Чтение с помощью шрифта Брайля – это пример интенсивно повторяющегося ощущения и опыта изучения окружающего мира. Но мозг способен изменяться, реагируя на информацию, генерируемую внутри, другими словами, на наши мысли и намерения. Эти изменения могут увеличивать или уменьшать количество доступного пространства коры, отвечающего за определенные функции. Так, когда спортсмены представляют в уме упражнения, сосредоточиваясь на точной последовательности движений (чтобы, скажем, нырнуть, нужно выполнить два с половиной оборота вперед), области двигательной коры, которые контролируют нужные мышцы, увеличиваются в объеме. Кроме того, мысль способна увеличить или уменьшить активность определенных участков мозга, которые лежат в основе психических заболеваний. Например, когнитивно-поведенческая терапия успешно приглушает излишнюю активность в "участке взволнованности", которая вызывает обсессивно-компульсивное расстройство. При помощи одной только психической активности, которая сама является продуктом деятельности мозга, мы можем намеренно изменять свой мозг.
Догма о постоянной связи
Вы не узнаете о нейропластичности из повсеместно встречающихся изображений мозга, на которых отмечены его области с надежно выглядящими функциями, – эта точка на двигательной коре приводит в движение левый мизинец, а именно эта точка в соматосенсорной коре обрабатывает ощущения из правой щеки. Мысль о том, что существует точное соответствие между структурой и функцией, берет начало в 1861 году, когда французский анатом Пьер Поль Брока объявил, что определил область мозга, которая производит речь. Данная область находится по направлению к задней части лобных долей, заключил он после вскрытия трупа мужчины, который потерял практически все способности говорить. (Исследователь получил право дать своему открытию имя, и участок мозга, отвечающий за речь, с тех пор известен как область Брока.)
После этого открытия ученые уже были вне конкуренции, рьяно присваивая определенные функции конкретным частям мозга, как будто тот находился на разделочной доске. Благодаря немецкому неврологу Корбиниану Бродману, чьи исследования, проведенные на мозге трупов, выявили структурно-функциональные отношения для пятидесяти двух различных областей, у нас теперь есть поля Бродмана с первого (часть соматосенсорной коры, которая обрабатывает тактильные ощущения от определенных точек на коже) по пятьдесят второе (параинсулярная область, в которой встречаются передняя и центральная доли). У меня есть слабость к десятому полю Бродмана, расположенному в самой передней части префронтальной коры, которое увеличилось в размере в процессе эволюции и, похоже, позволяет нам быть многозадачными. Ни одна область мозга еще не была так изучена, как соматосенсорная кора. Эта полоса коры расположена, грубо говоря, на поверхности мозга, от уха до уха; левая соматосенсорная кора получает сигналы из правой стороны мозга, а правая соматосенсорная кора – из левой. Но она не является одной большой недифференцированной воспринимающей областью. Каждая часть тела соотносится для обработки с определенной точкой на соматосенсорной коре. В результате соматосенсорная кора является, по существу, картой тела – но такой, которая вызвала бы у составителей Google-карт сердечный приступ. В ходе экспериментов в 40-50-х годах прошлого века канадский нейрохирург Уайлдер Пенфилд обнаружил, насколько эта карта странная. Пенфилд выполнял операции на мозге – обычно для того, чтобы излечить эпилепсию. Но перед каждой операцией он совершал исследование. Используя мягкий электрический шок, Пенфилд стимулировал одну точку за другой на открытой соматосенсорной коре (в мозге нет чувствительных рецепторов, и потому он не ощущает несильные удары током), каждый раз спрашивая находящегося в сознании пациента, что тот чувствует. Пациенты были, если можно так сказать, шокированы: когда Пенфилд подвергал возбуждению их соматосенсорную кору, они чувствовали прикосновение к щеке, лбу, руке, ноге или другой части тела. На самом деле все, что он делал, – приводил в действие нейроны при помощи ударов током. Для пациента это было неотличимо от приведения в действие тех же нейронов при реакции на настоящий физический раздражитель, отправленный из какой-либо части тела. Таким образом Пенфилд смог "составить карту" соматосенсорной коры, соотнеся каждую точку с соответствующей частью тела.
