Достижения мозга. Как этот орган стал самой сложной и влиятельной частью тела человека

Что касается третьего и последнего типа глиальных клеток, то это тот тип, который принес нам больше всего сюрпризов за последние десятилетия, – речь идет об астроцитах. Эти клетки имеют отростки, которые не сильно удалены от тела клетки и похожи на лучи звезд, отсюда и их название. С помощью этих лучей-рук астроциты обхватывают нейроны и кровеносные сосуды мозга. И хотя этих сосудов в мозге очень много, не все, что циркулирует в крови, обязательно попадет в мозг – закрытый клуб со строгими требованиями. Отростки астроцитов действуют как ограждения: они принимают активное участие в создании барьеров между кровью и мозгом. Благодаря этому барьеру, на наше счастье, циркулирующие в крови бактерии или вирусы имеют мало шансов попасть в мозг.

12. Три типа глиальных клеток: олигодендроциты, астроциты и микроглия

Помимо этой первой защитной функции, астроциты также играют важную роль в активности синапсов: они участвуют в разрушении нейромедиаторов, высвобождающихся в синаптической щели. Вот поэтому теперь принято говорить о трехстороннем синапсе: он не просто является результатом бинарной композиции с двумя находящимися рядом нейронными окончаниями, но также включает ассоциированный отросток астроцита (рисунок 12). Несколько лет назад выяснилось, что астроциты участвуют в диалоге между нейронами еще более прямым образом: они способны синхронизировать активность синапсов, с которыми контактируют, или, обволакивая их, изолировать от расположенных рядом синапсов.

Астроциты также играют важную роль в обмене информацией между нейронами. Еще более впечатляющим является тот факт, что эти клетки могут «активироваться» глутаматом, поскольку у них есть такие же рецепторы, как и у нейронов. Глутаминовая кислота пропускает ионы кальция в астроцит, который затем передает эту активацию другим астроцитам благодаря «сообщающимся соединениям» – белковым мостикам, которые в некотором роде являются синцитиями астроцитов. Идеи, которые отстаивал Гольджи во время своего выступления на вручении Нобелевской премии, в конечном счете были не такими уж и неправильными: проблема была в том, что они относились не к нейронам, а скорее, к астроцитам!

Хотя мы все еще не знаем, в чем именно заключается функция этих волн активации астроцитов, тем не менее уже можно не сомневаться в том, что роль этих клеток не ограничивается лишь питанием и защитой нейронов. Коммуникационные способности астроцитов подчеркивают их важнейшее значение в «благородной» активности мозга – то есть в обработке информации.

С каждым новым научным открытием нейробиологи составляют все более подробную картину нашего мозга, включающего множество участников.

Глава 3

Социальная жизнь нейронов

Подытожим: мозг млекопитающих покрыт толстым слоем – корой. Под ней находится беловатая масса, которая называется «белое вещество». В нем нет клеточных тел нейронов (преимущественно они находятся в коре) – там только их отростки. У человека белое вещество содержит более 100 000 километров пересекающихся каналов связи. Через этот гигантский лабиринт проходит обмен информацией, благодаря которому мы способны мыслить.

Как можно разобраться в этом сложном и, на первый взгляд, запутанном донельзя переплетении пучков, идущих во всех направлениях? Как определить, что тот или иной участок мозга контактирует с другим? В последние годы стала развиваться новая наука о нейросетях, которая может помочь с ответами на эти вопросы.

Считается, что толчком для развития этой науки стало решение, которое предложил швейцарский математик Леонард Эйлер (1707–1783) для знаменитой «задачи о семи кенигсбергских мостах». Как известно, через Кенигсберг (ныне Калининград) проходит река, которая образует два острова. Вот условия задачи: существует ли такой путь через город, который пересекает каждый из семи мостов между разными берегами только один раз? Эйлер доказал, что это невозможно. Для доказательства он нарисовал упрощенную схему с семью узлами, обозначающими мосты, и четырьмя зонами, обозначающими различные кварталы (рисунок 13). Оказалось, что значение имеет не столько сама география местности, сколько объединение ее элементов в одну сеть, что можно представить в виде графической модели (графа), в котором есть вершины (те места, куда хочется попасть), а эти вершины связаны между собой ребрами (мостами). Затем Эйлер сформулировал математические правила, которые делают такую прогулку возможной или невозможной. Так в математике родилась теория графов.

На основании этой теории можно разработать модель мозга в виде графа – сети или скопления нейронов (вершины), обозначить их парные соединения (ребра), а затем обработать эту абстракцию математическими методами теории графов. Принципы этой теории также применимы по отношению к системе любой сложности, включая, например, воздушное и автомобильное сообщения, доставку почты, сети сотовой связи, интернет и даже наш круг друзей и знакомых.

