неволей будет способствовать исследованиям в данной области.
В 1999 году между двумя нейробиологами произошел яростный заочный бой. В одном углу воображаемого ринга стоял Паско Ракич из Йельского университета – чемпион, всячески защищавший свой титул. Еще в семидесятых годах его статьи, широко известные в научных кругах, утвердили догму: в мозгу млекопитающих не возникает новых нейронов после рождения – или, по крайней мере, после наступления половой зрелости. Претенденткой на победу оказалась Элизабет Гулд из Принстона, поразившая коллег сообщением о новых нейронах, появившихся в неокортексе взрослых обезьян. (Основную часть коры головного мозга как раз и составляет неокортекс, и карту именно этой части построил Бродман.) Ее открытие газета
Нетрудно понять, отчего схватка между двумя уважаемыми профессорами попала на первые полосы. Когда тело само себя ремонтирует, это всегда восхищает. Раны на коже затягиваются, оставляя лишь шрам. А из всех внутренних органов по способности к самовосстановлению лидирует печень: она вырастет заново, даже если удалить две трети. Если бы неокортекс взрослого человека мог выращивать новые нейроны, это означало бы, что у мозга способность к самоисцелению гораздо больше, чем нам казалось.
В итоге ни один из соперников так и не стал бесспорным победителем. Неокортекс, похоже, действительно следует максиме «У взрослых не появляются новые нейроны». Однако сам Ракич вынужден был признать, что новые нейроны постоянно возникают в двух участках зрелого мозга – гиппокампе и обонятельной луковице. (Обонятельная луковица играет для носа ту же роль, что и сетчатка для глаза, а гиппокамп – одна из важнейших частей коры, не являющихся частью неокортекса.)
Поскольку новые нейроны появляются в этих двух участках мозга в нормальных условиях, даже в отсутствие всяких повреждений, они возникают, видимо, не для лечения. Возможно, они благотворно действуют на потенциал обучения, подобно тому как новые синапсы предположительно увеличивают емкость памяти, позволяя нам усваивать новые ассоциации. Гиппокамп находится в срединной части височной доли – там, где когда-то обнаружили «нейрон Дженнифер Энистон». По мнению некоторых исследователей, гиппокамп – своего рода «ворота» памяти. Ученые предполагают, что он первым накапливает поступающую информацию, а затем уже передает ее в другие участки мозга – например, в неокортекс. Если это так, гиппокамп должен быть необычайно пластичным, а появление в нем новых нейронов еще больше усиливает его пластичность.
Точно так же и обонятельная луковица могла бы использовать новые нейроны, чтобы лучше запоминать запахи.
Согласно концепции нейронного дарвинизма, самоуничтожение синапсов идет рука об руку с их созданием: таким путем накапливаются воспоминания. Мы могли бы ожидать, что и создание нейронов сопровождается процессом их исчезновения. Такая картина действительно наблюдается у клеток многих типов: они постоянно умирают в ходе развития организма. Подобную гибель клеток именуют запрограммированной, поскольку она чем-то напоминает самоубийство. Клетки от природы наделены механизмами саморазрушения и способны приводить их в действие, когда возникает соответствующий стимул.
Вам может показаться, что ваша кисть отращивала пальцы, добавляя новые клетки к уже существующим. Не совсем так. На самом деле в вашей руке, еще когда вы были эмбрионом,
С мозгом похожая история. Пока вы плавали в материнской утробе, примерно одно и то же число нейронов умерло и уцелело. Не расточительство ли это – создавать так много нейронов, а потом уничтожать их? Но если гипотеза «выживания наиболее приспособленных» подходит для рассуждений о синапсах, может быть, она применима и к нейронам. Вероятно, нервная система в ходе своего развития совершенствует себя, оставляя в живых те нейроны, которые вступают в «правильные» связи, параллельно уничтожая те нейроны, которые этого не делают. Эту дарвинистскую интерпретацию предлагают не только для объяснения развития организма в детстве, но и рассуждая о возникновении и отмирании нейронов во взрослые годы: такие процессы, проходящие в зрелом мозге, я буду называть
Если регенерация так благотворно влияет на нашу способность к обучению, почему она не происходит в неокортексе? Возможно, этой структуре необходимо быть стабильнее, чтобы сохранять в себе то, что выучивается, а значит, ей приходится быть менее пластичной. Однако сообщения Гулд о новых нейронах, возникающих в неокортексе в зрелые годы, находят подтверждения в научной литературе: в журналах время от времени появляются статьи об аналогичных исследованиях начиная с шестидесятых годов прошлого века. Может быть, в этих работах содержатся какие-то зерна истины, противоречащие убеждениям, принятым ныне среди большинства нейробиологов.
