Помоги проекту - поделись книгой:
Но помогает ли это исследование понять, как формируются нейронные связи в мозге млекопитающих? В мозге человека нет прямых аналогов чрезвычайно четкой схемы организации нейронов глаза дрозофилы, но совершенно очевидно, что в разных областях мозга млекопитающих присутствует ограниченное число разных типов нервных клеток. Нейроны одного типа в мозге млекопитающего следуют очень похожим схемам ветвления аксона и дендритов, устанавливая между собой уникальные связи. Конечно, на формирование этих связей в процессе эмбрионального и раннего постнатального развития могут влиять внешние факторы. В числе этих факторов — сигнальные молекулы и даже электрические сигналы нейрону от других нейронов в цепи. Как бы то ни было, это исследование, проведенное на дрозофилах, напоминает нам о существовании альтернативных путей формирования связей в сложной нейронной сети. Оно даже внушает некоторый оптимизм в отношении клинических подходов к восстановлению нейронов после инсульта или травмы[27]. Памятуя о том, как развивалась нейробиология, можно ожидать, что этот эксперимент с дрозофилами поможет лучше понять, как простые правила регулируют сложные связи нейронов в мозге человека[28].
С момента рождения наше восприятие мира формируется в процессе постоянного разговора мозга с самим собой
НОВОРОЖДЕННЫЙ НЕ ЗНАЕТ, в каком мире ему предстоит жить. На каком языке будут говорить окружающие его люди? Будет ли вознаграждено его упорство? Какая пища будет ему доступна? Многие потребности растущего ребенка связаны с условиями той среды, в которой он растет. Мозг адаптируется к широкому диапазону возможностей, потому что развивающиеся нейронные цепи в значительной степени определяются опытом. Ребенок, в мозге которого поначалу отсутствуют необходимые связи для обработки лавины поступающей информации, каким-то образом постепенно учится ее осмыслять.
С этой задачей мозг по большей части справляется самостоятельно — он сам себя «выстраивает»[29]. Многим людям мозг представляется вычислительной машиной, которая запрограммирована на осмысление входящей информации и выработку соответствующих действий. Но сравнение с компьютером не учитывает, что мозг не вынимают из коробки уже готовым к работе[30]. Для формирования мозга требуются годы, причем немалая часть «строительных работ» выполняется спустя значительное время после рождения. Этот процесс сопровождается грандиозными изменениями. Мозг новорожденного младенца весит приблизительно полкилограмма, и синаптических связей в нем в три раза меньше, чем в мозге взрослого человека. Более того, в течение первого года жизни эти связи, как правило, исчезают и заменяются новыми. Эти по большей части временные связи изначально не предназначены для выполнения задач, с которыми должен справляться двухлетний ребенок, не говоря уже о взрослом.
Жизненный опыт направляет развитие мозга, но лишь косвенным образом. Информация из окружающего мира поступает в мозг в виде электрических импульсов, которые передаются 15 миллионами аксонов, тонких отростков нервных клеток, транслирующих сигналы на большие расстояния[31]. Например, вся зрительная информация проходит примерно по 2 миллионам аксонов, соединяющих сетчатку глаз с мозгом. Сигналы от тела, сообщающие, например, о голоде, удовольствии или хорошем самочувствии, поступают всего по 70 тысячам аксонов блуждающего нерва. И так далее. Этот поток информации, не прекращающийся ни на мгновение, передается и обрабатывается десятками миллиардов нейронов мозга, которые сообщаются преимущественно друг с другом. По сути, б
Но это не значит, что мозг — чистый лист. Общая структура и схема связей в нем определяются генетическими программами, которые начинают работать с самого начала жизни, и эти же генетические программы задают принципы, по которым растут и изменяются нейроны и синаптические связи. Влияние опыта на развитие мозга также подчиняется этим принципам. В процессе развития каждая область мозга обладает хорошо структурированным набором связей с другими областями и, передавая информацию по этим каналам, способствует созреванию других областей.
Жизненный опыт оказывает наиболее сильное влияние на развитие мозга, если совпадает с окном возможностей, которое называется сензитивным периодом. У кошек сензитивный период для развития зрения приходится на первые три или четыре месяца жизни, а у людей — на первые 5–10 лет, из которых особенно важен первый год. Торстен Визель и Дэвид Хьюбел открыли этот принцип в серии экспериментов на котятах. Они выяснили, что, если в мозг не поступают сигналы из одного или обоих глаз, это приводит к серьезным нарушениям координации зрения между двумя глазами, а такая координация необходима для формирования целостного визуального восприятия[32]. Если визуальные сигналы не поступают в мозг достаточно долго, нарушения в зрительных зонах становятся необратимыми. Например, когда в сензитивный период котенку зашивали веко, чтобы визуальная информация поступала только в один глаз, то зрительная кора не развивалась должным образом; в ней отсутствовали нейроны, которые обрабатывали бы информацию от обоих глаз. Без этих нейронов у котят не формировалось нормальное зрение (см. рис. 3).
РИС. 3. Поток информации от видимого мира к зрительной коре и его нарушение путем зашивания века в классических экспериментах Визеля и Хьюбела
Зрительная информация от сетчатки поступает на первую «станцию обработки данных» в мозге, которая называется таламус. Эта область извлекает полезные фрагменты и передает их в кору головного мозга, подобно тому как птица-мать разжевывает пищу, прежде чем дать ее голодному птенцу. Таким образом, благодаря стадии «разжевывания» остальные области мозга получают необходимую информацию для правильного развития. Работа Визеля и Хьюбела, которая принесла им Нобелевскую премию, отчасти заключалась в выяснении того, какую роль в развитии мозга играет предварительная обработка информации таламусом. Они обнаружили, что для первоначальной прокладки пути от сетчатки к таламусу подходит любая активность нейронов сетчатки, даже от рассеянного света. Но для улучшения связи таламуса со зрительной корой мозга требуется нечто большее: специфические типы активности, вызываемые визуальными образами. В конечном счете способность различать цвета, формы и движение требует развития зрительной коры, которое зависит от потока данных, проходящего через таламус. После того как таламус выполняет свою «обучающую» задачу, он продолжает передавать информацию — но уже не недоразвитой области, а сложной системе мозга, отвечающей за зрение.
Сензитивные периоды важны для развития не только зрения, но и когнитивных способностей и социальных навыков[33]. Подтверждение этому — ужасные случаи в коммунистической Румынии, когда младенцы и маленькие дети часто оказывались в детских домах, где были практически лишены тактильных переживаний и социального общения. У многих из этих детей так и не развились нормальные способности к речи и социальному взаимодействию — их общий синдром был похож на аутизм. Если детей забирали из детского дома в возрасте до четырех лет, они еще могли вернуться к нормальному развитию. Но при долгой депривации изменения оказывались необратимыми. Сензитивный период для развития социальных навыков уже заканчивался.
По всей видимости, таламус обучает другие области мозга не в одиночку. Если в период развития отключить необходимый источник информации, это также помешает развитию участков мозга, которые получают эту информацию. Эта ситуация называется диасхизом развития. Термин «диасхиз» (от греческого «раскалывать») неврологи используют для описания случаев, когда при повреждении одной области мозга резко меняется активность и кровоток в другой, удаленной от нее. Вероятная причина заключается в том, что эти области тесно связаны передающими информацию аксонами и прекращение потока входящей информации ведет к резким изменениям. Гипотеза диасхиза развития предполагает, что такая ситуация может иметь долговременные и серьезные последствия, если совпадает с сензитивным периодом развития. Многие участки мозга соединяются друг с другом, и их взаимное влияние очень важно — это один из способов саморазвития мозга. В процессе взаимодействия и структурирования разных участков под влиянием опыта мозг постепенно формирует сам себя (см. рис. 4).
РИС. 4. Диасхиз развития. Как и сетчатка глаза, мозжечок посылает сигналы таламусу, который служит главным шлюзом для передачи информации в кору головного мозга. Некоторые участки мозжечка связаны с ассоциативной корой, которая не относится ни к сенсорной, ни к моторной зоне. В процессе развития на взаимодействие между мозжечком и корой могут влиять генетические программы, стресс и окружающая среда
В нашей лаборатории мы проверяем гипотезу о том, что диасхиз развития может возникнуть из-за проблем в мозжечке, расположенном в задней части мозга[34]. Повреждение мозжечка у взрослого человека вызывает неуклюжие и неконтролируемые движения. Но если травма происходит в младенчестве или раннем детстве, это дает иной результат: у ребенка развивается состояние, которое относят к расстройствам аутистического спектра. При повреждении мозжечка в процессе родов риск аутизма повышается в 40 раз[35]. (Это сопоставимо с повышением риска развития рака при систематическом курении.) Однако взрослые, перенесшие травму мозжечка, не становятся аутистами.