13. Граф центра старого Кенигсберга, нарисованного Эйлером (из книги 1741 года Solutio problematis ad geometriam situs pertinentis). Город пересекает река, рукава которой разделяют различные кварталы. Мосты (ребра графа) обозначены буквами от a до g, а кварталы (вершины графа) – от A до D

Хабы: приоритетные вершины

Недавние доработки теории графов дают новую информацию об этих сложных системах. Например, вопреки привычному мнению, вершины в этих системах не связаны случайно, с одинаковым количеством связей на вершину. Очень часто некоторые из них имеют гораздо больше связей, чем другие. Можно провести аналогию с аэропортами: такие крупные терминалы, как международные аэропорты – парижский Шарль-де-Голль или лондонский Хитроу – предлагают намного больше рейсов в другие аэропорты, чем маленькие терминалы в Лилле или, например, Монпелье. То есть из аэропорта Шарль-де-Голль пассажир может отправиться практически в любую точку мира, в то время как прямых рейсов из аэропорта Монпелье будет гораздо меньше.

Чтобы подчеркнуть такую приоритетную связность больших аэропортов, стали использовать англицизм hub: это слово означает ступицу колеса, которая соединена со всеми его спицами. Авиакомпании осуществляют значительную часть своих рейсов через эти хабы и обеспечивают там пересадки на самолеты, отправляющиеся во многие уголки мира. Это же слово – хаб – используется для обозначения вершин, которые имеют наибольшее количество связей в сложной сети, включая нейронную сеть головного мозга.

Это свойство обеспечивает определенную устойчивость таким сложным сетям: если они будут затронуты случайным образом той или иной аномалией, то повредится, скорее, одна из их многочисленных вершин с небольшим количеством связей. Их уязвимость обусловлена уровнем хабов: если эти несколько вершин с большим количеством связей, на которых держится вся сеть, будут повреждены, это повлияет на работу всей сети в целом. Здесь можно провести аналогию с огромным различием в плане последствий при забастовке, которая приводит к закрытию большого аэропорта, в отличие от забастовки в маленьком аэропорту.

Когда мир тесен!

В получившей широкую известность статье, опубликованной в 1998 году в журнале Nature, социолог Дункан Уоттс и математик Стивен Строгац приходят к парадоксальному выводу: количество этих обширных и разветвленных сетей включает не только связи между вершинами, расположенными рядом друг с другом (что кажется очевидным), но и некоторые связи между вершинами, которые значительно удалены друг от друга (что кажется куда менее очевидным). Получается, что коммуникативная связность внутри таких сетей зависит не только от физического соседства вершин, но и от наличия соединений между удаленными вершинами (рисунок 14). В такой сети две любых вершины всегда будут соединены слабым числом опосредованных связей.

14. Эти две сети включают одно и то же количество вершин и ребер, но средняя степень разделения между вершинами в сети справа слабее

Вот поэтому Уоттс и Строгац назвали такие сети «сетями тесного мира» (small world networks), что связано с популярной теорией шести рукопожатий, в соответствии с которой от любого человека на планете нас в среднем отделяют всего лишь шесть уровней связи, то есть пять уровней общих знакомых. Нам всем по опыту известно, что в ходе разговора с незнакомым человеком, мы нередко находим общих знакомых, что нашло свое отражение в известном выражении: мир тесен.

Короткие пути бывают опасны

Эти сети тесного мира очень распространены в природе и встречаются в самых разных сферах. Уоттс и Строгац приводят примеры 302 нейронов небольшого круглого червя нематоды Caenorhabditis elegans, электрическую сеть США и граф сотрудничества киноактеров – все это сети тесного мира!

У таких сетей есть очень разветвленные подсети, которые называются кликами, отличающиеся высоким коэффициентом кластеризации: существуют многочисленные связи между их членами (точное определение

клика обозначает совокупность связанных между собой попарно вершин). Они также обладают высоким уровнем глобальной взаимосвязи: расстояние между двумя вершинами – то есть число шагов, которые отделяют одну вершину от другой – в среднем довольно короткое.

Короткие пути сетей тесного мира определяют, например, закономерности возникновения и распространения некоторых инфекционных заболеваний. Пандемия Covid-19 позволила сделать поразительное открытие: выяснилось, что большинство заражений происходят от очень немногих людей. Около 80 % инфекций связаны только с 10–20 % суперраспространителей. Зато 60–75 % заболевших людей никого не заражают. Следовательно, если бы удалось идентифицировать и изолировать этих немногочисленных суперраспространителей, то мы получили бы возможность легко контролировать распространение вируса! Это важное свойство сетей тесного мира: контролировать вершины с самым большим количеством связей является простым и эффективным способом наблюдения за поведением всей сети.