Это противоречие можно попытаться разрешить, предположив, что степень неокортикальной пластичности зависит от свойств среды, в которой обитает животное. Возможно, пластичность резко падает при содержании животного в неволе, поскольку в тесной клетке наверняка скучнее, чем на воле, и учиться в заточении особенно нечему. Мозг, вероятно, ответит на такое сужение горизонтов минимизацией количества создаваемых нейронов, а большинство из создаваемых будут вскоре уничтожены. В этом сценарии новые нейроны все-таки появляются, но в небольших и непостоянных количествах, которые трудно выявить: вероятно, именно поэтому ученые разделились на два лагеря в этом вопросе. Вполне вероятно, что более естественные условия жизни будут способствовать росту обучаемости и пластичности, и новые нейроны тогда будут многочисленнее.
Может быть, вас не убедило такое рассуждение, однако оно иллюстрирует собой главный вывод из истории о Ракиче и Гулд: следует быть осторожными, с порога отметая возможность регенерации, переподключения нейронов или других разновидностей коннектомных изменений. А если уж вы всерьез задумали отрицать такие вещи, не забудьте сформулировать условия, при которых эти явления точно не происходят. Ведь при других условиях они вполне вероятны.
По мере того как нейробиологи всё больше и больше узнав али о регенерации, дедовские методы простого подсчета нейронов казались всё более грубыми и примитивными. Нам хотелось бы знать, почему одни нейроны выживают, а другие отмирают. Согласно дарвинистской теории, о которой мы говорили ранее, выживают те новые нейроны, которым удается интегрироваться в сеть уже существующих, создав правильные связи. Но мы плохо представляем себе, что такое «правильные связи», и вряд ли нам удастся это выяснить – до тех пор, пока мы эти связи не увидим. Вот почему коннектомика должна сыграть важную роль в объяснении того, насколько регенерация помогает процессу обучения – и помогает ли вообще.
Я говорил о четырех типах изменения коннектома – ИСВ, рекомбинации связей, переподключении и регенерации. Эти
Более того, потенциал
Эта нейробиологическая повестка дня звучит многообещающе, но действительно ли она выведет нас на путь истинный? Ведь она опирается на некоторые важные допущения, которые довольно убедительны, однако по большей части не подтверждены. А главное – верно ли, что изменение ума и сознания в конечном счете сводится к изменению коннектома? Таково очевидное следствие из теорий, которые низводят восприятие, мышление и другие проявления умственно-психической деятельности к рисунку нервных импульсов, порождаемых рисунком нейронных связей. Проверка этих теорий покажет нам, действительно ли правы коннекционисты. В мозгу действительно идут
Для придирчивой и вдумчивой проверки положений коннекционизма мы должны подвергнуть их эмпирическому исследованию. Нейробиологи уже больше столетия пытаются как-то подступиться к этой задаче, но пока, в сущ ности, даже не начали ее решать. Проблема в том, что главный объект этой доктрины – собственно коннектом – пока остается ненаблюдаемым. Сейчас еще трудно или даже порой невозможно изучать связи между нейронами. До сего времени методы нейроанатомии применялись для решения более примитивной задачи – построения карты связей между различными участками мозга.
Да, мы постепенно приближаемся к цели, но скорость этого движения нужно резко увеличить. Потребовался десяток лет, чтобы найти коннектом червя
Часть четвертая
Коннектомика
Глава 8
Видеть – значит верить
Обоняние дразнит аппетит, слух помогает спасти отношения с партнером, а зрение – это вера. Органы чувств говорят нам, что реально, а что нет, и в этом мы больше всего полагаемся именно на глаза. Что это – биологическая случайность, просто попутный результат эволюции наших органов чувств и мозга? Если бы собака могла делиться с нами своими мыслями не только лая или помахивая хвостом, она бы, возможно, заявила: «Нюхать – значит верить». А когда летучая мышь завтракает насекомым, поймав его во мраке благодаря эху его ультразвуковых поскрипываний, она наверняка думает: «Слышать – значит верить». Так или нет?
А может быть, то предпочтение, которое мы отдаем зрению, коренится не в биологии, а глубже, в законах физики? Прямые линии лучей, должным образом преломленные хрусталиком глаза, передают пространственные взаимоотношения между частями воспринимаемого объекта. К тому же в зрительных образах содержится столько информации, что ими не так-то просто манипулировать, к примеру, для создания фальшивок. (Во всяком случае, так было до эпохи компьютеров.)
