Текст книги "Удивительные истории о мозге, или Рекорды памяти коноплянки"

7. Новые нейроны, новая память?

Говорят, что мы ежедневно теряем бессчетное количество нейронов, то есть нервных клеток, из которых состоит наш мозг, и что в то же время мы не воспроизводим новые. Это предположение не может нас не беспокоить, но так ли это на самом деле?

В ходе развития человеческого эмбриона происходит дифференциация и увеличение числа нейронов до тех пор, пока их количество не достигнет сотен миллиардов клеток, формирующих наш мозг. До недавнего времени действительно существовала гипотеза, согласно которой воспроизводство нейронов прекращается незадолго до рождения ребенка. Эту идею впервые выдвинул Сантьяго Рамон-и-Кахаль, великий ученый, один из отцов-основателей нейробиологии, получивший в 1906 году Нобелевскую премию. Он описал организацию нервной системы человека на микроскопическом уровне и проиллюстрировал свою теорию собственноручно сделанными уникальными рисунками. Он полагал, что раз уж развитие мозга заканчивается еще до рождения ребенка – значит, в мозге взрослого человека все остается неизменным. И в подтверждение этой своей идеи Рамон-и-Кахаль писал:

«Источники роста иссякли, все умирает, и ничто не возрождается. И главной задачей науки будущего является поиск решения, как обойти эту фатальную неизбежность».

На чем же базируется утверждение, что мозг человека – это некое застывшее образование?

Существует множество аргументов в пользу этой идеи. С одной стороны, мы видим, что любые повреждения мозга очень медленно восстанавливаются. После заживления царапины на коже не остается никаких следов, возможна регенерация печени, но наш мозг, к сожалению, такими свойствами не обладает. С другой стороны, если рассматривать мозг как идеальный и очень сложный часовой механизм, то даже малейшая ржавчина (либо ее изъятие) может нарушить превосходно отлаженный и доведенный до совершенства ход этого механизма. А в заключение остается добавить, что с технической точки зрения у нас только недавно появилась возможность изучать процесс возобновления нейронов в мозге живого человека. Во времена Рамона-и-Кахаля таких технологий просто не было.

Вы спросите: хочу ли я сказать, что совершен некий прорыв и учеными доказано, что нейроны в мозге взрослого человека могут возобновляться?

Действительно, было замечено, что в мозгу взрослых животных (включая человека) нейроны обновляются на протяжении всей жизни, по крайней мере, в двух раздельных зонах: в обонятельной луковице (рисунок 4), которая участвует в восприятии запахов, и в гиппокампе, важность которого в обучении и запоминании нам уже известна. В шестидесятых годах прошлого века было обнаружено, что в гиппокампе взрослого человека клетки постоянно воспроизводятся, а десятью годами позднее ученые установили, что речь идет именно о нейронах, то есть о нервных, а не о глиальных клетках, которые обеспечивают метаболические процессы в нервной ткани и также осуществляют защитную функцию.

Рис. 4. Обонятельные луковицы, расположенные в области нижних поверхностей лобных долей над носовыми полостями, являются, наряду с гиппокампами, зонами головного мозга, в которых обновление нейронов продолжается и по достижении человеком взрослого возраста

Выполняют ли эти «новые нейроны», которые формируются в мозгу взрослого человека, какие-либо дополнительные функции?

Исследуя мозг певчих птиц, ученые установили, какие функции возлагаются на эти «новые нейроны». Для примера возьмем канарейку. Каждый год самцы этой певчей птички обновляют свой репертуар, и «разучивание» ими новых «песен» обеспечивается, в частности, за счет формирования новых нейронов, которые развиваются и подключаются к структурам мозга канарейки, отвечающим за пение. Распространив данные исследования на грызунов, ученые пришли к выводу, что обновление нейронов играет большую роль и в их среде. Как только исследователи заставляли крысу выполнить задачу, в решение которой вовлекался гиппокамп (например, найти дорогу в лабиринте), так сразу начинался количественный рост нейронов. Короче говоря, пролиферация нейронов играет большую роль в консолидации воспоминаний.

Только что мы говорили о мелких представителях животного царства – о канарейках и крысах. Их нейроны обновляются и по достижении ими взрослого возраста. И эти новые нервные клетки задействованы в процессе формирования воспоминаний и в обучении. Возникает логичный вопрос: «Относится ли все вышесказанное также и к человеку?»