Тесный мир мозга

В настоящее время нейробиологи пытаются применить модель сети тесного мира к мозгу человека, чтобы немного разобраться в очень сложной структуре его связей. Группа ученых под руководством нейробиолога Олафа Спорнса обнаружила, что в мозге содержатся хабы с большим количеством связей, образующих сети тесного мира. Эти хабы соединены с различными участками мозга, которые также образуют очень тесные и многочисленные связи между собой. Такую организацию называют структурой элитных клубов: хабы с большим количеством связей преимущественно соединяются между собой. Экспериментируя с повреждениями в различных участках мозга, эти ученые установили, что повреждения, затрагивающие соединения из элитных клубов, вредят эффективности коммуникации приблизительно в три раза больше, чем повреждения в любых других местах.

Структуры тесного мира включают в себя как локальные области мозга с высокой степенью связей (известные как кластеры), так и другие области, расположенные на некотором расстоянии друг от друга. С этой точки зрения они следуют правилам, которые мало чем отличаются от правил, действующих для упомянутой ранее нематоды Caenorhabditis elegans. По некоторым оценкам, максимальное количество степеней разделения между различными участками мозга даже не доходит до шести – чаще всего речь идет о двух или трех: по-видимому, каждый участок может соединяться с любым другим участком мозга либо напрямую, либо проходя через еще один или два других участка.

В обычном мозге структура тесного мира представляет собой систему, облегчающую обработку информации на местном уровне в его кластерах, но она также способствует интеграции этой информации между удаленными участками благодаря отдельным дальним связям. За эту разветвленную сеть приходится дорого платить: она предполагает большую точность при настройке в ходе развития мозга, а впоследствии ее функционирование требует огромных энергетических затрат.

В биологии часто используются термины с суффиксом «ом» для обозначения совокупности элементов в сложных системах: например, геном – по отношению к генам, определяющим генетическую информацию об организме; протеом – для обозначения совокупности белков, производимых клеткой; микробиом – для обозначения микроорганизмов, населяющих конкретную среду обитания и так далее. На основании этой же словообразовательной модели Олаф Спорнс ввел термин «коннектом» для обозначения нейронных соединений в мозге с учетом их сложной структуры и динамики. Важно иметь в виду, что узлы или вершины коннектома необязательно являются изолированными нейронами (у живого человека определить это трудно). В качестве узлов также могут изучаться совокупности нейронов со структурами различной степени сложности: так, например, часто узлами считаются участки мозга, которые можно увидеть с помощью современных методов мозговой визуализации.

Связи мозга наконец изучены

Эти современные методы медицинской визуализации мозга заслуживают того, чтобы вкратце рассказать о них. Наши представления о сетевой структуре мозга значительно расширились в последнее время благодаря двум основным причинам: с одной стороны, свою роль сыграли теоретические достижения в области математики, статистики и обработки сигнала, которыми воспользовались нейробиологи в целях описания типов взаимосвязей в сфере нейровизуализации; с другой стороны, произошел прорыв в развитии инновационных методов картирования этих взаимосвязей.

Самый распространенный на сегодняшний день метод медицинской визуализации мозга – магнитно-резонансная томография (МРТ) – дает нам информацию с фантастической, постоянно возрастающей точностью об анатомии и функционировании мозга человека. Принцип этого метода основан на феномене ядерного магнитного резонанса, открытого в 1946 году физиками Феликсом Блохом и Эдвардом Миллзом Парселлом. Метод заключается в возбуждении атомов, находящихся в сильном магнитном поле, и последующей регистрации произведенного сигнала. Помимо других факторов, на этот сигнал влияет химический состав среды, а следовательно, и природа исследованных биологических тканей. Сигнал обрабатывается компьютером для получения изображения в двух- или трехмерном пространстве.

15. Виртуальный снимок, полученный с помощью МРТ у одного из пациентов

Различные типы возбуждения, сопровождаемые затем соответствующей цифровой обработкой, позволяют получить изображения, на которых обнаруживаются те или иные свойства. Так, например, метод нейровизуализации, известный как функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ), основан на том принципе, что активность нейронов требует энергии, а необходимость в энергии приведет к изменениям кровотока. При выявлении этих изменений в зарегистрированном сигнале становится возможной визуализация наиболее активных участков мозга в тот момент, когда человек выполняет какую-нибудь когнитивную задачу, например, слушает историю. Основной проблемой фМРТ остается ее временное разрешение, которое оказывается неудовлетворительным: для регистрации изображения нужно несколько секунд, что слишком долго, когда речь идет о мозге в состоянии активности. Чтобы добиться временного разрешения в пределах миллисекунды, что гораздо больше подходит для измерения изменений в токе крови, существует другой неинвазивный способ наблюдения за мозгом – регистрация его электрической или магнитной активности с помощью электродов, прикрепляемых к голове.