Как бы там ни было, зрение всегда играло центральную роль в наших верованиях и убеждениях. В житиях многих христианских святых описывается, как божественные видения (апокалиптические или вполне мирные) нередко обращали язычников в верующих. В отличие от религии наука должна применять методы, основанные на четких формулировках и эмпирической проверке гипотез. Но и науку могут подталкивать вперед визуальные откровения – внезапные и простые картины чего-то удивительного. Иногда научный поиск сводится к тому, чтобы суметь увидеть.
В этой главе я расскажу об инструментах, которые создали нейробиологи, чтобы приподнять покров скрытой реальности. Возможно, это покажется вам ненужным отступлением от нашей главной темы – мозга. Но я надеюсь убедить вас в обратном. Военные историки смакуют хитроумные тактические ходы, придуманные гениальными полководцами, однако в исторической перспективе понятно, что куда важнее в военном деле оказываются технические новшества. Изобретение огнестрельного оружия, истребителя и атомной бомбы – все это каждый раз полностью меняло лицо войны.
Вот и историки науки превозносят великих ученых и их революционные открытия, при этом гораздо меньше славят создателей научных приборов, хотя влияние этих изобретений на развитие знания порой бывает не менее существенным. Многие из важнейших научных открытий явились прямым следствием таких изобретений. Так, в XVII веке Галилео Галилей усовершенствовал телескоп, сделав увеличение из трехкратного тридцатикратным. Наведя это оптическое устройство на Юпитер, он обнаружил вращающиеся вокруг него спутники, что перевернуло традиционные представления, согласно которым все небесные тела вращаются вокруг Земли.
В 1912 году физик Уильям Лоренс Брэгг продемонстрировал, как применять рентгеновские лучи для того, чтобы определять положение атомов в кристаллической решетке, а три года спустя, в двадцатипятилетнем возрасте, он получил за свою работу Нобелевскую премию[13]. Позже именно рентгеновская кристаллография позволила Розалинд Франклин, Джеймсу Уотсону и Фрэнсису Крику открыть структуру ДНК, знаменитую двойную спираль.
Слышали анекдот про двух экономистов, идущих по улице? «Гляди-ка, вон на тротуаре валяется двадцатка!» – восклицает один. «Не будь дураком, – отвечает другой, – если бы там и правда лежали двадцать баксов, кто-нибудь давно бы их подобрал». Эта шутка обыгрывает так называемую гипотезу эффективности рынка (ГЭР), довольно спорную систему взглядов, согласно которой не существует справедливого и надежного метода инвестирования, который позволил бы получить прибыль выше среднерыночной. (Не отвлекайтесь, вы скоро увидите связь с нашей темой.) Разумеется, существуют ненадежные способы превысить среднерыночную прибыль. Углядев в новостях материал о какой-то компании, можно накупить ее акций и потом радоваться, когда они пойдут вверх. Но вероятность этого – не выше, чем вероятность под утро уйти из ласвегасского казино с выигрышем. А еще есть нечестные способы обогнать рынок. Скажем, если вы работаете в фармацевтической фирме, не исключено, что вы первым узнаете: такое-то лекарство успешно прошло клинические испытания. Но если вы купите акции своей компании на основе таких недоступных широкой публике сведений, вас могут привлечь к суду по обвинению в корыстном использовании инсайдерской информации.
Ни те, ни другие методы не подходят под критерии ГЭР, подразумевающие справедливость и надежность. Можно предположить даже, что таких методов вовсе не существует. Профессиональные инвесторы ненавидят такие заявления, предпочитая думать, что они преуспевают благодаря собственной сметливости. Но ГЭР уверяет: либо им повезло, либо они, скажем уж прямо, оказались не очень-то чистоплотны в делах.