Эта странность хорошо известна детским неврологам, которые давно знают, что последствия повреждения какого-либо участка мозга у детей могут быть аналогичны последствиям травмы другого участка у взрослых. Такие непредсказуемые клинические проявления дают основания предполагать, что у младенцев и маленьких детей разные области мозга каким-то образом удаленно влияют друг на друга. Аутизм по большей части вызывают генетические особенности и условия пренатального развития, и эти факторы могут действовать в том числе и опосредованно, влияя на работу мозжечка.
Как мозжечок влияет на развитие когнитивных способностей? Он обрабатывает разные типы информации, включая сенсорные сигналы и двигательные команды, для управления действиями и их совершенствования. Мозжечок посылает сигналы в кору головного мозга через таламус — ту самую структуру, активность которой необходима для развития зрения. Считается, что мозжечок предсказывает, как будет меняться мир, и тем самым помогает планированию. Таким образом, мозжечок может регулировать и направлять как движения, так и мысли.
Гипотеза диасхиза развития имеет важные последствия для лечения аутизма. Она позволяет предположить, что при лечении аутизма в раннем возрасте, возможно, следует сосредоточиться на тех областях мозга, которые раньше не связывали с когнитивными или социальными функциями, в частности на мозжечке. Например, у младенцев с повышенным риском аутизма неспособность мозжечка предсказывать ближайшее будущее может затруднить обучение через опыт. В пользу этого предположения свидетельствует и самый эффективный из существующих методов лечения аутизма — прикладной поведенческий анализ, при котором повседневные действия постепенно и целенаправленно поощряются, за счет чего компенсируется дефект функции предсказания. Прикладной поведенческий анализ помогает лишь приблизительно половине детей с аутизмом. Не исключено, что воздействие на активность мозжечка поможет сделать прикладной поведенческий анализ более эффективным или подходящим для большего числа детей.
Таким образом, основной принцип нейробиологии может когда-нибудь помочь миллионам детей избежать аутизма. Чтобы подтолкнуть детей к диалогу с миром, который продолжится всю их жизнь, возможно, для начала следует помочь разным отделам их мозга вступить в диалог друг с другом.
У детей другой мозг
НЕДАВНО Я ВПЕРВЫЕ за много лет встала на горные лыжи. Естественно, после такого долгого перерыва я потеряла форму, и поэтому начала с осторожного спуска по одной из простых трасс. Внезапно прямо передо мной оказался маленький ребенок. Я вильнула в сторону и упала, потеряв лыжу и палку. Ребенок выглядел слишком маленьким, чтобы даже ходить, не говоря уже о катании на лыжах! Поначалу я даже разозлилась. Где родители ребенка? Разве можно разрешать ему кататься одному? Но потом я успокоилась и стала смотреть, как крошечные дети стремительно съезжают по крутым склонам. Как малыши смогли научиться так хорошо кататься на горных лыжах?
По всей видимости, очень маленькие дети овладевают многими навыками гораздо быстрее взрослых — особенно в таких областях, как спорт, иностранные языки и музыка. Большинство тренеров и преподавателей скажут вам, что, если вы хотите, например, стать великим теннисистом или скрипачом, начинать обучение нужно в юном возрасте. То же относится и к иностранному языку, если вы хотите говорить на нем не хуже носителей. В чем причина? В чем особенность детского мозга? Всегда ли маленькие дети учатся гораздо быстрее взрослых? И что еще важнее — есть ли у таких превосходных способностей к обучению обратная сторона? Я попытаюсь по порядку ответить на эти вопросы. Откровенно говоря, коротко ответ можно сформулировать так: на самом деле мы не понимаем, как и откуда возникают способности к обучению в процессе развития человека. Но мы знаем несколько интересных вещей.
В чем особенность мозга ребенка? Спросите любого нейробиолога, и он, скорее всего, скажет: «Мозг ребенка более пластичен». Такой ответ мало что дает, поскольку не объясняет, что такое «пластичность», что делает мозг пластичным и почему он теряет пластичность по мере взросления человека. Здесь я буду использовать простое определение: пластичность — это способность мозга модифицировать внутренние связи и функции под воздействием нового опыта. На пластичность влияют самые разные механизмы, как на клеточном, так и на сетевом уровне (см. эссе Линды Уилбрехт в этой книге)[36].
Один из ключевых процессов в развитии мозга, клежащих в основе пластичности, протекает в младенчестве и в раннем детстве; это резкое увеличение количества нейронных связей[37]. В мозге двухлетнего ребенка нейронных связей в два раза больше, чем у взрослого человека. Число контактов между нейронами (то есть синапсов) резко возрастает в младенческом возрасте; по оценкам некоторых исследователей, у новорожденного каждую секунду появляются сотни новых синапсов! Процесс этот очень динамичный — в раннем возрасте связи постоянно меняются. В развивающемся мозге возникают химические сигналы, способствующие образованию правильных связей и противодействующие неправильным. В детском и подростковом возрасте количество нейронных связей постепенно уменьшается до уровня, обычного для взрослых.
Останется ли конкретная связь или исчезнет, в значительной степени зависит от того, используется ли она. Таким образом, для развивающегося детского мозга огромное значение имеют разнообразие, интенсивность и типы переживаний[38]. Связи, которые используются, когда ребенок двигается, слушает, смотрит, думает и чувствует, скорее всего, сохранятся. Но без такой активности связи могут ослабеть или вообще исчезнуть. То есть структура мозга ребенка оптимизируется в раннем возрасте в процессе обучения самым разным вещам, от китайского языка до игры в теннис. Очень важно привлекать ребенка к самым разнообразным занятиям, чтобы в его мозге формировались нужные связи. Разумеется, это сильное упрощение удивительных и сложных процессов, происходящих в голове ребенка. Но нет никаких сомнений, что пластичный детский мозг, открытый новому опыту, во многом способствует лучшей обучаемости ребенка тем или иным навыкам.
Важно также определить, что мы понимаем под лучшей обучаемостью детей по сравнению со взрослыми. Нам кажется, что все дети обладают «суперспособностью» к обучению, но так ли это на самом деле? Все зависит от того, какой смысл мы вкладываем в понятие «суперспособности». Мы можем оценить скорость, объем, качество усвоения информации, а также ту ее долю, которая остается в памяти. Существует множество типов познания, за которые отвечают разные структуры мозга и разные процессы, поэтому успехи в обучении в одной сфере не всегда повторяются в другой. Рассмотрим пример с изучением второго языка. Дети обладают суперспособностью к обучению в том смысле, что они начинают свободно обращаться с новыми знаниями быстрее, чем взрослые, — и говорят на втором языке почти так же хорошо, как те, для кого он родной. Но это не значит, что они лучше усваивают все аспекты языка. На самом деле дети овладевают вторым языком медленнее взрослых; им требуется больше времени, чтобы научиться читать, произносить слова и применять нужные грамматические правила[39]. То есть маленькие дети превосходят взрослых в свободе владения языком, но не в скорости его освоения.
Аналогичным образом маленькие дети, по всей видимости, медленнее взрослых обучаются новым движениям. Ряд исследований в этой области показывает, что скорость моторного обучения у детей постепенно увеличивается и приблизительно к 12 годам достигает уровня взрослого человека[40]. Кроме того, дети начинают обучение с более низкого уровня моторной ловкости, чем взрослые; их движения более вариативны и менее точны[41]. Причина меньшей ловкости, вероятно, в том, что в детском возрасте развитие тех отделов мозга, которые управляют движением, еще не завершено.