Для того чтобы проследить нейронные связи, необходимо проанализировать взаимосвязи активностей мозга, регистрируемую на разных его участках. Так можно установить, проявляют ли сигналы, поступающие из различных участков мозга, один и тот же тип активности во времени. Например, когда человек разглядывает картинку, то в его мозге активизируется особая зона (визуальная кора – о ней будет позднее), а также участки, отвечающие за внимание – следовательно, присутствует позитивная взаимосвязь между соответствующими видами активности. Что касается участков, отвечающих за осязание или слух, то они, напротив, менее активны (негативная взаимосвязь). Поэтому ученые предлагают матрицы N x N, изображающие мозг, разделенный на N различных зон; коэффициенты этой матрицы показывают, как эти зоны взаимодействуют друг с другом.

Этот анализ касается функциональных нейронных связей, которые не следует ошибочно отождествлять с анатомическими нейронными связями, хотя они действительно частично зависят друг от друга: если два участка напрямую связаны пучком белого вещества (то есть анатомической связью), они «разговаривают между собой» более свободно и поэтому более способны к взаимной активации, что приводит в таком случае к функциональной связи. Тем не менее два участка мозга могут синхронизироваться друг с другом даже при отсутствии прямых коммуникационных путей, например, если их активность определяется третьим соединяющим их участком.

Другим научным достижением стало то, что анатомические связи теперь могут визуализироваться в живом мозге довольно детально благодаря трактографии белого вещества. Аппарат, в котором размещают пациента, тот же, что и для фМРТ, но используется другой физический феномен – диффузия молекул воды (речь идет о диффузионной спектральной или диффузионно-взвешенной томографии). Дело в том, что в биологических тканях вода встречается с препятствиями, которые мешают ее диффузии. Молекулы воды распространяются не по всем возможным направлениям, а только по тем из них, которые определены этими физическими границами. В мозге эти препятствия, как правило, образованы мембраной, покрывающей аксоны, особенно если она окружена миелином.

Итак, техника моделирования выявляет движения молекул воды в ткани мозга, а математические алгоритмы воспроизводят траекторию крупных пучков аксонов. Программное обеспечение визуализации окрашивает затем произвольными цветами эти изображения анатомических пучков (рисунок 17).

Сегодня большие базы данных нейровизуализации, полученные в результате обследования сотен пациентов, как, например, Human Connectome Project, находятся в открытом доступе в интернете.

Будущее визуализации мозга

Итак, эти визуализации функциональных нейронных сетей (фМРТ) и анатомических нейронных сетей (диффузионная спектральная томография) отличаются. Между тем у этих двух сетей есть и нечто общее, раз уж обе они являются частью структуры одного и того же мозга! Как же тогда установить связь между двумя различными источниками информации?

В решение этой проблемы внес недавно существенный вклад коллектив ученых под руководством Мишеля Тибо де Шоттена из университета Бордо. Нейробиологи объединили результаты многочисленных данных, полученных с помощью фМРТ, которые были опубликованы на сайте Human Connectome Project. Для доказательства правильности своего подхода ученые выбрали регистрации, соответствующие точно поставленным задачам: выполнить движение (постучать пальцем, сжать пальцы ног), задействовать оперативную память (например, вспомнить номер телефона, который только что дали) и мобилизовать язык (понять смысл историй или математических задач). Те участки мозга, которые вовлекаются в эту активность, выявленную с помощью фМРТ, проецируются на объединяющие их пучки белого вещества – они, в свою очередь, определяются с помощью диффузионной спектральной томографии (рисунок 16). Полученные результаты не только выявили главные участки, в которых протекали эти процессы (в верхней части рисунка), но и позволили установить, какие анатомо-функциональные сети служат основой для реализации этих функций (в нижней части). Информация о структурных нейронных сетях приобщается таким образом к функциональному анализу. В итоге мы наблюдаем взаимодействие различных областей мозга, а не рассматриваем независимый вклад каждого из них в мозговые функции.

16. Изучение нейронных сетей, когда участники эксперимента слушают историю. См.: Nozais, V., Forkel, S.J., Foulon, C. et al., Funnectionnectome as a framework to analyse the contribution of brain circuits to fMRI, Communications Biology, вып. 4, № 1035, 2021 г.

Эта интеграционная работа главных компонентов нейронной сети мозга еще только в самом начале. Тем не менее речь идет о перспективном направлении, следуя которому нам будет легче понять, как этот столь сложный орган позволяет нам взаимодействовать с миром вокруг нас.