И тогда он обнаружил, что у картографического анатома, оказывается, есть чувство юмора. Несмотря на то что ладонь находится ниже плеча, ладонь соматосенсорной коры – то есть область коры, которая получает сигналы из ладони, – примыкает к области, которая получает сигналы, идущие от лица. Соматосенсорное представительство гениталий располагается прямо под представительством стоп. Масштаб также не совпадает: по сравнению с соматосенсорным представительством губ торс и икры ног просто карликовые, тогда как ладони и пальцы огромны по сравнению с лилипутскими плечами и спиной. Причина этого такова: чем больше пространства коры занимает часть тела, тем она чувствительнее. Кончик языка, который занимает обширный участок на соматосенсорной коре, может чувствовать края передних зубов, а обратная сторона ладоней, у которых небольшое соматосенсорное представительство, на это не способна.
В результате открытий Бродмана, Пенфилда и других ученых большую часть XX века в неврологии придерживались следующего мнения: структурно-функциональные отношения постоянно связаны между собой от рождения. Данная точка зрения была закреплена заявлением великого испанского нейроанатома Рамона-и-Кахаля, который в 1913 году назвал мозг взрослого человека "фиксированным, окончательным, неизменным".
Вера в эту статичность была перенесена на идею о том, что определенные шаблоны активности мозга также должны быть связаны, и если они не совершенно неизменны, то как минимум постоянны. Исходя из этой точки зрения, психические заболевания, такие как депрессия, могут быть вызваны недостаточной активностью префронтальной коры и чрезмерной активностью амигдалы, а лежащая в основе этого биология так же постоянна, как отпечатки пальцев. Чтобы внести ясность, стоит сказать, что неврологи на протяжении десятилетий знали, что мозг взрослого человека способен изменяться на клеточном уровне, чтобы кодировать новые явления и навыки посредством укрепления соединений между нейронами, но это было изменение на розничном уровне, так сказать. Перемены на оптовом, массовом уровне – любые изменения в структурно-функциональных отношениях, отображенных на впечатляющей мозговой карте, – считались невозможными.
Видеть гром, слышать молнию
Возможно, вы не удивлены, что превосходная структура соматосенсорной и двигательной коры – с различием в несколько миллиметров между областью, которая ощущает палец или двигает им, и областью, которая ощущает щеку и двигает ею, – может изменяться в ответ на приобретение опыта или поведение. Но мозг способен и на большую реорганизацию. Исследования с участием слепых и глухих помогли изучить более широкие и, вероятно, более фундаментальные части нейронного доступного пространства: зрительную кору, которая занимает примерно одну треть объема мозга и располагается в задней его части; слуховую кору, которая тянется по поверхности мозга над ушами. Вы, возможно, слышали мнение о том, что слепые обладают особенно острым слухом, а у глухих особенно острое зрение – как если бы боги компенсировали им утрату. На самом деле слепые люди не слышат более тихие звуки, а глухие люди не могут замечать минимальные контрасты или видеть в более тусклом свете, тогда как слышащие люди могут. Но кое-что в идее о компенсирующих заменах действительно есть.
У людей, глухих от рождения, объекты периферийного зрения воспринимаются не только зрительной корой, но и слуховой. Позвольте мне это повторить: слуховая кора видит. Это как если бы слуховая кора, устав от вынужденного отсутствия активности, потому что не получала никаких сигналов из ушей, переквалифицировалась и теперь обрабатывает зрительные сигналы. У этого перезонирования есть практические последствия: глухие люди быстрее слышащих замечают и более отчетливо видят движение объектов при помощи периферийного зрения.
Нечто подобное происходит у людей, которые слепы с рождения или с раннего детства. У них, конечно же, не поступают никакие сигналы в зрительную кору, которая, как я упоминал, является большой частью мозга (и, как вы, возможно, думаете, которой мать-природа не позволит пропасть впустую). И она не позволяет. У слепых людей, которые овладели искусством читать с помощью шрифта Брайля, зрительная кора переключила свою деятельность на обработку тактильных сигналов, исходящих от "читающих" пальцев. Это открытие было таким неожиданным, что некоторые наиболее выдающиеся практикующие неврологи отказывались в это верить, рекомендуя журналу "Science", которому те, кто это открытие совершил, передали его на рассмотрение, отклонить статью. В конце концов журнал "Nature", конкурент "Science", опубликовал ее в апреле 1996 года.