Если дети учатся медленнее, а их движения изменчивы, почему нам кажется, что некоторыми навыками, например спуска с горы на лыжах, они овладевают быстрее взрослых? Во-первых, они меньше ростом, и поэтому центр масс у них находится ниже, что повышает устойчивость. (Правда, этот фактор не объясняет быстрое овладение навыками в занятиях, требующих мелкой моторики, таких как видеоигры, при которых работают только кисти рук.) Во-вторых, непостоянство движений ребенка может работать в его пользу, поскольку в каждой ситуации он пробует разные варианты движений, выбирая наилучший. Известно, что такая стратегия — важная часть освоения моторных навыков. Взрослые менее склонны экспериментировать с разными вариантами движений и поэтому зачастую выбирают не самые оптимальные. В-третьих (и это, пожалуй, главное), дети проявляют б
К сожалению, у детской пластичности есть и обратная сторона, поскольку на развитие мозга влияют
В конечном счете любой опыт (или его отсутствие) имеет большое значение в ранний период развития. Дети могут пользоваться пластичностью своего мозга, чтобы лучше взрослых осваивать многие вещи, в том числе спуск по склону на лыжах и разговорный французский. Но эта пластичность может обернуться против ребенка, если в раннем детстве он переживает негативный опыт или лишается какого-либо важного опыта. Ученые еще не до конца понимают процессы, которые лежат в основе пластичности детского мозга, но представляется очевидным, что опыт, полученный на раннем этапе развития, очень важен. Дальнейшие исследования помогут нам понять, как оптимально использовать этот уникальный период жизни.
У вашего двенадцатилетнего ребенка не только растут волосы на теле, но и формируются новые нейронные связи
УСЛЫШАВ СЛОВА «МОЗГ ПОДРОСТКА», многие понимающе усмехаются. Люди, утверждающие, что ничего не знают о мозге, могут прочесть целую лекцию о «мозге подростка». Этот мозг необуздан, безумен и бурлит гормонами. Его лобные доли еще не сформировались или только-только «подключаются». Подростки неуправляемы. У них нет тормозов. Но мы, нейробиологи, должны проявлять осторожность и следить за тем, чтобы это представление о подростках, характерное для поп-культуры, не искажало наши знания о них. Что на самом деле происходит в мозге ребенка в подростковом возрасте? Если вы присмотритесь к тому, что вытворяют его нейроны, то, возможно, измените свой подход к воспитанию — или, по крайней мере, перестанете закатывать глаза при упоминании о подростках.
Понаблюдав за мозгом подростка с помощью сканирующего устройства, можно заметить, что он отличается от мозга ребенка и мозга взрослого. Главные отличия — в локализации и уровне нервной активности[46]. В подростковом возрасте количество серого вещества уменьшается, а белого — увеличивается[47]. Этот процесс может завершиться только к 25 годам, когда созреют лобные доли коры, отвечающие за самоконтроль, планирование и предвидение последствий своих действий, и мозг будет выглядеть как мозг взрослого человека[48]. Незрелость лобных долей коры головного мозга проявляется практически во всех проблемах, связанных с подростками: это долгое сидение за компьютером, употребление наркотиков, протестное поведение, повышенная сексуальная активность[49]. Именно незрелостью лобных долей объясняют дурные поступки тинейджеров, и ее же используют как аргумент, почему подросткам нужно запретить доступ к опасным вещам.
Велико искушение сосредоточиться на негативных сторонах и относиться к состоянию подростка как к временному помешательству, обусловленному биологией, или как к состоянию, сравнимому с последствиями фронтальной лоботомии[50]. Но если вы понаблюдаете за тем, что происходит внутри мозга, то, возможно, преисполнитесь гордости — как бабушка, которая смотрит на внука. Там нет ничего общего с лоботомией, никакой черной дыры на месте лобных долей. В мозге подростка есть только нейроны, и то, чем они заняты, выглядит чрезвычайно творческим, разумным и полезным процессом.
В последние два десятилетия благодаря новой технологии визуализации мы можем наблюдать за тем, что происходит с отдельными нейронами в живых организмах мышей и других лабораторных животных[51]. Раньше мы могли судить о деятельности нейронов лишь по посмертным снимкам тканей людей и животных разного возраста. Примерно с 2000 года у нас есть возможность использовать лазерные сканирующие микроскопы, чтобы следить за нейронами в мозге мыши — как они растут, как выглядят до и после приобретения нового опыта. В плане получения знаний о внешнем виде и работе нейронов это можно сравнить с переходом от одной черно-белой фотографии к многочасовому видео.
Теперь мы видим, что нейроны в лобных долях детей и подростков заняты
Нейроны похожи на ветвистые деревья и кусты. Еще до достижения ребенком подросткового возраста нейроны уже полностью вырастают, а их ветви и корни образуют густые заросли. В случае с лабораторными животными, например мышами, мы можем подсветить один нейрон в этих зарослях, а затем фотографировать или снимать на видео его развитие. Мы увидели, что к концу периода детства и в подростковом возрасте происходят многочисленные изменения в крошечных отростках, которые называются дендритными шипиками (см. рис. 5). По фотографиям неживой ткани мы видим, что количество этих дендритных шипиков уменьшается, когда лабораторные животные (и люди) достигают подросткового возраста[53]. Но наблюдения за живым нейроном показывают, что эти шипики непрерывно растут, вытягиваются и втягиваются, исследуя выросты других нейронов[54]. Передача информации между нейронами происходит тогда, когда шипик прочно связывается с выростом другого нейрона, образуя синаптическое соединение. Впоследствии это соединение может быть разорвано — когда шипик втянется в ответвление дендрита, от которого он отходит.
РИС. 5. Кадры интервальной съемки новых шипиков, появившихся за день у мыши-подростка. Стрелки указывают на шипик, который исчез после первого дня, и новые шипики, которые появились между первым и вторым днем. Масштабная метка = 5 микрон.
Систематически, день за днем, наблюдая за нейронами, мы видим, как они образуют соединения, а в последующие дни разрывают большинство из них. Мы полагаем, что таким образом нейроны испытывают возможные связи со своими соседями. Мозг подростка может каждую неделю формировать, а затем утрачивать более 25 % своих связей[55]. К ранней юности эта динамика может упасть до 10 % и ниже, в зависимости от участка мозга. Поскольку связи нейрона важны для его сетевых взаимодействий, функциональная идентичность каждого нейрона в развивающемся мозге может радикально меняться от недели к неделе. (Только представьте, что через неделю вы будете на 25 % другим! Что сказали бы ваши близкие?) У взрослого человека общее количество связей уменьшается — как и возможности образования новых связей.
Что дает нам знание того, как ведут себя нейроны в лобных долях мозга подростка? Масштабный круговорот нейронных связей объясняет, почему у подростков лобные доли работают не так эффективно, как у взрослых. В то же время этот процесс открывает широкие возможности для разных форм обучения и обеспечивает гибкость перед лицом перемен. Эти нейронные связи в лобных долях могут быть главным субстратом, на котором формируется взрослая личность человека и его склонности. Формирование индивидуальности можно представить как фигурную стрижку быстрорастущих садовых деревьев. Но тогда возникают вопросы: как происходит эта стрижка? И кто (или что) ее выполняет?
И вот здесь на первый план выходит опыт. Пока вы читаете эти строки, в каждом развивающемся мозге на нашей планете бесчисленное множество новых синапсов пребывает в состоянии неопределенности. Какие из них сохранятся и почему? Максимум, что мы можем сказать, — этим процессом движет обучение методом проб и ошибок на основе активного опыта. Наблюдая и подсчитывая возникающие и утраченные связи между нейронами, исследователи видят, что при освоении человеком нового навыка или правила сохраняются целые группы новых связей. Например, при овладении новым моторным навыком шипики, выросшие в моторных зонах коры, не исчезают[56]. Новые связи в лобных долях также сохраняются, если какие-либо две вещи сопровождают друг друга — например, когда звук, зрительный образ или запах ассоциируются с чем-то причиняющим боль[57] или приятным[58].
Недавние эксперименты дают основание предположить, что нейроны также отслеживают некоторые аспекты личности. То есть появление и исчезновение синаптических связей в лобных долях, по всей видимости, не просто отражает события внешнего мира, как приятные, так и неприятные. Этот процесс предполагает также оценку выработанной мозгом стратегии в соответствии с результатом: «Что я только что попробовал?» и «Хорошо это для меня или плохо?»[59]. Результаты экспериментов указывают на то, что самопорождаемое исследование по методу проб и ошибок способствует формированию нейронной архитектуры лобных долей. Таким образом, при активных действиях человека нейронные сети лобных долей формируются не так, как при пассивном наблюдении за миром[60].