Глава 4

Речевые нейросети

«Он все понимает – только не говорит», – часто слышим мы о домашних питомцах. Следует признать, что хотя животные ревут, хрюкают, шипят и так далее, то с артикуляцией у них в процессе коммуникации все гораздо хуже. Как же получилось так, что мы обрели дар речи, и откуда эта способность? Эти вопросы позволяют познакомиться с удивительными особенностями строения мозга.

Левостороннее движение по речевой автостраде

Мозг разделен на два симметричных полушария – левое и правое. Между тем при более глубоком исследовании находящихся в каждом из этих полушарий нейронных сетей обнаруживается, что если одни из них имеют условные аналоги в другом полушарии, то за другими закреплены особые функции, которые иногда отражаются и на их анатомической структуре. Наиболее очевидным примером таких функциональных различий является речь.

Исследования в области асимметрии когнитивных процессов в разных полушариях восходят к 1860-м годам, когда французский врач Поль Брока (1824–1880) обнаружил, что мы «говорим левым полушарием». Брока пришел к этому выводу в результате обследования пациентов, потерявших способность к связной речи после того как они получили травмы в передних отделах (лобные доли) левого полушария. Так, ставший знаменитым пациент по прозвищу Тан произносил только слог «тан», хотя и довольно хорошо понимал то, что ему говорили.

Выяснилось, что наши речевые способности связаны не с одним и тем же участком мозга, а, скорее, с целой сетью, которая охватывает как передние, так и задние отделы левого полушария. У Тана были повреждены лобные доли заднего отдела левого полушария. Сейчас этот участок коры головного мозга принято называть центром или зоной Брока. Различные части этой сети связаны крупными проводящими путями белого вещества. К числу таких путей относится, например, дугообразный пучок – тракт, соединяющий речевые участки мозга (рисунок 17). Этот пучок развивается вокруг боковой щели – борозды, пересекающей по диагонали боковую часть мозга (рисунок 5).

Передние окончания дугообразного пучка доходят до зоны Брока, в то время как задние окончания соединяются с зоной Вернике – областью мозга, названной в честь немецкого психиатра Карла Вернике (1848–1905). Ученый описал пациентов, которые, получив травмы в этом участке, сохраняли речь, но больше не понимали того, что им говорили, в отличие от Тана.

Зона Вернике расположена недалеко от сенсорных участков коры, связанных со слухом, в то время как зона Брока находится рядом с теми участками мозга, которые определяют наши движения языком и ртом. Следовательно, сеть дугообразного пучка позволяет отождествлять звуки, которые мы слышим, со словами и фразами, которые имеют некоторое значение: то есть она нужна для нашего понимания. Эта сеть также предоставляет нам возможность производить самим звуки, которые объединяются в слова и фразы для общения с другими людьми.

Дугообразный пучок делится на несколько сегментов. Он обеспечивает прямую связь между зоной Брока и зоной Вернике за счет первого сегмента (зона Брока на рисунке 17), а также непрямые соединения за счет двух других сегментов, которые останавливаются на промежуточном участке теменной доли, получившей название «зона Гешвинда» в честь американского нейробиолога Нормана Гешвинда (1926–1984).

В правом полушарии существует похожая сеть, но она выполняет другие функции – мы вернемся к этой теме в другой главе.

17. Визуализация дугообразного пучка левого полушария с помощью трактографии белого вещества. См.: Catani, M. et al., Frontal networks in adults with autism spectrum disorder, Brain, вып. 139, № 2, февраль 2016 г., стр. 616–630

Доминирование левого полушария относительно

Полностью ли доминирует левое полушарие при реализации речевых функций? Вот уже несколько лет как стало понятно, что предположение Брока нуждается в уточнении. На самом деле, латерализация (процесс перераспределения психических функций между левым и правым полушариями головного мозга) речевых сетей не будет для всех одинаковой.

Так, например, изучая трактографию белого вещества, группа ученых под руководством Марко Катани из Королевского колледжа Лондона идентифицировала несколько различных типажей на основании различий в связях между зонами Брока и Вернике. У большинства испытуемых (25 из 40) в правом полушарии не было аналога сегмента, обеспечивающего прямую связь между зонами Брока и Вернике (выделено на рисунке 17). Присутствующее в левом полушарии прямое соединение, судя по всему, является анатомическим признаком его способности выполнять более сложные задачи, связанные с речью, например, обрабатывать быстрые изменения в акустических сигналах. Итак, у большинства из нас в правом полушарии есть только условные аналоги двух других сегментов (выделены на рисунке 17), непрямо соединяющих зону Брока с зоной Вернике с промежуточной остановкой в зоне Гешвинда. Между тем у семи участников эксперимента (шесть из них были женщинами), ученые смогли обнаружить наличие вполне симметричных сетей между двумя полушариями, а также наличие прямого пути с двух сторон. У восьми участников эксперимента наблюдалась умеренная степень асимметрии: они также обладали пучком прямой коммуникации между зоной Брока и зоной Вернике в правом полушарии, но он был меньше, чем в левом полушарии.