Следует отметить, что проводить исследования на человеческом мозге гораздо сложнее, потому что мы не можем применять к людям те же методы, что и к мелким животным. И только совсем недавно, в 1998 году, ученым удалось продемонстрировать, что нейроны воспроизводятся и в гиппокампе человека. С целью диагностики пациентам, страдающим раком ОРЛ (уха, горла или носа), вводили контрастное вещество со специфическим воздействием – оно поглощалось исключительно клетками в стадии деления. После смерти пациентов у них изымали гиппокампы, которые исследовали под микроскопом. Выяснилось, что некоторые нейроны гиппокампа также интегрировали красящее вещество. Следовательно, это были клетки, находящиеся в стадии деления в тот момент, когда пациентам вводили контрастное вещество.

Таким образом, мы теперь знаем, что новые нейроны появляются и в мозге взрослого человека. Но как доказать, что эти новые нейроны участвуют в процессе запоминания?

Это очень сложный вопрос. В широко известном научном журнале «Brain» недавно была напечатана статья, автор которой предложил весьма смелый подход к решению этой проблемы. Среди пациентов, страдающих эпилепсией, выделили тех, у кого пусковой момент припадка находился в гиппокампе. И в тех случаях, когда медикаментозное лечение не оказывало действия, пациентов подвергали операциям и изымали гиппокамп, вызывавший эпилептические припадки. После изъятия гиппокампов ничто не мешало ученым использовать их в научных целях. Что и было сделано. Были выделены нейроны из двадцати трех гиппокампов. Затем эти нейроны поместили в лабораторных условиях в питательную среду, где в них поддерживалась жизнь. Таким образом ученые смогли оценить их способность к воспроизводству и пролиферации. У части пациентов нейроны имели большую способность к пролиферации, в то время как у остальных нервные клетки почти не воспроизводились.

Возникает вопрос: а имеет ли способность гиппокампов к воспроизводству какое-либо отношение к функционированию памяти?

Пациенты-эпилептики, у которых был удален гиппокамп, прошли в рамках подготовки к операции специальные тесты на запоминание. Главный вывод, к которому в результате исследования пришли ученые, заключается в следующем: пациенты, нервные клетки которых демонстрировали высокую степень пролиферации, имели нормальную память, а те из них, чьи нейроны почти не обновлялись, с трудом запоминали новое.

Каков же вывод?

Возникает большое искушение сказать следующее: существует четко выявленная причинно-следственная связь, а именно: чем выше способность нейронов к воспроизводству, тем лучше функционирует память у пациентов. И если это подтвердится, значит, учеными совершено открытие мирового уровня. Хотя одно можно утверждать уже и сейчас: пролиферация нейронов в мозгу человека является одним из основных механизмов памяти.

8. Воспоминания как на ладони

Часто в научно-фантастических романах и фильмах возникает сюжет, когда человеческий мозг подключают к некой машине, которая скачивает, обрабатывает, демонстрирует и, возможно, даже заменяет наши воспоминания и нашу память. Имеют ли эти фантазии, навевающие смутную тоску, хотя бы что-то общее с реальным положением вещей в современной неврологии?

Да, наши воспоминания «читаются», но в очень небольшой степени и не всегда правильно. В этом смысле мы еще очень далеки от создания широкоформатного экрана, на котором могли бы их демонстрировать. Но я вам сейчас продемонстрирую пример того, каких успехов добились ученые в последнее время. В книге «Почему шимпанзе не умеют говорить» я упомянул об одном исследовании, касающемся чтения мыслей. В ходе этого эксперимента пациентов, помещенных в магнитно-резонансный томограф, просили думать либо о лицах людей, либо о домах. При этом учеными отмечалась активизация области «А» в тот момент, когда они думали о лицах, или области «В», когда они представляли себе дома. Но это довольно простой случай, поскольку в визуальной системе мозга имеются отдельные зоны, специализирующиеся на распознавании лиц и домов. Зато, по всей видимости, нет таких зон, отвечающих, например, за раздельное восприятие лимонного пирога или пирога с яблоками.

То есть это означает, что, основываясь на активизации отдельных зон мозга, у нас нет никакой надежды понять, о каком из пирогов – лимонном или яблочном – думает данный любитель вкусно поесть?

Но у нас есть нечто большее, чем просто надежда. Допустим, что одна и те же область мозга реагирует на все существующие пироги. Но что будет различаться в активизации мозга при мысли о яблочном или лимонном пироге, так это глобальная скорость протекания активизации, наличие провалов и пиков в этой области. Для продолжения эксперимента представьте себе, что яблочные пироги активизируют в большей степени верхнюю левую зону этой области, а лимонные – нижнюю правую зону. Итак, общая картина протекания процесса активизации поможет определить, о каком из пирогов думает человек.

А проводились ли более сложные и серьезные эксперименты, чем этот немного наивный опыт с пирогами?