Эмпирические доводы за и против ГЭР многообразны и сложны, но ее теоретическое обоснование достаточно просто. Если новая информация указывает на то, что акции поднимутся в цене, то первые же инвесторы, узнавшие эти сведения, волей-неволей создадут на рынке ситуацию, когда эти акции будут продаваться дороже. А следовательно, заключает ГЭР, на рынке попросту не останется выгодных инвестиционных возможностей, точно так же, как вы никогда (ну,
При чем же тут нейронаука? Вот вам еще один анекдот. «Слушай, я тут придумал гениальный эксперимент!» – говорит один ученый другому. «Не будь идиотом, – отвечает тот. – Если бы такой эксперимент можно было провести, кто-нибудь уже давно бы это сделал». В этом диалоге есть доля истины. Научный мир полон умных и трудолюбивых людей. Гениальные эксперименты, как и двадцатидолларовые банкноты, на дороге не валяются. Вокруг рыщет масса ученых, и почти все из возможных гениальных экспериментов уже проведены. Я даже готов предложить
Как же ученым удается совершать по-настоящему великие открытия? Александр Флеминг открыл пенициллин (и дал ему название) после того, как обнаружил, что одна из бактериальных культур в его лаборатории случайно оказалась зараженной плесневым грибком, вырабатывающим этот антибиотик. Революционные прорывы такого рода – во многом плод счастливого стечения обстоятельств. Если вы ищете более надежный метод, поищите в области «нечестного». И тут вам помогут технологии наблюдения и измерения.
Прослышав, что в Голландии изобрели телескоп, Галилей быстренько смастерил собственный. Он экспериментировал с различными линзами, научился самостоятельно шлифовать стекло и в конце концов стал конструировать лучшие телескопы в тогдашнем мире. Эта деятельность позволила ему занять уникальное положение, благодаря которому он мог совершать астрономические открытия эффективнее, чем коллеги: ведь у него появилась возможность изучать небосвод с помощью прибора, которого у них не было. Если вы – ученый, покупающий необходимые для работы приборы, вы можете обойти своих конкурентов, добиваясь большего финансирования, чем они. Но еще сильнее вы их обгоните, если сами сконструируете прибор, который не купить ни за какие деньги.
Допустим, вы придумали гениальный эксперимент. Как узнать, осуществил его уже кто-нибудь или нет? Справьтесь в литературе. Если никто его не делал, лучше хорошенько подумать, отчего это так. Может быть, это не такая уж и гениальная идея. А может быть, его не проводили лишь потому, что тогда не существовало нужных технологий. И если вам посчастливится получить доступ к соответствующей аппаратуре, то вы, быть может, сумеете провести этот эксперимент первым в истории.
Моя гипотеза эффективности науки объясняет, почему некоторые ученые проводят основную часть времени, разрабатывая новые технологии, а не полагаясь на те, которые они могут приобрести за деньги. Таким путем они пытаются добиться «нечестного преимущества». В своем трактате «Новый органон» (1620) Фрэнсис Бэкон писал:
Я бы усилил эту максиму:
Именно в период возникновения таких новых средств – когда изобретаются новые технологии – мы наблюдаем революционные скачки в науке.
Чтобы находить коннектомы, нам нужно создать устройства, позволяющие получать четкие изображения нейронов и синапсов в обширном поле зрения. Это откроет новую главу в истории нейронауки, которую, быть может, лучше рассматривать не как ряд великих идей, а как череду великих открытий, каждое из которых позволяло перескочить некогда считавшийся непреодолимым барьер, мешавший наблюдать те или иные свойства мозга. Сегодня утверждение, что мозг состоит из нейронов, кажется банальным, однако путь к этой идее оказался весьма тернист. По элементарной причине – долгое время нейроны попросту не удавалось разглядеть.
В 1677 году Антони ван Левенгук, голландский купец, торговавший сукном, а позже ставший ученым, первым в мире увидел живой сперматозоид. Левенгук, совершив свое открытие с помощью самодельного микроскопа, не до конца осознал его важность: он не доказал, что именно сперматозоиды (а не семенная жидкость, в которой они плавают) являются репродуктивными агентами. И он понятия не имел о процессе оплодотворения, в ходе которого соединяются яйцеклетка и сперматозоид. Однако Левенгук вымостил путь для своих последователей, и в этом смысле его работа знаменует собой начало новой эпохи в науке.
Три года спустя Левенгук рассматривал в свой микроскоп каплю озерной воды. Он увидел движущиеся в ней крошечные объекты и решил, что они живые. Ученый нарек их анималькулами («маленькими зверьками») и написал о них в лондонское Королевское научное общество. Ныне мы привыкли к мысли о существовании микроорганизмов, и нам трудно вообразить, как потрясли они современников великого голландца. В то время сообщения Левенгука сочли столь фантастическими, что его даже заподозрили в фальсификации научных результатов. Чтобы развеять эти опасения, он направил в Королевское научное общество письма с «показаниями» восьми свидетелей, в том числе трех священников, адвоката и врача. Спустя несколько лет его открытие наконец признали, а затем Левенгук был удостоен высокой чести – он стал членом Королевского общества.