Необходимо отметить, что эти новаторские результаты, полученные у правшей, нуждаются в подтверждении с привлечением к эксперименту большего количества участников.

В исследовании Катани и коллег симметричное распределение, которое было у меньшинства, давало небольшое когнитивное преимущество. Участники эксперимента с двусторонними сетями в целом были более способны к запоминанию слов по семантической ассоциации: прослушав список из 16 слов, означающих фрукты, предметы одежды, инструменты и так далее, они запоминали их большее количество по сравнению с остальными участниками. В то же время в ходе последующих речевых тестов других отличий так и не выявилось… К тому же есть основания предполагать, что у этих более «билатеральных» участников эксперимента меньше риск развития последствий инсульта в левом полушарии, так как контуры правого полушария в этом случае могут компенсировать такие повреждения. Так, при левостороннем инсульте такие «билатеральные» пациенты в меньшей степени подвержены речевым нарушениям или они способны быстрее восстановить речь по сравнению с большинством людей, речевые функции которых сосредоточены только с левой стороны.

Преимущества асимметрии

Но почему же тогда у большинства из нас речью управляет только левое полушарие? Вероятно, эта латерализация дает нам преимущество при сенсомоторной обработке последовательности слогов, что является важнейшим условием для понимания устной речи. Работа только одной главной сети упрощает такие сложные операции. Так, например, если дать прослушать участникам эксперимента серию произвольных слогов со скоростью 4,5 слога в секунду (обычная скорость для всех языков в устной форме), то одни слушающие оказываются способны приспособить свой собственный словарь к такому ритму, в то время как другие остаются совершенно невосприимчивыми к этому внешнему ритму. Между тем выяснилось, что у «хороших синхронизаторов» дугообразный пучок отличался выраженной левой латерализацией, в то время как «плохие синхронизаторы» были более билатеральны.

Как мы уже говорили, латерализация мозга не ограничивается только речью. Она также задействована для реализации других когнитивных функций – таких, как внимание и обработка эмоций, но на этом уже, скорее, специализируется правое полушарие. Также в качестве примера можно привести контроль за сложными жестами, что, прежде всего, как и в случае с речью, характерно для левого полушария.

Речь: функция, характерная для человека

Еще более фундаментальный вопрос, касающийся речи, стал темой для недавно опубликованной книги профессора Робертом Бервиком из Массачусетского технологического института в соавторстве со знаменитым лингвистом Ноамом Хомским – почему говорить умеют только люди?[1] Почему среди 8,7 миллионов известных видов животного мира только человек обладает мозгом, который позволяет ему производить и понимать речь в звуковой форме?

Прежде чем приступить к изложению сути проблемы, следует задаться вопросом, как давно гоминиды овладели речью. При отсутствии звукозаписывающей аппаратуры воспроизводить развитие этого умения в ходе человеческой эволюции довольно затруднительно. Тем не менее можно провести параллель с расцветом искусства. По оценкам археологов, первые изготовленные гоминидами орудия труда относятся к периоду 3,3–2,6 миллионов лет до нашей эры. Однако первые «культурные» признаки (такие символичные артефакты, как украшения из ракушек, декоративное использование пигментов и изображение геометрических фигур) появились гораздо позже. Самые древние следы, обнаруженные в пещере Бломбос в Южной Африке, датируются возрастом около 80 000 лет. Что-то должно было произойти в этот период, так как наш биологический вид затем стал расселяться по всей Африке и за несколько десятков тысяч лет покорил всю планету. Мог ли язык сыграть в этом определенную роль? Ученые так и не пришли к единому мнению по этому поводу, но речь идет о реальной возможности.

Операция «Слияние»

Бервик и Хомский предложили убедительную гипотезу о причинах большого скачка вперед, который пережил наш биологический вид. Для ее доказательства ученые заинтересовались самим функционированием речи.

По мнению Хомского, основой речи стало так называемое «слияние» языка заключается в так называемом «слиянии» (англ. merge). В результате слияния происходит соединение двух синтаксических элементов (например, двух слов, двух образов или двух понятий) и их комбинирование для формирования нового, более объемного выражения. В свою очередь, это новое выражение может стать объектом для слияния с другими выражениями с целью создания еще более объемных ментальных объектов. Так, например, слияние объединяет элементы «пить» (boire) и «вода» (eau) в выражении «пить воду» (boire de l’eau). Этот новый элемент также может сливаться с другими элементами: например, в выражениях «я буду пить воду» (je vais boire de l’eau), «я буду пить воду, которая находится в бутылке» (je vais boire l’eau qui est dans la bouteille), «если я захочу пить, то я буду пить воду, которая находится в бутылке на столе» (si j’ai soif, je vais boire l’eau qui est dans la bouteille sur la table) и так далее – с бесконечным количеством комбинаций. Так слияние обеспечивает развитие бесконечного множества иерархически структурированных выражений и идей.