Если вы не увлекаетесь садоводством, фигурной стрижкой деревьев, нейронами и подростковой психологией, у вас могут возникнуть сомнения в значимости этих наблюдений. Вы можете подумать: «Ну и что? Эти процессы происходили в лобных долях всех млекопитающих на протяжении их долгой эволюции; тот факт, что теперь мы можем наблюдать за происходящим, ничего не меняет. Суть осталась прежней — лобные доли у подростков незрелые». На мой взгляд, возможность наблюдать и понимать, как растут и соединяются между собой нейроны на стадии формирования личности, в корне меняет ситуацию.
Если вернуться назад и вообразить, что подростки мало отличаются от пациентов, у которых отсутствуют лобные доли мозга, то можно прийти к выводу, что их следует защищать от самих себя и от окружающего мира. В этом случае можно было бы просто помещать их в безопасное место и ждать, когда они вырастут[61]. С другой стороны, если уяснить, что лобные доли состоят из нейронов, жадно впитывающих информацию, на основе которой они сами себя формируют, и осознать, что способность нейронов к изменениям снижается с каждым днем, то возникнет желание выталкивать подростков в мир, чтобы они получили суровые уроки жизни. Отправим их в лагерь в арктическую пустыню!
Конечно, обе стратегии представляют собой крайности, но судьбы огромного количества новых нейронных связей заставляют нас относиться к опыту подростков не легкомысленно, а весьма серьезно. Это значит, что пребывание тинейджеров в школах с суровыми порядками, в лагерях беженцев или других подобных местах ограничивает их возможности, и последствия для нового поколения могут быть необратимыми. Это значит, что ролевая игра — необходимая тренировка перед началом трудовой жизни. Это значит, что для формирующегося мозга некоторые болезненные неудачи могут быть полезны[62]. Конечно, не следует отказываться от всех традиционных представлений о том, как и когда защищать подростков. Разумеется, не стоит предоставлять им неограниченный доступ к наркотикам и видеоиграм. Подростков действительно нужно направлять и поддерживать, но их живым, любознательным нейронам для формирования связей необходим опыт. И этот опыт, по всей видимости, влияет на развитие личности на протяжении жизни.
Как базовая структурная организация мозга меняется в процессе его работы
НЕКОТОРЫЕ ВОСПОМИНАНИЯ ОСТАЮТСЯ С ВАМИ на всю жизнь — например, о том, как вы сидели на солнцепеке на церемонии вручения дипломов. Или о раздражающих звуках фортепьяно, когда вам было восемь. Или как вы впервые взяли на руки своего ребенка. Или как в ваш дом влетела летучая мышь. Каждое событие может оставить биологический след, потому что память формируется (по крайней мере, отчасти) посредством изменения связей между нейронами. Но как влияет на мозг многолетнее оттачивание какого-либо одного навыка? Как накапливаются эти постепенные изменения? Возможно ли увидеть значительные перемены в структурной организации мозга, вызванные повторяющимся опытом?
Лондонскому таксисту необходимо хорошо знать 25 тысяч улиц города и 20 тысяч ориентиров. Чтобы получить лицензию, водитель должен на экзамене проложить кратчайший маршрут между двумя точками этого хаотичного города. Даже после нескольких лет обучения не каждому удается сдать экзамен и стать таксистом. Ведет ли такое значительное развитие навыка навигации к видимым изменениям мозга? Сравнение мозга лондонских таксистов с мозгом других людей показало, что у первых увеличена задняя часть гиппокампа — области, участвующей в формировании пространственной памяти[63]. Но где здесь причина, а где следствие? Мозг меняется в результате упорных тренировок — или у людей с увеличенным гиппокампом просто больше шансов сдать экзамен и получить лицензию? Насколько индивидуальный опыт влияет — и влияет ли вообще — на формирование нашего мозга?
У птиц, как и у людей, гиппокамп используется для построения пространственных карт и формирования памяти. Но в отличие от таксистов, у некоторых видов птиц размеры этой области мозга подвержены сезонным колебаниям. Например, у черношапочных гаичек гиппокамп достигает максимального размера в октябре, когда эти птицы наиболее активно запасают пищу[64]. Они прячут еду в разных местах, чтобы съесть ее позже. Учитывая значительные сезонные изменения в объеме гиппокампа (в октябре он на 30 % больше, чем в августе!), логично было бы предположить, что эта область мозга увеличивается потому, что гаичкам нужно запоминать, где они спрятали еду.
Другие сезонные различия в поведении птиц тоже связывают с изменениями в мозге. У самцов некоторых видов меняется размер области мозга, которая называется верхним вокальным центром (HVC) и отвечает за пение[65]. Так, у самцов большой синицы, исполняющих сложные брачные и территориальные песни в период размножения, максимальный объем HVC наблюдается весной. В отличие от них, у буроголовых гаичек, которые поют круглый год, размер HVC не меняется от сезона к сезону[66]. Однако остается непонятным, что именно вызывает сезонные колебания в этих двух областях мозга. Подобные изменения могут быть спровоцированы факторами внешней среды (такими, как температура или продолжительность светового дня), чтобы животное подготовилось к сезонной активности и начало запасать пищу или петь. Или же определенные участки мозга увеличиваются в результате их интенсивного использования?
Чтобы ответить на этот вопрос, несколько групп исследователей начали обучать обезьян различным навыкам. Например, взрослых ночных обезьян учили прикасаться к вращающемуся диску[67]. Простое приспособление располагалось на расстоянии вытянутой руки, и, если обезьяна удерживала пальцы на диске, она получала вознаграждение — конфету со вкусом банана. Диск, похожий на музыкальную пластинку, но с выпуклостями на поверхности, обеспечивал непрерывный поток осязательных стимулов для пальцев обезьяны. Фиксируя активность мозга животного до и после обучения, ученые проверяли, вызывает ли регулярная стимуляция пальцев изменения в соматосенсорной коре — области мозга, которая отвечает за осязание. Заметные изменения появились уже через несколько месяцев.
Соматосенсорную кору можно разделить на несколько зон, каждая из которых соответствует определенной части тела. После обучения значительная доля соматосенсорной коры занималась обработкой сигналов осязания от пальцев — причем именно тех, которые подвергались стимуляции. Поскольку в мозге взрослой особи не образуется новых нейронов (за исключением некоторых областей, например гиппокампа), размер коры остается неизменным и представляет собой ценное «недвижимое имущество». Зона, отведенная для кончиков пальцев, увеличивалась за счет соседних зон — подобно тому, как алчный землевладелец захватывает чужие участки, чтобы расширить свои границы. В данном случае увеличивался участок, выделенный для стимулируемых кончиков пальцев; это происходило за счет уменьшения участка для соседних (не стимулировавшихся) пальцев и даже за счет смещения границы между зоной руки и зоной лица. Таким образом, опыт, или использование определенных нейронных цепей, расширяет зону коры, отведенную под данную функцию, но за это приходится платить.
Такая стратегия компромисса, когда область коры, отвечающая за одну функцию, увеличивается за счет уменьшения другой, — это общий принцип, наблюдаемый в самых разных условиях. Подобно соматосенсорной коре, моторная кора организована в виде карты, где каждый участок отвечает за управление движением той или иной части тела. Исследователи обучали беличьих обезьян выполнять задания, при которых задействовались определенные группы мышц, и наблюдали за изменениями в соответствующих участках моторной коры. В задаче, где требовалась ловкость пальцев, обезьянам предлагали достать конфеты со вкусом банана из узкого отверстия. Другую группу обезьян учили поворачивать ключ в замке, что требовало движений предплечья и запястья. Повторяющиеся действия пальцев обезьян привели к увеличению зоны моторной коры, управляющей пальцами, причем увеличилась она за счет соседней зоны, отвечающей за предплечье. Аналогичным образом повторяющиеся движения руки при повороте ключа вызвали увеличение зоны коры для предплечья за счет зоны для пальцев[68]. Что касается устойчивости этих изменений, ее можно описать фразой «используй или потеряешь». После того как обезьяны переставали тренироваться, зоны моторной коры, отвечающие за разные части тела, возвращались к первоначальным размерам.
