Текст книги "Невероятная случайность бытия. Эволюция и рождение человека"

В 1874 году немецкий невролог Карл Вернике предположил, что верхняя часть височной области отвечает за понимание речи. Свои выводы Вернике тоже основывал на наблюдениях больных, страдавших поражениями этой области. Несмотря на то что новейшие исследования внесли некоторые коррективы в наши представления об анатомической локализации различных функций мозга, его области, открытые этими первопроходцами, по-прежнему называются «зоной Брока» и «зоной Вернике».

Карта коры головного мозга рождалась на свет в таких же муках, как и карта земной поверхности, в результате многочисленных повторных исследований и наблюдений. В конечном счете мозг, как и земной шар, был досконально описан со всеми своими континентами, странами и островами. Можете открыть любой учебник по анатомии центральной нервной системы, и вы найдете там точные описания и аккуратные обозначения всех областей мозга, но на самом деле не все так просто, ведь мы говорим о головном мозге. В нем содержится около 13 миллиардов нейронов – и это только в новой коре; при этом на каждый нейрон приходится в среднем 7000 синаптических связей, что составляет почти 100 триллионов связей на весь объем коры головного мозга. Лично я от таких чисел начинаю нервничать. Одно дело – набросать карту связей между крупными областями мозга в связи с определенными функциями и совсем другое – составить реальную карту всех связей между нейронами. Тем не менее находятся смельчаки-нейробиологи, пытающиеся решить эту задачу.

В 2007 году группа ученых медицинского факультета Гарвардского университета, во главе с профессорами Джеффом Лихтманом и Джошуа Сейнсом, изобрела новую методику визуализации: многоцветную систему картирования нейронов, призванную отобразить все сложные взаимосвязи нейронов в головном мозге. Пользуясь достижениями генной инженерии, они внедрили несколько избыточных генов в геном мыши. Эти гены запрограммированы на синтез флуоресцирующих разными цветами белков, которые заставляют светиться нейроны подопытной мыши. Случайные комбинации цветов могут создать более сотни оттенков, которые можно использовать для идентификации отдельных нейронов. Когда мы глядим в микроскоп на срезы мышиного мозга, эти цвета помогают нам точно проследить длинные волокна нервных клеток и выявить клетки, образующие друг с другом синапсы. Авторы достаточно остроумно окрестили свою методику «Brainbow» (от англ. brain – «мозг» и rainbow – «радуга»).

Пару лет назад мне посчастливилось лично познакомиться в Гарварде с профессором Джеффом Лихтманом. Естественно, мы заговорили об уникальности человеческого мозга. Наш мозг чрезвычайно велик, он содержит огромное число нейронов, но Джефф твердо убежден в том, что нас, людей, уникальными делает не размер мозга и не число нейронов: самое главное заключается в строении нейронных цепей, в связях между ними. У примитивных животных, по крайней мере, примитивных в этом отношении, как, например, изученный вдоль и поперек круглый червь Caenorhabditis elegans (любимый объект эмбриологов), нервная система которого состоит всего из 300 нейронов, связи этих нейронов детерминированы генетически. У приматов, и в частности у людей, генетическая программа задает диапазон возможностей, которые затем совершенствуются в ходе взаимодействия индивида с окружающей средой. В момент рождения человек уже обладает большей частью своих нейронов и чрезмерно большим числом связей между ними. Я не оговорилась: связей действительно чрезмерно много, и эта избыточность является существенной и очень важной частью сложности развития нервной системы. Избыточные связи уничтожаются по мере развития мозга, что обусловлено личным опытом. В результате каждый нейрон ограничивает, но и одновременно укрепляет связи с другими нейронами. Дело не только и не столько в утрате связей – речь идет об их перестройке более ограниченным, но стратегически более выгодным способом. Джефф считает, что нечто подобное происходит с иннервацией мышечных волокон. В момент рождения каждый двигательный нейрон иннервирует множество мышечных волокон, а каждое мышечное волокно иннервируется множеством нейронов. Далее следует конкуренция, в ходе которой каждый аксон конкурирует с другими за контакт с мышечным волокном. Побеждает в этой борьбе только какой-то один аксон. (Интересна сама мысль о том, что развитие происходит именно таким путем: оказалось, что мы состоим из сложных колоний клеток, и эти клетки конкурируют друг с другом за выживание.)