Хомский проводит параллель между ролью системного блока компьютера и ролью слияния на речи. Системный блок обрабатывает и выполняет инструкции, полученные компьютером (например, клик мышью по иконке), точно так же как слияние обрабатывает речевые функции. Но можно ли определить этот управляющий слиянием «системный блок» в голове? Недавнее исследование говорит, что можно! Данные нейровизуализации действительно убедительно свидетельствуют о том, что передняя часть зоны Брока играет в слиянии важную роль. Между тем прямые соединения дугообразного пучка между зонами Брока и Вернике в левом полушарии (отмечено на рисунке 17) имеют важное значение для соотнесения звука с артикуляцией. Эти соединения достигают полной зрелости только после седьмого года жизни. Новорожденный воспринимает речь так же, как и музыку, задействуя оба полушария, – левое и правое, – но отдавая предпочтение слуховой коре головного мозга, которая находится в правой височной доле.

Аналог дугообразного пучка также существует и у макаки, но он существенно отличается размерами и окончаниями в коре головного мозга. Так, например, в мозге макаки отсутствуют прямые связи между отделами, соответствующими зонам Брока и Вернике. По мнению Бервика и Хомского, развитие функции слияния стало возможно благодаря генетической мутации, которая произошла у особи, принадлежавшей к небольшой группе гоминидов, в одном из уголков Африки 80 000 лет назад.

Можно ли считать, что найдена причина большого скачка вперед для нашего биологического вида? «Человеческая» версия дугообразного пучка могла бы быть соответствующим анатомическим объяснением. Однако определить участвующие в этом процессе гены оказалось непросто.

Генетические причины наших речевых способностей

Функция слияния, играющая центральную роль для наших лингвистических способностей, нуждается в двух интерфейсах или линиях сопряжения: первая линия находится на стыке между тем, что мы слушаем, и тем, что мы слышим и тем, что говорим, когда изучаем язык для общения с другими людьми; вторая линия лежит на границе между нашими идеями и намерениями для озвучивания своих мыслей.

В 1990-е годы было сделано одно важное открытие, которое приоткрыло завесу тайны над генетическими основами языка. Это открытие стало возможным благодаря исследованию одной английской семьи, половина членов которой имели трудности с изучением и артикуляцией звуков, слогов и слов. Их проблема, известная как наследственная вербальная диспраксия, обусловлена мутациями, которые характерны для особого гена – FOXP2. С этой проблемой специфического расстройства речи сталкиваются только дети, геном которых включает одну мутированную копию FOXP2 (как известно, геном включает две копии каждого гена, присутствующего на паре хромосом). Отмечается аутосомно-доминантная передача: для развития нарушения достаточно какой-нибудь аномалии затронуть хотя бы один ген. Следовательно, вербальная диспраксия поражает половину членов семьи – тех, кому по наследственной линии от одного из родителей передается копия мутированного гена.

Можно ли утверждать, что речь идет о гене языка – может быть, о том самом гене, который кодирует функцию слияния? По мнению Бервика и Хомского, это не совсем так. Судя по всему, FOXP2, скорее, помогает системе, которая управляет коммуникацией между информацией, поступающей от окружающей среды, и той, которая исходит от действий. В соответствии с теорией Хомского эта система задействована в правильном выражении синтаксических и грамматических структур (например, соблюдение прямого порядка слов – подлежащее-сказуемое-прямое дополнение, – характерного для французских предложений), в то время как функция слияния относится к числу тех, которые генерируют эти структуры. Если вернуться к нашему сравнению с информатикой, то система, скорее, выполняла бы роль принтера, подключенного к компьютеру, который передает на бумаге цифровые данные, чем роль системного блока. Более того, гены, аналогичные FOXP2, с небольшими вариациями для человека, обнаруживаются и у птиц (тем самым позволяя им петь), а также присутствуют в реконструируемом геноме у неандертальцев и денисовцев (у гоминидов, живших приблизительно 200 000 лет назад в горах Алтая, в Сибири). В результате углубленного изучения различных вариаций человеческого генома в 2008 году было опубликовано исследование, в котором утверждалось, что ген FOXP2 не является результатом недавней мутации у человека – предположительно, она произошла более 200 000 лет назад. Следовательно, ген FOXP2 мутировал намного раньше возникновения языка, если придерживаться гипотезы, что общий предок денисовцев, неандертальцев и Homo sapiens не обладал способностью к членораздельной речи.

