Книга: Один день из жизни мозга. Нейробиология сознания от рассвета до заката

Формирование ряби: размер камня и сила броска

Формирование ряби: размер камня и сила броска

Кем бы вы ни были, молодым или старым, человеком или другим животным, если вы не из камня, будильники всегда будут вас будить. Но почему? Почему необычно громкий звук всегда будет возвращать вас в сознание?

Будильник можно принять как эквивалент броска камня. Даже небольшой камень, если метнуть его с достаточной силой, может спровоцировать обширную рябь: звук будильника будет достаточно громким (эквивалент сильного замаха при броске), чтобы активировать через сенсорные пути слуховой центр мозга (эквивалент камня). Звук настолько силен, что будет охвачена еще более обширная зона, то есть ансамбль (рябь) будет увеличиваться в размерах. Любое животное с функционирующей слуховой системой, любого возраста и умственного развития, будет вырвано из сна в некое сознательное состояние. Возникающая при этом форма сознания – это еще одна проблема, но пока мы не будем ее касаться, пока важным для нас является сила броска и размер камня в качестве определяющих факторов конечной интенсивности ряби.

В то время как сила броска – громкость будильника – определяется внешними объективными факторами, размер камня будет зависеть от индивидуальных свойств мозга. Внутри любого вида (но особенно это заметно у наиболее высокоорганизованных животных, таких как мы) конфигурация и характер сопряжения групп нейронов могут иметь решающее значение для определения следующего важного вариабельного фактора: нейронального эквивалента размера камня. По мере развития нашего мозга нейронные связи формируются сообразно нашим впечатлениям о внешнем мире. Этот феномен, благодаря которому опыт почти буквально оставляет свой след в мозге, как мы узнали ранее, называется пластичностью.

В мозге всех видов мы найдем нейроны, которые активируются входящими сигналами различной интенсивности (это броски разной силы), но количество нейронов в группе (это размер камня) будет определяться в соответствии с конкретной конфигурацией и силой связи между нейронами. Это означает, что один и тот же звук или зрительный стимул одной и той же интенсивности будут вызывать разные эффекты в мозге разных животных, так как отличается размер камня. В свою очередь, конфигурация и сила нейронных связей будут за висеть от дополнительного, но крайне важного фактора – предшествующего взаимодействия со средой. Чем выше уровень организации вида, тем более выражена способность к формированию опыта, что делает восприятие одних и тех же стимулов в значительной степени индивидуальным. Итак, давайте еще раз представим, что камень брошен в воду, но теперь мы просто подбрасываем его, а не замахиваемся со всей силой – как в безжалостном примере с будильником. Обширная рябь может быть сгенерирована просто потому, что камень велик. Переводя на язык нейронауки, возбуждение постепенно распространяется через стабильные, прочные связи, обусловленные, в свою очередь, индивидуальным опытом и механизмами пластичности.

Эта закономерность также может иметь место, хотя и в меньшей степени, у других животных. Возьмем взрослых крыс. Популярным способом изучения этого эффекта в лаборатории является создание так называемой обогащенной среды. «Обогащение» для крысы не означает, что она будет есть экзотическую пищу или жить в золотой клетке. Термин «обогащение» относится к среде, которая максимально стимулирует мозг, поэтому если вы хотите дать максимальную стимуляцию для крысы, то вы должны убедиться, что она имеет возможности для взаимодействия с различными новыми объектами и явлениями (рис. 3).

Вопреки неприглядному образу, сложившемуся в нашей культуре, крысы на самом деле очень любопытные и умные существа, способные быстро адаптироваться к любой среде, где бы они ни находились. Соответственно, мозг будет отражать их образ жизни. Первая эмпирическая демонстрация такой зависимой от опыта пластичности в обогащенной среде была проведена в 1940-е годы. Дональд Хебб, с которым мы познакомились ранее, забрал нескольких крыс из лаборатории и позволил им опробовать новую интерактивную среду, очень отличавшуюся от обычных клеток. Через несколько недель, поведенных в доме Хебба, эти «свободные» крысы проявляли превосходную способность к решению различных задач по сравнению с их менее удачливыми собратьями, которые оставались в обычных клетках.

Однако физические изменения в нейронных сетях в результате стимуляции были достоверно и непосредственно продемонстрированы только несколько десятилетий спустя.[110] Ученые намеревались выявить механизмы, лежащие в основе индивидуальных различий в поведении и решении задач на примере нескольких пород крыс, и в скором времени пришли к выводу об огромном влиянии опыта.