У человека самое длинное детство из всех млекопитающих, и этот отрезок времени используется на удаление лишних связей. Но на самом деле мы – постоянно обучаясь – продолжаем оптимизировать число синаптических связей всю нашу жизнь. Наш мозг не является исключительно продуктом генетического программирования, он является результатом воздействия, как природы, так и окружающей среды. Гены задают диапазон возможностей, а взаимодействие с окружающей средой (включая конечно же и культурную среду) создает реальные связи нейронов мозга взрослого человека.

По мнению Джеффа, невероятная сложность строения человеческого мозга оставляет место свободе воли. «Существует так много факторов, столько сложностей, что точно предсказать исход невозможно – а значит, свобода воли существует, или, другими словами, сложность системы такова, что свобода воли может и должна существовать».

Я спросила Джеффа о задаче картирования человеческого мозга и особенностях использования сети нейронов для визуализации и попытки понять строение и функции нейронных сетей. «Это любопытный замкнутый круг, – согласился Джефф. – Дело в том, что мы используем очень сложную машину для того, чтобы рассмотреть еще более сложную машину, принцип работы которой мы хотим понять. Это особенно актуально, когда мы изучаем зрительные связи таламуса. Мы используем эти связи в нашем мозге для того, чтобы интерпретировать картину связей…»

Очевидно, Джефф понял, что рискует запутаться, и умолк, а затем пустился в философские рассуждения о возможности разобрать человеческий мозг на части, понять его устройство, а потом снова собрать. «Мне кажется, что наше сознание и разум – это всего лишь такая физическая машина. И это несмотря на то, что в основе исследуемой нами структуры лежит динамический процесс – функции нервных клеток, электрические импульсы, проходящие через межнейронные связи. Но даже я, нейробиолог, испытываю тревогу, когда думаю, что единственное, что есть в человеческом мозге, – это его связи».

Да, мы визуализируем мозг, пытаемся понять его, создавая трехмерные модели на основе магнитно-резонансных изображений или картируя нейроны и их связи, но мне кажется, что все это едва ли поможет понять истинную суть того, что происходит в нашей черепной коробке. Возможно, настанет день, когда мы узнаем об этих связях все, и точно поймем, как функционирует наш мозг – во всех мельчайших деталях и подробностях, но я не уверена, что даже тогда положение сильно изменится. Похоже, что разум хочет и дальше оставаться загадочным, капризным и непознаваемым.

Джефф Лихтман занимается исключительно анатомией – на электронно-микроскопическом уровне. Но что в реальности делают эти миллиарды связей? Одним из способов исследования этого вопроса является возвращение к истокам – изучение больных с определенными поражениями мозга и с соответствующими неврологическими дефицитами, как, например, доктор Харлоу изучал Финеаса Гейджа. Правда, теперь мы располагаем технологиями, позволяющими увидеть в режиме реального времени работу живого мозга. Это, конечно, звучит отвратительно и цинично, но теперь у нас есть несколько неинвазивных способов заглянуть человеку в голову.

Одним из способов неинвазивного исследования функции головного мозга является регистрация его электрической активности с помощью электродов, помещенных на кожу головы. Этот метод исследования называется электроэнцефалографией (ЭЭГ). Однако таким методом трудно точно локализовать источник регистрируемой электрической активности. Другие методы функциональной визуализации мозга основаны на косвенных данных. Например, при позитронной эмиссионной томографии (ПЭТ) используют скорость метаболизма глюкозы или интенсивность кровотока, как маркеры интенсивности обмена веществ в тканях головного мозга. Функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ) может использоваться для выявления активных участков мозга, так как помогает регистрировать усиление кровотока в более активных областях головного мозга. Методы функциональной визуализации показали следующее: несмотря на то что они позволяют картировать функции областей и участков коры, края этих областей остаются весьма размытыми и нечеткими, а кроме того, одна функция может быть представлена в нескольких разных участках мозга. Важно, таким образом, знать особенности связей между областями мозга.

Пока мы видим огромную пропасть между тонкими методами нейроанатомического анализа Джеффа Лихтмана, которые позволяют наблюдать отдельные нейроны, аксоны, дендриты и синапсы, и написанной широкими мазками картиной, возникающей на экранах приборов функциональной визуализации нервной системы. Есть, правда, надежда, что в будущем эти две области исследований удастся сблизить и мы получим возможность детально, с высоким разрешением увидеть функциональную анатомию головного мозга.