В случае с людьми определенные виды обучения также могут приводить к некоторым изменениям в организации соматосенсорной и моторной коры. У незрячих людей, освоивших азбуку Брайля, как и у обезьян из эксперимента с диском, наблюдаются заметные отличия в сенсомоторной области[69]. Зона коры для пальца, считывающего буквы, у них больше, чем зоны для других пальцев, и больше, чем зона для того же пальца у людей, не пользующихся шрифтом Брайля.
Моторная кора музыкантов также отличается от моторной коры других людей[70]. У тех, кто играет на струнных инструментах, таких как скрипка или гитара, очень хорошо развиты пальцы левой руки. От правой руки, которая держит смычок или ударяет по струнам, обычно не требуется такой ловкости. Интересно, что у этих музыкантов зона моторной коры для левой руки больше, чем у тех, кто не умеет играть на скрипке или гитаре. Для зоны моторной коры, ассоциированной с правой рукой, такой разницы не наблюдалось. Кроме того, у опытных музыкантов реорганизация моторной коры выражена более явно, чем у новичков. Но несмотря на наличие корреляции между опытом и масштабом изменений в мозге, эта корреляция не может расцениваться как строгое доказательство того, что занятия музыкой вызывают изменения в моторной коре. А что, если люди с увеличенной моторной зоной для левой руки просто лучше обучаются игре на струнных инструментах и поэтому с большей вероятностью продолжают играть?
Как исследователи могут убедиться, что изменения в коре головного мозга вызваны именно обучением? Можно, например, научить людей жонглировать. В этом продуманном и изящном в своей простоте эксперименте мозг испытуемых сканировали до и после обучения жонглированию[71]. Через три месяца тренировок добровольцы могли жонглировать целую минуту, не роняя предметы, — и в их мозге наблюдались явные изменения. Структурная магнитно-резонансная томография (МРТ)[72], проведенная для анализа анатомической структуры мозга, выявила точечное увеличение объема серого вещества в средней части височной доли — в той области, которая анализирует скорость и направление движущихся объектов. Отмечалось также увеличение зоны, отвечающей за перцептивно-моторную координацию и зрительное внимание (все эти навыки необходимы профессиональному жонглеру). Еще через три месяца, после перерыва в тренировках, большинство добровольцев разучились жонглировать, а увеличившиеся участки коры в их мозге вернулись в прежнее состояние. Всего за шесть месяцев этот эксперимент показал, что тренировки вызывают временные, но вполне реальные структурные изменения в мозге! В отличие от случаев с простым перераспределением функций соматосенсорной и моторной коры, этот тип обучения действительно
К сожалению, невероятная пластичность мозга в некоторых случаях приводит к нежелательным последствиям. Например, многие люди с ампутированной рукой или ногой испытывают ощущение «фантомной конечности» — как будто рука или нога по-прежнему на месте. У некоторых она даже болит. Считается, что в фантомных болях виновата реорганизация коры. Например, те зоны соматосенсорной и моторной коры, которые ранее отвечали за руку, через некоторое время после ее ампутации могут быть поглощены соседними — в частности, отвечающими за губы[74]. Имеющиеся данные позволяют предположить, что фантомные боли вызывает именно это функциональное вторжение зоны нижней части лица в зону руки (и ее дальнейшая активность)[75]. Но несмотря на то, что фантомные боли — довольно распространенное явление, лишь немногие люди в момент прикосновения к какой-то части своего тела ощущают, что что-то коснулось их несуществующей конечности[76]. Этот факт предполагает наличие каких-то дополнительных механизмов. Другие исследования указывают на то, что фантомную боль провоцируют остаточные связи от отсутствующей конечности[77] и что свою роль в этом явлении играет изменение возбудимости спинного мозга[78]. Как бы то ни было, существует немало примеров, когда зона коры, отвечающая за ту или иную часть тела, увеличивается за счет соседней зоны.
Быть может, у такой реорганизации ограниченных ресурсов коры есть функциональные последствия? Вернемся к лондонским таксистам. Важно отметить, что увеличение задней части их гиппокампа происходит за счет передней части[79]. Общий объем гиппокампа и у таксистов, и у контрольной группы был одинаковым; различалось только соотношение частей. Считается, что задняя часть гиппокампа хранит пространственное отображение окружающей среды, и ее расширение позволяет «вместить» более подробную мысленную карту. А вот уменьшение передней части гиппокампа может объяснить некоторые функциональные нарушения, которые наблюдаются у таксистов. Как правило, они хуже, чем люди других профессий, запоминают новые зрительные и пространственные образы. Например, когда им предлагали скопировать сложную линию, они с трудом воспроизводили ее в задании на проверку памяти — в тесте, определяющем способность запоминать расположение видимых объектов в пространстве[80].
Недавнее исследование, в котором группу будущих таксистов изучали на протяжении четырех лет, убедительно доказало, что тренировки вызывают изменения в гиппокампе. После нескольких лет обучения у водителей, успешно сдавших экзамен, отмечалось увеличение задней части гиппокампа, и они хуже справлялись с решением зрительных и пространственных задач. А вот те, кто провалил экзамен или не закончил обучение, не отличались по этим показателям от контрольной группы. Именно обучение вызывает структурные изменения в гиппокампе, которые могут иметь непредвиденные последствия, такие как нарушения в формировании зрительной и пространственной памяти.
Важно помнить, что это не всегда плохо — это просто реакция мозга на требования внешней среды. Как насчет лондонских таксистов, вышедших на пенсию? Задняя часть гиппокампа у них меньше, а зрительная и пространственная память лучше, чем у тех, кто еще работает[81]. Когда требования к нейронным цепям, связанным с пространственной навигацией, снижаются, мозг, по всей видимости, возвращается к исходному состоянию, которое наблюдается в контрольной группе. Это еще раз подтверждает, что наш мозг постоянно меняется.
Удивительно, что именно повседневный опыт может менять базовую организацию нашего мозга, причем значительно и ощутимо. Этот биологический феномен изящен и прост. Мы видим прекрасную симметрию: мозг определяет наше восприятие окружающего мира, а перцептивный опыт влияет на соответствующие структуры и функциональные возможности самого мозга.
Мозг мгновенно перестраивается, когда вы берете в руки инструмент
ВЫ ВОЗВРАЩАЕТЕСЬ ДОМОЙ после субботних дел и заезжаете в гараж, стараясь свернуть в нужный момент, чтобы не задеть мусорные баки с одной стороны дорожки и велосипеды с другой. Затем останавливаетесь так, чтобы дверь гаража, закрываясь, не повредила автомобиль. Как вам удается точно чувствовать габариты своей машины? В вождении автомобиля есть один удивительный момент: когда вы садитесь за руль, ваше ощущение тела расширяется до внешних границ машины. Вы чувствуете, как близко можно подъехать к бордюру, чтобы его не задеть; понимаете, как далеко можно сдать назад, не врезавшись в препятствие; оцениваете положение автомобиля на дороге, мельком взглянув на разметку. Возникает ощущение, будто ваше тело увеличилось в сорок раз и оканчивается колесами и бампером.
Интересно, что, как только вы отстегиваете ремень безопасности и выходите из машины, ощущение тела (или соматическое чувство) мгновенно возвращается в границы вашей кожи. Такое быстрое расширение и сжатие границ тела связано с поразительной пластичностью мозга. Пластичность — базовое свойство мозга, и ученые исследуют конкретные механизмы, с помощью которых отдельные нейронные пути в соматосенсорной коре ослабляются, усиливаются или маскируются, что позволяет нам ощущать и делать чрезвычайно сложные вещи. В этом эссе я покажу, что отображение нашего тела в мозге пластично и что изменения происходят непрерывно, в процессе наших повседневных занятий. Это особенно важно для нас как для вида, использующего орудия труда и инструменты. Каждый раз, когда мы берем в руки предмет и ловко пользуемся им, мы расширяем представление о своем теле, включая в него этот предмет и тем самым получая возможность обращаться с ним по своему усмотрению.