Мозг слепых также изменяется. Когда они используют свой периферийный слух – чтобы определить источник звука, к примеру, что удается им, как правило, лучше, чем зрячим людям, – они используют зрительную кору. Их мозг претерпел то, что мы называем компенсирующей реорганизацией. В результате этого зрительная кора стала слышать. И снова Уильям Джеймс подтвердил свою способность к предвидению. За век до этих открытий, в своей книге 1892 года "Психология. Краткий курс", он задавался вопросом, что будет, если нейроны пересекутся внутри мозга. "Мы должны будем услышать молнию и увидеть гром", – предвещал Джеймс основополагающие функциональные изменения в первичной сенсорной коре мозга, которые могли появиться в результате получения опыта. Один из последних примеров того, насколько обширным может оказаться переназначение областей мозга (даже таких базовых, как первичные сенсорные), может
быть таким: слепые люди используют свою зрительную кору, чтобы запоминать слова. Вербальная память не является даже первичной сенсорной способностью, но, когда зрительная кора не призвана выполнять предназначенные функции, она способна переключиться на когнитивную функцию даже более высокого порядка. (Такая активность не происходит в зрительных областях, когда зрячие люди вспоминают списки слов.) А у слепых зрительная кора еще и генерирует глаголы в ответ на существительные (например, "бросать" в ответ на "мяч"). Опять же, она не выполняет подобное у зрячих людей. Способность зрительной коры обрабатывать язык шокировала неврологов.
Чтобы резюмировать, скажу следующее. Самые ранние намеки на то, что мозг может изменяться, присваивая новую функцию области, которая изначально делала что-то другое, появились при исследованиях лабораторных животных и людей, которые были слепыми с рождения. Скептики могли бы (и они это сделали) поспорить, что это отклонения от нормы, что человеческий мозг слишком комплексный и сложный, чтобы быть таким податливым и что изменение при реакции на такие экстремальные условия, как врожденная слепота или глухота, не подразумевает изменений при нормальных обстоятельствах. Только то, что в молодости мозг очень пластичен и способен перестраиваться, чтобы компенсировать отсутствие зрения или слуха, еще не значит, что обычный мозг взрослого человека способен делать то же самое.
В главе 1 я упоминал отличный эксперимент "виртуальный пианист", во время которого Паскаль-Леон и его коллеги обнаружили, что, если человек просто представляет, что играет на пианино, это расширяет область его двигательной коры, отвечающей за движения пальцев. Паскаль-Леон провел другой эксперимент, который добрался до сути возражений о возможности нормального мозга взрослого человека изменяться. Он хотел узнать, могут ли первичные сенсорные области (предположительно связанные так строго и неизменно, насколько это возможно) быть податливыми не только у людей, которые слепы или глухи от рождения (у них подобная пластичность может быть объяснена имеющимся отклонением), но и у зрячих и слышащих людей.
Паскаль-Леон провел опыт, который назвал экспериментом с повязкой на глазах. Он и его коллеги набрали группу здоровых добровольцев, те должны были провести пять дней в безопасной спокойной обстановке в медицинском центре "Beth Israel Deaconess" в Бостоне. Все это время они должны были находиться с завязанными глазами двадцать четыре часа в сутки. До того как надеть повязки (которые были оснащены фотопленкой по нижнему краю, чтобы, если доброволец тайком ее поднимет, пленка засветилась и его выдала), добровольцы подвергались ФМРТ-сканированию, чтобы задокументировать шаблоны активности их мозга. Все прошло, как и ожидалось: когда доброволец смотрел на что-то, активность в его зрительной коре возрастала, а когда он слышал звук или к чему-нибудь прикасался, возрастала активность в слуховой коре.
Затем добровольцы провели пять дней с завязанными глазами. Чтобы они не умерли от скуки, ученые предложили им проводить время за двумя усиливающими чувствительность занятиями: обучением шрифту Брайля и улучшением настройки слуха. Шрифт Брайля, как вы помните, состоит из узора выпуклых точек, по которым вы пробегаете кончиками "читающих" пальцев (обычно один или оба указательных пальца), давая им интенсивную тактильную нагрузку. В задании для слуха доброволец слышал пару звуков через наушники и должен был определить, какой из них выше. Это довольно легко сделать, когда один звук как баритон, а второй как сопрано, но гораздо тяжелее, когда звуки имеют близкую частоту. После пяти дней таких упражнений без визуальной входящей информации для глаз и зрительной коры испытуемые снова проходили МРТ-сканирование.