Мне два раза делали фМРТ головного мозга, и каждый раз эта картина вызывала мое неподдельное удивление. Во время первого исследования, несколько лет назад, я была страшно заинтригована областями двигательной коры мозга, которые вспыхивали ярким светом, стоило мне пошевелить пальцами. Но этого следовало ожидать. В конце концов, я знала, где находится двигательная кора. Однако во время второго исследования, в 2011 году, я была удивлена по-настоящему. Мне предстояло увидеть в мозге то, что было открыто совсем незадолго до исследования: это был секрет, который я не могла узнать в университете, изучая нейроанатомию в начале 1990-х.

Зеркальные нейроны

Холодным январским утром 2011 года я села в лондонский поезд и направилась в Бирбекский колледж, испытывая по дороге нарастающий трепет. Исследование, которое мне предстояло, не было назначено по медицинским показаниям, но всегда испытываешь беспокойство: вдруг обнаружится что-нибудь неожиданное или даже ужасное. И, хотя умом я понимала, что если бы со мной было что-то неладное, то я бы это чувствовала, и шансов найти патологию практически не было, я все же немного нервничала.

У входа в здание колледжа я столкнулась с тележурналистом Майклом Мосли, специализирующимся на медицинской тематике. Майкл должен был пройти МРТ-исследование – для того, чтобы показать его по телевидению, а не по медицинским показаниям. Особенностью исследования было то обстоятельство, что по ходу процедуры Майклу должны были временно отключить зону Брока, тем самым лишив его способности говорить. Продюсер фильма сначала предложил эту честь мне, но я отказалась. Не говоря о том, что я была откровенно испугана этим предложением подвергнуться риску ради телевизионной передачи, хотя я понимала, что риск минимальный, но кто знает, вдруг я не оправлюсь от этого эксперимента? Я сказала Майклу, что он храбрее меня. (Я встретила его через несколько месяцев после передачи и рада сообщить, что его способность говорить восстановилась полностью.)

Войдя в колледж, я спустилась в подвал, где меня отвели в конец коридора – там меня уже ждал доктор Джефф Берд. Джефф исследовал с помощью функциональной МРТ способность людей общаться друг с другом, но его интересовали и такие более абстрактные когнитивные функции мозга, как внимание, эмоции и эмпатия.

Переодевшись в одежду, не содержащую ничего металлического, я сняла с себя все ювелирные украшения, присела на край похожей на полку тележки, на которой меня должны были вдвинуть в раструб огромного магнита, и стала ждать, когда Джефф приготовит все для выполнения процедуры. Потом мне дали затычки, которые я вставила в уши (аппарат МРТ во время работы издает достаточно громкие звуки), и я улеглась на кушетку. Джефф надел мне на голову похожую на маску клетку с индукционной катушкой. Излучаемые катушкой радиоволны должны будут проникать в мою голову, и протокол предусматривал перерывы в излучении – чтобы мой мозг не слишком сильно нагревался в процессе исследования. Теперь пути к отступлению не было. Джефф вышел из комнаты, закрыв за собой дверь, но мне была оставлена возможность связаться с ним – и участниками съемочной группы – по внутренней двусторонней связи.

Машину включили, кушетка подо мной пришла в движение – сначала она приподняла меня, а потом установилась в такое положение, когда моя голова оказалась внутри гигантского «пончика» сканера. Маленькое зеркальце, под углом прикрепленное к клетке, надетой мне на голову, позволяло мне смутно видеть силуэт Джеффа за пультом управления. Кроме того, он закрепил на входе в сканер темный экран, на который проецировались команды. Исследование началось, и на экране появились слова: «указать», «сжать кулак», «вытянуть» и «поднять большой палец». Каждая инструкция подлежала выполнению – я должна была сделать соответствующее движение правой рукой. «Вытянуть» означало растопырить пальцы, «указать» – вытянуть вперед указательный палец, остальные команды были понятны без разъяснений. После выполнения каждой команды надо было расслабить руку и вернуть ее в исходное положение. Слова на экране сменялись быстро, я едва поспевала за ними. Иногда я пыталась предвосхитить команду, но часто ошибалась, например, растопыривая пальцы вместо того, чтобы сжать их в кулак. Я поняла, что мне надо по-настоящему сосредоточиться, но даже после этого я продолжала делать ошибки, страшно ругала себя за это и боялась, что испорчу все исследование. За инструкциями последовали видеоизображения с рукой, выполнявшей такие же движения. Мне надо было просто смотреть на эти движения, ничего не делая самой. После нескольких циклов мне стала казаться трудной даже и эта задача. Мне наскучили эти картины, и я начала задумываться о более интересных вещах, например о предстоящем обеде. Потом я снова брала себя в руки и принималась следить за экраном.

Позже Джефф показал мне результаты сканирования в визуальной форме: активные области моего мозга светились красным цветом на фоне серого изображения всего мозга. Результаты оказались захватывающими: в лобной доле, в префронтальной коре были области, отвечавшие за планирование движений. Эти области начинали светиться, когда я двигала рукой, но что самое интересное, те же области снова вспыхивали красным, когда я наблюдала те же движения, совершаемые другими людьми.

Итак, здесь, в моем собственном мозге, существуют нейроны, которые разряжались не только когда я двигала рукой, выполняя определенные действия, но и когда я наблюдала, как кто-то выполняет те же движения. У вас тоже есть такие нейроны. Они есть у всех. Это «зеркальные» нейроны, и их существование делает когнитивную нейрофизиологию еще более сложной – и более интересной. В самом деле, вам не надо даже видеть что-то для включения зеркальных нейронов. Достаточно просто услышать звук, характерный для какого-то действия. Это было показано на обезьянах, слышавших звук от раскалывания орехов, и на людях, слушающих человеческую речь. Эти нейроны очень умны – они активизируются не только простыми действиями, но и действиями, объединенными в комплексы для достижения определенной цели. Представляется, что эти нейроны помогают нам понять целесообразность определенного действия.

Просто подумайте обо всех вещах, которые вы когда-либо усвоили, наблюдая или копируя чьи-либо действия. На самом деле это трудно сознательно обдумать, и такое обучение происходит быстрее, чем вы успеваете его обдумать. Люди в высшей степени способны копировать действия друг друга, и поэтому зеркальные нейроны очень важны для нас (хотя они присутствуют и у представителей других биологических видов). Эти нейроны определяют нашу способность подражать и учиться у других.

Нейробиолог Вилейянур С. Рамачандран утверждает, что зеркальные нейроны дают нам врожденную способность к имитации, и поэтому новорожденный способен копировать мать, высовывая изо рта язык. Я сама, помнится, показывала язык обоим моим детям, когда они были еще совсем маленькими, и была поражена их способностью копировать мои действия. Вы только подумайте, о чем говорит эта способность: ребенку не надо практиковаться перед зеркалом для того, чтобы повторить увиденное чужое действие (высовывание языка, тем более что ребенок не узнает себя в отражении). Представляется, что мозг ребенка уже настроен на формирование связи между чужим и своим лицом.

Зеркальные нейроны активизируются, когда мы видим или слышим, как другие люди выполняют какие-либо действия или произносят определенные слова, но думается, что функции зеркальных нейронов простираются намного дальше. Когда мы видим, что кто-то сильно ушибся, мы проникаемся эмпатией: мы не только умом понимаем, что человеку больно, мы ощущаем эту боль. Рамачандран называет эти нервные клетки «нейронами Ганди», так как они стирают границу между самим собой и другими. Люди обладают чрезвычайно развитой способностью понимать, что думают и делают другие, – «читать мысли» – и эта функция тоже может зависеть от активности зеркальных нейронов. Представляется, таким образом, что эти специальные нейроны могут играть важнейшую роль в нашем становлении как общественных животных: мы способны к сочувствию, сотрудничеству и, конечно, к обману. Рамачандран также предположил, что зеркальные нейроны вообще крайне важны для эволюции нашего вида; именно они способствовали появлению и развитию языка, взлету культуры и возникновению цивилизации.

Я принялась расспрашивать Джеффа о зеркальных нейронах. В то время он как раз занимался исследованием возможной связи между зеркальными нейронами и эмпатией, а также высказал весьма смелое предположение о том, что аутизм может быть связан с недостаточной активностью зеркальных нейронов. Это было логичное утверждение, но сам Джефф пока не был уверен в действительном существовании такой связи; проведенные ранее исследования дали противоречивые результаты. Кроме того, Джефф довольно скептически отнесся к мнению о том, что зеркальные нейроны и связанные с ними функции являются врожденными свойствами головного мозга человека. Джефф считал, что эта зеркальность есть результат обучения, что положительная обратная связь от копирования чужих действий может способствовать возникновению и развитию таких нейронов. Неужели я побуждала ребенка копировать мои действия, когда улыбалась ему в ответ на его улыбку?

Зеркальные нейроны присущи не только человеку, они открыты также у обезьян. Но откуда они взялись? Возможно ли, что они, эти нейроны, сами являются приспособительным признаком, которому благоприятствовал естественный отбор? Согласно такому взгляду, зеркальные нейроны являются врожденной структурой, и любые индивиды (будь то обезьяны или люди), обладающие ею, а следовательно, врожденной способностью понимать действия других, получают эволюционное преимущество. Но что, если зеркальные нейроны суть результат обучения? Возможно ли, что они могут формироваться под влиянием обучения, по мере того как индивид наблюдает некие действия и пытается их повторить, в результате чего формируется связь между «моим действием» и «действием другого»? При таком сценарии зеркальными нейронами становятся двигательные нейроны, способные в процессе обучения воспроизводить какое-либо действие, выполняемое другим. Естественный отбор может благоприятствовать такому типу обучения в еще большей степени, нежели возникновению самих зеркальных нейронов. Есть небольшие различия в функционировании зеркальных нейронов у нечеловекообразных обезьян и у человека, и это различие проще всего объяснить, если система таких нейронов возникла в результате ассоциативного обучения, а не как врожденная структура.

Но как быть с детьми, которые показывали язык после того, как это делала я? Несомненно, это говорит в пользу врожденного существования зеркальных нейронов, не так ли? У новорожденных детей отсутствует опыт формирования ассоциаций между тем, что делают они сами, и тем, что делают другие. К сожалению, высовывание языка представляется изолированным примером поведения, когда ребенок копирует поведение взрослого, и некоторые ученые считают, что это вовсе не имитация или подражание, а всего лишь неспецифический ответ на некий стимул. Представляется, что в настоящее время отсутствуют доказательства существования зеркальных нейронов в мозге новорожденных. Может быть, мой ребенок высовывал язык в ответ на все раздражители, но я замечала это, только когда сама высовывала язык, а ребенок повторял мое действие.

Есть также данные о том, что приобретенный опыт модифицирует систему зеркальных нейронов. Например, у пианистов при наблюдении за игрой на фортепиано мозг активизируется сильнее, нежели у людей, не умеющих играть на этом инструменте. Мозг балетных танцоров активизируется при просмотре балета сильнее, нежели у танцоров диско. Эти наблюдения делают более вероятным мнение о том, что зеркальные нейроны развиваются в процессе обучения, а степень их развития зависит от прошлого опыта наблюдения и выполнения определенных действий.

Таким образом, то, что мой ребенок высовывал язык, возможно, и в самом деле не имело ничего общего с зеркальными нейронами; возможно, он сам работал над созданием собственной системы этих нейронов. Он проводит много времени, глядя на свои руки, шевелит пальцами и внимательно на них смотрит, и это, вероятно, есть наклонность – может быть, возникшая как некий побочный эффект, – которая появляется как реакция на практически полную беспомощность при рождении и помогает ему развить точный контроль над движениями рук, связывая зрение и мышечное действие. Сноровистость кисти жизненно необходима для способности изготавливать орудия труда – то есть создавать технологии. Может быть, зеркальные нейроны и способность соотносить собственные действия с наблюдаемыми действиями других является лишь побочным продуктом обучения координации зрения и движения.

Представляется, что зеркальные нейроны, скорее всего, – это проявление способности обучаться связывать задания, которые выполняем мы, с заданиями, которые выполняют другие. Однако эти нейроны есть не только у людей, поэтому, какими бы замечательными они ни были, не они определяют нашу уникальность. Вероятно, они очень важны для социальных взаимодействий – так же, как и для интерпретации каких-то базовых действий, – но тем не менее они, скорее всего, являются результатом, а не причиной нашей в высшей степени социальной природы.

Зеркальные нейроны так сильно интригуют ученых, потому что не соответствуют тому, что ожидали найти в них нейрофизиологи. Может быть, это очень наивно с нашей стороны – пытаться обозначить те или иные участки коры как «двигательные» или «чувствительные». Зеркальные нейроны не захотели подчиниться жесткой классификации; однако они, по крайней мере, заставили нас шире взглянуть на сущность и функции головного мозга.

Попытаться понять, чем именно наш мозг отличается от мозга других приматов, – задача не из легких. Наш мозг огромен, он гораздо больше мозга даже наших ближайших родственников – человекообразных обезьян, но проблема заключается в том, что надо как-то объяснить, что делает в нашем организме такое непомерное количество мозговой ткани, и именно поэтому такими обескураживающими оказываются дебаты по поводу зеркальных нейронов. В какой-то момент сложилось впечатление, что мы наконец натолкнулись на нечто совершенно уникальное в человеческом мозге, нечто фундаментально человеческое, что могло бы объяснить эволюционный успех нашего вида. Но зеркальные нейроны, как выяснилось, не являются специфической особенностью человеческого мозга.