ОФК, напротив, теснее связана с частями мозга, управляющими эмоциями, например с теми, что генерируются миндалевидным телом. ОФК развивается в ранние годы жизни и соотносится со структурой под названием «социальный мозг». К чему может привести повреждение ОФК, наглядно продемонстрировал случай Финеаса Гейджа, ставший классическим в истории медицины. В результате несчастного случая на работе Гейдж получил тяжелую травму головного мозга: металлический прут вошел в череп ниже левой глазницы, повредив ОФК, но не задев остальных частей мозга. У Гейджа сохранились когнитивные способности, но он практически утратил способность контролировать импульсивное поведение. До несчастного случая Гейдж был бригадиром и пользовался большим уважением коллег и друзей за свою рассудительность и сдержанность, но после травмы его эмоциональное состояние отличалось крайней нестабильностью. Он стал грубым и вспыльчивым, тяжелым в общении. В конце концов Гейдж был вынужден уйти с работы и выступать в цирке в шоу уродов. Умер Гейдж в нищете в Сан-Франциско через 20 лет после травмы. Его череп в настоящее время хранится в анатомическом музее Медицинской школы Гарвардского университета.
Активному развитию ОФК способствует установление социальных связей. Если социальные связи носят доверительный и поддерживающий характер, ОФК успешнее справляется с управлением эмоциями. В отличие от ДЛПК, ОФК не подвержена значительным возрастным изменениям. В зрелом возрасте люди запоминают лица ничуть не хуже, чем в молодости.
Наконец, есть различия в функциях префронтальной коры лобных долей правого и левого полушарий. Правая ПК отвечает за развитие интуиции и обеспечивает общее понимание ситуации. Она управляет процессом планирования, движения к поставленной цели и помогает понимать метафоры. Когда вы слышите, как кто-то говорит: «Майкл Фелпс – настоящая рыба», именно правая ПК позволяет вам понять, что имеет в виду собеседник, давая подобную характеристику легендарному олимпийскому чемпиону по плаванию. В то время как левая ПК отвечает за концентрацию на деталях конкретного события, например сколько очков команда заработала во второй половине игры в американский футбол.
Нейроны и их связные
Все эти доли мозга, полушария и области состоят из миллиардов нейронов, стремящихся к активации. Если нейронные связи не работают, они отмирают. Каждый нейрон способен к установлению связей с примерно десятью тысячами других нейронов. Взаимосвязи между нейронами меняются по мере того, как человек получает новые знания, будь то новая подача в большом теннисе, изучение иностранного языка или выкладка продуктов в незнакомом супермаркете.
Функция нейронов заключается в передаче электрохимического импульса по принципу обычного электрического выключателя. В нейронах производятся особые химические вещества – нейромедиаторы, – передающиеся в качестве сообщения другим нейронам посредством своеобразного контакта – синапса. Таким образом один нейрон способен активировать другой нейрон. Всего существует более 60 видов нейромедиаторов. Некоторые из них вызывают эмоциональное возбуждение, а некоторые оказывают успокаивающее действие. Существуют различные формы и размеры синапсов: форма и размер отдельного синапса изменяются, когда человек получает новую информацию. 80 % всех импульсов в головном мозге стимулируются двумя нейромедиаторами: глутаминовой кислотой, являющейся одним из важных представителей класса «возбуждающих аминокислот», и гамма-аминомасляной кислотой (ГАМК), выполняющей в организме функцию ингибирующего медиатора[3] центральной нервной системы. Глутаминовая кислота – это «рабочая лошадка» головного мозга. Когда она передает импульс между нейронами, не имевшими ранее связи, то стимулирует дальнейшую активность между ними. Чем чаще активируется эта нейронная связь, тем крепче она становится. Гамма-аминомасляная кислота, напротив, снимает возбуждение и оказывает успокаивающее действие. На ее производство направлено воздействие таких лекарственных препаратов, как «Валиум» или «Ативан», которые обычно выписывают для снятия тревожности. В организме должен быть оптимальный уровень ГАМК, чтобы человек не испытывал тревожности и напряжения, но для этого необязательно прибегать к использованию названных медикаментов (подробнее см. главу 6).
Хотя глутаминовая кислота и ГАМК являются основными нейромедиаторами, помимо них существует еще с десяток других нейромедиаторов, также играющих важную роль в функциях головного мозга. Они отвечают лишь за какую-то часть активности между нейронами, но тем не менее оказывают сильное влияние на эти нейроны. Такие нейромедиаторы активно изучают, и многие лекарственные препараты были созданы, чтобы воздействовать именно на них.
К трем наиболее подробно изученным нейромедиаторам относятся серотонин, норадреналин и дофамин. Иногда их также называют нейромодуляторами, так как они изменяют чувствительность рецепторов, повышают активность нейрона или стимулируют нейрон к производству большего количества глутаминовой кислоты. Они также помогают снизить уровень «шума», подавляя другие сигналы, поступающие в синапс. Но иногда они, напротив, повышают интенсивность других сигналов. Эти три нейромедиатора или действуют напрямую, как глутаминовая кислота и ГАМК, или регулируют информационный поток, который обрабатывается в синапсах.
Серотонин привлек общественное внимание из-за широкого распространения некоторых антидепрессантов. Серотонин играет важную роль в механизмах эмоциональной регуляции. Низкий уровень серотонина вызывает тревожность, депрессию и даже способен привести к развитию обсессивно-компульсивного расстройства.
Серотонин сравним с регулировщиком дорожного движения: он помогает контролировать процесс активности головного мозга. Довольно часто от людей, принимающих антидепрессанты, можно услышать что-то вроде: «Меня перестали раздражать очень многие вещи». Однако у этой медали есть и оборотная сторона: обычно под воздействием подобных препаратов у людей настолько снижается порог эмоциональной реакции, что они говорят: «Я знаю, что раньше я был бы поражен красотой этого заката, но сейчас подобные вещи меня не трогают».
Норадреналин стимулирует внимание. Он усиливает сигналы, воздействующие на восприятие, возбуждение и мотивацию. Как и серотонин, норадреналин связан с управлением эмоциональным состоянием и депрессией. На выработку норадреналина в организме направлено воздействие некоторых антидепрессантов.
Дофамин усиливает и фокусирует внимание. Он служит частью «системы вознаграждения» мозга и является одним из основных нейромедиаторов, вызывающих чувство удовольствия, чем влияет на процессы мотивации и обучения. Когда человек испытывает удовольствие, дофамин активизирует область, известную как «центр подкрепления», или «центр удовольствия». Аналогичным образом активация этой области происходит и при употреблении наркотиков, во время азартных игр и при других типах зависимостей. При частой активации этой области мозга становится трудно прекратить совершать действия, ведущие к ее возбуждению. Лекарственные препараты, стимулирующие выработку дофамина, как правило, назначаются пациентам с синдромом дефицита внимания при гиперактивности (СДВГ). У людей, принимающих подобные препараты (обычно их назначают детям и подросткам), отмечается повышение концентрации внимания и снижение тревожности.
Нейроны, которые вместе активируются, формируют связи
За последние 20 лет было получено множество подтверждений возможности изменения силы синапса. Эта возможность лежит в основе механизма синаптической пластичности, или нейропластичности. Синаптическая связь между нейронами способна меняться.
Синаптическая пластичность считается основным механизмом, с помощью которого реализуется феномен памяти. Вопросу улучшения памяти в этой книге посвящена глава 4. Сейчас отметим только тот факт, что при запоминании новой информации происходит изменение синаптических связей. Мозг был бы просто неспособен фиксировать новое, если бы его структура сохранялась неизменной. Таким образом, запоминание нового – это перенастройка мозга. Когда возникают связи между идеями и образами, также создаются и связи между нейронами, кодирующими информацию об этих идеях и образах.
Явление нейропластичности выражается в следующей фразе: «Используй, или потеряешь». Использование нейронных связей, представляющих определенный навык, приводит к их укреплению. Если же навык не задействован, то нейронные связи ослабевают. Похожим образом снижается мышечная сила, если прекратить регулярные физические упражнения.
Явление нейропластичности выражается в следующей фразе: «Используй, или потеряешь». Использование нейронных связей, представляющих определенный навык, приводит к их укреплению. Если же навык не задействован, то нейронные связи ослабевают. Похожим образом снижается мышечная сила, если прекратить регулярные физические упражнения.
«Нейроны, активирующиеся вместе, формируют связи» – вот удачное описание того, как меняется структура мозга под влиянием нового опыта. Чем чаще вы повторяете определенное действие (например, произносите слова с акцентом или вспоминаете какое-то событие из своего прошлого), тем прочнее становится нейронная связь между клетками мозга, которые совместно активировались для осуществления этого действия. Чем чаще активируется нейронная связь, тем выше вероятность активации этих нейронов в будущем.
Аналогично тому как эта фраза стала практически мантрой в нейрофизиологии, верно и противоположное утверждение: «Нейроны, активирующиеся по отдельности, не формируют связь». Это значит, что между нейронами, которые не синхронизированы, нейронная связь не образуется. Этот принцип функций нейронов объясняет механизм забывания.
Иными словами, чем чаще вы что-то делаете, тем выше вероятность, что вы сможете сделать это и в будущем. Именно поэтому бейсболисты не жалеют времени на отработку удара битой, игроки в гольф вновь и вновь выходят на поле, а пианисты практикуются часами. Тот же алгоритм применим и к мыслительному процессу. Чем больше вы думаете о своей тете Матильде, тем чаще ваши мысли будут возвращаться к ней. Повторение перенастраивает мозг и формирует привычку.
При совместной активации нейронов скорость их совместной активации постепенно повышается. Это ведет к увеличению продуктивности, так как с большей точностью определяется число нейронов, необходимых для выполнения определенного навыка. Например, в самом начале процесса обучения езде на велосипеде у новичка задействовано больше мышц, а значит, и больше нейронов, так как он пока только учится координировать движения. В дальнейшем, когда он начинает ездить на велосипеде увереннее и быстрее, ему требуется прилагать меньше мышечных усилий, то есть задействовать меньшее число нейронов. Произошло объединение необходимых нейронов при помощи нейронных связей.
Чем лучше человек осваивает определенный навык, тем больше у него становится участок мозга, отвечающий за выполнение этого навыка. Альваро Паскуаль-Леоне из Медицинской школы Гарвардского университета использовал метод транскраниальной магнитной стимуляции[4] для измерения отдельных участков коры головного мозга. Он исследовал слепых людей, способных читать по системе Брайля, и обнаружил, что карты коры мозга для пальцев, занятых при чтении рельефно-точечного письма, больше, чем карты коры мозга для остальных пальцев, а также для пальцев нормально видящих людей. Иными словами, повышенная чувствительность пальцев, занятых при чтении по системе Брайля, требовала больше пространства в структуре мозга. Таким образом, выученные движения стимулировали процесс нейропластичности, в результате которого в мозге было создано дополнительное пространство для этого навыка.
В еще одном эксперименте, посвященном изучению нейропластичности, участвовали музыканты, играющие на струнных инструментах. Исследователи выясняли, изменилась ли у них структура мозга для выделения дополнительного пространства для их навыка. У музыкантов и не-музыкантов не наблюдалось существенных отличий в том, какой участок сенсомоторной зоны (области в центральной части мозга, отвечающей за движения и физическое восприятие) контролировал пальцы правой руки (у музыкантов-правшей).
При этом наблюдались значительные различия в размере участка мозга, отвечавшего за пальцы левой руки (у музыкантов-правшей). Для игры на струнном музыкальном инструменте пальцы руки со стороны грифа (у правшей – левой) должны быть гибкими и натренированными. Участок коры мозга, контролирующий эти пальцы, был значительно больше у музыкантов, чем у не-музыкантов. Эта разница оказалась еще заметнее у людей, начавших занятия музыкой в возрасте до 12 лет. Хотя нейропластичность, обусловленная выполнением определенного действия, возможна и во взрослом возрасте, она проявляется тем сильнее, чем раньше человек начал играть на музыкальном инструменте и чем дольше он практикуется.
