Книга: Онтогенез. От клетки до человека

Глава 15 Как набраться ума-разума

Глава 15

Как набраться ума-разума

Самое удивительное и трудное для понимания качество, возникающее у развивающегося эмбриона, – это разум. О работе высших функций мозга мы до сих пор знаем очень мало, но из того факта, что разные типы повреждений мозга имеют определенные и предсказуемые последствия, можно сделать вывод, что разум как психическое явление связан с нейронной активностью мозга как физической структуры.

Головной мозг, как и спинной, развивается из нервной трубки. Сначала на головном конце этой трубки возникают три первичных мозговых пузыря, которые станут передним, средним и задним мозгом (рис. 71). Рост этих пузырей связан с энергичным размножением клеток в стенках нервной трубки (глава 13), а также, возможно, обусловлен внутренним давлением жидкости в центральной полости мозга (на данном этапе развития ее отведение временно заблокировано). После формирования трех основных пузырей боковые стороны переднего мозга тоже вздуваются, образуя две стороны новой структуры – конечного мозга. Другие пузыри тоже начинают подразделяться на четко выраженные участки. Процесс развития идет по схеме, с которой мы уже неоднократно сталкивались: вся область делится на зоны, эти зоны растут, делятся на подзоны, которые, в свою очередь, растут и делятся на подзоны и так далее.

У просто устроенных позвоночных, таких как рыбы, мозг остается прямой трубкой с выпячиваниями, и связь его структур со структурами эмбриона вполне очевидна (поэтому в те времена, когда этическая сторона препарирования еще никого не волновала, школьников на уроках биологии повально заставляли препарировать акул катранов). У млекопитающих, и особенно у человека, ситуация усложняется необходимостью втиснуть большой объем мозга в маленькую голову сложной формы. Это достигается за счет сгибания и складывания основной трубки, которая при этом преображается до неузнаваемости. Кроме того, как будто этих сложностей недостаточно, конечный мозг человека сильно разрастается и покрывает остальную часть головного мозга (рис. 71). После этого на нем образуются бороздки, благодаря которым площадь поверхности мозга увеличивается еще сильнее, не выходя за пределы черепной коробки.

Рис. 71. Основная форма человеческого мозга образуется в результате целой серии последовательных выпячиваний и складываний

Насколько нам известно, структуры головного мозга образуются при помощи тех же основных механизмов развития, что и структуры более простого спинного мозга. Новые слои клеток (в головном мозге их очень много) образуются в ходе клеточного деления, дифференциация клеток и усложнение простых структур происходят за счет обмена сигналами, трубка складывается, а затем складывается снова, «провода» прокладываются за счет направленной миграции аксонов (глава 13), лишние клетки погибают за счет избирательной клеточной гибели (глава 14). Разница заключается в том, что эти процессы протекают гораздо более интенсивно, особенно у продвинутых позвоночных, включая людей, мозг которых далеко ушел от трубки с несколькими выпячиваниями. Многие сигналы, вовлеченные в нейронную «проводку» и выживание или гибель клеток, уже идентифицированы, но я не стану рассказывать о них, чтобы не утомлять вас, поскольку ничего принципиально нового здесь нет. Гораздо интереснее поговорить о том, как из этой массы анатомических деталей развивается эпифеномен мозга – реагирующий, обучающийся, мыслящий разум. Нейробиология далека от сколь бы то ни было полного понимания этого явления, но можно взять один из элементов высших функций разума – например, способность к обучению – и попробовать понять, как клетки эмбриона создают структуры, которые делают обучение возможным.

