Живой мозг. Удивительные факты о нейропластичности и возможностях мозга
В целом уже известно, что в конкретизации схем нейронной сети мозга участвует не только генетика. Ученые еще пару веков назад догадывались о чем-то подобном и правильно предположили, что существенную роль должны играть особенности чувственного опыта. В 1815 году физиолог Иоганн Шпурцгейм допустил, что мозг, подобно мышцам, тоже можно развить упражнениями: его идея состояла в том, что кровь переносит питательные вещества для роста и «обильнее снабжает ими возбужденные участки»2. В 1874 году Чарлз Дарвин заинтересовался, можно ли, опираясь на идею Шпурцгейма, объяснить, почему у кроликов в дикой природе размеры мозга больше, чем у их одомашненных собратьев. Дарвин предположил, что животные в природе вынуждены больше использовать смекалку и полагаться на чувства, чем одомашненные кролики; соответственно подстроились и размеры мозга3.
В 1960-х годах ученые всерьез заинтересовались, появляются ли в мозге заметные измеримые изменения в результате получения опыта. Самым простым было выращивать лабораторных крыс в разных средах: например, в обогащенной, где присутствуют разнообразные игрушки и беговые колеса, или в обедненной — проще говоря, в одиночной пустой клетке4. Результаты опытов поражали: среда жизни меняла структуру крысиных мозгов, к тому же выявилась корреляция между структурой мозга и способностью зверьков к обучению и запоминанию. Выращенные в обогащенной среде крысы лучше справлялись с задачами, а при аутопсии[9] у них обнаружились буйные заросли длиннющих дендритов (похожие на ветви отростки, отходящие от тела клетки)5. В то же время у крыс, выросших в обедненных условиях, обучаемость была слабой, а нейроны аномально сморщенными. Точно такой же эффект внешней среды обнаружен у птиц, обезьян и других млекопитающих6. Внешняя среда имеет большое значение для мозга (рис. 2.1).
Рис. 2.1. В норме нейрон разрастается, будто ветвистое дерево, благодаря чему может соединяться с другими нейронами. В обогащенной среде отростки нейрона разрастаются гуще и ветвятся обильнее, в обедненной среде они чахлые и ссохшиеся
Происходит ли подобное с человеческим мозгом? В начале 1990-х калифорнийские ученые додумались воспользоваться возможностями аутопсии при сопоставлении мозга людей, получивших только школьное образование, и выпускников колледжей. Как и при исследовании лабораторных животных, обнаружилось, что у людей с высшим образованием область, ответственная за понимание устной и письменной речи, содержит более ветвистые и густые заросли дендритов7.
Таким образом, первый урок заключается в том, что микроструктура мозга отражает особенности среды, воздействию которой он подвергается. И относится это не только к дендритам. Вскоре мы узнаем, что опыт общения с миром модулирует почти все измеримые элементы мозга, начиная с молекулярного уровня и заканчивая общим анатомическим строением.
Без опыта — никуда
Почему Эйнштейн стал Эйнштейном? Генетика определенно сыграла в этом свою роль, однако в наши учебники по истории он попал благодаря каждой частице опыта, какой ему довелось получить: музыкальная среда и звуки виолончелей, учитель физики в старшем классе, отказ любимой девушки, патентное бюро, где он работал, математические задачи, за блестящее решение которых его превозносили, книги, которые он читал, равно как и миллионы фрагментов последующего опыта, — все это в совокупности позволило его нервной системе сформировать биологическую систему, которую мы называем Альбертом Эйнштейном. Каждый год в мир приходят тысячи детей с задатками не хуже, чем у него, однако воздействия внешней среды — культуры, экономических условий, состава семьи — не дают им достаточной положительной обратной связи. И Эйнштейны из них не вырастают.
Если бы все решала только ДНК, отпал бы практический смысл в построении целенаправленных социальных программ, призванных прививать детям положительный опыт и ограждать их от опыта разрушительного. Но мозгу, чтобы правильно развиваться, требуется правильная внешняя среда. Один из больших сюрпризов преподнес нам проект «Геном человека»: когда на рубеже нового тысячелетия ученые вчерне составили структуру генома, оказалось, что у человека имеется всего-навсего около 20 тысяч генов8. Такого биологи не ожидали: они-то предполагали, что генов у человека должно быть никак не меньше сотен тысяч, учитывая невероятную сложность устройства мозга и организма в целом.
Тогда каким же образом невероятно сложно устроенный мозг, насчитывающий 86 млрд одних только нейронов, умудряется выстраивать себя на основе простейшего «букваря»? Ответ строится на применяемой геномом остроумной стратегии: его дело — выточить болванку и предоставить опыту общения с миром доводить ее до ума. Словом, мозг человека при рождении поразительно не завершен, и для его развития требуется взаимодействие с окружающим миром.
Рассмотрим цикл сна и бодрствования. Его регулируют внутренние часы организма, называемые циркадным ритмом, который настроен примерно на 24-часовой цикл. Если же вы на несколько суток спуститесь в пещеру, куда не проникает дневной свет, возвещающий время суток, ваш циркадный ритм сместится в диапазон 21–27 часов. Здесь нам открывается придуманное мозгом простое решение: приблизительно задать основу биологических часов, а дальше пускай они сами подстраиваются под суточный цикл солнца. Такой изящный трюк избавляет нас от необходимости генетически кодировать внутренние часы с идеально точным ходом — пускай мир сам вращает их шестеренки как полагается.
Поскольку мозг обладает гибкостью, события вашей жизни впечатываются напрямую в его нервную ткань. Эта грандиозная выдумка Матушки-природы позволяет нам учить языки, ездить на велосипеде, постигать премудрости квантовой физики — и вся наша способность обучаться новому прорастает из зернышек весьма скромного набора генов. ДНК не план и не проект, а лишь первая костяшка домино, которая дает начало всему шоу нашего становления.
С этих позиций легко понять, почему ряд самых распространенных нарушений зрения (скажем, неспособность корректно воспринимать глубину) развиваются из-за разбалансировки в паттернах активности, передаваемых в зрительную кору от одного и другого глаза. Например, у детей с врожденным сходящимся или расходящимся косоглазием работа глаз не может быть скоординирована (как было бы при правильном расположении глазных (зрительных) осей). Без лечения у ребенка не разовьется нормальное стереоскопическое зрение, то есть способность четко воспринимать размеры, формы и расстояния, несмотря на легкие различия в изображениях, поступающих от каждого глаза. Один глаз будет постепенно слабеть вплоть до слепоты. Ниже мы разберемся, почему такое происходит и как это исправить. А пока уясним важный момент: развитие нормальной зрительной системы зависит от нормального притока зрительных импульсов — иными словами, зависит от опыта.
Таким образом, генетические инструкции играют лишь малую роль в деталях формирования кортикальных связей. Иначе и быть не может: разве каких-то 20 тысяч генов хватит, чтобы в деталях прописать 200 триллионов соединений между нейронами? Такая сверхсложная модель никогда бы не сработала. Напротив, чтобы нейронные сети нормально развивались, им требуется взаимодействовать с реальностью9.
