Kitabı oxu: «Мозговой трест. 40 ведущих нейробиологов – о том, что мы знаем и чего не знаем о мозге»

Copyright © 2018, David J. Linden

Published in the Russian language by arrangement with The Wylie Agency

Russian Edition Copyright © Sindbad Publishers Ltd., 2020

Правовую поддержку издательства обеспечивает юридическая фирма «Корпус Права»

© Издание на русском языке, перевод на русский язык, оформление. Издательство «Синдбад», 2021

* * *

Можно ли читать чужие мысли?

Почему время то летит незаметно, то тянется бесконечно долго?

Почему дети осваивают многие навыки быстрее взрослых?

Почему, управляя автомобилем, мы ощущаем его частью своего тела?

Как меняется мозг под воздействием наркотиков?

Возможно ли создать искусственный мозг, подобный человеческому?

Ведущие нейробиологи отвечают на эти и многие другие вопросы, расширяя границы нашего представления о человеческом мозге и его возможностях.

Предисловие

Рассказывая о своей работе, ученые часто впадают в занудство. Вот почему я люблю подпаивать моих коллег-нейробиологов. На протяжении многих лет я угощал исследователей мозга выпивкой, после чего задавал им один и тот же вопрос: «Что бы вы больше всего хотели рассказать людям о работе мозга?» И наслаждался их ответами. Ученые не погружались в подробности своих последних экспериментов и не переходили на профессиональный жаргон. Они лишь немного расправляли плечи, чуть шире открывали глаза и давали ясные, глубокие и зачастую непредсказуемые или парадоксальные ответы.

Эта книга – во многом результат тех бесед. Я собрал «команду мечты» из самых известных в мире нейробиологов – серьезных, эрудированных и ясно мыслящих исследователей – и попросил их ответить на тот важный вопрос в жанре короткого эссе. Конечно, я обращался к специалистам с разным опытом, однако у меня не было цели создать краткий учебник по нейробиологии – неформальный, но всеобъемлющий. Я просто предложил ученым с самыми разными интересами самостоятельно выбрать тему и рассказать ту научную историю, которой они хотели бы поделиться.

Стоит признать: большинство книг о мозге написаны не исследователями мозга и не слишком хороши. Многие скучны, а те, которые можно читать, нередко содержат непроверенную или даже ложную информацию. Наш век – это век мозга, но думающие люди проявляют вполне оправданный скепсис, попадая под мощный поток псевдонаучной ахинеи («созерцание синего цвета улучшает творческие способности» или «существуют различия в строении мозга республиканцев и демократов»). Я уверен, что читателю нужны надежные и убедительные данные о биологической основе человеческого опыта. Люди хотят знать, что нам точно известно о работе мозга, что мы предполагаем, но не можем доказать, а что остается тайной. И они хотят доверять тому, что читают.

Эта книга призвана не опровергнуть псевдонаучные тезисы, а честно и достоверно рассказать о том, что мы знаем о биологической основе наших повседневных переживаний, а также дать некоторые прогнозы относительно понимания работы нервной системы, лечения ее заболеваний и ее взаимодействия с электронными устройствами. Мы рассмотрим генетическую основу личности, механизмы эстетического восприятия, опишем природу сильной бессознательной потребности в любви, сексе, пище и наркотиках. Мы отыщем истоки человеческой индивидуальности, эмпатии и памяти. Иными словами, мы постараемся показать биологическую основу психической и социальной жизни человека, а также ее взаимосвязь с индивидуальным опытом, культурой и эволюцией. И мы честно расскажем, что знаем, а чего не знаем.

Дэвид Линден

Введение
Человеческий мозг не был создан гениальным изобретателем с чистого листа
Дэвид Линден

ЗДЕСЬ Я ПОПЫТАЛСЯ привести основные понятия клеточной нейробиологии, чтобы предложить вам что-то вроде небольшой порции сборной солянки. Если вы изучали нейробиологию или любите читать о том, как устроен мозг, то наверняка уже знакомы с большей частью этого материала. И я не обижусь, если вы пропустите первое блюдо. Но если эта область для вас новая или вы хотите освежить свои знания, данный раздел поможет вам погрузиться в тему и упростит понимание следующих эссе.

* * *

Около 550 миллионов лет назад быть животным было просто. Например, вы могли быть морской губкой, прикрепленной к камню, и шевелить крошечными жгутиками, прогоняя воду через свое тело, чтобы получить кислород и выловить бактерии и другие микроскопические частицы пищи. У вас были специализированные клетки, которые позволяли отдельным частям вашего тела медленно сокращаться, регулируя поток воды, но вы не могли свободно перемещаться по морскому дну. Или вы могли быть странным примитивным животным из числа пластинчатых, похожим на микроскопический блинчик: плоским многоклеточным диском диаметром около двух миллиметров с ресничками снизу, как у перевернутого ковра. Эти реснички позволяли вам медленно перемещаться по морскому дну в поисках скопления бактерий, которые служили вам пищей. Обнаружив особенно вкусную группу бактерий, вы охватывали ее своим телом со всех сторон и выделяли в этот импровизированный мешочек пищеварительные ферменты, ускоряющие усвоение питательных веществ. Переварив пищу, вы распрямлялись и продолжали медленно ползти по дну с помощью ресничек. Примечательно, что и губки, и пластинчатые умеют решать полезные задачи всех типов – чувствовать окружающую обстановку и реагировать на нее, находить пищу, медленно передвигаться, а также размножаться, причем для всего этого им не нужен мозг и специализированные клетки, которые называются нейронами и служат главным строительным материалом для мозга и нервов.

Нейроны удивительны. Они обладают уникальными свойствами, которые позволяют им быстро получать, обрабатывать и посылать электрические сигналы другим нейронам, мышцам или железам. Считается, что нейроны появились около 540 миллионов лет назад у животных, похожих на современных медуз. Мы не можем точно назвать причину их появления, но знаем, что они сформировались примерно в то время, когда животные начали поедать друг друга – с погонями и бегством, неизбежными для этого процесса. Таким образом, логично предположить, что появление нейронов ускорило и восприятие, и движение животных, что оказалось очень полезным, когда жизнь превратилась в состязание «кто кого съест».

* * *

Нейроны бывают самых разных форм и размеров, но в их структуре есть много общего. Как и все животные клетки, нейрон окружен тонкой внешней мембраной. Нейрон обладает клеточным телом, содержащим клеточное ядро, в котором хранится генетическая информация, зашифрованная в ДНК. Клеточное тело может иметь треугольную, круглую и овальную форму, а его размер варьируется от 4 до 30 микрон в диаметре. Этот размер проще представить так: три клеточных тела, уложенные рядом, по толщине будут сравнимы с человеческим волосом. От клеточного тела отходят тонкие отростки, которые называются дендритами. Именно через них нейрон получает большинство химических сигналов от других нейронов. Дендриты могут быть короткими и длинными, веретенообразными и разветвленными – а у некоторых нейронов их вообще нет. Одни дендриты гладкие, другие покрыты крошечными выростами – дендритными шипиками. У большинства нейронов есть по меньшей мере несколько разветвленных дендритов, а также один длинный тонкий отросток, отходящий от тела клетки. Он называется аксоном и отвечает за передачу информации от нейрона.

Хотя от клеточного тела отходит лишь один аксон, далее он нередко разветвляется, и эти ветви могут расти в разных направлениях. Аксон может быть очень длинным. Например, некоторые аксоны тянутся от пальцев ноги человека до верхней части спинного мозга.

Информация от аксона одного нейрона к дендриту другого передается через особые места контактов, которые называются синапсами. В синапсах кончики аксонов одного нейрона подходят очень близко к другому нейрону, но не касаются его (рис. 1). Терминали аксона содержат множество крошечных пузырьков, сформированных из мембраны. В каждом из этих пузырьков, или синаптических везикул, содержится около 1000 молекул особого вещества – нейромедиатора. Терминаль аксона одного нейрона и дендрит другого разделяет синаптическая щель – узкий промежуток, заполненный солоноватой жидкостью, близкой по составу к плазме крови. В среднем у каждого нейрона около 5000 синапсов, преимущественно на дендритах; некоторое количество синапсов образуется на теле клетки и еще несколько – на аксоне. Если умножить 5000 синапсов в нейроне на 100 миллиардов нейронов в человеческом мозге, получится просто невероятное число: 500 триллионов. Представить это число можно так: если распределить синапсы мозга одного человека между всеми живущими на Земле людьми (на 2017 год), то каждому достанется по 64 000 штук.

РИС. 1. Строение обычного нейрона и направление потока электрических сигналов от одного нейрона к другому

Синапсы представляют собой точки переключения между двумя типами быстрой передачи сигналов в мозге: электрическими импульсами и выделением и дальнейшим действием нейромедиаторов. Элементарная единица передачи электрического сигнала в мозге – нервный импульс (или спайк). Нервные импульсы – это короткие и мощные всплески электрической активности длительностью от одной до двух миллисекунд. Они возникают в месте соединения клеточного тела и аксона, в так называемом аксонном холмике. Мозг окружен особым солевым раствором, или спинномозговой жидкостью, с высокой концентрацией натрия и гораздо меньшей концентрацией калия. Атомы натрия и калия находятся в ней в виде положительно заряженных ионов. Концентрация ионов натрия по разные стороны мембраны нейрона значительно разнится: снаружи она почти в 15 раз выше, чем внутри. Концентрация ионов калия, напротив, внутри почти в 15 раз выше, чем снаружи. Это соотношение необходимо для передачи электрических сигналов в мозге. В такой среде образуется потенциальная энергия – подобно той, которая накапливается, когда мы заводим пружину в детской игрушке. При определенных условиях эта энергия может высвобождаться, генерируя электрические сигналы в нейронах. За электрический потенциал нейрона отвечает его внешняя мембрана: внутри клетки отрицательный заряд больше, чем снаружи. При возникновении нервного импульса содержащиеся во внешней мембране специализированные белки тороидальной формы, которые называются натриевыми каналами, открывают свои ранее закрытые отверстия в центре и впускают внутрь ионы натрия. Приблизительно через миллисекунду открываются другие ионные каналы, пропускающие ионы калия, которые устремляются наружу, что приводит к завершению нервного импульса.

Нервные импульсы движутся по аксону до терминалей, где запускают цепочку химических реакций. Эти химические реакции заставляют синаптические везикулы сливаться с внешней мембраной терминали аксона и высвобождать свое содержимое, в том числе молекулы нейромедиатора, в синаптическую щель. Молекулы нейромедиатора распространяются по узкому промежутку синаптической щели и связываются с рецепторами нейромедиатора во внешней мембране следующего нейрона сигнальной цепи. Одна из разновидностей рецепторов нейромедиатора (получившая название ионотропных рецепторов) напоминает бублик с закрытым отверстием, которое открывается только тогда, когда рецептор связывается с нейромедиатором. Когда ионный канал в таком рецепторе позволяет положительно заряженным ионам проникать внутрь клетки, принимающий нейрон возбуждается. И наоборот: если открытый нейромедиатором ионный канал выпускает положительно заряженные ионы наружу (или пропускает внутрь отрицательно заряженные ионы, например хлора), это блокирует возникновение нервного импульса в принимающем нейроне.

Электрические сигналы от активированных рецепторов в синапсах всего дендрита и тела клетки поступают в аксонный холмик. Если от синапсов одновременно приходит достаточное количество возбуждающих электрических сигналов и они не подавляются блокирующими сигналами, то в аксонном холмике возникает новый нервный импульс и сигнал передается далее по аксону принявшего его нейрона. Большинство психоактивных веществ, которые мы употребляем – как для лечения, так и для расслабления, – воздействуют на синапсы. Например, седативный препарат ксанакс и аналогичные химические соединения активизируют ингибиторные синапсы и тем самым снижают общую частоту генерации нервных импульсов в определенных отделах мозга.

По биологическим меркам передачу электрических сигналов в мозге можно назвать быстрой (она занимает миллисекунды), но ее скорость примерно в миллион раз меньше той, с которой передаются электрические сигналы в вашем ноутбуке или смартфоне. Важно понимать, что не все сигналы в синапсах передаются быстро. Кроме ионотропных рецепторов нейромедиаторов, срабатывающих за несколько миллисекунд, у нейрона имеется группа гораздо более медленных рецепторов, которые называются метаботропными. У этих рецепторов нет отверстия ионного канала; они либо запускают, либо блокируют химические реакции в принимающем нейроне, а время их срабатывания исчисляется секундами или даже минутами. Ионотропные рецепторы полезны для быстрой передачи сигналов: например, зрительной информации от сетчатки глаза к мозгу или команды от мозга к мышцам совершить нужное движение. В отличие от них медленные метаботропные рецепторы, которые реагируют на нейромедиаторы, в том числе на серотонин и дофамин, часто участвуют в регулировании общего психического состояния, в частности внимания, настроения или полового возбуждения.

* * *

Один нейрон сам по себе почти бесполезен, но группы взаимосвязанных нейронов выполняют важные задачи. Медуза обладает простыми сетями взаимосвязанных нейронов, которые позволяют ей совершать плавательные движения, реагируя на прикосновение, наклон тела, запах пищи и другие ощущения. У червей и улиток клеточные тела нейронов объединены в группы, которые называются ганглиями, и эти ганглии связаны между собой нервными волокнами, состоящими из множества аксонов. У омаров, насекомых и осьминогов ганглии соединяются, образуя примитивный мозг. Мозг осьминога состоит примерно из 500 миллионов нейронов – на первый взгляд, это очень много, но все же их в 200 раз меньше, чем в мозге человека. Тем не менее осьминог способен решать сложные когнитивные задачи. Например, он может наблюдать, как его сородич медленно учится открывать особый ящик, внутри которого спрятана еда, а затем применить полученные знания и с первого раза самостоятельно открыть такой же ящик. В процессе эволюции позвоночных животных – от лягушки к мыши, от обезьяны к человеку – мозг увеличивался относительно размеров тела, а нейронных связей в нем становилось все больше; сильнее всего развилась его внешняя часть – новая кора головного мозга, или неокортекс.

Эволюция мозга или любой другой биологической структуры – это сложный процесс. Он происходит неравномерно, и на этом пути неизбежны тупики и ошибки. Но что важнее всего – у эволюции нет возможности начать все с начала и создать нечто совершенно новое. Человеческий мозг не был создан гениальным изобретателем с чистого листа. Он скорее представляет собой компиляцию из временных решений, которые накапливались и трансформировались с момента появления самого первого нейрона. И все же этот импровизированный винегрет способен творить настоящие чудеса.

Тезис о том, что человеческий мозг несовершенен, – не просто расхожая фраза; далекое от оптимального строение мозга серьезно влияет на саму основу человеческого опыта. Строение нейронов почти не изменилось с момента их возникновения, и у них есть серьезные недостатки. Они медленные, ненадежные и незащищенные. Для того чтобы из таких несовершенных деталей сложился человеческий интеллект, требуется огромный мозг с внутренними связями и с 500 триллионами синапсов. Он занимает много места – примерно 1200 см³. Такая большая голова не может пройти через родовые пути – а изменение тазовых костей ради более широких родовых путей негативно повлияло бы на способность к прямохождению. Эволюция сделала непростой выбор: человеческие детеныши рождаются с мозгом объемом 400 см³ (что сравнимо с объемом мозга взрослого шимпанзе). Но даже такие размеры мозга представляют проблему – голова ребенка с трудом проходит через родовые пути. (Смерть во время родов была довольно частым явлением на протяжении почти всей человеческой истории, но это редкость для других млекопитающих.) После рождения человека ждет необычайно долгое детство, в течение которого его мозг растет и развивается; этот процесс завершается только к 20 годам. На земле нет другого вида животных, чей восьмилетний детеныш не мог бы жить без родителей. Такое долгое детство накладывает отпечаток на многие аспекты социального поведения, в том числе на преобладающую систему брачных отношений с долговременным союзом, что очень редко встречается у млекопитающих. Иными словами, если бы в процессе эволюции строение нейронов изменилось на оптимальное, у нас, скорее всего, не существовало бы такого распространенного во всех культурах явления, как брак.

* * *

Каждый отдел мозга выполняет свои функции. Некоторые отделы отвечают за наши чувства, такие как зрение, вкус или осязание. Когда сенсорная информация поступает в мозг, она зачастую представляется в нем в виде карты: в зрительных зонах мозга имеется карта поля зрения, а в тех отделах, которые обрабатывают сигналы осязания, есть карта поверхности тела. Многие области мозга не выполняют какую-то одну функцию, например обработку зрительной информации. Они объединяют данные от разных органов чувств, отвечают за принятие решений и планирование действий. В конечном счете мозг предназначен для управления действиями, а для этого он посылает сигналы, которые вызывают сокращение или расслабление мышц или заставляют железы вырабатывать гормоны. Важно, что бо́льшую часть работы мозг выполняет автоматически: например, повышает кровяное давление, чтобы вы не упали в обморок, когда встаете со стула, или понижает температуру тела, когда вы спите. Эту непроизвольную регуляцию, как правило, осуществляют древние в эволюционном смысле структуры, расположенные в глубине мозга.

Нейроны мозга получают информацию от рецепторов, которые находятся в глазах, в ушах, на коже, в носу, на языке, а также в других местах. Более того, такая информация поступает не только от рецепторов, которые направлены наружу и реагируют на внешний мир, но и от тех, которые отслеживают процессы внутри тела (например, наклон головы, кровяное давление и уровень наполнения желудка). Нейроны мозга тесно взаимосвязаны. Критически важно, чтобы эта связь, которую обеспечивают аксоны, соединяющие разные участки, работала четко и бесперебойно: сигналы от сетчатки должны поступать в зоны, отвечающие за обработку зрительной информации, а команды от областей, связанных с движением, должны передаваться мышцам и т. д. Любые ошибки в работе мозга и даже самые незначительные нарушения нейронных связей могут привести к всевозможным неврологическим и психическим расстройствам.

Как же образуется эта сложная схема взаимосвязей в мозге? Она формируется под воздействием генетики и факторов внешней среды. Генетическая информация определяет общую структуру и связи в нервной системе. Но в большинстве участков мозга тонкая настройка нейронных структур происходит в результате локальных взаимодействий нейронов и под влиянием индивидуального опыта. Например, если глаза новорожденного ребенка оставить закрытыми, зрительные зоны его мозга не будут развиваться и человек останется слепым, даже если во взрослом возрасте ему откроют глаза. При формировании мозга – в период внутриутробного развития и в детстве – в нем образуется в два раза больше нейронов, чем используется в дальнейшем, а многие синапсы сначала появляются, а затем исчезают. Более того: те синапсы, которые сформировались и сохранились, могут быть сильнее или слабее – в зависимости от индивидуального опыта. Свойство мозга, благодаря которому на его формирование влияет жизненный опыт, называется нейропластичностью. Она играет важную роль в развитии мозга в детстве, но в некотором виде сохраняется и у взрослых. На протяжении всей жизни опыт, в том числе социальный, совершенствует структуру и функции нервной системы, создавая воспоминания и участвуя в формировании личности.

Наука – развивающийся процесс, а не набор догм
Уильям Кристан (младший), Кэтлин Френч

ШИРОКОЙ АУДИТОРИИ ОЧЕНЬ ТРУДНО ОБЪЯСНИТЬ, что такое «вера» в научную теорию. Отчасти это связано с тем, что в понятие «вера» люди вкладывают разный смысл. В повседневной жизни мы используем слово «верить» в самых разных контекстах:

Я верю, что скоро пойдет дождь.

Я верю своему ребенку, когда он говорит, что не употребляет наркотики.

Я верю, что подсудимый виновен.

Я верю, что кора головного мозга – вместилище сознания.

Я верю, что А будет лучшим президентом, чем В.

Я верю в гравитацию.

Я верю в Бога.

В одних примерах «я верю» означает «я уверен», а в других – что-то вроде «по моему мнению» или «я предполагаю», как во фразе о возможном дожде. В каждом случае тот, кто верит, может действовать исходя из своего убеждения, и эти действия могут быть малозначимыми (когда вы берете с собой зонт, выходя из дома) или иметь далеко идущие последствия (когда вы строите свою жизнь, основываясь на религиозном учении). Где на этой шкале находится вера в научную теорию? Это трудный вопрос, потому что научные теории в своем развитии проходят несколько стадий, и на каждой из них критерии могут существенно разниться. Эти стадии существуют потому, что наука следует стратегии «предположение – проверка – интерпретация», и такая последовательность обычно повторяется многократно. Интересно, что и в повседневной жизни мы все действуем подобно ученым – по крайней мере, иногда.

Рассмотрим пример из жизни. Вы устраиваетесь в любимом кресле, чтобы почитать газету, щелкаете выключателем торшера, но свет не зажигается. Возможно, кто-то выдернул шнур из розетки (предположение 1). Вы смотрите на стену и видите, что вилка шнура в розетке (проверка 1), а значит, проблема в другом (интерпретация 1). Возможно, сработал предохранитель (вполне логичное предположение 2); однако телевизор, подключенный к той же электрической цепи, работает (проверка 2) – стало быть, дело не в предохранителе (интерпретация 2). Возможно, неисправна стенная розетка (предположение 3); вы включаете в нее другую лампу, и она зажигается (проверка 3). Значит, розетка исправна (интерпретация 3). Затем вы последовательно проверяете еще несколько предположений (не перегорела ли лампочка, не оборвался ли шнур) и, наконец, находите интерпретацию (неисправный выключатель), которая позволяет вам починить торшер. Все ваши предположения основываются на прежнем опыте обращения с автоматическими выключателями, стенными розетками и лампами, а также на общих знаниях об электричестве.

В том, что касается базовой логики, научное исследование не слишком отличается от починки торшера – разве что каждый его этап может быть гораздо более сложным. Один из подходов, описанный еще Аристотелем, называется индукцией: вы собираете все доступные факты о каком-либо явлении, размышляете, а затем выводите («индуцируете») общие закономерности, объясняющие факты¹. Это весьма распространенный подход, и его применяют для получения самых разных объяснений: как сакральных (таких, как мифы о сотворении мира), так и бытовых (почему не заводится машина). Однако за последние два столетия, по мере развития экспериментальной науки, индуктивный метод перестал быть источником лучших объяснений и превратился в инструмент формулирования предположений. (Ученым нравится термин «гипотеза», философы предпочитают говорить «допущение», но оба этих слова – синонимы «предположения»².)

Значит ли это, что генерирование гипотез превратилось в заурядную и несущественную часть научного познания? Вовсе нет! Чтобы выдвинуть хорошее предположение, требуются фундаментальные знания и творческие способности. Как правило, хорошая гипотеза неожиданна (никто ранее не задумывался об этом или не принимал эту мысль всерьез), интересна, проверяема и может подтверждаться во многих экспериментах. Иногда вместо слова «проверяемость» используют термин «фальсифицируемость» – чтобы гипотеза считалась научной, должна существовать возможность ее опровержения с помощью объективных, повторяемых экспериментов³. Проверки, необходимые для оценки гипотезы (то есть для того, чтобы принять или отвергнуть предположение), должны быть строгими. (Принятие гипотезы означает лишь то, что она пока не отвергнута.) По сути, ученые пытаются выявлять причинно-следственные связи, и поэтому научная гипотеза обычно имеет следующий вид: «А является причиной В». Приведем пример из нашего лабораторного исследования медицинских пиявок. Мы предположили, что определенные нейроны в нервной системе пиявки запускают ее плавательные движения. Основываясь на результатах первоначальных экспериментов, аспирантка Дженис Уикс обнаружила разновидность нейронов, подходящих на эту роль; она назвала их клетками типа 204⁴. Как мы могли проверить ее предположение, что именно клетки типа 204 отвечают за плавание? В сущности, есть три общепринятые категории проверок на причинно-следственную связь: проверки на корреляцию, необходимость и достаточность. В экспериментах Дженис с клетками 204 проводились проверки всех категорий.

Корреляция. Записи электрических сигналов клеток 204 показали, что нейроны всегда активизируются непосредственно перед тем, как животное начинает плавать, и остаются активными все время, пока оно плавает, – то есть активность клеток коррелирует с процессом плавания. Обратите внимание: даже этот самый слабый тест на причинно-следственную связь мог бы опровергнуть наше предположение в том случае, если бы клетки 204 не были активны во время плавания. Иными словами, с помощью теста на корреляцию можно опровергнуть гипотезу – но не подтвердить ее.

Достаточность. Стимуляция одной клетки типа 204 (одного из приблизительно 10 тысяч нейронов центральной нервной системы пиявки) заставляла животное плавать. Мы пришли к выводу, что активации одной клетки 204 достаточно, чтобы пиявка начала плавать. Но этот тест не доказывал, что активация клетки 204 – единственный способ вызвать плавательные движения. Нужны были дополнительные тесты.

Необходимость. Деактивация одной клетки 204 (путем пропускания через нее электрического тока, вызывающего торможение) снижала вероятность того, что стимуляция нерва заставит животное плавать. Это значит, что активность клетки 204 необходима для плавания – по меньшей мере частично. (В нервной системе пиявки 12 клеток типа 204, и только две из них можно контролировать одновременно; этот факт объясняет, почему вероятность плавания лишь снижалась, а не сводилась к нулю.)

По итогам этих экспериментов, а также аналогичных опытов с нервной системой других животных клетки типа 204 были признаны «командными нейронами» – их активация вызывает определенные действия (то есть «подает команду» к этим действиям). Считается, что командные нейроны связывают сенсорный вход с моторными зонами мозга: они принимают входящие сигналы от сенсорных нейронов, и если эти сигналы активируют их, то они, в свою очередь, инициируют то или иное моторное действие. Эти нейроны также называют «нейронами принятия решений», поскольку предполагается, что их истинная функция – выбор нужного действия из нескольких возможных (например, плыть или ползти).

Первые эксперименты с клетками типа 204 были проведены почти 40 лет назад, и поэтому разумно задать вопрос: мы по-прежнему верим в первоначальные выводы из цепочки «предположение – проверка – интерпретация»?⁵ И да, и нет. Основные данные выдержали проверку временем (и много раз воспроизводились), но дальнейшие эксперименты выявили и другие нейроны, по своим функциям похожие на клетки 204, и поэтому первоначальный вывод о том, что за плавание пиявки отвечают только клетки 204, оказался упрощением. Эксперименты с использованием красящих веществ, которые светятся, сообщая об электрической активности нейрона (это позволяет одновременно наблюдать за работой множества нейронов), показали: решение о том, что должна делать пиявка – плыть или ползти, – принимается на основе трудноуловимых взаимодействий между многими нейронами. Клетки 204 вместе с другими командными нейронами подают сигнал к моторному действию после завершения этих тонких взаимодействий. Таким образом, клетка 204 не «главнокомандующий», а скорее «лейтенант», выполняющий приказы «коллективного руководства», которое и принимает решения⁶.

Помня об экспериментах с клетками типа 204, вернемся к значению слова «вера» в науке. Этот вопрос нужно рассматривать как минимум на трех уровнях.

1. Есть ли возможность опровергнуть гипотезу? Если не существует способа опровергнуть гипотезу с помощью объективных, осуществимых экспериментов, эта гипотеза может быть интересной, но не может относиться к научной сфере.

2. Считаем ли мы данные достоверными? Для ответа на этот вопрос мы должны оценить применимость методик, тщательность экспериментов, убедительность результатов. Например, в типовом эксперименте с целью выяснить функцию той или иной зоны мозга исследователи будут вмешиваться в работу этой зоны и регистрировать изменения в поведении или активности мозга. Для выявления изменений экспериментатор использует стимулы и фиксирует реакцию на них. Зачастую данные неоднозначны: один и тот же стимул может вызывать разную реакцию, а два разных стимула – одинаковую. Причин тому может быть много, и существуют проверенные методы обнаружения и разрешения такого рода проблем. Например, можно не посвящать человека, оценивающего результаты, в подробности исследования (это называется «слепым» методом). Или можно повторить эксперимент в другой лаборатории, с другими сотрудниками, оборудованием и сложившимися практиками проведения опытов.

3. Доверяем ли мы интерпретации? В целом интерпретация – самая интересная часть любого научного исследования (и именно она, как правило, попадает в СМИ), но вместе с тем эта часть наиболее часто подвергается пересмотру. Как показала история с клетками 204 в нервной системе пиявки, новые данные могут существенно изменить интерпретацию, и этот процесс бесконечен. Карл Поппер, влиятельный ученый в области философии науки ХХ века, утверждал, что наука не должна даже надеяться, что когда-либо выяснит абсолютную истину⁷. Хорошо обоснованное современное суждение, приближающее нас к истине, может объяснить все (или, по крайней мере, многие) текущие наблюдения, но дополнительные данные в конце концов заставят ученых усомниться в любой интерпретации и заменить ее более полной. Поппер утверждает, что старая интерпретация не отвергается полностью; просто новые данные позволяют еще ближе подойти к истине. По сути, интерпретация полученных данных порождает предположения для новой серии экспериментов – точно так же, как при попытке починить неисправный торшер.

Чем же «научная вера» отличается от других разновидностей веры? Одно из главных отличий состоит в том, что наука – по крайней мере, экспериментальная – ограничивается идеями, которые можно проверить с помощью объективных, воспроизводимых и однозначных экспериментов. Если другие исследователи проведут такие же эксперименты, они получат те же результаты. Это ограничение исключает из поля зрения науки множество чрезвычайно интересных вопросов, таких как «Зачем мы живем?» и «Существует ли Бог?». За пределами науки оказываются даже целые дисциплины вроде астрологии: они похожи на науку в том смысле, что оперируют огромным количеством данных, однако их выводы невозможно проверить объективными методами⁸. В научных статьях обычно есть разделы «Результаты» и «Обсуждение результатов». Для того чтобы поверить в результаты, нужно оценить, правильно ли поставлен эксперимент и могут ли другие исследователи его воспроизвести; такая оценка будет относительно объективной. Верить ли утверждениям из раздела «Обсуждение результатов» – вопрос более сложный. Подтверждают ли данные интерпретацию? Логичны ли выводы и основаны ли они на результатах этой и предыдущих работ? Является ли интерпретация отправной точкой для дальнейших проверяемых гипотез? Хотя обсуждение результатов зачастую представляет собой самую интересную часть научной статьи, эта часть с наименьшей вероятностью выдерживает проверку временем. Тех, кто не знаком с той или иной областью исследований, изменения интерпретаций могут сбивать с толку и раздражать (например, полезны или вредны жиры?), но такие последовательные приближения – неотъемлемая часть научного процесса. Если интерпретация поэзии искажает ее суть, то в научной интерпретации наиболее ярко раскрывается творческий потенциал исследователя. Изменчивость интерпретаций означает, что все заявления о вере подразумевают оговорку: то, во что ученый верит сегодня, может существенно измениться после следующей серии экспериментов, которые проведет он сам или – если не повезет – кто-то другой. Ученый должен быть готов отказываться от любимых убеждений и принимать другую точку зрения, когда этого требуют полученные данные, а прочим людям следует помнить о преходящем характере этих убеждений.

Развитие и изменение

Генетика проливает свет на природу индивидуальности
Джереми Натанс

В ЭТОМ МОГ УБЕДИТЬСЯ ВСЯКИЙ, кто проводил время в обществе четырехлетних детей. Даже в таком юном возрасте люди очень сильно отличаются друг от друга. Одни дети коммуникабельные, другие робкие. Кто-то усидчив, а кто-то все время переключается с одного занятия на другое. Кто-то упрям, а кто-то покладист. И в зрелом возрасте индивидуальные черты в значительной степени определяют, кто мы такие: пессимисты или оптимисты, общительные или замкнутые, властолюбивые или беззаботные, отзывчивые или недоверчивые. Личные особенности тысяч и миллионов людей в совокупности определяют черты общества.

Чем же определяется индивидуальность? Насколько она заложена в человеке от рождения? И в какой мере ее формирует опыт? По сути, это вопросы о развитии, функционировании и пластичности мозга – одни из самых серьезных, которые мы можем задать науке о мозге.

Больше ста лет назад британский ученый-энциклопедист Фрэнсис Гальтон сформулировал эти вопросы в их нынешнем виде⁹. Гальтон считал, что личность, интеллект и другие психологические характеристики формируются под общим влиянием «природы и воспитания». За прошедшее столетие исследования в области поведения животных, психологии и генетики позволили добиться некоторого прогресса в изучении этой темы.

Если говорить о выводах, полученных из наблюдений за нашими собратьями из животного мира, стоит начать с работы двоюродного брата Гальтона – Чарльза Дарвина, заинтересовавшегося теми изменениями во внешности и поведении, которых можно добиться путем селекции домашних животных. Рассмотрим, например, характеры собак. Любой владелец собаки знает, что у каждого животного свой темперамент, способности (или отсутствие таковых) и привычки – иными словами, набор черт, из которых складывается индивидуальность животного. Удивительно, но все эти черты во многом определяет генетика. Дружелюбие золотистого ретривера, пастуший инстинкт австралийской овчарки и самодисциплина немецкой овчарки – все это в значительной степени результат селекции. Владельцы и заводчики собак ценят эти черты не меньше, чем экстерьер.

Если мы обратимся к более распространенным поведенческим особенностям собак (тем, что отличают домашних собак от диких), то обнаружим, что самая важная характеристика, общая для одомашненных пород, – это покорность, развившаяся в результате фундаментального изменения в условиях взаимодействия с людьми. Эта черта, в частности, проявилась в переосмыслении зрительного контакта: прямой взгляд в глаза из угрозы превратился в знак привязанности. В знаменитом исследовании чернобурых лисиц, проведенном Дмитрием Беляевым, Людмилой Трут и их коллегами, поведенческий переход из дикого состояния в одомашненное произошел всего за 30–40 поколений в процессе селекции диких лисиц¹⁰. В результате этого эксперимента, начатого в Новосибирске еще в конце 1950-х годов, были выведены лисицы, обладающие многими из тех симпатичных черт, которые мы ассоциируем с домашними собаками: одомашненные лисы виляют хвостом, лижут руки, реагируют на зов и стремятся к физическому и зрительному контакту с людьми.

Один из выводов, сделанных по итогам новосибирского эксперимента, состоит в том, что у популяции диких лисиц уже имелись генетические особенности, необходимые для преобразования характера из дикого в домашний. И действительно, исследователи отмечали, что «дружелюбное» поведение начало проявляться уже через четыре поколения селекции («дружелюбие» определялось по взаимоотношениям между лисами и людьми). В настоящее время точно неизвестно, какие именно генетические изменения ответственны за покорность чернобурых лисиц, но Беляев, Трут и их коллеги доказали, что эти изменения – какими бы они ни были – привели к гормональным изменениям, в том числе к снижению уровня гормонов стресса, таких как глюкокортикоиды. Возможно, особи с поведением типа А (по Фридману) оптимально приспособлены к миру, в котором следующий прием пищи не гарантирован, а любое крупное животное с высокой вероятностью может оказаться врагом.

Насколько выводы о влиянии генетики на поведенческие черты животных применимы к людям? В 1979 году ученый-психолог Томас Бушар из Университета Миннесоты предпринял одну из самых амбициозных попыток ответить на этот вопрос. На протяжении следующих 20 лет Бушар и его коллеги изучали те редкие случаи, когда близнецы усыновлялись разными семьями и росли в разной обстановке; исследователи хотели понять, как одинаковые гены и разная среда влияют на сходство и различия психики¹¹. В Миннесотском исследовании близнецов, выросших порознь (MISTRA), сравнивались однояйцевые и разнояйцевые близнецы, а также, в сотрудничестве с Дэвидом Ликкеном (коллегой Бушара по Университету Миннесоты), близнецы, воспитывавшиеся раздельно, сравнивались с близнецами, выросшими вместе¹².

Однояйцевые близнецы (их еще называют монозиготными) развиваются из одной оплодотворенной яйцеклетки, которая на ранней стадии развития делится на два эмбриона. Эти близнецы наследуют от родителей один и тот же вариант каждого гена и поэтому генетически идентичны. А поскольку однояйцевые близнецы наследуют один и тот же набор Х- и Y-хромосом, они бывают только однополыми. То есть пара однояйцевых близнецов может состоять из двух мальчиков или двух девочек, но не из мальчика и девочки. В среднем примерно у одного из 270 человек есть однояйцевый близнец.

В отличие от однояйцевых разнояйцевые (или дизиготные) близнецы появляются тогда, когда во время овуляции из яичника выходят две яйцеклетки, которые оплодотворяются двумя сперматозоидами, а затем развиваются в два эмбриона. Такие близнецы похожи друг на друга не больше, чем обычные братья и сестры. От других братьев и сестер разнояйцевых близнецов отличает только то, что они одновременно развиваются в матке и рождаются в один день. Генетики исходят из того, что «в среднем у разнояйцевых близнецов совпадают 50 % генов»¹³. Таким образом, поскольку разнояйцевые близнецы наследуют Х- и Y-хромосомы независимо друг от друга, они могут быть как одного пола (мальчик + мальчик или девочка + девочка), так и разного (мальчик + девочка или девочка + мальчик). В среднем примерно у одного из 115 человек есть разнояйцевый близнец.

В самом простом исследовании близнецов некий измеримый параметр (например, рост, вес или кровяное давление) сравнивается у большого количества пар однояйцевых и разнояйцевых близнецов. Различия по этому параметру вычисляются для каждой пары, а затем ученые сравнивают полученные результаты в группах однояйцевых и разнояйцевых близнецов. Поскольку однояйцевые близнецы всегда одного пола, в исследовании участвуют только однополые разнояйцевые близнецы. Одно из подобных исследований, например, показало, что средняя разница в росте между разнояйцевыми близнецами составляет 4,5 сантиметра, а между однояйцевыми близнецами – 1,7 сантиметра. Меньшая разница в росте у однояйцевых близнецов обусловлена бо́льшим генетическим сходством.

Внимательный читатель, возможно, заметил в этом типе исследований слабое место – особенно применительно к психологическим вопросам. Однояйцевые близнецы так похожи, что их часто путают, и это может вызвать недоразумения. В результате учителя, друзья или даже родственники нередко относятся к ним одинаково – или потому, что не в состоянии их различить, или из предположения, что два человека с одинаковой внешностью не должны различаться и в других аспектах. Сходство в межличностных отношениях такого типа создает то, что в поведенческой генетике называется «общей средой», и это затрудняет анализ соотношения влияния природы и воспитания. Кроме того, как будет показано далее, у однояйцевых близнецов наблюдается сходство в широком диапазоне личностных характеристик и, скорее всего, вследствие этого формируется невероятно тесная связь друг с другом. Возникает вторая проблема: что, если тесные межличностные отношения между однояйцевыми близнецами усиливают их психологическое сходство и сглаживают различия?

Изучение близнецов, разлученных при рождении или в раннем детстве, позволяет ответить на эти вопросы. Как показало исследование MISTRA, особенно информативно здесь сравнение однояйцевых близнецов, воспитывавшихся порознь, с разнояйцевыми, также воспитывавшимися порознь. В этом случае близнецы в парах генетически идентичны соответственно либо на 100 %, либо в среднем на 50 %, но условия, в которых они воспитывались, по большей части не совпадают. Два других информативных подхода – это сравнение однояйцевых близнецов, воспитывавшихся вместе и порознь, и сравнение разнояйцевых близнецов, воспитывавшихся вместе и порознь. В последнем случае используется другой способ оценки влияния одинаковой и разной среды в детские годы, когда происходит формирование личности.

За 20 лет работы по проекту MISTRA ученые изучили 81 пару однояйцевых близнецов, выросших порознь, и 56 пар разнояйцевых близнецов, выросших порознь. Средний возраст близнецов на момент исследования составлял 41 год. В среднем они провели вместе всего пять месяцев, прежде чем их разлучили, и не поддерживали контакт друг с другом в среднем на протяжении 30 лет. В процессе исследования каждый участник провел около недели в Университете Миннесоты, где проходил психологическое тестирование, а также физическое и медицинское обследование.

Результаты психологических тестов удивили ученых. В случае со многими чертами личности, такими как экстраверсия/интроверсия и эмоциональная устойчивость/неустойчивость, влияние генетики оказалось существенным – в среднем порядка 40 %. Более того, столь же сильное влияние генетики обнаружилось в выборе профессии и в некоторых социальных аспектах, таких как религиозность или приверженность традициям.

Из всех психологических характеристик человека наиболее активно исследовался коэффициент интеллекта (IQ), который оценивался по результатам письменного теста на знания и интеллектуальные навыки. Термин «коэффициент интеллекта» звучит слишком претенциозно, но сам тест представляет и теоретический, и практический интерес, поскольку его результаты хорошо предсказывают будущие образовательные и профессиональные успехи¹⁴. Данные MISTRA показали, что у исследуемой группы населения 70 % расхождений в результатах теста на IQ можно объяснить генетикой. В частности, разница в IQ у однояйцевых близнецов, выросших порознь, была лишь немногим больше, чем средний разброс результатов теста на IQ у одного и того же человека, проходившего тест два раза. Систематический анализ разных приемных семей, в которых воспитывались разлученные однояйцевые близнецы, показал слабое влияние на результат теста на IQ таких факторов, как уровень образования приемных родителей, а также богатая культурная или научная среда. Это важные выводы, однако они нуждаются в некоторых уточнениях, поскольку не учитывают влияние исключительных обстоятельств, таких как особенно богатая культурная среда или, напротив, ее недоступность. Почти все участники MISTRA воспитывались в семьях и социуме, где имелась возможность получить хорошее образование, поэтому выявленный уровень генетического влияния применим к условиям этой благоприятной среды.

Я упомянул здесь исследование MISTRA из-за его масштаба и образцового дизайна, но аналогичные результаты, касающиеся личности и IQ, были получены в десятках других работ, посвященных изучению близнецов и семей¹⁵. Особый интерес представляет сравнение 110 пар однояйцевых близнецов и 130 пар разнояйцевых близнецов в возрасте более 80 лет: у однояйцевых близнецов обнаружилась бо́льшая степень сходства по каждому из тестируемых параметров, в том числе по общим когнитивным способностям (IQ), памяти, вербальным навыкам, пространственной ориентации и скорости обработки информации¹⁶. Это исследование также показало, что влияние генетики на IQ почти не снижается с возрастом, хотя ни в этой, ни в других работах не проверялось, насколько результаты теста на IQ отражают мотивацию, любознательность и самодисциплину, а не только «интеллект» в чистом виде.

Исследования близнецов позволяют оценить средний вклад генетики в индивидуальные различия личностных черт и когнитивных способностей, но не выявляют биологические механизмы, лежащие в основе этих различий. Можно сказать, что такие исследования дают нам данные, аналогичные техническим характеристикам разных марок автомобилей. Мы можем узнать, что «порше» разгоняется быстрее «тойоты», но чтобы понять причину этой разницы, необходимо во всех подробностях знать, чем различаются эти машины. Кроме того, нам понадобятся общие знания об устройстве автомобиля.

В биологии «заглянуть под капот» – значит понять, как растут клетки, как происходит их специализация, как они взаимодействуют и выполняют те или иные функции. Необходимо также выяснить, как именно генетическая последовательность, которую наследует каждый из нас, передает информацию о белках, заключающих в себе молекулярные механизмы, от которых зависит строение и функционирование клетки. Это очень сложная задача, и до полного понимания этих процессов нам еще далеко. Тем не менее за последние 50 лет нейробиология добилась значительных успехов. Теперь мы знаем основные механизмы коммуникации нервных клеток, а также многие механизмы, отвечающие за формирование связей между нервными клетками в процессе развития.

Особенно быстро развивается генетика. Сегодня нам известны полные последовательности ДНК человека и десятков других видов животных, а также частичные последовательности ДНК сотен тысяч отдельных людей. Эти последовательности показывают, что наш генетический код очень похож на генетические коды других млекопитающих. Таким образом, огромное разнообразие внешних признаков и интеллектуальных способностей млекопитающих, скорее всего, обусловлено совокупностью относительно небольших различий в структуре и функционировании генома. Кроме того, сравнение генетического кода разных людей показывает, что генетически мы отличаемся друг от друга лишь на одну тысячную часть¹⁷. Выяснить, каким образом эти генетические различия влияют на формирование нашей личности, – одна из величайших научных задач, стоящих перед человечеством.

Мозг состоит из миллиардов нейронов, но связи между ними могут формироваться по очень простым правилам
Алекс Колодкин

НЕОБЫЧАЙНАЯ СЛОЖНОСТЬ НЕЙРОННЫХ СВЯЗЕЙ вызывает закономерный вопрос: какие метки, или маркеры, помогают упорядочить организацию этих связей? Попробуйте представить, что вам необходимо подключить тысячи телефонов в новом здании Всемирного торгового центра в Нью-Йорке к центральным коммутаторам. Разноцветные провода, пронумерованные телефонные гнезда и множество уникальных меток – вот то, что поможет вам ничего не перепутать. Но чтобы использовать прием с «уникальными метками» при построении человеческого мозга, вам понадобились бы миллиарды особых молекулярных маркеров. Возможно ли вообще подобное шифрование связей? За сто лет исследований нейробиологи обнаружили лишь несколько сотен молекул, которые избирательно управляют формированием связей между нейронами. Но даже если бы все гены человеческого генома производили только маркеры связей, получилось бы всего 20 тысяч уникальных маркеров – гораздо меньше, чем нужно для кодирования всех связей в мозге человека¹⁸. Недавнее исследование зрительной системы насекомых показало, что чрезвычайно сложные связи огромного количества нейронов могут диктоваться очень простыми правилами; каждый отдельный нейрон способен следовать этим правилам самостоятельно и в отсутствие несметного числа уникальных меток выстраивать сложные специфические связи со множеством других нейронов. В какой же степени нервная система – это результат самосборки? Как ни странно, в значительной.

Огромный вклад в наше понимание сложности и логики нейронных связей внес в начале ХХ века испанский нейроанатом Сантьяго Рамон-и-Кахаль¹⁹. Вооружившись примитивным по нынешним меркам микроскопом и применив метод окрашивания, который позволял маркировать лишь очень малую долю из огромного числа нейронов, Рамон-и-Кахаль совершил экспедицию к неизведанным берегам анатомии и описал классы нейронов на основе их морфологии и структуры связей с другими нейронами. Он по достоинству оценил сложные и красивые формы нейронов и создал превосходные иллюстрации²⁰. Рамон-и-Кахаль предположил, что аксоны, тянущиеся из тела нейрона и зачастую очень длинные, вероятно, передают информацию следующему нейрону, контактируя с его дендритами (древовидными структурами, отходящими от тела клетки), которые, в свою очередь, принимают информацию, передают ее своему аксону, а затем дендритам следующего нейрона и так далее. Эта догадка позволила Рамону-и-Кахалю выдвинуть гипотезу об организации цепей нейронов в нервной системе позвоночных и даже беспозвоночных животных.

Рамон-и-Кахаль изучал не только мозг взрослых особей разных видов, но и нервную систему эмбрионов, и показал в своих работах, насколько сложна зрелая нервная система. Он увидел, что на концах аксонов имеются похожие на ладони утолщения, которые мы теперь называем конусами роста, и «пальцы» на них (филоподии) словно исследуют окружающее пространство. Когда конус роста сталкивается с каким-либо маркером (на расстоянии или вплотную), он направляет аксон в сторону привлекательного маркера или подальше от отталкивающего маркера. Данные, накопленные за последнее столетие, подтвердили догадки Рамона-и-Кахаля²¹. Теперь мы знаем, какие белки, выделяемые клетками, могут издалека привлекать или отталкивать конусы роста и какие белки локального действия, связанные с клеточной мембраной, управляют движением конусов роста. Мы знаем, что аксоны, появившиеся на ранней стадии развития, могут служить направляющими, вдоль которых растут новые аксоны. Постепенно мы приблизились к пониманию того, как совершенствовалась разветвленная схема сложных нейронных связей от червей к насекомым и от насекомых к человеку. Но как карта Нью-Йорка не дает по достоинству оценить архитектурное и культурное наследие города, так и наши скудные знания о строении нервной системы пока не позволяют составить представление о том, каким образом формируются триллионы нейронных связей в человеческом мозге. Обратимся к удобной модели: плодовой мушке Drosophila melanogaster.

На протяжении всей истории биологии изучение организмов намного более простых, чем человек, позволяло понять фундаментальные биологические процессы, и нейробиология здесь не исключение. Новаторская работа нескольких ученых, среди которых был великий генетик Сеймур Бензер, показала, что дрозофила – чрезвычайно ценный вид для исследования развития нейронов, передачи информации через синапсы от одного нейрона к другому, общей структуры нейронной цепи и даже сложных форм поведения²². Понятная нейроанатомия, особые генетические механизмы и хорошо изученные молекулы, управляющие нейронами (схожие с теми, что управляют нейронами человека), – все это делает плодовую мушку превосходной моделью для анализа формирования сложных нейронных связей, даже когда число этих связей значительно превышает количество возможных наводящих маркеров, помогающих их выстраивать.

Анализ схемы соединения глаза дрозофилы с мозгом позволяет вплотную подойти к проблеме нейронных связей. Сложный глаз плодовой мушки состоит из 800 структурных элементов – омматидиев, хорошо различимых на поверхности глаза (рис. 2А). На внешней поверхности каждого омматидия имеется маленькая линза (на рис. 2А можно разглядеть эти выпуклые «шляпки»), а под ней располагается группа из восьми светочувствительных нейронов, или фоторецепторов (они обозначены буквами PR – для простоты мы рассмотрим только шесть из них). Фоторецепторы в омматидии реагируют на свет с разной длиной волны, передавая электрические сигналы по своим аксонам (рис. 2В). Аксоны фоторецепторов тянутся к аналогично расположенным структурным единицам – патронам оптического ганглия в зоне мозга, которая называется ламиной. Важно, что количество и расположение фоторецепторов в каждом омматидии одинаково для всех приблизительно 800 омматидиев в обоих глазах дрозофилы. Представляет интерес разница в строении глаз насекомых: у дневных насекомых (активных днем), в том числе бабочек, все фоторецепторы одного омматидия воспринимают свет одного направления (параллельные стрелки на рис. 2С), а их аксоны тянутся к одному и тому же патрону (рис. 2С), то есть этот механизм относительно прост. Однако у насекомых, активных ночью, в том числе у дрозофилы, развился адаптивный механизм – суперпозиция нейронов, которая повышает чувствительность к свету в сумерках или ночью, не снижая четкости зрения²³.

РИС. 2. Нейронные связи в глазу насекомого. (А) Поверхность глаза дрозофилы состоит из приблизительно 800 омматидиев. Обратите внимание на выпуклую поверхность каждого омматидия: это линза, которая фокусирует свет на фоторецепторах. (В) Схема связей между глазом и мозгом дрозофилы. Связи шести разных фоторецепторов (PR) глаза, воспринимающих свет одного направления (стрелки вверху) и расположенных в соседних омматидиях; аксоны сложными путями подходят к одной и той же мишени (патрону оптического ганглия) в мозге. Аксоны двух из шести таких фоторецепторов обозначены как PR#3 и PR#6. (C) Схема нейронных связей глаза и мозга у бабочки. В отличие от дрозофилы у бабочки фоторецепторы, воспринимающие свет одного направления (стрелки вверху), расположены в одном омматидии. Их аксоны тянутся напрямую к одному патрону – эта схема гораздо проще, чем у дрозофилы. (D) Схема связей между глазом и мозгом у дрозофилы. Все фоторецепторы одного омматидия воспринимают свет разных направлений (стрелки вверху), а их аксоны тянутся к шести разным патронам ламины

Адаптация заключается в том, что шесть фоторецепторов, расположенных в разных, но соседних омматидиях, воспринимают свет одного направления (рис. 2B, параллельные стрелки), а шесть фоторецепторов одного омматидия воспринимают свет разных направлений (рис. 2D, расходящиеся стрелки). Каким же образом аксоны фоторецепторов, воспринимающих свет одного направления и расположенных в соседних омматидиях, тянутся к одному, тому самому патрону ламины (рис. 2B)?²⁴ В отличие от глаза бабочки в глазу дрозофилы это не может осуществляться за счет того, что все фоторецепторы омматидия просто тянут свои аксоны к соответствующему оптическому патрону (сравните рис. 2В и 2С), и это усложняет задачу организации такого рода связей. На рис. 2В показана схема лишь одного набора из шести фоторецепторов в соседних омматидиях, соединяющихся с одним патроном ламины в мозге дрозофилы, однако нужно понимать, что таким сложным образом одновременно распределяются все 5000 аксонов фоторецепторов всех 800 омматидиев глаза дрозофилы – такой хореографии могли бы позавидовать даже постановщики танцевального шоу в перерыве Суперкубка. «Индивидуальные метки» для каждого соединения фоторецептора с ламиной едва ли помогли бы аксонам не сплестись в запутанный клубок, протягиваясь к своим патронам.

Петер Робин Хизингер и его коллеги исследовали механизмы формирования нейронных связей в глазу дрозофилы тем способом, который одобрил бы Рамон-и-Кахаль: они просто наблюдали²⁵. Воспользовавшись возможностями современных методов микроскопии, которые позволяют получать изображения отдельных аксонов фоторецепторов и их конусов роста, тянущихся к мишеням, ученые вывели простые правила, по которым образуются связи в глазу дрозофилы. Микроскоп – это прибор, который позволяет наблюдателю заглянуть внутрь живой ткани и во всех подробностях разглядеть строение отдельных нейронов, аксонов и их конусов роста²⁶. Эксперимент заключался в наблюдении за аксонами фоторецепторов и их конусами роста на протяжении около 30 часов: столько времени требуется на рост аксона от глаза к головному мозгу у дрозофилы. Тщательный анализ интервальной съемки позволил однозначно идентифицировать каждый из шести фоторецепторов в каждом из 800 омматидиев глаза дрозофилы.

Главный результат наблюдений: в каждом из шести фоторецепторов в любом отдельном омматидии действуют разные модели роста аксона после его контакта с ламиной. Например, аксон от фоторецептора #3 всегда сначала достигает ламины «по прямой», а затем тянется «на юго-восток» с постоянной скоростью (рис. 2B и 2D). И эта модель роста одинакова для всех фоторецепторов #3, расположенных в разных омматидиях глаза. Аксон фоторецептора #6 достигает ламины «по прямой», а затем меняет направление и растет «на запад»; скорость его роста тоже постоянна, но отличается от скорости роста аксона фоторецептора #3. Аналогичным образом ведут себя остальные четыре фоторецептора. Если сравнить направления роста аксонов фоторецепторов #1–6 из разных омматидиев, то выяснится, что они идентичны. Получается, что в каждый из шести фоторецепторов встроена уникальная программа роста, которая выполняется одинаково в каждом омматидии и определяет правило, по которому собирается сложная схема соединений нейронов в глазу дрозофилы. Если правило выполняется и все шесть аксонов фоторецепторов растут в заданном направлении с заданной скоростью, это дает удивительный результат: шесть конусов роста аксонов шести фоторецепторов, расположенных в соседних омматидиях и воспринимающих свет одного направления, в одно и то же время сходятся в одном патроне оптического ганглия, и рост останавливается (рис. 2В). Из этого следует второе правило: рост аксонов прекращается только после того, как конусы роста всех шести аксонов фоторецепторов достигают ламины и соприкасаются там друг с другом, – и никак не раньше. Таким образом, аксоны фоторецепторов, воспринимающих свет одного направления, находят свой путь через сеть тесно переплетенных аксонов других нейронов и их конусов роста, и процесс не прерывается, если они соприкасаются с конусами роста аксонов фоторецепторов, воспринимающих свет иного направления. Механизм формирования связей между фоторецепторами и мозгом крайне точен, а ошибки редки. Каждый патрон оптического ганглия получает сигналы только от фоторецепторов, воспринимающих свет одного направления. Это значительно упрощает обработку визуальных сигналов в отделах мозга более высокого уровня – ведь информация о направлении анализируется еще на уровне патрона ламины, первой «ретрансляторной станции» в зрительной системе, сразу после восприятия света фоторецептором. Компьютерное моделирование, выполненное Хизингером и его коллегами, показало, что для формирования нужной связи достаточно одновременной встречи шести конусов роста аксонов фоторецепторов; никаких меток в патроне ламины не требуется. Таким образом, трудноразрешимая, на первый взгляд, задача формирования сложной схемы соединения 5000 аксонов фоторецепторов, необходимой для суперпозиции нейронов, решается при помощи всего шести разных программ роста аксонов фоторецепторов в процессе развития глаза. Очевидно, чтобы направить каждый из приблизительно 5000 аксонов фоторецепторов к своей мишени, не требуется никаких сложных направляющих меток.

Но помогает ли это исследование понять, как формируются нейронные связи в мозге млекопитающих? В мозге человека нет прямых аналогов чрезвычайно четкой схемы организации нейронов глаза дрозофилы, но совершенно очевидно, что в разных областях мозга млекопитающих присутствует ограниченное число разных типов нервных клеток. Нейроны одного типа в мозге млекопитающего следуют очень похожим схемам ветвления аксона и дендритов, устанавливая между собой уникальные связи. Конечно, на формирование этих связей в процессе эмбрионального и раннего постнатального развития могут влиять внешние факторы. В числе этих факторов – сигнальные молекулы и даже электрические сигналы нейрону от других нейронов в цепи. Как бы то ни было, это исследование, проведенное на дрозофилах, напоминает нам о существовании альтернативных путей формирования связей в сложной нейронной сети. Оно даже внушает некоторый оптимизм в отношении клинических подходов к восстановлению нейронов после инсульта или травмы²⁷. Памятуя о том, как развивалась нейробиология, можно ожидать, что этот эксперимент с дрозофилами поможет лучше понять, как простые правила регулируют сложные связи нейронов в мозге человека²⁸.

С момента рождения наше восприятие мира формируется в процессе постоянного разговора мозга с самим собой
Сэм Вонг

НОВОРОЖДЕННЫЙ НЕ ЗНАЕТ, в каком мире ему предстоит жить. На каком языке будут говорить окружающие его люди? Будет ли вознаграждено его упорство? Какая пища будет ему доступна? Многие потребности растущего ребенка связаны с условиями той среды, в которой он растет. Мозг адаптируется к широкому диапазону возможностей, потому что развивающиеся нейронные цепи в значительной степени определяются опытом. Ребенок, в мозге которого поначалу отсутствуют необходимые связи для обработки лавины поступающей информации, каким-то образом постепенно учится ее осмыслять.

С этой задачей мозг по большей части справляется самостоятельно – он сам себя «выстраивает»²⁹. Многим людям мозг представляется вычислительной машиной, которая запрограммирована на осмысление входящей информации и выработку соответствующих действий. Но сравнение с компьютером не учитывает, что мозг не вынимают из коробки уже готовым к работе³⁰. Для формирования мозга требуются годы, причем немалая часть «строительных работ» выполняется спустя значительное время после рождения. Этот процесс сопровождается грандиозными изменениями. Мозг новорожденного младенца весит приблизительно полкилограмма, и синаптических связей в нем в три раза меньше, чем в мозге взрослого человека. Более того, в течение первого года жизни эти связи, как правило, исчезают и заменяются новыми. Эти по большей части временные связи изначально не предназначены для выполнения задач, с которыми должен справляться двухлетний ребенок, не говоря уже о взрослом.

Жизненный опыт направляет развитие мозга, но лишь косвенным образом. Информация из окружающего мира поступает в мозг в виде электрических импульсов, которые передаются 15 миллионами аксонов, тонких отростков нервных клеток, транслирующих сигналы на большие расстояния³¹. Например, вся зрительная информация проходит примерно по 2 миллионам аксонов, соединяющих сетчатку глаз с мозгом. Сигналы от тела, сообщающие, например, о голоде, удовольствии или хорошем самочувствии, поступают всего по 70 тысячам аксонов блуждающего нерва. И так далее. Этот поток информации, не прекращающийся ни на мгновение, передается и обрабатывается десятками миллиардов нейронов мозга, которые сообщаются преимущественно друг с другом. По сути, бо́льшую часть усилий мозг тратит на разговор с самим собой, а внешний мир влияет на этот разговор лишь опосредованно.

Но это не значит, что мозг – чистый лист. Общая структура и схема связей в нем определяются генетическими программами, которые начинают работать с самого начала жизни, и эти же генетические программы задают принципы, по которым растут и изменяются нейроны и синаптические связи. Влияние опыта на развитие мозга также подчиняется этим принципам. В процессе развития каждая область мозга обладает хорошо структурированным набором связей с другими областями и, передавая информацию по этим каналам, способствует созреванию других областей.

Жизненный опыт оказывает наиболее сильное влияние на развитие мозга, если совпадает с окном возможностей, которое называется сензитивным периодом. У кошек сензитивный период для развития зрения приходится на первые три или четыре месяца жизни, а у людей – на первые 5–10 лет, из которых особенно важен первый год. Торстен Визель и Дэвид Хьюбел открыли этот принцип в серии экспериментов на котятах. Они выяснили, что, если в мозг не поступают сигналы из одного или обоих глаз, это приводит к серьезным нарушениям координации зрения между двумя глазами, а такая координация необходима для формирования целостного визуального восприятия³². Если визуальные сигналы не поступают в мозг достаточно долго, нарушения в зрительных зонах становятся необратимыми. Например, когда в сензитивный период котенку зашивали веко, чтобы визуальная информация поступала только в один глаз, то зрительная кора не развивалась должным образом; в ней отсутствовали нейроны, которые обрабатывали бы информацию от обоих глаз. Без этих нейронов у котят не формировалось нормальное зрение (см. рис. 3).

РИС. 3. Поток информации от видимого мира к зрительной коре и его нарушение путем зашивания века в классических экспериментах Визеля и Хьюбела

Зрительная информация от сетчатки поступает на первую «станцию обработки данных» в мозге, которая называется таламус. Эта область извлекает полезные фрагменты и передает их в кору головного мозга, подобно тому как птица-мать разжевывает пищу, прежде чем дать ее голодному птенцу. Таким образом, благодаря стадии «разжевывания» остальные области мозга получают необходимую информацию для правильного развития. Работа Визеля и Хьюбела, которая принесла им Нобелевскую премию, отчасти заключалась в выяснении того, какую роль в развитии мозга играет предварительная обработка информации таламусом. Они обнаружили, что для первоначальной прокладки пути от сетчатки к таламусу подходит любая активность нейронов сетчатки, даже от рассеянного света. Но для улучшения связи таламуса со зрительной корой мозга требуется нечто большее: специфические типы активности, вызываемые визуальными образами. В конечном счете способность различать цвета, формы и движение требует развития зрительной коры, которое зависит от потока данных, проходящего через таламус. После того как таламус выполняет свою «обучающую» задачу, он продолжает передавать информацию – но уже не недоразвитой области, а сложной системе мозга, отвечающей за зрение.

Сензитивные периоды важны для развития не только зрения, но и когнитивных способностей и социальных навыков³³. Подтверждение этому – ужасные случаи в коммунистической Румынии, когда младенцы и маленькие дети часто оказывались в детских домах, где были практически лишены тактильных переживаний и социального общения. У многих из этих детей так и не развились нормальные способности к речи и социальному взаимодействию – их общий синдром был похож на аутизм. Если детей забирали из детского дома в возрасте до четырех лет, они еще могли вернуться к нормальному развитию. Но при долгой депривации изменения оказывались необратимыми. Сензитивный период для развития социальных навыков уже заканчивался.

По всей видимости, таламус обучает другие области мозга не в одиночку. Если в период развития отключить необходимый источник информации, это также помешает развитию участков мозга, которые получают эту информацию. Эта ситуация называется диасхизом развития. Термин «диасхиз» (от греческого «раскалывать») неврологи используют для описания случаев, когда при повреждении одной области мозга резко меняется активность и кровоток в другой, удаленной от нее. Вероятная причина заключается в том, что эти области тесно связаны передающими информацию аксонами и прекращение потока входящей информации ведет к резким изменениям. Гипотеза диасхиза развития предполагает, что такая ситуация может иметь долговременные и серьезные последствия, если совпадает с сензитивным периодом развития. Многие участки мозга соединяются друг с другом, и их взаимное влияние очень важно – это один из способов саморазвития мозга. В процессе взаимодействия и структурирования разных участков под влиянием опыта мозг постепенно формирует сам себя (см. рис. 4).

РИС. 4. Диасхиз развития. Как и сетчатка глаза, мозжечок посылает сигналы таламусу, который служит главным шлюзом для передачи информации в кору головного мозга. Некоторые участки мозжечка связаны с ассоциативной корой, которая не относится ни к сенсорной, ни к моторной зоне. В процессе развития на взаимодействие между мозжечком и корой могут влиять генетические программы, стресс и окружающая среда

В нашей лаборатории мы проверяем гипотезу о том, что диасхиз развития может возникнуть из-за проблем в мозжечке, расположенном в задней части мозга³⁴. Повреждение мозжечка у взрослого человека вызывает неуклюжие и неконтролируемые движения. Но если травма происходит в младенчестве или раннем детстве, это дает иной результат: у ребенка развивается состояние, которое относят к расстройствам аутистического спектра. При повреждении мозжечка в процессе родов риск аутизма повышается в 40 раз³⁵. (Это сопоставимо с повышением риска развития рака при систематическом курении.) Однако взрослые, перенесшие травму мозжечка, не становятся аутистами.

Эта странность хорошо известна детским неврологам, которые давно знают, что последствия повреждения какого-либо участка мозга у детей могут быть аналогичны последствиям травмы другого участка у взрослых. Такие непредсказуемые клинические проявления дают основания предполагать, что у младенцев и маленьких детей разные области мозга каким-то образом удаленно влияют друг на друга. Аутизм по большей части вызывают генетические особенности и условия пренатального развития, и эти факторы могут действовать в том числе и опосредованно, влияя на работу мозжечка.

Как мозжечок влияет на развитие когнитивных способностей? Он обрабатывает разные типы информации, включая сенсорные сигналы и двигательные команды, для управления действиями и их совершенствования. Мозжечок посылает сигналы в кору головного мозга через таламус – ту самую структуру, активность которой необходима для развития зрения. Считается, что мозжечок предсказывает, как будет меняться мир, и тем самым помогает планированию. Таким образом, мозжечок может регулировать и направлять как движения, так и мысли.

Гипотеза диасхиза развития имеет важные последствия для лечения аутизма. Она позволяет предположить, что при лечении аутизма в раннем возрасте, возможно, следует сосредоточиться на тех областях мозга, которые раньше не связывали с когнитивными или социальными функциями, в частности на мозжечке. Например, у младенцев с повышенным риском аутизма неспособность мозжечка предсказывать ближайшее будущее может затруднить обучение через опыт. В пользу этого предположения свидетельствует и самый эффективный из существующих методов лечения аутизма – прикладной поведенческий анализ, при котором повседневные действия постепенно и целенаправленно поощряются, за счет чего компенсируется дефект функции предсказания. Прикладной поведенческий анализ помогает лишь приблизительно половине детей с аутизмом. Не исключено, что воздействие на активность мозжечка поможет сделать прикладной поведенческий анализ более эффективным или подходящим для большего числа детей.

Таким образом, основной принцип нейробиологии может когда-нибудь помочь миллионам детей избежать аутизма. Чтобы подтолкнуть детей к диалогу с миром, который продолжится всю их жизнь, возможно, для начала следует помочь разным отделам их мозга вступить в диалог друг с другом.

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.

Один из ключевых процессов в развитии мозга, клежащих в основе пластичности, протекает в младенчестве и в раннем детстве; это резкое увеличение количества нейронных связей³⁷. 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 переживаний³⁸. 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 правила³⁹. 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 человека⁴⁰. Кроме того, дети начинают обучение с более низкого уровня моторной ловкости, чем взрослые; их движения более вариативны и менее точны⁴¹. 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 полей⁴². 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 ребенка⁴³. 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 разрушительным⁴⁴. 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 успешно⁴⁵.

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 активности⁴⁶. В подростковом возрасте количество серого вещества уменьшается, а белого – увеличивается⁴⁷. 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 человека⁴⁸. 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 активность⁴⁹. 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 лоботомии⁵⁰. 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 животных⁵¹. 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 мозга⁵².

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 возраста⁵³. Но наблюдения за живым нейроном показывают, что эти шипики непрерывно растут, вытягиваются и втягиваются, исследуя выросты других нейронов⁵⁴. 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 связей⁵⁵. 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 исчезают⁵⁶. 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 боль⁵⁷ или приятным⁵⁸.

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. 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 миром⁶⁰.

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 вырастут⁶¹. 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 полезны⁶². 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 памяти⁶³. 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 пищу⁶⁴. 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 пение⁶⁵. 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 сезону⁶⁶. 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 диску⁶⁷. 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 пальцев⁶⁸. 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 области⁶⁹. 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 людей⁷⁰. 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 жонглированию⁷¹. 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, 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 мозга⁷³. 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 губы⁷⁴. Имеющиеся данные позволяют предположить, что фантомные боли вызывает именно это функциональное вторжение зоны нижней части лица в зону руки (и ее дальнейшая активность)⁷⁵. 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 конечности⁷⁶. Этот факт предполагает наличие каких-то дополнительных механизмов. Другие исследования указывают на то, что фантомную боль провоцируют остаточные связи от отсутствующей конечности⁷⁷ и что свою роль в этом явлении играет изменение возбудимости спинного мозга⁷⁸. 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 части⁷⁹. 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 пространстве⁸⁰.