Насколько мы знаем, при обучении происходит перестройка соединений между нейронами в головном мозге в зависимости от сигналов, которые они передают или принимают. Места контактов между нейронами, как мы уже знаем, называются синапсами. Синапс устроен так, что утолщение (синаптическая бляшка) на конце аксона передающего нейрона прилегает к мембране принимающего нейрона. Есть синапсы, в которых электрические сигналы передаются непосредственно от нейрона к нейрону. В синапсах других типов электрические импульсы в аксоне передающего нейрона приводят к высвобождению определенных химических веществ – нейромедиаторов – в узкую щель между ним и принимающим нейроном. Пройдя через этот промежуток, нейромедиаторы связываются с рецепторами принимающего нейрона, стимулируя или подавляя его в зависимости от типа нейромедиатора и рецептора. Большая часть нейронов мозга образует синапсы с тысячами других нейронов. Поскольку нейроны в головном мозге исчисляются десятками миллиардов, а на один нейрон у взрослого человека приходится около тысячи синапсов, в общей сложности в мозге присутствуют триллионы синапсов. В общем случае сигнал от одного синапса недостаточно силен, чтобы привести в действие принимающий нейрон (или, по крайней мере, привести его в действие полностью), но одновременные сигналы от нескольких синапсов могут суммироваться и создать в принимающем нейроне достаточно сильный импульс. Это означает, что нейрон приходит в действие под влиянием сочетания полученных сигналов, что в принципе позволяет определять конкретное действие на основании разнородной информации (зрение, слух, память, желание и т. д.). Этот механизм был показан на модельных животных с просто устроенной нервной системой, и ученые предполагают, что в масштабах человеческого мозга происходит то же самое. (Скажем так: на данный момент нет никаких оснований полагать, что в человеческом мозге это происходит иначе, хотя было бы крайне самонадеянно рассчитывать, что дальнейшие исследования не преподнесут нам каких-нибудь сюрпризов.) Большинство принимающих нейронов посылают аксоны к другим нейронам. В результате образуются сложные нейронные контуры. Аксоны некоторых нейронов (мотонейронов) идут непосредственно к мышцам, и, когда нейроны передают электрический импульс, мышцы сокращаются. Так мысль обращается в действие.

Есть два основных способа изменить соединения между нейронами. Один из них предполагает, что анатомические соединения не меняются, а меняется биохимическая эффективность передачи сигнала каждым нейроном. Достоинство этого способа – быстрота. Другой способ заключается в изменении самой системы нейронной «проводки»: существующие соединения исчезают, и появляются новые. Это происходит медленнее, потому что рост новых аксонов требует времени (за один час конусы роста проходят расстояние, примерно равное одному диаметру нейрона). Около шестидесяти лет назад канадский невролог Дональд Хебб предложил механизм, за счет которого процесс обучения по первому типу – за счет изменения силы существующих соединений – может происходить автоматически.[262] Рассказывать об этом механизме будет проще, если мы вспомним о существовании особого и довольно простого типа обучения – условного рефлекса.

Условные рефлексы открыл русский физиолог И. П. Павлов при изучении физиологии пищеварения. (Его открытие также известно под названием «выработка условного рефлекса по Павлову».) Когда собаки видят пищу или чувствуют ее запах, у них начинается слюнотечение, так как активность слюнных желез контролируется в том числе и мозгом, а не только присутствием пищи во рту. В своих опытах Павлов подвергал собак перед кормлением воздействию не связанных с едой стимулов, например, они слышали звук свистка или колокольчика или получали несильный удар электрическим током. Конкретная собака получала один и тот же стимул перед несколькими приемами пищи. По истечении некоторого периода Павлов обнаружил, что этот стимул начал вызывать у собак слюноотделение сам по себе, без последующего кормления. Собаки «выучили» и «запомнили» связь между стимулом и предстоящим кормлением. У них выработался условный рефлекс.