Младенец должен научиться понимать, где начинается и где заканчивается его тело; он дотрагивается до разных предметов, двигает руками и ногами, наблюдая за ними. Карта поверхности тела формируется в нашем мозге в период эмбрионального развития в виде встроенного в сознание грубого наброска, а затем уточняется в процессе обретения опыта. Термин «соматосенсорная карта» отражает то обстоятельство, что организация тактильной информации на поверхности мозга примерно соответствует расположению частей тела: проекция большого пальца соседствует с проекциями других пальцев руки и с проекцией ладони, а проекция ладони граничит с проекцией локтя и так далее. Размеры участков мозга, отведенных разным частям тела, могут не соответствовать реальным пропорциям этих частей тела (например, проекции пальцев и губ занимают несоизмеримо большую область по сравнению с областью коленей или плеч), но их взаимное расположение в целом сохраняется.
Растущие дети часто неуклюжи; на определенном этапе они с трудом адаптируются к изменениям формы и размера тела — ноги оказываются длиннее, чем кажется, и дети спотыкаются и падают. Ребенок может забраться к родителям на колени и с удивлением обнаружить, что уже не умещается там. Соматосенсорные карты, расположенные в неокортексе («новых» областях коры), должны постоянно «перезагружаться», чтобы адекватно представлять меняющиеся формы тела. К счастью, для этого предусмотрены специальные механизмы.
Соматосенсорные карты обладают одним важным свойством: они могут изменяться под воздействием опыта. Чрезмерная стимуляция некоторых частей тела, например пальцев скрипача, который репетирует по шесть часов в день, может привести к относительному увеличению области коры, где хранится проекция этих пальцев[82]. В случае изменения размеров тела — например, когда человек поправляется или худеет — соматосенсорные карты тоже должны корректироваться. Каждая беременная женщина хоть раз пыталась протиснуться через толпу, прежде чем понимала, что ее тело гораздо больше, чем ей казалось. После этого ей приходилось корректировать свои представления, чтобы лучше координировать движения в пространстве. Подобная пластичность соматосенсорных проекций, обусловленная рутинным опытом, постоянно проявляется в повседневной жизни, а не только в лабораторных условиях.
Соматосенсорная потеря, например в результате ампутации конечности (или удаления зуба, что случается гораздо чаще), также может привести к «территориальному переделу» в мозге, когда зоны неповрежденных частей тела со временем «захватывают» те области коры, которые больше не получают входящих сигналов. После удаления зуба у нас возникает навязчивое желание прикоснуться языком к тому месту, где он был раньше. Но через несколько дней или недель мы привыкаем к пустому пространству во рту и уже его не замечаем. Наша способность корректировать представление о размере своего тела обусловлена пластичностью нейронных связей в мозге. Ученые постепенно выявляют сложные механизмы, по которым нейроны мозга анатомически перестраиваются под воздействием опыта. Во многих случаях подобные изменения бывают устойчивыми и долговременными. В других ситуациях нейронные цепи меняют свои функции без какой-либо анатомической перестройки, за счет ослабления или усиления синаптических связей между нейронами. Это эффективная стратегия (поскольку в ней используются уже существующие связи), и она обеспечивает быстрое переключение соматосенсорных проекций в зависимости от выполняемой задачи. Кроме того, она дает нам огромное преимущество как виду.
Наша способность к долговременным настройкам ощущения своего тела удивительна — но не меньше впечатляет способность соматосенсорных проекций мгновенно подстраиваться под актуальную задачу. Вспомните, например, как быстро вы понимаете, выезжая из гаража, что зеркало заднего вида заденет стену. Или как ловко вы управляетесь с ножом и вилкой. Границы нашего тела мгновенно меняются, и столовые приборы становятся как бы продолжением нас, что расширяет сенсорные возможности пальцев. Держа в руке вилку, мы «чувствуем» тарелку и тот кусок, который берем с нее. Наши «границы» раздвигаются до зубцов вилки, на несколько сантиметров дальше кончиков пальцев. Эта форма обусловленной опытом пластичности соматосенсорной системы позволяет нам искусно обращаться с инструментами, поскольку мозг корректирует наше ощущение границ тела, позволяя использовать инструменты как его продолжение.
Почему использование инструментов требует практики? Потому что для перенастройки карты необходимы время и многократные повторы — с обратной связью, чтобы мы могли учиться методом проб и ошибок. Иногда такое обучение обходится довольно дорого, в чем могут убедиться неопытные водители. Многим случается несколько раз поцарапать машину, прежде чем они поймут, какую дистанцию нужно держать, чтобы избежать столкновения. И все же наш мозг прекрасно умеет усваивать новую соматосенсорную информацию и менять представление о размере и форме «тела», чтобы мы могли овладевать новыми навыками. Обратная связь, которую мы получаем, когда учимся пользоваться палочками для еды, помогает добиться нужного результата. Когда наши усилия наконец увенчиваются успехом, карта тела дополняется и закрепляется. Исследования показывают, что для нейропластичности особенно важны подобные периоды проб и ошибок с промежуточными успехами и повторяющимися попытками — и с перерывами на сон[83]. Со временем от неловких попыток брать еду двумя палочками мы переходим к ощущению, что эти палочки стали продолжением нашей руки. Изменение ментального представления под воздействием опыта впервые было описано психологами больше ста лет назад, и сегодня этот феномен хорошо изучен[84]. Непрерывный процесс корректировки карты тела на основании опыта начинается еще в раннем детстве, когда мы учимся обуваться, держать карандаш, кататься на лыжах, рисовать, переворачивать котлету на сковородке, играть на пианино. В основе всех этих навыков лежат изменения в реакции клеток мозга на поступающие сигналы — одни изменения ограничены областями мозга, отвечающими за движение, а другие происходят в сенсорных зонах.
Мозг состоит почти из 100 миллиардов нейронов, и на их свойства могут влиять опыт, болезни, травмы или наркотики. Нейронов в мозге так много, что нам трудно понять, какие из них нужно исследовать. Если речь идет об использовании инструментов, мы можем сосредоточиться на нейронах, которые находятся в ограниченной области мозга, активируются посредством тактильных манипуляций и соответствуют определенным частям тела. Кое-что нам достоверно известно: отработка навыка одной рукой не позволяет легко передать этот навык другой руке (то же относится и к ногам)[85]; мастерство требует практики для закрепления изменений в нейронных связях; восприятие инструмента как продолжения тела отключается почти мгновенно. Подобные отключения происходят, например, когда мы выходим из машины или откладываем вилку — границы тела тут же возвращаются к исходному состоянию. Это говорит о том, что изменения в нейронных связях могут активироваться или подавляться в зависимости от ситуации. Повседневный опыт показывает, что мы способны пользоваться самыми разными инструментами, а значит, «инструментальные карты» сосуществуют в мозге и, вероятно, пересекаются.
Эксперименты на животных показывают, что визуальная обратная связь способствует расширению возможностей нейронов, когда инструмент становится частью ментальной проекции тела. У приматов (кроме человека) в этом процессе участвует зона мозга, которая называется внутритеменной бороздой. Она объединяет зрительную и соматосенсорную информацию[86]. Нам важно понимать, как разные типы нейронов — возбуждающие и тормозящие — и связи между ними динамически меняются при умелом обращении с инструментом. Без этого понимания трудно объяснить, как биологические компоненты мозга обеспечивают соматосенсорную пластичность, не говоря уже о том, чтобы использовать это свойство для восстановления функций мозга.
Вполне возможно, что для ловкой манипуляции инструментами привлекаются стандартные механизмы пластичности и сенсорной памяти — точно так же, как тактильные сигналы вызывают изменения в возбуждении нейронов неокортекса[87]. Этот процесс почти наверняка сопровождается укреплением связей между возбуждающими нейронами в соматосенсорных зонах[88], а также изменениями в моторных зонах мозга[89]. Но одни лишь долговременные изменения в соединениях возбуждающих нейронов не могут объяснить легкость, с которой мы способны взять инструмент и начать пользоваться им, менять одно орудие труда на другое или возвращаться к своему обычному состоянию, без применения каких-либо орудий. Крайне важно, что подобное расширение границ собственного тела можно мгновенно отключить. Таким образом, мозг должен обладать способностью блокировать эти крепкие связи посредством торможения — как только мы откладываем вилку, выходим из машины или снимаем туфли.