Что такое речь?

На самом деле, даже если «ген членораздельной речи» существует, то его до сих пор так и не обнаружили. А чтобы его обнаружить, еще нужно разобраться в том, что следует считать речью! Как мы уже видели, Хомский считает, что фундаментальная функция речи заключается не в межличностной коммуникации (в нашем сравнении – это функция принтера), а в организации мышления (системный блок компьютера). Между тем эта идея далеко не бесспорна. По мнению израильского лингвиста Даниэля Дора, самой уместной метафорой для речи будет сравнение его не с компьютером, а, скорее, с интернетом. Речь прежде всего представляет собой технологию, созданную для коммуникации: следовательно, его первичная роль состоит в воссоздании ментальных визуальных изображений другого человека. Каждый из нас обладает уникальным опытом, на который влияют наша история жизни и наше восприятие; поэтому язык преодолевает разрыв, отделяющий нас от других людей, позволяя внешнему собеседнику представить наш опыт, без необходимости переживать его самому – даже если он не всегда делает это в точности. Дело в том, что всегда существует вероятность недоразумения: при слушании рассказа адресат может представить себе что-нибудь противоречащее намерению рассказчика. Этот риск показывает хрупкость речевой коммуникации, вытекающую из самой природы языка.

Возможна ли речь без образов?

Разговор о том, какие особенности мозга отличают человека от других биологических видов и наделяют нас даром речи, необходимо дополнить некоторыми замечаниями. С одной стороны, функция слияния в понимании Хомского может опираться на часть зоны Брока. Однако также могут играть свою роль и другие участки мозга. Так, например, в другой главе мы узнаем, что в нижней части мозга находится веретенообразная извилина, представляющая собой важный узел сети мысленных образов. Мы задействуем этот участок для мысленного представления того, что не видим глазами. Этот «веретенообразный узел мысленных образов находится в левом полушарии головного мозга, как и его речевая сеть. Такое расположение наводит на мысли о возможных отношениях между речью и мысленными образами. Эта возможность соответствует предположению Даниэля Дора, считающего, что эти два процесса тесно взаимосвязаны. Можно ли считать этот участок тем самым недостающим элементом, который дополняет наши представления о дугообразном пучке? На сегодняшний день ответить на этот вопрос мы не можем. Исследования по поводу роли веретенообразной извилины находятся еще в самом начале. Так, например, мы не располагаем глубокими знаниями о связи зоны мысленных образов. Также следует отметить, что речевые модели Хомского или Дора не дают полного и точного представления о нейронных основах тех процессов, о которых они рассуждают. Поэтому попытки систематизации этих моделей на основании имеющихся данных в области нейрологии следует признать преждевременными.

Итак, от открытия Поля Брока ученые прошли большой путь. Они постепенно разобрались с мозговыми основами порождения речи. Но впереди еще предстоит сделать многое, чтобы установить связь между присутствующими в мозге нейронными сетями и возникновением речи у человека! Эти научные исследования постоянно подпитывают наше восхищение перед этой уникальной способностью, отличающей людей от животных.

Глава 5

Другие языки мозга

В предыдущей главе речь шла об устной форме речи. Но это не единственный язык мозга… Уже хотя бы потому, что языков может быть два: предположительно, более половины населения земного шара говорят как минимум на двух языках! И как об этом намекает в той книге, которую вы держите сейчас в руках, мозг также владеет письменной формой речи. Давайте остановимся на этом подробнее.

Тайны мозга билингвов

Как мозг может управлять двумя языками одновременно? Вопреки расхожим стереотипам, мозг билингва при использовании одного языка не выключает другой. Ассоциированные с обоими языками сети в той или иной мере сохраняют активность, даже если одна из них в определенный момент оказывается бесполезной. В этом случае мозг активно тормозит тот язык, который он не использует. Иначе говоря, мозг билингва постоянно выступает в роли арбитра между участвующими в соревновании языками. С этой целью он задействует так называемые «исполнительные» процессы контроля, не являющиеся для языка специфическими. Эти функции регулируют, контролируют и координируют другие когнитивные процессы для облегчения планирования, принятия решения и преодоления проблем, например, путем подавления автоматических реакций.

Может ли многоязычие замедлять старение мозга?

Согласно недавней гипотезе, постоянное использование билингвами этих контрольных процессов может влиять на старение мозга. В частности, канадский психолог Эллен Биалисток заметила в ходе исследований с помощью МРТ, что, несмотря на близкие результаты по когнитивным тестам, в мозге билингвов обнаруживалось больше признаков старения (например, более выраженное уменьшение объема мозга) по сравнению с мозгом монолингвов. Неужели изучение второго языка вызывает старение мозга?