У собак, как и у всех млекопитающих, очень сложная нервная система, но подобный условный рефлекс встречается и у более простых позвоночных. Например, тропическая рыба Chromobotia macrocanthus быстро научается ассоциировать бренчание банки с кормом с кормлением и при этом звуке впадает в характерное возбужденное состояние. Такое научение было показано даже у плодовых мушек, хотя их нервная система устроена значительно проще, чем у собак. Если обычных плодовых мушек поместить в трубку, проходящую между двумя камерами, в каждой из которых свой характерный запах, мушки перемещаются из камеры в камеру хаотично, без особых предпочтений. Если сначала «познакомить» их с одним из запахов, никакой разницы в последующем поведении не будет. Если же сначала «познакомить» их с одним из запахов, подвергая их при этом серии электрических разрядов, а затем поместить в трубку, мушки будут избегать «знакомого» запаха и переместятся в другую камеру. Очевидно, они «научились» ассоциировать запах с электрическими разрядами.[263],[264]

Хебб предположил, что принимающие клетки могут биохимически менять эффективность ответа на сигналы от конкретных синапсов в соответствии с правилом: эффективность ответа на сигналы от синапса увеличивается, если синапс передает импульс в то же время, когда принимающая клетка тоже передает импульс. Чтобы проиллюстрировать это, рассмотрим простую модель части нервной системы плодовых мушек, которые подвергались эксперименту с запахами и электрическим разрядом. В этой модели (рис. 72) задействовано четыре типа нейронов (подобное упрощение далеко от реальности, но поможет объяснить основной принцип). Нейроны типа O1 активируются в присутствии запаха 1, а нейроны типа O2 активируются в присутствии запаха 2. Нейроны типа E активируются под воздействием электрического тока, а нейрон R, к которому подключены все остальные нейроны, при активации вызовет у мушки реакцию «спасения бегством». До обучения связи нейронов обоих типов (O1 и O2) с нейроном R слишком слабые, чтобы активировать его, так что ни один запах не подталкивает мушку к бегству. Однако связь нейрона R с нейронами типа E достаточно сильная, чтобы активировать нейрон R при стимуляции электрическим током. Если при использовании электрического тока и активировании нейрона R с помощью сигналов нейронов типа Е присутствует запах 1, будут активны нейроны типа O1. Таким образом, условие Хебба будет выполнено, и реакция нейрона R на синапсы O1 усилится.

Рис. 72. Упрощенная модель выработки условного рефлекса у плодовых мушек. Сначала нейрон R получает слабые сигналы как от нейронов O1, реагирующих на запах 1, так и от нейронов O2, реагирующих на запах 2, а также сигналы от нейронов типа E, которые интенсивно стимулируются электрическим током. На самом деле в процессе участвует гораздо большее количество нейронов каждого типа, но на рисунке для ясности показаны лишь некоторые из них

Если это будет происходить достаточно часто, то реакция будет настолько сильной, что одного только импульса нейронов О1 будет достаточно, и плодовая мушка станет избегать запаха 1, не дожидаясь удара током. Реакция на нейроны O2 при этом не будет усиливаться, и запах 2 не будет вызывать у мушек желания «спастись бегством».

За десятилетия после публикации гипотезы Хебба были открыты некоторые биохимические механизмы, лежащие в основе описанного процесса. Во многих исследованных нервных системах, включая нервную систему плодовой мушки, в синапсах действует определенный нейромедиатор – глутамат. У принимающих клеток есть два типа рецепторов для этого нейромедиатора. Рецепторы типа AMPAR работают просто: каждая молекула AMPAR, связавшись с глутаматом, активирует комплекс белков внутри принимающей клетки и вносит свой скромный вклад в попытки вызвать передачу импульса. Если достаточное количество молекул AMPAR свяжется с глутаматом и если чувствительность комплекса белков внутри клетки достаточно высока, то импульс возникнет. Рецепторы другого типа – NMDAR – работают далеко не так просто: они ведут себя по-разному в зависимости от того, есть в данный момент импульс в клетке или нет. Если нейрон находится в состоянии покоя, молекулы NMDAR ничего не могут сделать, даже если вокруг много глутамата. Однако в возбужденном нейроне (то есть в таком нейроне, который получает достаточно сигналов от всех своих синапсов для возникновения импульса) молекулы NMDAR способны реагировать на глутамат и направлять свои сигналы в клетку. Эти сигналы не активируют клетку напрямую, а локально изменяют систему AMPAR этого синапса, увеличивая силу сигнала, который может создать определенное количество глутамата. Именно рецепторы NMDAR лежат в основе гипотезы Хебба: они активны, если уже активны и принимающая клетка, и конкретный синапс (за счет наличия глутамата), и могут изменить силу синаптической связи, повысив чувствительность системы AMPAR (рис. 73).