Иногда Левенгука именуют отцом микробиологии. В XIX веке эта область науки приобрела громадное практическое значение: именно тогда Луи Пастер и Роберт Кох продемонстрировали, что микробы могут служить причиной болезней. Микробиология, в свою очередь, сыграла решающую роль в развитии клеточной теории, краеугольного камня современной биологии. Согласно основным положениям этой теории, сформулированным еще в XIX столетии, все организмы состоят из клеток. Микроорганизмы же состоят всего из одной клетки.
Большинство членов Королевского научного общества обладали неплохим достатком и потому – досугом для интеллектуальных занятий. Левенгук родился в небогатом семействе, но к сорока годам он уже имел достаточно большой доход, чтобы уделять время науке. Он не учился в университете, не знал ни латыни, ни греческого. Каким же образом этот самоучка скромного происхождения достиг столь многого?
Левенгук не изобретал микроскопа: эта честь принадлежит мастерам-оптикам, трудившимся в конце XVI века. Как и современные микроскопы, первые такие приборы являлись, по сути, комбинацией многочисленных линз, но давали увеличение всего в 20–50 раз. Между тем устройства Левенгука десятикратно улучшили этот показатель с помощью всего одной линзы, но очень мощной. Мы толком не знаем, как он научился делать такие замечательные линзы: голландец хранил свои методы в секрете. Это и было «несправедливым преимуществом» Левенгука: он делал микроскопы лучше, чем его коллеги и конкуренты.
Со смертью Левенгука его методы оказались утрачены. Позже, уже в XVIII столетии, благодаря техническим усовершенствованиям удалось сконструировать многолинзовый («комбинированный») микроскоп мощнее левенгуковского. Ученые смогли подробнее разглядеть строение растительных и животных тканей, что привело к повсеместному признанию клеточной теории в XIX веке. Однако эта теория начинала буксовать, когда ученые пытались описать с ее помощью мозг. Микроскописты могли увидеть тела нейронов и ветви, которые тянутся между ними. Но уже на небольшом расстоянии от тела клетки они теряли следы отдельных отростков, видя лишь плотную мешанину ветвей. Никто не знал, что происходит там, вдали от тела нейронной клетки.
Проблему помогло решить еще одно революционное открытие. Его совершил во второй половине XIX века итальянский врач Камилло Гольджи. Он разработал особый метод окрашивания мозговой ткани, благодаря которому удавалось пометить небольшое количество нейронов: при этом основная их часть оставалась неокрашенной и, следовательно, как бы невидимой для исследователя. Рис. 26 может показаться вам слишком «перенаселенным», однако на нем все-таки видны очертания лишь отдельных нейронов. Научный соперник Гольджи, итальянский нейроанатом Сантьяго Рамон-и-Кахаль, наверняка наблюдал что-то такое в собственный микроскоп, когда рисовал картинку, показанную на рис. 1.
Метод, разработанный Гольджи, необычайно продвинул науку вперед. Чтобы оценить это продвижение, давайте представим себе, что ветви нейронов – это переплетенные спагетти. (Я уже предлагал такое сравнение, но сейчас оно кажется особенно уместным, если учесть итальянское происхождение нашего изобретателя.) Повар, страдающий сильной близорукостью, увидит на тарелке лишь сплошную желтую массу, отдельные макаронные нити будут расплываться у него перед глазами, и он не сумеет их различить. А теперь представьте, что среди этих нитей затесалась одна темная (рис. 27, слева). Даже при слабом зрении вы сумеете проследить ее путь (рис. 27, справа).
Рис. 26. Нейроны коры головного мозга обезьяны, окрашенные по методу Гольджи
Как изобретение микроскоп смотрится шикарнее каких-то там методов окрашиваний и пятен. Его металлические и стеклянные детали впечатляют, этот прибор можно конструировать с учетом законов оптики. А на пятно не стоит и глядеть, оно наверняка и пахнет-то скверно. Пятна обнаруживают скорее случайно, чем путем планомерной работы. Мы ведь даже не знаем, почему при окрашевании методом Гольджи выявляется лишь небольшая доля нейронов. Мы знаем лишь, что метод Гольджи эффективен. Как бы там ни было, окрашивание по методу Гольджи и другие сходные процедуры сыграли важную роль в истории нейронауки. «Мозг понятен, когда в нем много темных пятен», – шутят нейроанатомы. Просто пятна Гольджи стали наиболее известными.
Рис. 27. Пример эффективности окрашивания по методу Гольджи: спагетти до (
Поделиться книгой: