Текст книги "Мозговой трест. 39 ведущих нейробиологов – о том, что мы знаем и чего не знаем о мозге"

У детей другой мозг
Эми Бастиан

НЕДАВНО Я ВПЕРВЫЕ за много лет встала на горные лыжи. Естественно, после такого долгого перерыва я потеряла форму, и поэтому начала с осторожного спуска по одной из простых трасс. Внезапно прямо передо мной оказался маленький ребенок. Я вильнула в сторону и упала, потеряв лыжу и палку. Ребенок выглядел слишком маленьким, чтобы даже ходить, не говоря уже о катании на лыжах! Поначалу я даже разозлилась. Где родители ребенка? Разве можно разрешать ему кататься одному? Но потом я успокоилась и стала смотреть, как крошечные дети стремительно съезжают по крутым склонам. Как малыши смогли научиться так хорошо кататься на горных лыжах?

По всей видимости, очень маленькие дети овладевают многими навыками гораздо быстрее взрослых – особенно в таких областях, как спорт, иностранные языки и музыка. Большинство тренеров и преподавателей скажут вам, что, если вы хотите, например, стать великим теннисистом или скрипачом, начинать обучение нужно в юном возрасте. То же относится и к иностранному языку, если вы хотите говорить на нем не хуже носителей. В чем причина? В чем особенность детского мозга? Всегда ли маленькие дети учатся гораздо быстрее взрослых? И что еще важнее – есть ли у таких превосходных способностей к обучению обратная сторона? Я попытаюсь по порядку ответить на эти вопросы. Откровенно говоря, коротко ответ можно сформулировать так: на самом деле мы не понимаем, как и откуда возникают способности к обучению в процессе развития человека. Но мы знаем несколько интересных вещей.

В чем особенность мозга ребенка? Спросите любого нейробиолога, и он, скорее всего, скажет: «Мозг ребенка более пластичен». Такой ответ мало что дает, поскольку не объясняет, что такое «пластичность», что делает мозг пластичным и почему он теряет пластичность по мере взросления человека. Здесь я буду использовать простое определение: пластичность – это способность мозга модифицировать внутренние связи и функции под воздействием нового опыта. На пластичность влияют самые разные механизмы, как на клеточном, так и на сетевом уровне (см. эссе Линды Уилбрехт в этой книге)[36]36
  J. Stiles and T. L. Jernigan, «The Basics of Brain Development», Neuropsychology Review 20 (2010): 327–348.


[Закрыть].

Один из ключевых процессов в развитии мозга, клежащих в основе пластичности, протекает в младенчестве и в раннем детстве; это резкое увеличение количества нейронных связей[37]37
  G. M. Innocenti and D. J. Price, «Exuberance in the Development of Cortical Networks», Nature Reviews Neuroscience 6 (2005): 955–965.


[Закрыть]. В мозге двухлетнего ребенка нейронных связей в два раза больше, чем у взрослого человека. Число контактов между нейронами (то есть синапсов) резко возрастает в младенческом возрасте; по оценкам некоторых исследователей, у новорожденного каждую секунду появляются сотни новых синапсов! Процесс этот очень динамичный – в раннем возрасте связи постоянно меняются. В развивающемся мозге возникают химические сигналы, способствующие образованию правильных связей и противодействующие неправильным. В детском и подростковом возрасте количество нейронных связей постепенно уменьшается до уровня, обычного для взрослых.

Останется ли конкретная связь или исчезнет, в значительной степени зависит от того, используется ли она. Таким образом, для развивающегося детского мозга огромное значение имеют разнообразие, интенсивность и типы переживаний[38]38
  W. T. Greenough, J. E. Black, et al., «Experience and Brain Development», Child Development 58 (1987): 539–559.


[Закрыть]. Связи, которые используются, когда ребенок двигается, слушает, смотрит, думает и чувствует, скорее всего, сохранятся. Но без такой активности связи могут ослабеть или вообще исчезнуть. То есть структура мозга ребенка оптимизируется в раннем возрасте в процессе обучения самым разным вещам, от китайского языка до игры в теннис. Очень важно привлекать ребенка к самым разнообразным занятиям, чтобы в его мозге формировались нужные связи. Разумеется, это сильное упрощение удивительных и сложных процессов, происходящих в голове ребенка. Но нет никаких сомнений, что пластичный детский мозг, открытый новому опыту, во многом способствует лучшей обучаемости ребенка тем или иным навыкам.

Важно также определить, что мы понимаем под лучшей обучаемостью детей по сравнению со взрослыми. Нам кажется, что все дети обладают «суперспособностью» к обучению, но так ли это на самом деле? Все зависит от того, какой смысл мы вкладываем в понятие «суперспособности». Мы можем оценить скорость, объем, качество усвоения информации, а также ту ее долю, которая остается в памяти. Существует множество типов познания, за которые отвечают разные структуры мозга и разные процессы, поэтому успехи в обучении в одной сфере не всегда повторяются в другой. Рассмотрим пример с изучением второго языка. Дети обладают суперспособностью к обучению в том смысле, что они начинают свободно обращаться с новыми знаниями быстрее, чем взрослые, – и говорят на втором языке почти так же хорошо, как те, для кого он родной. Но это не значит, что они лучше усваивают все аспекты языка. На самом деле дети овладевают вторым языком медленнее взрослых; им требуется больше времени, чтобы научиться читать, произносить слова и применять нужные грамматические правила[39]39
  J. S. Johnson and E. L. Newport, «Critical Period Effects in Second Language Learning: The Influence of Maturational State on the Acquisition of English as a Second Language», Cognitive Psychology 21 (1989): 60–99.


[Закрыть]. То есть маленькие дети превосходят взрослых в свободе владения языком, но не в скорости его освоения.

Аналогичным образом маленькие дети, по всей видимости, медленнее взрослых обучаются новым движениям. Ряд исследований в этой области показывает, что скорость моторного обучения у детей постепенно увеличивается и приблизительно к 12 годам достигает уровня взрослого человека[40]40
  E. V. Vasudevan, G. Torres-Oviedo, S. M. Morton, J. F. Yang, and A. J. Bastian, «Younger Is Not Always Better: Development of Locomotor Adaptation from Childhood to Adulthood», Journal of Neuroscience 31 (2011): 3055–3065.


[Закрыть]. Кроме того, дети начинают обучение с более низкого уровня моторной ловкости, чем взрослые; их движения более вариативны и менее точны[41]41
  Там же; R. Gómez-Moya, R. Díaz, and J. Fernandez-Ruiz, «Different Visuomotor Processes Maturation Rates in Children Support Dual Visuomotor Learning Systems», Human Movement Science 46 (2016): 221–228.


[Закрыть]. Причина меньшей ловкости, вероятно, в том, что в детском возрасте развитие тех отделов мозга, которые управляют движением, еще не завершено.

Если дети учатся медленнее, а их движения изменчивы, почему нам кажется, что некоторыми навыками, например спуска с горы на лыжах, они овладевают быстрее взрослых? Во-первых, они меньше ростом, и поэтому центр масс у них находится ниже, что повышает устойчивость. (Правда, этот фактор не объясняет быстрое овладение навыками в занятиях, требующих мелкой моторики, таких как видеоигры, при которых работают только кисти рук.) Во-вторых, непостоянство движений ребенка может работать в его пользу, поскольку в каждой ситуации он пробует разные варианты движений, выбирая наилучший. Известно, что такая стратегия – важная часть освоения моторных навыков. Взрослые менее склонны экспериментировать с разными вариантами движений и поэтому зачастую выбирают не самые оптимальные. В-третьих (и это, пожалуй, главное), дети проявляют бо́льшую готовность много тренироваться для овладения моторными навыками. Например, когда малыш учится ходить, за один час он делает в среднем 2400 шагов и падает 17 раз. Это очень интенсивная тренировка – за один час ребенок проходит расстояние, примерно равное длине семи футбольных полей. А за шесть часов дневной активности ребенок падает сотню раз и проходит 46 футбольных полей[42]42
  K. E. Adolph, W. G. Cole, M. Komati, J. S. Garciaguirre, D. Badaly, J. M. Lingeman, G. L. Chan, and R. B. Sotsky, «How Do You Learn to Walk? Thousands of Steps and Dozens of Falls per Day», Psychological Science 23 (2012): 1387–1394.


[Закрыть]. Таким образом, большой объем практики, к которому готовы младенцы и маленькие дети, и высокая пластичность детского мозга, открытого новому опыту, объясняют тот факт, что они способны осваивать моторные навыки лучше взрослых.

К сожалению, у детской пластичности есть и обратная сторона, поскольку на развитие мозга влияют любые переживания, а не только позитивные. Поэтому пластичность может не только способствовать обучаемости, но и стать источником проблем. Стресс и негативный опыт могут вызвать нежелательные изменения в мозге ребенка[43]43
  G. Turecki, V. K. Ota, S. I. Belangero, A. Jackowski, and J. Kaufman, «Early Life Adversity, Genomic Plasticity, and Psychopathology», Lancet Psychiatry 1 (2014): 461–466.


[Закрыть]. Например, беспризорность, плохое обращение или бедность повышают риск возникновения у детей тревожности, эмоциональных и когнитивных расстройств. Считается, что эти проблемы – не просто реакция на негативный опыт; они также отражают фундаментальные изменения в структурах мозга, отвечающих за эти процессы. Более того, отсутствие того или иного опыта в период развития может оказаться разрушительным[44]44
  D. H. Hubel and T. N. Wiesel, В «The Period of Susceptibility to the Physiological Effects of Unilateral Eye Closure in KittensВ», Journal of Physiology 206 (1970): 419–436.


[Закрыть]. Если маленькому ребенку надолго заклеить один глаз, закрыв поле зрения, это может привести к необратимым изменениям в развитии зрительных зон мозга и, как следствие, к проблемам с восприятием глубины пространства. Аналогичным образом, у детей, которым не читали книги в раннем детстве, обучение грамоте проходит медленнее и менее успешно[45]45
  P. C. High, L. LaGasse, S. Becker, I. Ahlgren, and A. Gardner, «Literacy Promotion in Primary Care Pediatrics: Can We Make a Difference?» Pediatrics 105 (2000): 927–934.


[Закрыть].

В конечном счете любой опыт (или его отсутствие) имеет большое значение в ранний период развития. Дети могут пользоваться пластичностью своего мозга, чтобы лучше взрослых осваивать многие вещи, в том числе спуск по склону на лыжах и разговорный французский. Но эта пластичность может обернуться против ребенка, если в раннем детстве он переживает негативный опыт или лишается какого-либо важного опыта. Ученые еще не до конца понимают процессы, которые лежат в основе пластичности детского мозга, но представляется очевидным, что опыт, полученный на раннем этапе развития, очень важен. Дальнейшие исследования помогут нам понять, как оптимально использовать этот уникальный период жизни.

У вашего двенадцатилетнего ребенка не только растут волосы на теле, но и формируются новые нейронные связи
Линда Уилбрехт

УСЛЫШАВ СЛОВА «МОЗГ ПОДРОСТКА», многие понимающе усмехаются. Люди, утверждающие, что ничего не знают о мозге, могут прочесть целую лекцию о «мозге подростка». Этот мозг необуздан, безумен и бурлит гормонами. Его лобные доли еще не сформировались или только-только «подключаются». Подростки неуправляемы. У них нет тормозов. Но мы, нейробиологи, должны проявлять осторожность и следить за тем, чтобы это представление о подростках, характерное для поп-культуры, не искажало наши знания о них. Что на самом деле происходит в мозге ребенка в подростковом возрасте? Если вы присмотритесь к тому, что вытворяют его нейроны, то, возможно, измените свой подход к воспитанию – или, по крайней мере, перестанете закатывать глаза при упоминании о подростках.

Понаблюдав за мозгом подростка с помощью сканирующего устройства, можно заметить, что он отличается от мозга ребенка и мозга взрослого. Главные отличия – в локализации и уровне нервной активности[46]46
  S. Durston, M. C. Davidson, N. Tottenham, A. Galvan, J. Spicer, J. A. Fossella, and B. J. Casey, «A Shift from Diffuse to Focal Cortical Activity with Development», Developmental Science 9 (2006): 1–8.


[Закрыть]. В подростковом возрасте количество серого вещества уменьшается, а белого – увеличивается[47]47
  B. J. Casey, A. Galvan, and T. A. Hare, «Changes in Cerebral Functional Organization during Cognitive Development», Current Opinion in Neurobiology 15 (2005): 239–244.


[Закрыть]. Этот процесс может завершиться только к 25 годам, когда созреют лобные доли коры, отвечающие за самоконтроль, планирование и предвидение последствий своих действий, и мозг будет выглядеть как мозг взрослого человека[48]48
  N. Gogtay, J. N. Giedd, L. Lusk, K. M. Hayashi, D. Greenstein, A. C. Vaituzis, T. F. Nugent, D. H. Herman, L. S. Clasen, A. W. Toga, and J. L. Rapoport, «Dynamic Mapping of Human Cortical Development during Childhood through Early Adulthood», Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA 101 (2004): 8174–8179.


[Закрыть]. Незрелость лобных долей коры головного мозга проявляется практически во всех проблемах, связанных с подростками: это долгое сидение за компьютером, употребление наркотиков, протестное поведение, повышенная сексуальная активность[49]49
  Тезис о незрелости лобных долей нередко приводится в новостных сообщениях о подростках и их склонности к риску. Вот некоторые примеры: http://www.cnn.com/2014/07/15/health/science-drinking-age; http://www.vice.com/read/how-screen-addiction-is-ruining-the-brains-of-children.


[Закрыть]. Именно незрелостью лобных долей объясняют дурные поступки тинейджеров, и ее же используют как аргумент, почему подросткам нужно запретить доступ к опасным вещам.

Велико искушение сосредоточиться на негативных сторонах и относиться к состоянию подростка как к временному помешательству, обусловленному биологией, или как к состоянию, сравнимому с последствиями фронтальной лоботомии[50]50
  Тесты, разработанные для выявления нарушений функций лобных долей после повреждения мозга, впоследствии были проведены на детях и подростках, чтобы выяснить, когда лобные доли становятся такими, как у взрослых. Интересно, что по результатам многих из этих тестов дети в возрасте от 10 до 12 лет выглядели почти как взрослые, хотя некоторые аспекты улучшались в период от 12 до 25 лет. G. J. Chelune and R. A. Baer, «Developmental Norms for the Wisconsin Card Sorting Test», Journal of Clinical and Experimental Neuropsychology 8 (1986): 219–228; H. S. Levin, K. A. Culhane, J. Hartmann, K. Evankovich, A. J. Mattson, H. Harward, G. Ringholz, L. Ewing-Cobbs, and J. M. Fletcher, «Developmental Changes in Performance on Tests of Purported Frontal Lobe Functioning», Developmental Neuropsychology 7 (1991): 377–395; M. Huizinga, C. V. Dolan, and M. W. van der Molen, «Age-Related Change in Executive Function: Developmental Trends and a Latent Variable Analysis», Neuropsychologia 44 (2006): 2017–2036.


[Закрыть]. Но если вы понаблюдаете за тем, что происходит внутри мозга, то, возможно, преисполнитесь гордости – как бабушка, которая смотрит на внука. Там нет ничего общего с лоботомией, никакой черной дыры на месте лобных долей. В мозге подростка есть только нейроны, и то, чем они заняты, выглядит чрезвычайно творческим, разумным и полезным процессом.

В последние два десятилетия благодаря новой технологии визуализации мы можем наблюдать за тем, что происходит с отдельными нейронами в живых организмах мышей и других лабораторных животных[51]51
  W. Denk and K. Svoboda, «Photon Upmanship: Why Multiphoton Imaging Is More Than a Gimmick», Neuron 18 (1997): 351–357.


[Закрыть]. Раньше мы могли судить о деятельности нейронов лишь по посмертным снимкам тканей людей и животных разного возраста. Примерно с 2000 года у нас есть возможность использовать лазерные сканирующие микроскопы, чтобы следить за нейронами в мозге мыши – как они растут, как выглядят до и после приобретения нового опыта. В плане получения знаний о внешнем виде и работе нейронов это можно сравнить с переходом от одной черно-белой фотографии к многочасовому видео.

Теперь мы видим, что нейроны в лобных долях детей и подростков заняты исследованиями. Они стремятся узнать о мире все, что только можно, и такая жажда знаний связана в основном с их потенциальными связями с другими нейронами мозга[52]52
  A. Holtmaat and K. Svoboda, «Experience-Dependent Structural Synaptic Plasticity in the Mammalian Brain», Nature Reviews Neuroscience 10 (2009): 647–658; A. Stepanyants and D. B. Chklovskii, «Neurogeometry and Potential Synaptic Connectivity», Trends in Neurosciences 28 (2005): 387–394.


[Закрыть].

Нейроны похожи на ветвистые деревья и кусты. Еще до достижения ребенком подросткового возраста нейроны уже полностью вырастают, а их ветви и корни образуют густые заросли. В случае с лабораторными животными, например мышами, мы можем подсветить один нейрон в этих зарослях, а затем фотографировать или снимать на видео его развитие. Мы увидели, что к концу периода детства и в подростковом возрасте происходят многочисленные изменения в крошечных отростках, которые называются дендритными шипиками (см. рис. 5). По фотографиям неживой ткани мы видим, что количество этих дендритных шипиков уменьшается, когда лабораторные животные (и люди) достигают подросткового возраста[53]53
  P. R. Huttenlocher, «Synaptic Density in Human Frontal Cortex – Developmental Changes and Effects of Aging», Brain Research 163 (1979): 195–205; Z. Petanjek, M. Judaš, G. Šimić, M. R. Rašin, H. B. Uylings, P. Rakić, and I. Kostović, «Extraordinary Neoteny of Synaptic Spines in the Human Prefrontal Cortex», Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA 108 (2011): 13281–13286.


[Закрыть]. Но наблюдения за живым нейроном показывают, что эти шипики непрерывно растут, вытягиваются и втягиваются, исследуя выросты других нейронов[54]54
  G. W. Knott, A. Holtmaat, L. Wilbrecht, E. Welker, and K. Svoboda, «Spine Growth Precedes Synapse Formation in the Adult Neocortex in vivo», Nature Neuroscience 9 (2006): 1117–1124; C. C. Chen, J. Lu, and Y. Zuo, «Spatiotemporal Dynamics of Dendritic Spines in the Living Brain», Frontiers in Neuroanatomy 8 (2014): 28.


[Закрыть]. Передача информации между нейронами происходит тогда, когда шипик прочно связывается с выростом другого нейрона, образуя синаптическое соединение. Впоследствии это соединение может быть разорвано – когда шипик втянется в ответвление дендрита, от которого он отходит.

РИС. 5. Кадры интервальной съемки новых шипиков, появившихся за день у мыши-подростка. Стрелки указывают на шипик, который исчез после первого дня, и новые шипики, которые появились между первым и вторым днем. Масштабная метка = 5 микрон.

Фото: Джосия Бойвин (лаборатория Уилбрехт)

Систематически, день за днем, наблюдая за нейронами, мы видим, как они образуют соединения, а в последующие дни разрывают большинство из них. Мы полагаем, что таким образом нейроны испытывают возможные связи со своими соседями. Мозг подростка может каждую неделю формировать, а затем утрачивать более 25 % своих связей[55]55
  Y. Zuo, A. Lin, P. Chang, and W. B. Gan, «Development of Long-Term Dendritic Spine Stability in Diverse Regions of Cerebral Cortex», Neuron 46 (2005): 181–189; A. J. Holtmaat, J. T. Trachtenberg, L. Wilbrecht, G. M. Shepherd, X. Zhang, G. W. Knott, and K. Svoboda, «Transient and Persistent Dendritic Spines in the Neocortex in vivo», Neuron 45 (2005): 279–291; C. M. Johnson, F. A. Loucks, H. Peckler, A. W. Thomas, P. H. Janak, and L. Wilbrecht, «Long-Range Orbitofrontal and Amygdala Axons Show Divergent Patterns of Maturation in the Frontal Cortex across Adolescence», Developmental Cognitive Neuroscience 18 (2016): 113–120.


[Закрыть]. К ранней юности эта динамика может упасть до 10 % и ниже, в зависимости от участка мозга. Поскольку связи нейрона важны для его сетевых взаимодействий, функциональная идентичность каждого нейрона в развивающемся мозге может радикально меняться от недели к неделе. (Только представьте, что через неделю вы будете на 25 % другим! Что сказали бы ваши близкие?) У взрослого человека общее количество связей уменьшается – как и возможности образования новых связей.

Что дает нам знание того, как ведут себя нейроны в лобных долях мозга подростка? Масштабный круговорот нейронных связей объясняет, почему у подростков лобные доли работают не так эффективно, как у взрослых. В то же время этот процесс открывает широкие возможности для разных форм обучения и обеспечивает гибкость перед лицом перемен. Эти нейронные связи в лобных долях могут быть главным субстратом, на котором формируется взрослая личность человека и его склонности. Формирование индивидуальности можно представить как фигурную стрижку быстрорастущих садовых деревьев. Но тогда возникают вопросы: как происходит эта стрижка? И кто (или что) ее выполняет?

И вот здесь на первый план выходит опыт. Пока вы читаете эти строки, в каждом развивающемся мозге на нашей планете бесчисленное множество новых синапсов пребывает в состоянии неопределенности. Какие из них сохранятся и почему? Максимум, что мы можем сказать, – этим процессом движет обучение методом проб и ошибок на основе активного опыта. Наблюдая и подсчитывая возникающие и утраченные связи между нейронами, исследователи видят, что при освоении человеком нового навыка или правила сохраняются целые группы новых связей. Например, при овладении новым моторным навыком шипики, выросшие в моторных зонах коры, не исчезают[56]56
  T. Xu, X. Yu, A. J. Perlik, W. F. Tobin, J. A. Zweig, K. Tennant, T. Jones, and Y. Zuo, «Rapid Formation and Selective Stabilization of Synapses for Enduring Motor Memories», Nature 462 (2009): 915–919.


[Закрыть]. Новые связи в лобных долях также сохраняются, если какие-либо две вещи сопровождают друг друга – например, когда звук, зрительный образ или запах ассоциируются с чем-то причиняющим боль[57]57
  C. S. W. Lai, T. F. Franke, and W. B. Gan, «Opposite Effects of Fear Conditioning and Extinction on Dendritic Spine Remodelling», Nature 483 (2012): 87–91.


[Закрыть] или приятным[58]58
  F. J. Muñoz-Cuevas, J. Athilingam, D. Piscopo, and L. Wilbrecht, «Cocaine-Induced Structural Plasticity in Frontal Cortex Correlates with Conditioned Place Preference», Nature Neuroscience 16 (2013): 1367–1369.


[Закрыть].

Недавние эксперименты дают основание предположить, что нейроны также отслеживают некоторые аспекты личности. То есть появление и исчезновение синаптических связей в лобных долях, по всей видимости, не просто отражает события внешнего мира, как приятные, так и неприятные. Этот процесс предполагает также оценку выработанной мозгом стратегии в соответствии с результатом: «Что я только что попробовал?» и «Хорошо это для меня или плохо?»[59]59
  C. M. Johnson, H. Peckler, L. H. Tai, and L. Wilbrecht, «Rule Learning Enhances Structural Plasticity of Long-Range Axons in Frontal Cortex», Nature Communications 7 (2016): 10785.


[Закрыть]. Результаты экспериментов указывают на то, что самопорождаемое исследование по методу проб и ошибок способствует формированию нейронной архитектуры лобных долей. Таким образом, при активных действиях человека нейронные сети лобных долей формируются не так, как при пассивном наблюдении за миром[60]60
  Вероятно, это не новость для учителей, но, смею надеяться, убедительный довод в пользу дополнительных усилий по созданию активной обучающей среды.


[Закрыть].

Если вы не увлекаетесь садоводством, фигурной стрижкой деревьев, нейронами и подростковой психологией, у вас могут возникнуть сомнения в значимости этих наблюдений. Вы можете подумать: «Ну и что? Эти процессы происходили в лобных долях всех млекопитающих на протяжении их долгой эволюции; тот факт, что теперь мы можем наблюдать за происходящим, ничего не меняет. Суть осталась прежней – лобные доли у подростков незрелые». На мой взгляд, возможность наблюдать и понимать, как растут и соединяются между собой нейроны на стадии формирования личности, в корне меняет ситуацию.

Если вернуться назад и вообразить, что подростки мало отличаются от пациентов, у которых отсутствуют лобные доли мозга, то можно прийти к выводу, что их следует защищать от самих себя и от окружающего мира. В этом случае можно было бы просто помещать их в безопасное место и ждать, когда они вырастут[61]61
  Крис Эрскин из Los Angeles Times шутит, что пытался справиться с подростковыми проблемами тринадцатилетнего сына, запирая его в картонной коробке, но потом все-таки отправил его в летний лагерь; http://www.latimes.com/home/la-hm-erskine-20160718-snap-story.html.


[Закрыть]. С другой стороны, если уяснить, что лобные доли состоят из нейронов, жадно впитывающих информацию, на основе которой они сами себя формируют, и осознать, что способность нейронов к изменениям снижается с каждым днем, то возникнет желание выталкивать подростков в мир, чтобы они получили суровые уроки жизни. Отправим их в лагерь в арктическую пустыню!

Конечно, обе стратегии представляют собой крайности, но судьбы огромного количества новых нейронных связей заставляют нас относиться к опыту подростков не легкомысленно, а весьма серьезно. Это значит, что пребывание тинейджеров в школах с суровыми порядками, в лагерях беженцев или других подобных местах ограничивает их возможности, и последствия для нового поколения могут быть необратимыми. Это значит, что ролевая игра – необходимая тренировка перед началом трудовой жизни. Это значит, что для формирующегося мозга некоторые болезненные неудачи могут быть полезны[62]62
  Эта идея изложена в популярных книгах о воспитании, таких как Wendy Mogel, The Blessing of a Skinned Knee (New York: Scribner, 2001) и Jessica Lahey, The Gift of Failure (New York: Harper Collins, 2015).


[Закрыть]. Конечно, не следует отказываться от всех традиционных представлений о том, как и когда защищать подростков. Разумеется, не стоит предоставлять им неограниченный доступ к наркотикам и видеоиграм. Подростков действительно нужно направлять и поддерживать, но их живым, любознательным нейронам для формирования связей необходим опыт. И этот опыт, по всей видимости, влияет на развитие личности на протяжении жизни.

Как базовая структурная организация мозга меняется в процессе его работы
Мелисса Лау, Холлис Клайн

НЕКОТОРЫЕ ВОСПОМИНАНИЯ ОСТАЮТСЯ С ВАМИ на всю жизнь – например, о том, как вы сидели на солнцепеке на церемонии вручения дипломов. Или о раздражающих звуках фортепьяно, когда вам было восемь. Или как вы впервые взяли на руки своего ребенка. Или как в ваш дом влетела летучая мышь. Каждое событие может оставить биологический след, потому что память формируется (по крайней мере, отчасти) посредством изменения связей между нейронами. Но как влияет на мозг многолетнее оттачивание какого-либо одного навыка? Как накапливаются эти постепенные изменения? Возможно ли увидеть значительные перемены в структурной организации мозга, вызванные повторяющимся опытом?

Лондонскому таксисту необходимо хорошо знать 25 тысяч улиц города и 20 тысяч ориентиров. Чтобы получить лицензию, водитель должен на экзамене проложить кратчайший маршрут между двумя точками этого хаотичного города. Даже после нескольких лет обучения не каждому удается сдать экзамен и стать таксистом. Ведет ли такое значительное развитие навыка навигации к видимым изменениям мозга? Сравнение мозга лондонских таксистов с мозгом других людей показало, что у первых увеличена задняя часть гиппокампа – области, участвующей в формировании пространственной памяти[63]63
  E. A. Maguire et. al., «Navigation-Related Structural Change in the Hippocampi of Taxi Drivers», Proceedings of the National Academy of the Sciences of the USA 97 (2000): 4398–4403; E. A. Maguire, K. Woollett, and H. J. Spiers, «London Taxi Drivers and Bus Drivers: A Structural MRI and Neuropsychological Analysis», Hippocampus 16 (2006): 1091–1101; K. Woollett and E. A. Maguire, «Navigational Expertise May Compromise Anterograde Associative Memory», Neuropsychologia 47 (2009): 1088–1095; K. Woollett, H. J. Spiers, and E. A. Maguire, «Talent in the Taxi: A Model System for Exploring Expertise», Philosophical Transactions of the Royal Society of London B: Biological Sciences 364 (2009): 1407–1416; K. Woollett and E. A. Maguire, «Acquiring ‘the Knowledge’ of London’s Layout Drives Structural Brain Changes», Current Biology 21 (2011): 2109–2114.


[Закрыть]. Но где здесь причина, а где следствие? Мозг меняется в результате упорных тренировок – или у людей с увеличенным гиппокампом просто больше шансов сдать экзамен и получить лицензию? Насколько индивидуальный опыт влияет – и влияет ли вообще – на формирование нашего мозга?

У птиц, как и у людей, гиппокамп используется для построения пространственных карт и формирования памяти. Но в отличие от таксистов, у некоторых видов птиц размеры этой области мозга подвержены сезонным колебаниям. Например, у черношапочных гаичек гиппокамп достигает максимального размера в октябре, когда эти птицы наиболее активно запасают пищу[64]64
  T. V. Smulders, A. D. Sasson, and T. J. DeVoogd, «Seasonal Variation in Hippocampal Volume in a Food-Storing Bird, the Black-Capped Chickadee», Journal of Neurobiology 27 (1995): 15–25.


[Закрыть]. Они прячут еду в разных местах, чтобы съесть ее позже. Учитывая значительные сезонные изменения в объеме гиппокампа (в октябре он на 30 % больше, чем в августе!), логично было бы предположить, что эта область мозга увеличивается потому, что гаичкам нужно запоминать, где они спрятали еду.

Другие сезонные различия в поведении птиц тоже связывают с изменениями в мозге. У самцов некоторых видов меняется размер области мозга, которая называется верхним вокальным центром (HVC) и отвечает за пение[65]65
  Все птицы, о которых идет речь и которые изучались в работе Longmoor et al. (см. следующее примечание), были самцами, но ряд исследований других видов показывает, что сезонные изменения структур мозга, отвечающих за пение, происходят и у самок. S. A. MacDougall-Shackleton et al., «Photostimulation Induces Rapid Growth of Song-Control Brain Regions in Male and Female Chickadees (Poecile atricapilla)», Neuroscience Letters 340 (2003): 165–168. Однако в целом эти структуры у самок изучались не столь интенсивно, как у самцов: лишь недавно было признано, что у многих видов певчих птиц поют в основном самки, а не самцы. K. J. Odom et al., «Female Song Is Widespread and Ancestral in Songbirds», Nature Communications 5 (2014): 3379.


[Закрыть]. Так, у самцов большой синицы, исполняющих сложные брачные и территориальные песни в период размножения, максимальный объем HVC наблюдается весной. В отличие от них, у буроголовых гаичек, которые поют круглый год, размер HVC не меняется от сезона к сезону[66]66
  G. K. Longmoor et al., «Different Seasonal Patterns in Song System Volume in Willow Tits and Great Tits», Brain Behavior and Evolution 87 (2016): 265–274.


[Закрыть]. Однако остается непонятным, что именно вызывает сезонные колебания в этих двух областях мозга. Подобные изменения могут быть спровоцированы факторами внешней среды (такими, как температура или продолжительность светового дня), чтобы животное подготовилось к сезонной активности и начало запасать пищу или петь. Или же определенные участки мозга увеличиваются в результате их интенсивного использования?

Чтобы ответить на этот вопрос, несколько групп исследователей начали обучать обезьян различным навыкам. Например, взрослых ночных обезьян учили прикасаться к вращающемуся диску[67]67
  W. M. Jenkins et al., «Functional Reorganization of Primary Somatosensory Cortex in Adult Owl Monkeys after Behaviorally Controlled Tactile Stimulation», Journal of Neurophysiology 63 (1990): 82–104.


[Закрыть]. Простое приспособление располагалось на расстоянии вытянутой руки, и, если обезьяна удерживала пальцы на диске, она получала вознаграждение – конфету со вкусом банана. Диск, похожий на музыкальную пластинку, но с выпуклостями на поверхности, обеспечивал непрерывный поток осязательных стимулов для пальцев обезьяны. Фиксируя активность мозга животного до и после обучения, ученые проверяли, вызывает ли регулярная стимуляция пальцев изменения в соматосенсорной коре – области мозга, которая отвечает за осязание. Заметные изменения появились уже через несколько месяцев.

Соматосенсорную кору можно разделить на несколько зон, каждая из которых соответствует определенной части тела. После обучения значительная доля соматосенсорной коры занималась обработкой сигналов осязания от пальцев – причем именно тех, которые подвергались стимуляции. Поскольку в мозге взрослой особи не образуется новых нейронов (за исключением некоторых областей, например гиппокампа), размер коры остается неизменным и представляет собой ценное «недвижимое имущество». Зона, отведенная для кончиков пальцев, увеличивалась за счет соседних зон – подобно тому, как алчный землевладелец захватывает чужие участки, чтобы расширить свои границы. В данном случае увеличивался участок, выделенный для стимулируемых кончиков пальцев; это происходило за счет уменьшения участка для соседних (не стимулировавшихся) пальцев и даже за счет смещения границы между зоной руки и зоной лица. Таким образом, опыт, или использование определенных нейронных цепей, расширяет зону коры, отведенную под данную функцию, но за это приходится платить.

Такая стратегия компромисса, когда область коры, отвечающая за одну функцию, увеличивается за счет уменьшения другой, – это общий принцип, наблюдаемый в самых разных условиях. Подобно соматосенсорной коре, моторная кора организована в виде карты, где каждый участок отвечает за управление движением той или иной части тела. Исследователи обучали беличьих обезьян выполнять задания, при которых задействовались определенные группы мышц, и наблюдали за изменениями в соответствующих участках моторной коры. В задаче, где требовалась ловкость пальцев, обезьянам предлагали достать конфеты со вкусом банана из узкого отверстия. Другую группу обезьян учили поворачивать ключ в замке, что требовало движений предплечья и запястья. Повторяющиеся действия пальцев обезьян привели к увеличению зоны моторной коры, управляющей пальцами, причем увеличилась она за счет соседней зоны, отвечающей за предплечье. Аналогичным образом повторяющиеся движения руки при повороте ключа вызвали увеличение зоны коры для предплечья за счет зоны для пальцев[68]68
  R. J. Nudo et al., «Use-Dependent Alterations of Movement Representations in Primary Motor Cortex of Adult Squirrel Monkeys», Journal of Neuroscience 16 (1996): 785–807.


[Закрыть]. Что касается устойчивости этих изменений, ее можно описать фразой «используй или потеряешь». После того как обезьяны переставали тренироваться, зоны моторной коры, отвечающие за разные части тела, возвращались к первоначальным размерам.

В случае с людьми определенные виды обучения также могут приводить к некоторым изменениям в организации соматосенсорной и моторной коры. У незрячих людей, освоивших азбуку Брайля, как и у обезьян из эксперимента с диском, наблюдаются заметные отличия в сенсомоторной области[69]69
  A. Pascual-Leone and F. Torres, «Plasticity of the Sensorimotor Cortex Representation of the Reading Finger in Braille Readers», Brain 116 (1993): 39–52.


[Закрыть]. Зона коры для пальца, считывающего буквы, у них больше, чем зоны для других пальцев, и больше, чем зона для того же пальца у людей, не пользующихся шрифтом Брайля.

Моторная кора музыкантов также отличается от моторной коры других людей[70]70
  T. Elbert, C. Pantev, C. Wienbruch, B. Rockstroh, and E. Taub, В «Increased Cortical Representation of the Fingers of the Left Hand in String PlayersВ», Science 270 (1995): 305–307.


[Закрыть]. У тех, кто играет на струнных инструментах, таких как скрипка или гитара, очень хорошо развиты пальцы левой руки. От правой руки, которая держит смычок или ударяет по струнам, обычно не требуется такой ловкости. Интересно, что у этих музыкантов зона моторной коры для левой руки больше, чем у тех, кто не умеет играть на скрипке или гитаре. Для зоны моторной коры, ассоциированной с правой рукой, такой разницы не наблюдалось. Кроме того, у опытных музыкантов реорганизация моторной коры выражена более явно, чем у новичков. Но несмотря на наличие корреляции между опытом и масштабом изменений в мозге, эта корреляция не может расцениваться как строгое доказательство того, что занятия музыкой вызывают изменения в моторной коре. А что, если люди с увеличенной моторной зоной для левой руки просто лучше обучаются игре на струнных инструментах и поэтому с большей вероятностью продолжают играть?

Как исследователи могут убедиться, что изменения в коре головного мозга вызваны именно обучением? Можно, например, научить людей жонглировать. В этом продуманном и изящном в своей простоте эксперименте мозг испытуемых сканировали до и после обучения жонглированию[71]71
  B. Draganski et al., «Neuroplasticity: Changes in Grey Matter Induced by Training», Nature 427 (2004): 311–312.


[Закрыть]. Через три месяца тренировок добровольцы могли жонглировать целую минуту, не роняя предметы, – и в их мозге наблюдались явные изменения. Структурная магнитно-резонансная томография (МРТ)[72]72
  Не стоит путать с более распространенным методом – функциональной магнитно-резонансной томографией, которую проводят для выявления зон активности мозга по изменению уровня кислорода в крови.


[Закрыть], проведенная для анализа анатомической структуры мозга, выявила точечное увеличение объема серого вещества в средней части височной доли – в той области, которая анализирует скорость и направление движущихся объектов. Отмечалось также увеличение зоны, отвечающей за перцептивно-моторную координацию и зрительное внимание (все эти навыки необходимы профессиональному жонглеру). Еще через три месяца, после перерыва в тренировках, большинство добровольцев разучились жонглировать, а увеличившиеся участки коры в их мозге вернулись в прежнее состояние. Всего за шесть месяцев этот эксперимент показал, что тренировки вызывают временные, но вполне реальные структурные изменения в мозге! В отличие от случаев с простым перераспределением функций соматосенсорной и моторной коры, этот тип обучения действительно увеличивает объем некоторых областей мозга[73]73
  Обратите внимание, что в предыдущих исследованиях (Jenkins et al., Nudo et al.) не использовались методы, позволявшие количественно оценить структурные изменения. Внимание было сосредоточено на проверке функциональных последствий сенсорного и моторного опыта. Возможно, наблюдаемая реорганизация функций сопровождалась изменениями объема, которые, однако, не были зарегистрированы. В действительности структурные изменения, обусловленные тренировкой, отмечались и в соматосенсорной коре – например, у духовиков кора утолщалась в области, соответствующей губам. U. S. Choi et al., «Structural and Functional Plasticity Specific to Musical Training with Wind Instruments», Frontiers in Human Neuroscience 9 (2015): 597. Возможно, структурные и функциональные изменения сопутствуют друг другу. Но чтобы в этом убедиться, необходимо проводить структурный и функциональный анализ в ходе каждого тренировочного процесса. Например, некоторые режимы тренировок ведут к функциональной перестройке без изменения общего объема мозга (Maguire et al. [см. выше]).


[Закрыть]. Эксперимент с жонглированием не позволяет выявить сами механизмы увеличения зон мозга, но вполне возможно, что отдельные участки могут расти в объеме – даже в отсутствие новых нейронов – в том случае, если существующие клетки становятся больше. Например, клетка может увеличиваться за счет разрастания сети нейронных отростков или появления большего числа синапсов. Но нет никаких сомнений в том, что тренировки могут влиять на структуру и функции мозга самыми разными способами.

К сожалению, невероятная пластичность мозга в некоторых случаях приводит к нежелательным последствиям. Например, многие люди с ампутированной рукой или ногой испытывают ощущение «фантомной конечности» – как будто рука или нога по-прежнему на месте. У некоторых она даже болит. Считается, что в фантомных болях виновата реорганизация коры. Например, те зоны соматосенсорной и моторной коры, которые ранее отвечали за руку, через некоторое время после ее ампутации могут быть поглощены соседними – в частности, отвечающими за губы[74]74
  T. Elbert et al., «Input-Increase and Input-Decrease Types of Cortical Reorganization after Upper Extremity Amputation in Humans», Experimental Brain Research 117 (1997): 161–164; H. Flor et al., «Phantom-Limb Pain As a Perceptual Correlate of Cortical Reorganization Following Arm Amputation», Nature 375 (1995): 482–484; E. Raffin et al., «Primary Motor Cortex Changes after Amputation Correlate with Phantom Limb Pain and the Ability to Move the Phantom Limb», Neuroimage 130 (2016): 134–144.


[Закрыть]. Имеющиеся данные позволяют предположить, что фантомные боли вызывает именно это функциональное вторжение зоны нижней части лица в зону руки (и ее дальнейшая активность)[75]75
  Flor et al., «Phantom-Limb Pain As a Perceptual Correlate of Cortical Reorganization Following Arm Amputation»; H. Flor, L. Nikolajsen, and T. Staehelin Jensen, «Phantom Limb Pain: A Case of Maladaptive CNS Plasticity?» Nature Reviews Neuroscience 7 (2006): 873–881.


[Закрыть]. Но несмотря на то, что фантомные боли – довольно распространенное явление, лишь немногие люди в момент прикосновения к какой-то части своего тела ощущают, что что-то коснулось их несуществующей конечности[76]76
  Flor, Nikolajsen, and Staehelin Jensen, «Phantom Limb Pain: A Case of Maladaptive CNS Plasticity?»; S. M. Grusser et al., «The Relationship of Perceptual Phenomena and Cortical Reorganization in Upper Extremity Amputees», Neuroscience 102 (2001): 263–272.


[Закрыть]. Этот факт предполагает наличие каких-то дополнительных механизмов. Другие исследования указывают на то, что фантомную боль провоцируют остаточные связи от отсутствующей конечности[77]77
  T. R. Makin et al., «Phantom Pain Is Associated with Preserved Structure and Function in the Former Hand Area», Nature Communications 4 (2013): 1570; T. R. Makin et al., «Reassessing Cortical Reorganization in the Primary Sensorimotor Cortex Following Arm Amputation», Brain 138 (2015): 2140–2146.


[Закрыть] и что свою роль в этом явлении играет изменение возбудимости спинного мозга[78]78
  Flor, Nikolajsen, and Staehelin Jensen, «Phantom Limb Pain: A Case of Maladaptive CNS Plasticity?»


[Закрыть]. Как бы то ни было, существует немало примеров, когда зона коры, отвечающая за ту или иную часть тела, увеличивается за счет соседней зоны.

Быть может, у такой реорганизации ограниченных ресурсов коры есть функциональные последствия? Вернемся к лондонским таксистам. Важно отметить, что увеличение задней части их гиппокампа происходит за счет передней части[79]79
  Maguire et al., «Navigation-Related Structural Change in the Hippocampi of Taxi Drivers»; Maguire, Woollett, and Spiers, «London Taxi Drivers and Bus Drivers»; Woollett and Maguire, «Navigational Expertise May Compromise Anterograde Associative Memory»; Woollett, Spiers, and Maguire, «Talent in the Taxi».


[Закрыть]. Общий объем гиппокампа и у таксистов, и у контрольной группы был одинаковым; различалось только соотношение частей. Считается, что задняя часть гиппокампа хранит пространственное отображение окружающей среды, и ее расширение позволяет «вместить» более подробную мысленную карту. А вот уменьшение передней части гиппокампа может объяснить некоторые функциональные нарушения, которые наблюдаются у таксистов. Как правило, они хуже, чем люди других профессий, запоминают новые зрительные и пространственные образы. Например, когда им предлагали скопировать сложную линию, они с трудом воспроизводили ее в задании на проверку памяти – в тесте, определяющем способность запоминать расположение видимых объектов в пространстве[80]80
  Maguire, Woollett, and Spiers, «London Taxi Drivers and Bus Drivers»; Woollett and Maguire, «Navigational Expertise May Compromise Anterograde Associative Memory»; Woollett and Maguire, «Acquiring ‘the Knowledge’ of London’s Layout Drives Structural Brain Changes».


[Закрыть].