Важность системы NMDAR для обучения была наглядно продемонстрирована в экспериментах с плодовыми мушками, запахами и электрическими разрядами. Были созданы генетически модифицированные плодовые мушки, у которых можно было в любой момент отключить производство белков NMDAR и затем снова включить его. Поскольку белки NMDAR довольно короткоживущие, их практически не остается в организме плодовой мушки уже через пятнадцать часов после отключения. У таких мушек способность ассоциировать запах с электрическими разрядами сильно нарушена. После возобновления производства NMDAR к мушкам возвращается способность «учиться» в обычном режиме.

Рис. 73. Влияние потенциал-чувствительного рецептора NMDAR на характер стимуляции принимающей клетки рецепторами AMPAR. Вентиль обозначает сети сигнальных белков и систем, контролирующих содержание AMPAR в мембране. Вместе они регулируют силу сигнала, который может подать система AMPAR при наличии конкретного количества глутамата

Хеббовская регулировка силы синаптических связей – один из возможных, но не единственный механизм обучения. Есть убедительные доказательства того, что и у человека, и у низших организмов сами нейронные структуры головного мозга могут меняться в зависимости от жизненного опыта. Один из самых изученных примеров относится к развитию зрительной системы. Давайте посмотрим, что происходит после того, как «карта» сетчатки глаза была в общих чертах нанесена на определенную область головного мозга (глава 13). Связь аксонов сетчатки и нейронов в мозге, возникшая под действием химических сигналов, довольно приблизительна. По мере создания синаптических связей в верхнем двухолмии и других областях мозга аксоны из определенной части глаза подключаются не только ко многим «правильным» клеткам (к которым подключаются также соседние аксоны), но и к нескольким «неправильным» клеткам. Отсутствие корректировки привело бы к затуманиванию зрения, и возможности такой удивительной системы, как человеческий глаз, остались бы нераскрытыми. Поэтому после рождения ребенка, когда глаза открываются, нейронная сеть корректируется за счет перестройки связей, связанной с активностью глаз. Этот механизм напоминает механизм Хебба, но на этот раз от совпадения импульса синапса и импульса принимающей клетки зависит не только сила синаптических связей, но и само их сохранение. Если, например, аксон из левой верхней части глаза образует синапс с нейроном, с которым уже соединены аксоны других клеток верхней левой части глаза, импульс будет возникать одновременно, потому что все они будут передавать информацию об одних и тех же событиях, попадающих в поле зрения. Совместное действие всех этих синапсов будет возбуждать принимающий нейрон, и все его синаптические соединения усилятся. По мере того как принимающая клетка будет передавать все больше импульсов, она будет все неохотнее сохранять слабые синапсы, которые никогда не «попадают в такт». Синапс, не синхронизированный с импульсами принимающей клетки, скорее всего, реагирует не на те стимулы, на которые реагируют большинство синапсов этой принимающей клетки. Это значит, что его аксон выходит из другой части глаза или его передающий нейрон чувствителен к какой-то другой части поля зрения. Как бы то ни было, в этой принимающей клетке такому синапсу не место. Отключая такие «рассинхронизированные» синапсы, принимающие клетки освобождаются от груза неправильных соединений. Свободный конец аксона может «попытать счастья» и подключиться к другой принимающей клетке (за счет химических сигналов, описанных в главе 13). Процесс повторяется до тех пор, пока аксон не найдет подходящий нейрон и не образует с ним синапс, синхронизированный с другими синапсами этого нейрона.

Зависящая от активности перестройка нейронных связей имеет интересные последствия для животных с бинокулярным зрением, например для человека или кошки, у которых оба глаза смотрят вперед и поля их зрения во многом совпадают. У таких животных аксоны, передающие сигналы о какой-то части зрительного поля от одного глаза, присоединяются примерно к той же части зрительной коры, что и аксоны другого глаза, покрывающие ту же часть зрительного поля. Если прикрыть один глаз новорожденного животного на несколько недель, его аксоны будет неактивны, так как не будут передавать никакого изображения. Другой глаз будет работать нормально, и синаптические соединения его аксонов будут стабилизированы, а синаптические соединения, идущие от закрытого глаза, будут по большей части утрачены. После снятия заслона глаз остается анатомически идеальным, но не взаимодействующим со зрительной корой и, по сути, слепым. Такое нарушение зрения у людей, когда один глаз не подключен мозгу должным образом, называется амблиопией, или «ленивым глазом». И у людей и у животных это нарушение можно скорректировать, отключив деятельность ведущего глаза, например на несколько месяцев закрыв ребенку действующий глаз глазным пластырем и таким образом дав другому глазу возможность установить собственные соединения с мозгом. После этого обоим глазам требуется определенный период совместной работы, пока не будет достигнуто полное совпадение изображений.

Карта сетчатки – не единственный пример пространственного «картирования» в головном мозге. Звук тоже картируется, именно поэтому мы можем установить местонахождение его источника. У людей это не самая сильная сторона, но, например, совы, которые охотятся в условиях низкой освещенности, очень хорошо определяют положение источника звука на основании мелких различий в громкости и времени получения звука между одним и другим ухом. В мозге совы сигналы от ушей и глаз сходятся в тектуме (птичьем эквиваленте верхнего двухолмия; см. главу 13), так что каждая часть тектума реагирует на интегрированные световые и звуковые сигналы из определенного участка в пространстве.[265] Совмещение зрительной и слуховой карт связано с перестройкой, зависящей от активности. Это было показано в известном эксперименте, в котором на сов надевали очки. Призмы, вмонтированные в очки, смещали поле зрения в сторону: когда сова смотрела вперед, она видела то, что находилось на несколько градусов правее нормального центра поля зрения. У таких сов начиналась перестройка нейронных соединений в тектуме, направленная на то, чтобы нормальный сигнал от ушей правильно совмещался со смещенным сигналом от глаз. Процесс перестройки занимал около двух недель. Пока совы продолжали носить очки, ситуация оставалась стабильной. При снятии очков в молодом возрасте (меньше шести месяцев) соединения снова перестраивались, и слуховая карта правильно совмещалась с визуальной. Совы старше полугода были гораздо хуже способны к перестройке соединений.[266] Это напоминает ситуацию с изучением языков у людей – детям оно дается значительно легче, чем взрослым.

Такая способность мозга к перестройке нейронных соединений предоставляет в его распоряжение механизм, позволяющий устанавливать надежные связи между ассоциированными сигналами и совмещать входящие сигналов, совпадающие во внешнем мире. Таким образом, синхронизированные нейроны образуют устойчивые связи.

Механизм обучения по Хеббу, основанный на формировании ассоциаций между разными нейронными сигналами, и перестройка нейронных связей, направленная на укрепление этих ассоциаций, явно играют роль как в улучшении обработки сенсорной информации, так и в ускорении простейших типов обучения (например, при выработке условного рефлекса). Может показаться, что от этого далеко до таких проявлений разума, как анализ экономической ситуации, сложение любовных стихов или планирование нейробиологических исследований. Могут ли столь сложные вещи основываться на таких простеньких клеточных механизмах? Этого мы не знаем, но есть основания полагать, что они играют существенную роль. Большинство высших функций разума основано на ассоциациях между объектами, местами, идеями, воспоминаниями и множеством других вещей, а система Хебба и другие подобные системы – это мощный механизм ассоциативного обучения.