Команда английских исследователей недавно опубликовала две статьи, в которых они анализировали область мозга, о которой мы так часто упоминаем в этой книге. Я имею в виду гиппокамп.

Гиппокамп обладает двумя главными функциями. Первая, изученная в основном на крысах, заключается в том, что в него встроено некое «устройство», нечто вроде GPS, которое формирует в мозгу животного своего рода карту окружающей территории, и таким образом, благодаря ее наличию, в тот момент, когда животное находится возле двери вольера или возле кормушки, в его голове активизируются те или иные нейроны. Вторая функция гиппокампа – это формирование воспоминаний о том, что с нами происходит (напоминаем, что эта зона первой выходит из строя во время болезни Альцгеймера).

Начнем с GPS-функции гиппокампа.

Исследователи познакомили участников эксперимента с виртуальной квартирой. Сидя перед экраном компьютера, они могли при помощи джойстика свободно в ней перемещаться. И все это, разумеется, происходило в магнитно-резонансном томографе. Испытуемому давали следующие инструкции: «Подойди к окну в столовой, теперь пройди к двери ванной комнаты…» Когда испытуемый оказывался в нужном месте, томограф делал снимки его мозга. Самое главное в эксперименте по чтению мыслей начиналось после того, как все МРТ-снимки были закружены в компьютер, который «научили» распознавать, какая из зон («я иду в столовую» или «я иду в ванную комнату») возбуждается в большей степени в общей картине активизации гиппокампов.

«Значит, – спросите вы, – компьютер способен различать две картины активизации и понимать, где в данный момент находился испытуемый в момент фиксирования снимков мозга?»

Да, однако мы только начинаем приближаться к угадыванию того, в каком пункте – «А» или «В» либо где-то еще – находился испытуемый в момент снимка мозга. Пока, к сожалению, случаются и ошибки, но количество верных попаданий нельзя свести к случайности.

Читатель мне скажет, что гиппокамп играет ведущую роль в формировании воспоминаний. А можно ли, используя ту же методику, «прочесть» по картине активизации гиппокампа, о чем вспоминает человек?

Предлагаю вашему вниманию описание следующего эксперимента. Его участникам показали три маленьких фильма длительностью от пяти до десяти секунд, которые для лучшего запоминания демонстрировали несколько раз. Затем испытуемые были помещены в магнитно-резонансный томограф, и им была дана команда вспоминать как можно подробнее и по многу десятков раз все три фильма в том порядке, в каком им заблагорассудится. При этом были сделаны снимки мозга, произведенные во время фазы воскрешения фильмов в памяти испытуемых. Главной целью эксперимента было, разумеется, правильное определение по снимку мозга, о каком из трех фильмов думал в этот момент участник эксперимента.

Удалось ли ученым «научить» компьютер распознавать по картине активизации гиппокампа, о каком из фильмов – первом, втором или третьем – идет речь?

Пока ученые находятся на пути решения этой проблемы. Но следующий факт также представляет большой интерес: попутно во время проведения эксперимента было выяснено, где расположены зоны мозга, несущие ключевую информацию. Так, оказалось, что в передней зоне гиппокампа формируются воспоминания о фильмах, поэтому по степени ее активизации можно выяснить, о каком из них думает испытуемый, в то время как роль GPS-навигатора играет задняя часть гиппокампа, и она же указывает, в какой из виртуальных комнат находится участник эксперимента.

Получается, что мы вплотную приблизились к тому моменту, когда сможем увидеть на широкоформатном экране воспоминания, которые посещают наши головы?

Увы, это произойдет еще не скоро. Нужно отдавать себе отчет в истинном положении дел. В примере с тремя фильмами мы не видим самих воспоминаний, мы только угадываем, о каком из них думает испытуемый. И наши достижения в этой области еще не столь велики, а эксперименты далеки от завершения. Если бы компьютер осуществлял случайную выборку ответов, он был бы прав только в трети представленных случаев. А опираясь на описанную выше методику, мы угадываем верный ответ примерно в сорока пяти процентах случаев. Это лучше, чем ничего, но почивать на лаврах еще рано. Однако отбросьте ваши сомнения. Прогресс в науке остановить невозможно!

9. Спасительный страх и гнетущие воспоминания

В предыдущей главе я утверждал, что главная функция памяти заключается в возможности воспользоваться нашим прошлым опытом с максимальной пользой для себя. И если это действительно так, то в таком случае самые сильные отпечатки в ней оставляют события опасные, а следовательно, внушающие страх.