На этот раз, если добровольцы что-либо чувствовали своими пальцами, активность в их зрительной коре возрастала. Когда они что-то слышали, активность в их зрительной коре также возрастала. Зрительная кора должна иметь дело только со зрением, но после всего лишь пяти дней необычных сенсорных условий – ничего не видеть, но подвергаться интенсивной слуховой и тактильной стимуляции – предположительно неизменно связанная со своими функциями зрительная кора переключилась на другую деятельность, обрабатывая звуки и прикосновения. Это показало, что такая радикальная смена функции может проявляться не только у людей, которые слепы с рождения (у них это можно списать на несоответствие здоровому мозгу или на то, что для такого развития потребовались десятилетия), но также у людей с нормальным зрением – ив течение всего лишь пяти дней. Если зрительная кора, которая кажется чем-то наиболее строго установленным из всех частей мозга, может так быстро изменять свои функции в результате сенсорного ввода данных и сенсорной депривации, значит, действительно пришло время задаться вопросом: так уж ли многое в мозге на самом деле фиксировано и неизменно?
По всей вероятности, зрительная кора не создает новых соединений с ушами и пальцами. Пяти дней для этого недостаточно. Паскаль-Леон предполагал, что, напротив, "какие-то рудиментарные соединения соматосенсорной и слуховой коры со зрительной уже должны были присутствовать". Они, возможно, остались от периода развития мозга, когда нейроны глаз, ушей и пальцев соединялись с большим количеством областей коры, чем предполагалось. Когда поступление информации из сетчатки в зрительную кору прекратилось из-за слепоты, были обнаружены другие сенсорные соединения. Даже нейронные связи, в которых не было движения в течение десятилетий, могут снова начать проводить сигналы.
Нейропластичность в больнице
Осознание того, что чувственный опыт способен изменить соединения в мозге, повлекло за собой важные реальные последствия. Облава по поводу обезьян из Сильвер-Спринг стоила Эдварду Таубу нескольких лет работы, когда он боролся с гражданскими и уголовными обвинениями, но в итоге вернулся к исследованию. И хотя ученый был поставлен к позорному столбу за плохое обращение с обезьянами, он настаивал, что все его действия были совершены с намерением помочь парализованным людям. К 90-м годам он вполне выполнил свое обещание, освоив силу нейропластичности, обнаруженной у обезьян (чьи области мозга были "переназначены", чтобы справиться с новой работой), чтобы разработать терапию, которая помогла многочисленным парализованным пациентам снова начать двигаться. Исходя из открытия, что область мозга у обезьян может выполнять новую функцию, Тауб сделал следующий вывод: люди, у которых паралич повредил одну область мозга, способны натренировать его здоровую часть, чтобы та приняла на себя функции поврежденной.
Он назвал этот способ лечения терапией движением, индуцированным ограничением. Я проиллюстрирую, как это работает, на примере человека, у которого паралич повредил область двигательной коры, оставив одну руку парализованной. Тауб на четырнадцать дней поместил здоровую руку пациента в перевязь и ладонь – в специальную рукавицу на девяносто процентов времени бодрствования. Таким образом у человека не было выбора – он должен был пытаться использовать парализованную руку в повседневной жизни и в реабилитационных упражнениях, которые разработал Тауб. Упражнения по шесть часов в день в течение двух недель включали в себя интенсивное использование парализованной руки, которая на самом деле могла слегка функционировать. Пациент играл в домино, держал карточки, чашки и столовые приборы, брал сэндвичи, вставлял колышки в отверстия – не так уж и хорошо, не быстро, часто неудачно (по крайней мере поначалу). Но в результате подобных длительных занятий большинство пациентов значительно продвинулись и во многом сумели восстановить подвижность своей "бесполезной" руки. Они смогли сами одеваться, есть, брать предметы, умело выполняя почти в два раза больше повседневных дел, чем парализованные пациенты, которые не проходили терапию движением, индуцированным ограничением. И эти улучшения проявились не только у недавних жертв паралича. Даже те, кто страдал от него годами, начав терапию, добились неплохих результатов – смогли чистить зубы, причесываться, пользоваться вилкой, пить из стакана и тому подобное.
Создание изображения мозга открыло причину этого успеха. Тауб обнаружил то, что он назвал "обширной, зависящей от использования реорганизацией мозга, при которой привлекаются к участию его существенные новые участки", чтобы взять на себя функцию области, которая была повреждена параличом. "Область, ответственная за производство движений пострадавшей руки, практически удваивается в размерах, а части мозга, которые обычно не задействованы, области, прилегающие к зоне инфаркта, привлекаются к участию", – отметил Тауб. Впервые эксперимент продемонстрировал перенастройку мозга в результате физической терапии после паралича.