Пример умственной способности, в значительной мере опирающейся на ассоциации, – это способность к изучению языков. Суть большинства языков в том, что произносимые звуки или письменные знаки, используемые для обозначения чего-либо, являются случайными и, как правило, не имеют никакого отношения к природе обозначаемого. Встречаются звукоподражательные слова (они обычно используются для передачи издаваемых животными звуков, например «кря-кря» или «му»), но их немного. Однако роза, как ее ни назови – rhosyn, ruusu, роза, t?ng, ? ?, – пахнет одинаково приятно. Таким образом, понимание языка отчасти зависит от образования устойчивых нейронных связей между реальными объектами (местами и т. д.) и словами. В принципе это похоже на образование прочных нейронных связей между звоном колокольчика и кормлением у собак Павлова, а значит, при овладении языком могут использоваться аналогичные механизмы стабилизации или элиминации синапсов. Даже если отвлечься от языка, наше повседневное понимание мира в значительной степени основано на ассоциациях: между лицом и именем человека и воспоминанием о добром поступке, между местом и возможностью купить букет роз, между движением ноги и безопасной остановкой автомобиля. Недавние исследования показали четкую взаимосвязь между развитием областей мозга, важных для ассоциативного обучения, и занятиями, которые предполагают запоминание огромного количества географической информации, как, например, работа лондонского таксиста. Это еще один пример того, как мозг перестраивается в ответ на изменения окружающей среды, но на этот раз речь идет не просто о зрении или слухе, а о высших функциях мозга.

Вполне возможно, что разум и сознание далеко не исчерпываются хеббовскими синапсами и перестройкой нейронных связей. Тем не менее эти аспекты развития нервной системы, которые мы уже более или менее понимаем, являются принципиально важной предпосылкой для возникновения разума. Это еще один пример того, что построение тела зависит от налаживания связей между клетками в соответствии с сигналами, которые они получают. Гены, задействованные при создании головного мозга, не содержат информацию о его окончательном строении – в системе, структура которой должна меняться в зависимости от результатов обучения, такой подход был бы обречен на провал. Вместо этого конкретные белки, кодируемые этими генами, образуют механизмы, которые укрепляют, ослабляют или разрушают связи в зависимости от степени совпадения поступающих и исходящих сигналов. Постоянно сравнивая выходящие сигналы с входящими, эти системы совершенствуют мозг, меняя способы ассоциации сигналов и переводя результаты обучения в трехмерную структуру меняющихся нейронных сетей.

Эти открытия (замечу, что многие из них уже далеко не новы) могли бы существенно снизить накал споров об относительном влиянии природы и воспитания, которые так любят вести поклонники генетики с социологами-любителями. Одни утверждают, что умственные способности обусловлены генетически, другие – что они складываются под воздействием окружающей среды. Из того, о чем шла речь в этой главе, следует, что практически во всех существенных случаях гены и окружающая среда работают вместе: белки, кодируемые генами, создают нейронные «машины», а связи в этих машинах образуются под воздействием окружающей среды. И гены, несущие опасные мутации, и неблагоприятная среда ведут к умственной неполноценности. «Хорошие» гены позволяют создать в процессе развития такой мозг, в котором потенциально сформируется здоровый разум, но этот потенциал будет реализован только в том случае, если стимулы окружающей среды, получаемые в детстве, позволят создать правильные нейронные связи. Для таких социальных животных, как человек, это означает не простые визуальные и слуховые стимулы, но и богатство языка, общения, игры и любви. Теперь мы знаем (не предполагаем на основе каких-то конкретных политических позиций, а действительно знаем, основываясь на таких беспристрастных доказательствах, как изображения, полученные в ходе МРТ-сканирования мозга), что мозг детей, которые часто подвергаются сильной вербальной агрессии и плохому отношению, развивается с физическими отличиями от мозга детей, которые росли в более благополучной среде.[267],[268] То же касается детей, подвергающихся физическому (частые телесные наказания)[269] или сексуальному насилию,[270] причем в каждом случае затрагиваются разные отделы мозга. МРТ-снимки мозга детей с отклонениями – страшная иллюстрация к словам писательницы Берил Бейнбридж: «Все можно перерасти, кроме детства».