По-прежнему остается загадкой, как карты тела, адаптированные к использованию инструментов, существуют отдельно друг от друга — так, что мы можем использовать самые разные предметы (например, молоток и пинцет), не путая их. Существуют ли методы, помогающие быстрее обучаться обращению с инструментами? Как природные различия между людьми проявляются в навыках — действительно ли одни учатся быстрее других, и если да, то почему? Все эти вопросы активно изучаются. Ясно одно: наш мозг сформировался в результате долгого эволюционного процесса, не предполагавшего, что мы будем использовать доступные предметы, чтобы расширить свои физические возможности. Обычные клеточные и синаптические механизмы обусловленной опытом пластичности, уже существовавшие в центральной нервной системе, могли на каком-то этапе адаптироваться к новым задачам, что позволило нам как виду овладеть еще более сложными навыками. Вступив в эпоху, когда виртуальная реальность становится привычным явлением, мы можем обнаружить новые способы реорганизации своих перцептивных возможностей, не ограниченные использованием предметов, которые мы превращаем в инструменты. Компьютерная обратная связь, возможно, позволит нам быстрее осваивать новые навыки, а тактильная обратная связь в виртуальной реальности преобразует наш довольно примитивный визуальный опыт в нечто пока недоступное. Новые физические законы (снижение гравитации?), пространственные образы объектов и измененная шкала времени в интерактивных компьютерных играх дополнят материальный мир, что приведет к такому изменению карт в мозге, какое не может произойти в привычной для нас реальности.
Жизненный опыт и наркотики изменяют мозг схожим образом
ПОЧЕМУ МЫ НЕ МОЖЕМ восстановить в памяти самые примечательные события своей жизни так ярко, как нам хотелось бы? Почему, как бы мы ни старались, у нас не получается быстро забыть что-то неприятное? У памяти есть свой срок службы, и с течением времени она понемногу ослабевает, нравится нам это или нет. Как ни странно, у наркотической зависимости есть некоторое сходство с памятью. Когда наркоман пытается порвать с вредной привычкой, он сталкивается с проблемой, похожей на ту, что возникает при попытке забыть неприятный опыт: он не может сознательно контролировать связанную с наркотиками память, которая провоцирует рецидивы. Откуда у пристрастия к наркотикам так много общего с памятью?
Каждый день вы приобретаете новый опыт, чему-то учитесь. Одни воспоминания быстро стираются (например, где вы припарковались вчера утром), другие остаются надолго. Даже если новый опыт настолько зауряден, что вы его почти не замечаете (скажем, вы увидели соседа за рулем новой машины), эта информация все равно сохраняется и впоследствии ее можно извлечь из памяти. Но сделать это можно только в том случае, если ваш мозг немного изменится, когда вы сохраните знание о новой машине. Перестроившийся мозг вместит в себя информацию, так что при необходимости вы сможете вспомнить нужный факт.
Память формируется в мозге посредством усиления и ослабления синапсов — связей между отдельными нейронами. Усиленный синапс между двумя нейронами интенсивнее возбуждает электрическую активность в принимающей клетке цепи. Даже на основе личного опыта мы можем выявить некоторые аспекты обучения и памяти, которые, по всей видимости, кодируются в мозге благодаря синаптической пластичности. Во-первых, мы способны очень быстро учиться. Когда мы сталкиваемся с чем-то новым, для формирования памяти об этом моменте требуется лишь несколько секунд; так же быстро мы запоминаем имена и лица. Во-вторых, одни воспоминания хранятся дольше, другие меньше. Например, после знакомства с человеком мы можем при следующей встрече вспомнить его лицо, но не вспомнить имя. В-третьих, события нашей жизни, которые для нас особенно важны или эмоционально заряжены, мы помним долго и в мельчайших подробностях. Первый день в школе, день покупки своей первой гитары, день рождения ребенка — все эти моменты запоминаются мгновенно и хранятся долгие годы. Такие яркие воспоминания очень трудно или даже невозможно стереть. Память о том, что мы делали 11 сентября 2001 года или в день, когда на город обрушился ураган, остается с нами на долгие годы, даже если мы очень хотим все забыть.
Перенастройка синапсов посредством изменения силы синаптических связей (синаптическая пластичность) — механизм, участвующий в процессах обучения и формирования памяти и, по всей вероятности, лежащий в их основе. Синапсы перенастраиваются за несколько секунд. Некоторые изменения в синапсах сохраняются дольше других, и синаптическая пластичность может быть чрезвычайно стабильной — достаточной для формирования долговременной памяти. Эти синаптические изменения локализуются в определенных областях мозга, например в гиппокампе, который, как известно, необходим для обучения и для кодирования памяти.
Примечательно, что почти такой же процесс перенастройки мозга происходит при употреблении наркотиков. Наркозависимость, как и память, всегда обусловлена изменениями в мозге[90]. Об этом факте стоит задуматься, хотя он и кажется очевидным. Даже однократное употребление наркотика перенастраивает мозг, в результате чего меняется восприятие окружающего мира. Любой наркотик влияет на силу синаптических связей, в то время как лекарства от эпилепсии или антидепрессанты вроде прозака, воздействуя на мозг, не вызывают привыкания. В отличие от наркотиков, антидепрессанты и противоэпилептические препараты не стимулируют выработку дофамина и не провоцируют изменения в синапсах нейронных цепей, связанных с мотивацией; и это объясняет, почему они не вызывают привыкания[91].
Наркотики целенаправленно воздействуют на конкретные молекулы в мозге и изменяют его работу быстро и надолго[92]. Именно из-за этих изменений от наркозависимости так трудно вылечиться. Вентральная область покрышки и прилежащее ядро мозга содержат использующую дофамин нейронную цепь, которая считается центром мотивации; эти зоны активны во время мотивированного поведения, а при их повреждении мотивированные реакции утрачиваются. Убедительным доказательством этому служит тот факт, что именно повреждение прилежащего ядра, а не какой-нибудь другой области мозга избавляет курильщиков от никотиновой зависимости[93]. Побороть наркотическую зависимость не менее трудно, чем избавиться от неприятных воспоминаний. Эта задача выполнима, но требует огромных усилий. Наркоманы испытывают сильную тягу к наркотикам, они не могут думать ни о чем другом. Эту тягу усугубляет все, что как-то ассоциируется с зависимостью: если вы привыкли выкуривать сигарету после обеда, то после того, как вы бросите курить, послеобеденный период станет тяжелым испытанием из-за неудержимого желания сделать затяжку. Острые потребности и навязчивые мысли наблюдаются не только при наркотической зависимости. Представьте, что вы отправились на долгую пешую прогулку и не взяли с собой воду. Солнце печет все сильнее, и мысли о воде — а точнее, неприятное навязчивое ощущение, что вам нужна вода (это и есть тяга), — возникают все чаще, и вы уже не в состоянии думать ни о чем другом. Ни живописный закат, ни аппетитный кусок пиццы не избавят вас от этого мучительного чувства, пока жажда не будет утолена.
Несложно понять, почему нервная система использует мотивационные цепи для создания неприятных ощущений при сильной жажде. Без воды мы можем прожить лишь несколько дней, и поэтому очень важно иметь в мозге структуру, которая при необходимости будет посылать напоминания о жизненно важных потребностях. Наркотики изменяют эти нейронные цепи. Стремление искать средства для поддержания жизни, то есть воду и пищу, возникает потому, что они активируют использующие дофамин нейроны вентральной области покрышки, которые служат главными звеньями в мотивационной цепи. Эти нейроны вырабатывают нейромедиатор дофамин и направляют его в клетки-мишени в других областях мозга, таких как прилежащее ядро, которое тоже является важным компонентом мотивационной цепи. Возбуждение дофаминового нейрона, по всей видимости, сигнализирует о том, что нам срочно необходимо то или иное средство выживания, а дофаминовые клетки активизируются в ответ на пищу, воду, тепло или даже секс. Но что произойдет, если химическое соединение, природное или синтезированное, проникнет в мотивационную цепь и искусственно возбудит дофаминовые нейроны мозга? Именно так, вероятно, и действуют наркотики. Разные наркотики бьют по разным клеткам-мишеням, вызывая разные поведенческие эффекты, но все эти вещества усиливают электрическую активность дофаминовых нейронов или выработку дофамина этими клетками (в отличие от лекарств, не вызывающих привыкание, таких как прозак)[94].