Нетрудно догадаться, что воздействие обогащения среды оказалось в центре внимания со стороны нейробиологов и психологов. Стало ясно, что оно оказывает влияние на широкий круг видов и на особей всех возрастов. В последние десятилетия исследования «обогащенных» животных показали явные анатомические изменения, и все из них можно отнести к положительным:[111] как молодые, так и пожилые особи показывают высокие результаты в тестах пространственной памяти. Более того, даже короткий период пребывания в обогащенной среде сводит на нет дефицит памяти у взрослых генетически модифицированных мышей, выступающих в качестве модели при изучении болезни Альцгеймера.[112] Кроме того, такая стимуляция индуцирует нейрогенез (формирование новых клеток головного мозга) и улучшает память.[113]

Рис. 3. Типичная «обогащенная» среда для крыс (Devonshire, Dommett&Greenfield, неопубликованное)

Обогащение среды также может помочь замедлить или смягчить повреждение головного мозга в целом. Болезнь Хантингтона – наследственное расстройство, которое характеризуется прогрессирующей нейродегенерацией, и эффективного лечения этого заболевания на сегодняшний день не существует. Но не так давно были исследованы трансгенные мыши, которые демонстрируют нейродегенеративный синдром, характеризующийся прогрессирующими двигательными нарушениями, аналогичными тем, которые возникают у людей с болезнью Хантингтона. Однако пребывание этих мышей в обогащенной среде с раннего возраста помогает свести к минимуму разрушение мозговой ткани и задерживает начало двигательных расстройств,[114] а также компенсирует повреждение головного мозга.[115]

Решающим фактором здесь выступает продолжительность опыта. Было исследовано, как различные периоды пребывания в обогащенной среде влияют на поведение мышей, в частности на их подвижность. Сравнивались результаты после одной, четырех и восьми недель пребывания. Одна неделя не дала никакого видимого эффекта, но за четыре недели возникли поведенческие изменения, которые сохранялись на протяжении двух месяцев, а после восьми недель пребывания в обогащенной среде эффект сохранялся в течение шести месяцев.[116]

Все эти исследования иллюстрируют значимость такого фактора, как взаимодействие животного, вне зависимости от вида и уровня организации, с определенной стимулирующей средой. Провоцируемые такой стимуляцией изменения были обнаружены у мышей, песчанок, белок, кошек, обезьян и даже у птиц, рыб, плодовых мух и пауков – словом, у каждого вида, который попадался под руку ученым.[117] И фокус любопытнее всего направить на то, как конкретный мозг реагирует на подобные сценарии.

Всеохватывающая стимуляция заставляет клетки мозга работать более интенсивно, и они растут аналогично тому, как мышцы растут от тренировок. Однако клетки мозга реагируют на тренировки все же не в точности так, как мышцы. Подвергающиеся стимуляции нейроны формируют множество ветвей, известных как дендриты.[118] У приматов, как и у мышей, окружающая среда вызывает интенсивные структурные и химические изменения, включая усиленный рост дендритов.[119] А почему это так интересно и важно для нас? Потому что, благодаря ветвлению дендритного дерева, нейрон увеличивает площадь поверхности, а это означает, что он сможет формировать больше связей.

Совершенно очевидно, что подобные исследования неприменимы к нашему биологическому виду. Согласитесь, трудно представить себе такую же контролируемую среду для людей. Тем не менее, по мере того как эволюция совершенствует мозг, делая его все более изощренным, значение индивидуального опыта обретает все большее значение для формирования нейронных конфигураций в мозге, в конечном итоге дающих нам, людям, способность к уникальному восприятию мира.[120] Мы знаем, что когда человеческий мозг растет в первые годы жизни, этот рост связан не с увеличением числа нейронов, а с их ветвлением.

В коре головного мозга человека количество синапсов (контактов между нейронами) быстро растет в период внутриутробного развития и продолжает расти в течение короткого периода после рождения. После этого количество синапсов медленно уменьшается за очень длительный период времени, начиная примерно с шести месяцев идо подросткового возраста и достигая стабильного уровня в зрелости.[121] При сканировании мозга людей в возрасте от четырех до двадцати лет[122] было замечено, что кора увеличилась в объеме до десяти-одиннадцати лет у мальчиков и восьми-девяти лет у девочек, затем постепенно уменьшалась в результате синаптического «сокращения». В связи с этим мозг затем становится не таким безоговорочно открытым для новой информации, но более приспособленным для удовлетворения фактических потребностей человека.[123]

Существует два основных типа исследований с участием людей, раскрывающих поразительные способности мозга к пластичности. Первый тип – это изучение «снимков», подобно тому, что мы видели ранее на примере лондонских таксистов,[124] где профессионалы и эксперты, занятые в течение длительного периода в определенном типе деятельности, показывают заметные различия по сравнению с людьми, не сталкивающимися с выбранным типом деятельности так часто. Возьмем теперь математиков: долгое время, которое они проводят за вычислениями и работой с формулами, вызывает увеличение плотности клеток в области коры (теменной доли), которая участвует в вычислительных операциях и визуальной обработке. Так же и у музыкантов мозговые структуры могут заметно различаться по сравнению с немузыкантами. Сканы мозга профессиональных клавишников, любителей и немузыкантов выявили увеличение объема серого вещества в моторных, слуховых и зрительных центрах мозга. Более того, существует выраженная взаимосвязь между развитием соответствующих центров и интенсивностью практических занятий, из чего вытекает предположение, что эти анатомические изменения связаны с процессом самообучения, а не с врожденной предрасположенностью к музыке.[125]

Интенсивные занятия фортепиано, в частности, оказывают определенные эффекты в отдельных областях мозга и влияют на развитие нейронных связей (белое вещество) у людей всех возрастов – детей, подростков и взрослых. Как и следовало ожидать, имеющий наибольший потенциал к развитию детский мозг демонстрирует наивысший уровень пластичности. Совершенно очевидно, что определенные временные окна («критические периоды») играют роль в региональной пластичности некоторых областей центральной нервной системы.[126]

Учитывая широкое разнообразие навыков, таких как вождение такси, игра на музыкальных инструментах и математические изыскания, не кажется удивительным, что и другие, совершенно разнообразные виды деятельности также могут оставить свой след в мозге. Возьмем игру в гольф: в одном обзоре сканов мозга опытных и менее квалифицированных игроков в гольф, а также людей, никогда в него не игравших, значительные изменения в структуре серого вещества были обнаружены только у опытных игроков.[127] У баскетболистов тоже обнаруживаются признаки пластичности, коррелирующей с опытом, но на этот раз в области, известной как «автопилот» головного мозга – мозжечке, который отвечает за координацию сенсорно-моторных взаимодействий. И наиболее заметные изменения были выявлены лишь у профессиональных баскетболистов.[128]

А есть и другой подход к исследованию пластичности. Вместо того чтобы сравнивать сканы мозга экспертов и простых смертных, можно заняться протяженным во времени изучением одного и того же мозга. Такой эксперимент осуществляется с несколькими повторами в течение длительного периода времени, чтобы можно было наблюдать динамику. На сей раз участниками стали обычные люди без особых навыков в рассматриваемой области, но в ходе эксперимента они получали определенные знания и опыт. Так, оказалось, что изучение языка стимулирует пластичность, повышает плотность серого вещества мозга. Наблюдаемые изменения соответствуют уровню языковых навыков. Это еще раз доказывает, что любой процесс обучения отражается на структуре мозга.[129]

Но не только практическое обучение и физическая активность могут оказывать влияние на нейронные связи. Одно из самых интригующих исследований заключалось в том, что в течение всего пяти дней испытуемые по два часа разучивали простые упражнения для одной руки на пианино. Однако сканирование мозга показало, что области коры, ответственные за соответствующие мышцы рук, стали развиваться, а порог их активации снизился.[130] Эти результаты аналогичны результатам исследования, о котором говорилось ранее, но они позволяют нам продвинуться еще дальше. Самое удивительное, что такие изменения в мозге наблюдались даже при «воображаемой» практике, когда другой группе испытуемых было предложено лишь представить, что они играют на пианино, фактически не делая этого. Этот эксперимент свидетельствует о том, что не имеет смысла противопоставлять ментальное физическому. Подобная классическая дихотомия больше не работает и не поможет нам найти ответы на вопросы, касающиеся разума и сознания.

Другая важная находка этого исследования заключается в следующем: для мозга важно то, что имеет значение для пластичности, а не фактическое сокращение мышцы, ведь именно мысль предшествует действию. Высказывание, что мышление – это движение, ограниченное мозгом, оказывается поразительно точным.

Мы можем извлечь много полезного из всех этих исследований пластичности, но, пожалуй, наиболее значимый вывод заключается в том, что и умственная и физическая активность оставляют свой след в мозге и что пластичность не является исключительной привилегией какого-то одного набора нейронов, но кажется неким общим свойством, присущим мозгу в целом. В большей или меньшей степени любой мозг, даже мозг морского слизня,[131] способен к адаптации на основе опыта, но наш биологический вид в этом вопросе превосходит любой другой. Тесная взаимозависимость природных задатков и культуры накладывает на человеческий мозг уникальный отпечаток,[132] обусловливая огромный потенциал к возникновению совершенно различных способностей.

По мере развития растет наша склонность к тому или иному познавательному опыту, выходящая за пределы номинальных обыденных потребностей. И тогда мы освобождаемся от «сырого» чувственного восприятия, чтобы развить более значимое индивидуальное восприятие мира. Но как это происходит?