Представим себе следующую историю, которая могла бы произойти в незапамятные времена. Палеонтологи простят мне свободу, с которой я вмешиваюсь в их науку, но мы с вами постараемся представить себе нашего предка-питекантропа, прогуливающегося по саванне. Допустим, что он идет по тропе, проходящей поблизости от баобаба. И вдруг сталкивается нос к носу с саблезубым тигром. Кровь стынет у него в жилах, а сердце готово выпрыгнуть из груди. Но он не теряется, а быстренько карабкается на баобаб, посланный ему самим Провидением. И у нас нет никаких сомнений в том, что когда в будущем он опять отправится на прогулку по саванне, то сделает большой крюк, чтобы обойти полюбившуюся саблезубым тиграм тропу, проходящую рядом с баобабом. Воспоминание об этом событии, возможно, сохранит ему жизнь. И тем более полезным для него будет воспоминание, чем больший ужас вызвало первоначальное событие (встреча с тигром). И действительно, страх является своего рода сигналом тревоги, который возникает в опасных ситуациях, воспоминания о которых необходимы человеку для выживания.

Но как возникает взаимосвязь между эмоциями и памятью?

Следует различать два феномена. Для этого задержимся еще на мгновение в саванне. Представим, что наш предок месяц спустя после встречи с тигром вновь проходит поблизости от баобаба. В этот момент в его голове произойдут два совершенно не связанных друг с другом явления. С одной стороны, при виде злополучного дерева и даже еще до того, как он осознает, где находится, кровь опять застынет у него в жилах, а сердце будет готово выпрыгнуть из груди. С другой стороны, сотой долей секунды позже в его голове в мельчайших подробностях возникнет воспоминание о первоначальных ощущениях: запах крупного хищника, отблеск солнца на его клыках, угрожающий рык… Иначе говоря, первоначальная эмоция окажет двойное воздействие на память: во-первых, сразу же установится связь между находящимся в поле его зрения баобабом и активизацией висцеральных реакций, вызванных непобедимым страхом, а во-вторых, вполне осознанное и объясняемое воспоминание о встрече с тигром проявится с большей силой по сравнению с воспоминанием о встрече, например, с безобидной сумчатой крысой, которое сразу же вылетит у него из головы.

Можно ли сказать, что основе этих двух связей между эмоциями и памятью лежат раздельные механизмы, между которыми нет никакого взаимодействия?

На самом деле в основе этих двух феноменов находится одна и та же анатомическая структура, называемая миндалиной или амигдалой (от amugdalè, греч.) (рисунок 5). Миндалина (по одной в каждом полушарии) находится внутри височных долей в ближайшем соседстве с гиппокампом. Ее роль в большей степени изучена в формировании того, что я называю висцеральной и анатомической реактивацией страха. Эксперименты ставились в основном на крысах, с помощью использования технологии выработки условного рефлекса на страх, которая является самым неприятным вариантом знаменитого эксперимента с собакой Павлова. Напомним, что собака Павлова запомнила, что за звонком сразу же последует миска с едой, и «научилась» выделять желудочные соки и слюну только при звуке звонка, что было нормальной реакцией, предшествующей появлению пищи. Но вернемся к нашим крысам и миндалине. Вкратце эксперимент заключается в следующем: крысу подвергают воздействию электрического тока, которое также сопровождается звуковым сигналом. Звук звонка сам по себе не страшен, но крыса быстро поняла, что ему всегда будет сопутствовать разряд тока, и, как только впоследствии раздавался звонок, бедное животное демонстрировало типичную ответную реакцию на страх, впадая в ступор. Сопоставив все условия, можно сказать, что звуковой сигнал является эквивалентом баобаба из нашей истории, а электрический ток – эквивалентом тигра. Сигнальный признак (звонок или баобаб) вызывает приступ страха, причиненный настоящей угрозой (тигр или электрический разряд).

Вам, наверное, будет интересно узнать, какие механизмы задействует миндалина в «обучении» подобного рода?

Рис. 5. Миндалина соприкасается с передней долей гиппокампа и моделирует воспоминания в зависимости от эмоционального контекста

К миндалине стекается информация с четырех сторон мозга, в частности из систем, которые анализируют предметы и явления, воспринимаемые нами из окружающего мира. И миндалина также отдает команды, которые запускают реакции страха и стресса: выброс адреналина, ускорение сердцебиения, внезапная неподвижность и другие. Таким образом, еще до начала процесса конкретного «обучения» элементарное ощущение страха или опасности, как, например, после электрического разряда, активизирует миндалину, которая, в свою очередь, активизирует защитные реакции. Но миндалина воспринимает не только телесные ощущения (как после разряда электрического тока), но и слуховую информацию (звонок). Когда разряд тока совпадает со звуковым сигналом, нейроны амигдалы сразу же меняют систему соединения таким образом, чтобы сохранить в мозгу отпечаток этого совпадения. А как только ассоциация между звонком и разрядом установлена, звонок самостоятельно «включает» те же реакции, которые до этого вызывал разряд электрического тока. Так в миндалине устанавливается связь между сигналом (звонок или баобаб) и реакцией страха.

А у нас, у представителей рода человеческого, все происходит точно так же, как и у крыс, которых подвергали воздействию электрического тока?

С человеком не проделаешь тех же экспериментальных манипуляций, что и с животными, и не сделаешь таких же снимков нейронов, какие удается получить в опытах с крысами. Но у нас достаточно оснований полагать, что эти механизмы в целом едины для всех видов. И это не удивительно, поскольку речь идет о фундаментальной способности, то есть о способности живого организма к выживанию. А что касается человека, то такая недавно появившаяся технология, как магнитно-резонансная томография, позволяет совершенно безболезненно определить у взрослого представителя рода человеческого уровень активизации миндалин.

Полагают, что нашего далекого предка не только охватывал страх, вызывающий висцеральные реакции только при одном взгляде на баобаб, он также сохранял на удивление стойкие и осознанные воспоминания о встрече с тигром. Так ли это?

Это действительно так. И этим мы обязаны опосредованному эффекту обучения. В общих чертах можно сказать, что к числу защитных реакций, которые вызывает внезапный страх, относится и продуцирование мозгом (или надпочечниками по указанию того же мозга) разных химических субстанций. Самая известная из них – адреналин. И эти субстанции обладают постпозитивным эффектом на гиппокамп, структуру, отвечающую за формирование новых воспоминаний о событиях нашей жизни. Именно она первой выходит из строя в моменты провалов в памяти или болезни Альцгеймера. Следовательно, человеческий мозг формирует более стойкие воспоминания о тяжелых моментах нашего существования по сравнению с воспоминаниями о событиях нейтральных. В подтверждение этой идеи учеными был сделан ряд снимков в МРТ в момент созерцания человеком эмоционально окрашенного образа. И оказалось, что этот образ тем сильнее зафиксируется нашей памятью, чем сильнее активизируются миндалины.

Неужели же людей, у которых эти системы не функционируют должным образом и которые в силу этого обладают безрассудной смелостью, так ничему и не учит прошлый опыт?

Это верно только отчасти[4]4
  О том, как наш мозг воспринимает эмоции страха, см. в главе «Какую информацию несет человеческое лицо?» в книге «Почему шимпанзе не умеют говорить?». – Примеч. авт.


[Закрыть]. В 1995 году известный психолог Антуан Бешара изучал поведение пациентов, имеющих серьезные повреждения либо миндалин, либо гиппокампов. С этой целью он предложил им самую безобидную версию эксперимента со звонком, сопровождаемым электрическим разрядом, которая заключалась в следующем: испытуемым показывали синий квадрат. Одновременно с этим раздавался громкий и до неприятного резкий звук трубы. Обычно, когда ассоциация между квадратом и звуком трубы устанавливалась, только при виде синего квадрата у людей возникали висцеральные реакции в виде усиленного выделения пота (что объективно регистрировалось аппаратурой). И как читатели уже догадались, эта висцеральная реакция полностью отсутствовала у пациентки, чьи миндалины были полностью повреждены. Зато, используя интеллект и наблюдательность, пациентка не могла не заметить, что синий квадрат систематически являлся предвестником неприятного звука, хотя эмоционально она при этом оставалась почти спокойной.

Логично предположить, что люди, у которых гиппокампы отсутствуют в силу тотальных повреждений, должны были бы продемонстрировать диаметрально противоположную картину.

И это действительно так. Миндалины такого пациента устанавливают связь между синим квадратом и звуком трубы, и тогда только один вид этого квадрата вызывает у него обильное потоотделение. Но зато этот же самый пациент в силу расстройства памяти абсолютно не осознает, что появление квадрата предвещает неприятный звук. Контраст между двумя пациентами свидетельствует о функционировании двух систем памяти: висцеральной и событийной (фиксирующей события проживаемой жизни).

Мы уже поняли, что для нашей собственной безопасности крайне важно как можно дольше хранить в памяти воспоминания о трагических событиях. Но, как говорят, без фанатизма! Чтобы жизнь продолжалась, вас ни в коем случае не должны постоянно преследовали кошмары из прошлого. И с этим нельзя не согласиться.

В следующей главе мы увидим, что происходит с человеком, когда тяжелые навязчивые воспоминания, не оставляющие его ни на минуту, становятся смыслом жизни и источником ненужных страданий.