После того как вы поедите или выпьете воды, дофамин будет вырабатываться лишь в течение получаса, тогда как наркотики, воздействующие на мозг, повышают уровень дофамина на несколько часов[95]. Поначалу постоянное действие дофамина может быть приятным — как глоток холодной воды после долгой прогулки по жаре. Но в долгосрочной перспективе опасность заключается в том, что, когда наркотические соединения, такие как кокаин или оксикодон, достигают мотивационной цепи, мозг воспринимает прилив дофамина как сигнал о поступлении вещества, необходимого для выживания. Даже при первом приеме кокаин или оксикодон захватывают существующую мотивационную цепь, усиливая синапсы, которые возбуждают дофаминовые клетки и связанные с ними клетки-мишени[96]. В этой ситуации инициированная наркотиками синаптическая пластичность вызовет резкий рост мотивации к поиску и приему наркотика, а не формирование новой памяти. Если мотивационная цепь представляет собой систему, тщательно настроенную для обнаружения важных событий во внешнем мире посредством приятных ощущений и стремления к ним, то перенастройка этой цепи может иметь катастрофические последствия. У наркомана все в жизни подчинено стремлению достать и употребить наркотик — как будто он необходим для выживания.
Когда лабораторные животные чувствуют голод или жажду, они нажимают на рычаг, чтобы получить еду или воду. И они точно так же нажимают на рычаг, чтобы получить от людей наркотики, даже если для этого требуется приложить намного больше сил[97]. Таким образом, даже эксперименты на грызунах дают представление о действии наркотических веществ на мозг человека. Опыты с животными позволили выяснить, когда и как наркотики вызывают изменения в синапсах мотивационной цепи мозга. Усиление синапсов происходит в определенные моменты времени после введения наркотика и в определенных местах мотивационной цепи. В чувствительных к дофамину клетках вентральной области покрышки пластичность наблюдается в течение нескольких часов после воздействия — как после учебной лекции по новой теме. Интересно, что эти же синапсы усиливались после того, как голодным грызунам давали сахар, но эффект от сахара сохранялся лишь несколько дней, а синаптическая пластичность от кокаина — несколько месяцев[98].
Эту быструю перенастройку можно рассматривать как одну из форм обучения — бессознательного, без ощутимых признаков изменений в мозге. Подобная быстрая пластичность не эквивалентна привыканию (подавляющее большинство наркотиков вызывает привыкание только после многократного употребления), но эти первые изменения в синапсах вентральной области покрышки, вероятно, указывают на снижение порога наркотической зависимости или маркируют прием наркотика как очень яркое и приятное событие[99]. В отличие от вентральной области покрышки, в прилежащем ядре однократное воздействие наркотика не влияет на синапсы и пластичность возникает только после многократного приема. А когда наркоман пытается избавиться от зависимости, в дело вступает коварная форма пластичности, которую называют актуализацией влечения при отложенном периоде абстиненции[100]. Тяга к наркотику возникает в начале периода абстиненции и в течение следующих недель значительно усиливается. Одновременно с этими поведенческими изменениями в период абстиненции усиливаются синапсы прилежащего ядра, связанные с дофаминовыми нейронами[101]. Эта синаптическая пластичность не ослабевает со временем, а закрепляется и стабилизируется — как долговременная память. После регулярного употребления наркотиков ваш мозг уже не будет таким, как прежде.
Мы еще многого не знаем об изменениях в мозге, которые вызывает употребление наркотиков, но весьма вероятно, что при этом меняются синапсы в мотивационной цепи. Какие последствия приема наркотиков остаются у тех, кто сумел расстаться с этой вредной привычкой? Неужели нет никакого способа вернуть мозг в нормальное состояние? Синаптическая пластичность в мотивационных цепях объясняет, почему так трудно навсегда отказаться от наркотиков. Мотивационная цепь в мозге наркомана видоизменяется, и вернуть силу синаптических связей к прежнему уровню ничуть не легче, чем сознательно избавиться от тех или иных воспоминаний. Но если наркотик вызывает быстрые и необратимые изменения в мозге, сама пластичность синаптических связей предполагает, что мозг способен и к терапевтической перестройке. Исследования на животных показали, что некоторые воздействия позволяют ослабить синапсы или перестроить мотивационные цепи. Например, у грызунов некоторые препараты обращали вспять процесс усиления синапсов, вызванный употреблением кокаина[102]. Для лечения некоторых неврологических заболеваний, в том числе болезни Паркинсона, применяется электрическая стимуляция мозга[103], и аналогичное воздействие на мотивационную цепь посредством глубокой стимуляции мозга, а также другие новые методы дают надежду на восстановление мозга бывших наркоманов даже без использования медикаментов[104]. Возможно, новые лекарства и технологии позволят эффективно устранять катастрофические поведенческие последствия наркозависимости.
Передача сигналов
Ваш мозг постоянно подгоняет оценки, нравится вам это или нет
ПОЖАЛУЙ, каждый из нас стремится быть счастливым. Зачастую мы ведем себя так, будто можем найти верный путь к наслаждению — комфорту, сытости, теплу и любым другим удовольствиям — и всегда испытывать радость, принимая правильные решения. Но любое наслаждение, даже от самого приятного опыта, не вечно. Это и становится причиной скуки и стремления к чему-то новому и
Многие функции мозга кажутся такими естественными, что мы о них даже не задумываемся. Но наш мозг примечает все. Основная задача мозга — воспринимать реальность; анализируя полученные ощущения, он действует на основе сделанных выводов. Эту работу выполняют нейроны нервной системы. Они принимают и преобразуют сигналы от внутренних органов и из внешнего мира, анализируют данные, а затем реагируют на результаты анализа, запуская те или иные действия. Действия, как правило, связаны с движением: нейроны посылают сигналы, заставляющие мышцы сокращаться, и вы что-то делаете. При этом входящая информация является
Как нейроны мозга выполняют работу по восприятию и анализу происходящего вокруг? Коротко ответ можно сформулировать так: в первую очередь они прибегают к услугам «переводчиков». Наши органы чувств (глаза, уши, нос, язык, кожа) содержат клетки сенсорных рецепторов, названных так потому, что они
Интересно, что почти все эти белки реагируют на
Чувствительность к переменам и нечувствительность к постоянству наблюдается не только на уровне сенсорных рецепторов. Почти в каждом нейроне мозга есть свои ионные каналы — в частности, натриевые, инициирующие биопотенциал (пропуская ионы натрия в нейрон), и калиевые, гасящие биопотенциал (выпуская ионы калия из нейрона). Существует немало разновидностей натриевых и калиевых каналов, и многие из них инактивируются (то есть выключаются) в ответ на долгое использование. Поэтому, даже когда химические нейромедиаторы вызывают длительную или повторяющуюся стимуляцию нейронов, ионные каналы благодаря своим свойствам ограничивают выработку биопотенциалов. Например, в некоторых нейронах инактивация натриевых каналов затрудняет создание биопотенциалов в ответ на непрерывную стимуляцию[107]. Тем временем калиевые каналы постепенно
Аналогичным образом у белков рецептора нейромедиатора может произойти десенсибилизация, когда их ионные каналы закрываются после продолжительной стимуляции нейрона[110]. Но у нейронов также есть интересная способность реагировать на долговременное (несколько дней и больше, что случается в результате усиленной передачи сигналов по определенной нейронной цепи) повышение концентрации нейромедиаторов простым поглощением собственных рецепторов нейромедиаторов, в результате чего на поверхности клетки становится меньше рабочих рецепторов. Отчасти такая реакция может лежать в основе невосприимчивости к лекарствам, наркотикам и даже острой пище[111]. И наоборот, когда выработка нейромедиатора снижается, нейрон может вырабатывать больше рецепторных белков и создавать больше соответствующих ионных каналов. Таким образом, чрезмерная стимуляция купируется до нормального уровня входящих сигналов, а недостаточная стимуляция делает нейронную цепь чрезвычайно чувствительной даже к слабым сигналам. Но как клетка узнает, что ей делать? Разнообразные системы обратной связи клетки, во многих из которых используются особые биохимические свойства ионов кальция, позволяют нейронам «вычислять» приемлемую интенсивность реакции между слишком сильной и слишком слабой. Подобные процессы запускаются тогда, когда изначально приятный (или неприятный) стимул возникает снова и снова. Острота восприятия ослабевает, когда мозг находит точку равновесия[112].
Соответствующим образом меняются ощущения на уровне всего организма, ослабевая при повторном стимулировании и обостряясь только в случае изменений. Простая иллюстрация этого феномена была получена в опытах с морским моллюском
Поделиться книгой: