Глава 1
Нейропластичность – захватывающая история одной теории,
или Как ученые изобрели стул, который помогает слепым видеть
Главные клетки мозга и всей нервной системы – нейроны.
Один нейрон «разговаривает» с другим не словами через рот, а нервным импульсом через синапс.
Синапсы – места контакта между двумя нейронами.
Чем чаще нейроны друг с другом «разговаривают», тем ближе их дружба и тем слаженнее они будут работать в команде, сформировав нейрональную сеть.
Когда мы учимся чему-то новому, мы, образно говоря, знакомим два нейрона друг с другом, а когда мы практикуем выученный навык снова и снова, мы укрепляем их взаимоотношения.
Таким образом, мы используем способность мозга к нейропластичности – возможности меняться, адаптироваться, создавать и модулировать синаптические связи между нейронами.
И делаем мы это буквально каждый день (хорошо, не все каждый день, но это возможно). Мы постоянно меняем силу межнейрональных связей, когда запоминаем новое и чему-то учимся или забываем что-то старое и теряем навык.
Внимание, вопрос: к этому моменту вы что-то в своей жизни уже выучили? Чему-то научились? Значит, вы уже умеете «в нейропластичность» и до получения «силы» осталось всего пару шагов.
Но до того, как мы перейдем к практической части, позвольте мне побольше рассказать о том, сколько сил и времени ушло у ученых на понимание информации, которая уместилась в паре предложений выше. Чтобы убедить вас – это знание не «бесплатный сыр» из мышеловки, а большой труд, который оплачен по?том, кровью и в прямом смысле этого слова жертвами.
Гипотеза: что выросло, то выросло, и ничего не изменить.
Одна из популярных ранее гипотез утверждала, что мозг, с которым вы родились, это тот же мозг, с которым вы в конце концов умрете: клетки, которые у вас были при рождении, это максимум, которым вы когда-либо будете обладать, и между собой они соединены межклеточным цементом, который тоже никуда никогда не денется.
Решение о том, какой мозг достанется вам однажды и на всю жизнь, принимается заранее на уровне генов (генетический детерминизм). Гены решают, будут ли у вас способности к математике или к рисованию, будете ли вы любить острый перец или носить сандалии с носками.
А если что-то и пойдет не по изначальному плану, то лишь потому, что это «что-то» сломалось или повредилось и теперь работает неправильно.
В поддержку появлялось много научных исследований на близнецах, которые имели схожую генетику, но были воспитаны раздельно.
В 1979 году Томас Бушар провел просто замечательное исследование[2 - Sources of human psychological differences: the Minnesota Study of Twins Reared Apart T. J. Bouchard Jr 1, D. T. Lykken, M. McGue, N. L. Segal, A Tellegen.]. В то время он был директором Миннесотского центра исследований близнецов и наблюдал за однояйцевыми и разнояйцевыми близнецами, которых разлучили в детстве и вырастили отдельно друг от друга. Идея была в том, чтобы взять людей с очень похожей генетикой и посмотреть, как они будут вести себя в реальном мире, как будут решать проблемы, чем болеть и где работать.
В ходе эксперимента Бушар обнаружил, что у однояйцевых близнецов (это одинаковые близнецы), выросших в разных семьях, часто были очень похожие личности, интересы и взгляды. Он даже нашел пару близнецов, которые познакомились, только когда им было 39 лет.
«Близнецы, – писал он позже, – были женаты на женщинах по имени Линда, развелись и женились во второй раз на женщинах по имени Бетти. Один назвал своего сына Джеймсом Аланом, другой – Джеймсом Аланом, и оба назвали собак Той».
Такая схожесть явно давала понять, кто в мозге главный и кто принимает решения. И даже если возразить, что на одном случае нельзя построить всю теорию и открытие Бушара не является доказательством того, что наша генетика полностью определяет, кто мы и какие. Однако оно все же показывает, что мы входим в мир не «чистым листом» и что какие-то наши предрасположенности и повадки все же действительно предопределены.
Дальше следует вполне логичный вопрос, насколько сильно все определено генетикой и может ли что-то измениться в течение жизни?
Или что выросло, то выросло, а если вы потом что-то сломали, значит, сами виноваты. Представьте, что вы упали в раннем детстве с качелей и больно ударились головой, даже повредили участок мозга. Значит ли это, что вы безвозвратно все испортили? Или же вы безвозвратно испортили только немножко? Или ничего не испортили и все обратно отрастет?
Чтобы понять величину угрозы, исходящую от детских качелей, нужно копнуть немного в нейроанатомию и ответить на вопрос:
Мозг состоит из отделов или же работает как единая система?
Это совсем не очевидный вопрос, который погубил жизни сотен невинных голубей и кроликов.
Дело было в 1820-х годах во Франции, которая старательно пыталась постичь всю величину личности Наполеона Бонапарта, а местные ученые пытались осознать, что же такое мозг и как он работает.
Мнения разделились, сформировав две сильные команды: в полосатых купальниках команда «Доктрины локализации» – они считают, что каждый кусочек мозга отвечает за свою отдельную функцию и не мешает работать другим, а в левом углу ринга команда «Холистика» (с высокого эльфийского обозначает «все, общее, цельное»), которая думает, что мозг штука целостная и работает над всеми функциями, задействуя одновременно все зоны.
Так вот, Мари Жан Пьер Флуранс изначально был из тех, кто в левом углу ринга («Холистика»). Он проводил эксперименты на голубях и кроликах, удаляя разные области мозга, чтобы посмотреть, как изменится их поведение. Флуранс обнаружил, что удаление мозжечка приводит к дискоординации конечностей, удаление лобной доли приводит к проблемам с анализом ситуации и восприятием, а удаление продолговатого мозга ведет к смерти.
Что явно можно засчитать за победное очко в счет соперников, так как, лишаясь кусочка мозга, животные теряли одну из функций или способностей. Но не все так однозначно; продолжая удалять разные зоны, Флуранс добрался до больших участков коры головного мозга, которые смог удалить без какой-либо последующей потери функции. Тут он радостно присудил очко себе и сделал вывод, что мозг все же действует как «функциональная сущность»[3 - Marie Jean Pierre Flourens (1794–1867): an extraordinary scientist of his time Fatos Belgin Yildirim, Levent Sarikcioglu.], кора головного мозга уж точно.
Счет 0:1, ведет «Холистика».
Однако в 1861 году команда «Доктрины локализации» сильно продвинулась вперед благодаря потрясающему игроку в своем составе – врачу и ученому Пьеру Полю Брока?.
Он обнаружил, что у пациентов с поражением левой доли мозга были характерные нарушения речи, известные сегодня как экспрессивная афазия (это когда ты все понимаешь, но отдел мозга, отвечающий за речь, «сломан» и ты ничего внятного не можешь сказать в ответ). Он продемонстрировал, что только при повреждении очень небольшой, четко ограниченной области мозга теряется функция речи. Работать ему было непросто, под рукой не было ни КТ-, ни МРТ-аппаратов, и проанализировать работу мозга и повреждения можно было только посмертно сравнив мозг с клинической картиной заболевания. Это была огромная сложная работа, принесшая Пьеру Полю всемирную известность, а эта самая зона в левой передней области мозга теперь так и называется «областью Брока?».
Победное очко команде в полосатых купальниках – 1:1, ничья.
Через 13 лет после того, как Поль Брока сделал свое открытие, Карл Вернике отметил, что поражение левой височной доли чуть дальше от области Брока приводит к нарушению способности понимать язык, или к сенсорной афазии (то есть когда ты хочешь что-то сказать, то выходят слова, а когда кто-то задает тебе вопрос – ты слышишь салат звуков)[4 - The brain that changes itself: Stories of personal triumph from the frontiers of brain science. APA Psyc Doidge, Norman.]. Эта область теперь известна как область Вернике.
Ну и дальше ученые картировали мозг на самые разные зоны, определяя, какая из них отвечает за движение левой руки, а какая за зрение и узнавание мелодии по первым трем нотам.
Счет 1:2 – «Доктрина локализации» вырывается вперед.
Победу можно было бы присудить этой команде, она прошла путь от серии интригующих корреляций (наблюдения за тем, что повреждение определенных областей мозга приводит к потере отдельных функций) до общей теории, утверждающей, что каждая функция мозга имеет свою индивидуальную локацию – идею, резюмированную фразой «одна функция – одно место». Но ученые все же считали, что доводы в пользу доктрины локализации могли быть преувеличены.
Ведь это означает, что если какая-то часть была повреждена, то мозг не может адаптироваться или восстановить эту утраченную функцию. Пропало место – пропала и функция. Больше никаких качелей на заднем дворе. А это не так.
Вскоре после головокружительного успеха Карла Вернике в 1876 году Отто Зольтманн провел ряд крайне интересных экспериментов над собаками, используя электрическую стимуляцию.
Он начал исследовать области моторной коры у очень маленьких щенков и обнаружил, что стимуляция моторных областей не вызывала движений передних лап до 10-дневного возраста[5 - Dr. Otto Soltmann (1876) on development of the motor cortex and recovery after its removal in infancy S. Finger 1, T. Beyer, P. J. Koehler.]. Он также обнаружил, что по мере взросления животных часть моторной коры, контролирующая движения, увеличивалась, а затем достигла своего окончательного размера во взрослом возрасте.
А если у совсем маленьких щенков и вовсе повредить эту моторную зону мозга до того, как она начнет отвечать за движения лапами, то… ничего страшного не будет. Лапки все равно будут двигаться. Напротив, если то же провернуть со взрослым животным, то передние лапы полностью парализует.
Это было первое экспериментальное свидетельство, которое показало, что другие зоны мозга вполне могли заменить поврежденную область, но только в определенном возрасте и до определенных пределов.
Счет 2:2, снова ничья. Но «Доктрина локализации» доминирует на ринге и перехватывает инициативу. Тягаться с такими
звездами, как Брока и Вернике, было довольно сложно, так что работе Отто долго не отдавали должного внимания.
В 1909 году Карбиниан Бродман аккуратно разделил кору головного мозга на 52 области на основе их клеточных характеристик. Он опубликовал свою работу по клеточному строению, и она до сих пор часто цитируется, поскольку многие из областей, которые он определил, коррелируют с ключевыми функциями коры головного мозга.
Неудивительно, что после этого в течение второй половины XX века доктрина локализации доминировала в научном мире и прочно утвердилась в умах большинства нейробиологов того времени.
Победа в первом раунде уходит команде «Доктрина локализации».
Но оппозиция росла и крепла на задворках научного мира.
Например, Дональд Хебб в 1949 году вопреки общим научным веяниям предположил, что нервная система изменяется в процессе обучения.
Мысль его шла так: если нейрон А возбуждается, а он соединен синаптической связью с нейроном В, в результате вызывая и его возбуждение, и это повторяется неоднократно, то химические нейромедиаторы изменяют связь между А и В, усиливая их обоих.
Результатом этой усиленной связи в конечном счете является процесс обучения.
Теперь это называется теорией Хебба и неофициально объясняется как «нейроны, которые возбуждаются вместе, связываются друг с другом».
Теория Хебба заложила основу для современных взглядов на нейропластичность прежде всего из-за утверждения, что нейронные сети могут быть изменены поведенческим опытом[6 - The brain that changes itself: Stories of personal triumph from the frontiers of brain science. APA Psyc Doidge, Norman.]. А это крайне волнительная и многообещающая мысль.
Во втором раунде команда «Холистика» вывела на ринг нового бойца и начинает активно отвоевывать победу.
А теперь, дамы и господа, разбудите своего внутреннего ребенка, потому что сейчас самое время удивляться и заново открывать для себя волшебство этого мира.
В конце 1960-х Пол Бах-и-Рита представил идею сенсорного замещения – использование альтернативных путей передачи информации в мозг в случае повреждения или непроходимости основных проводящих путей.
По сути, Бах-и-Рита был первым, кто взял идеи нейропластичности и применил их осмысленным и функциональным способом для пациентов.
Он придумал стул, который позволял незрячим людям «видеть».
Исследования, которые он провел, считаются первой формой экспериментального доказательства нейропластичности и возможности сенсорного замещения.
Итак, пациенты, незрячие от рождения, сидели в кресле, в спинку которого упирались 400 вибрирующих пластин.
Вибрация менялась в зависимости от характеристик «показываемого» объекта. Мозг незрячих людей вскоре учился интерпретировать эти сигналы, позволяя им «видеть» объекты на элементарном уровне. В результате обучения они могли различать вертикальные, горизонтальные, диагональные и изогнутые линии. Затем они научились распознавать комбинации линий (круги, квадраты и треугольники).
А потом овладели «словарным запасом» из 25 обычных предметов: телефон, стул, чашка, игрушечная лошадка и др. При повторных предъявлениях латентность или время узнавания этих объектов заметно снижаются; в процессе учащиеся открывают для себя такие понятия, как перспектива, тени, искажение формы в зависимости от точки зрения и расстояния[7 - Vision substitution by tactile image projection P. Bach-y-Rita, C. C. Collins, F. A. Saunders, B. White, L. Scadden.].
Неплохо, да?
В 1969 году Джеффри Райсман опубликовал в Brain Research статью, в которой рассматривался вопрос о том, способна ли центральная нервная система к реорганизации на анатомическом уровне[8 - Neuronal plasticity in the septal nuclei of the adult rat G. Raisman.].
Райсман исследовал мозг крыс, взяв маленький участок, к которому вели два разных нервных пути, приносящих информацию. Затем перерезал один из них, чтобы определить, произошли ли какие-либо изменения. Он обнаружил, что волокна от сохранившегося пути заняли освободившиеся синапсы от перерезанного («свято место пусто не бывает»). То есть он обнаружил реиннервацию в мозге.
С этого момента уже никакие авторитеты прошлого больше не могли заглушить значимость открытий нейропластичности – умения мозга изменять себя. Стало понятно, что центральную нервную систему больше нельзя считать неспособной к восстановлению после повреждения.
А значит, после падения с качелей все же есть шанс стать нейрофизиологом или, на худой конец, математиком.
Да, генетика сильно влияет на изначальные данные, но затем жизненный опыт и наше старание берут инициативу на себя, и мы можем изменить свой мозг. Раз уж есть люди, которые научились видеть спиной, то и вы можете вырасти над собой и достичь большего.
Нейропластичность – что мы знаем сейчас и зачем все постоянно повторять дважды?
Итак, на сегодняшний день наука придерживается мнения, что базовая структура мозга заложена генами еще до рождения. Но его дальнейшее развитие в значительной степени зависит от окружающей среды.
Больше всего изменений мозг претерпевает в раннем детском возрасте – это период наибольшей изменчивости, период ранней, или структурной нейропластичности, когда в процессе роста и развития изменяются и нейроны, и синаптические связи.
В формирующемся детском мозге ранняя нейропластичность идет на качественном и количественном уровнях: появляются новые нейроны и меняется сила связей между ними. Новые нейроны активно создаются в течении внутриутробной жизни, и при рождении каждый имеет около 2500 синапсов, но к трем годам это число вырастает до колоссальных 15 000 синапсов на нейрон.