Менять структуру мозга посредством нейропластичности способны не только практические действия, но и одна лишь мысль об этих действиях, их визуализация. Например, ученые продемонстрировали, что простая визуализация игры на пианино стимулирует изменение участка мозга, отвечающего за движение пальцев при настоящей игре на пианино. Таким образом даже мысленная тренировка может способствовать перенастройке мозга.
Механизм нейропластичности
Усиление синаптической передачи между двумя нейронами, сохраняющееся на протяжении длительного времени после воздействия на синаптический проводящий путь, называется долговременной потенциацией (ДВП). В результате этого процесса усиливается нейронная связь между клетками, и они становятся более способными к совместному активизированию в будущем. Таким образом, процесс ДВП относительно длительный.
В результате ДВП происходит усиление сходства между нейронами за счет изменения их электрохимического взаимодействия. На стороне передачи синапса увеличивается количество глутаминовой кислоты (возбуждающего нейромедиатора), вследствие чего на стороне приема происходят такие изменения, чтобы принять большее ее количество. Напряжение на стороне приема в состоянии покоя увеличивается, в результате притягивается больше глутаминовой кислоты. Если синаптическая связь между этими нейронами продолжает сохраняться, в работу вступают гены этих нейронов для создания инфраструктуры и укрепления этой связи.
Одним из наиболее важных элементов процессов нейропластичности и нейрогенеза является нейротрофический фактор мозга (BDNF, от англ. brain-derived neurotrophic factor) белок человека, кодируемый геном BDNF, способствующий росту клеток. BDNF помогает создать, вырастить и сохранить инфраструктуру клеточной сети. Сегодня это одна из наиболее актуальных областей исследования в нейрофизиологии, и более тысячи статей уже написаны об удивительных функциях данного белка. Многие даже называют его «чудом роста», так как при попадании в клетки он стимулирует их рост. Эта способность была наглядно продемонстрирована в эксперименте, в ходе которого исследователи распылили BDNF на нейроны в чашке Петри. И у нейронов появились новые отростки: подобное происходит в мозге в процессе обучения и развития.
Механизм действия BDNF бывает разным. Он может действовать внутри клетки и активировать гены, повышающие выработку белков, серотонина и даже BDNF. Он может присоединяться к рецепторам синапса, стимулируя поток ионов, что ведет к повышению напряжения и усилению способности образовывать синаптические связи между нейронами. В целом BDNF предотвращает отмирание клеток, повышает их жизнеспособность и скорость роста. Активизация BDNF происходит опосредованно с помощью глутаминовой кислоты. BDNF повышает выработку внутренних антиоксидантов и защитных белков, а также стимулирует процесс ДВП, лежащий в основе нейропластичности.
ДВП и BDNF работают в одной связке. Исследователи, изучающие функции мозга у разных животных, продемонстрировали, что стимулирование процесса ДВП посредством обучения способствует повышению уровня BDNF. Когда ученые снизили уровень BDNF, уменьшилась и способность мозга к ДВП.
Использование нейронных связей укрепляет их, а бездействие ослабляет. Старые связи, не поддерживающиеся за счет взаимодействия, распадаются.
Точно так же, как мозгу требуется механизм ДВП, усиливающий нейронные связи, чтобы сохранить способность помнить, ему нужен механизм, обеспечивающий забывание. Процесс, известный как долговременное ослабление, или долговременная депрессия (ДВД), помогает избавиться от вредных привычек. (Обратите внимание, что этот процесс никак не связан с эмоциональным состоянием под названием «депрессия».) Процесс ДВД способствует ослаблению нейронных связей, поддерживающих старые привычки. Ослабление старых нейронных связей обеспечивает большее количество доступных нейронов для формирования новых нейронных связей с помощью механизма ДВП.
Чтобы понять этот принцип, задумайтесь о том, что наличие у человека акцента зависит от возраста, в котором он учит язык. Если учить язык в возрасте 20–30 лет, скорее всего, у человека будет проявляться акцент, обусловленный влиянием родного языка. Если же учить иностранный язык в возрасте до 10 лет, то акцента может не быть совсем. При изучении иностранного языка во взрослом возрасте в мозге продолжают активироваться те же самые нейронные связи, которые сформировались для произношения определенных звуков, даже когда человек старается произносить другие, хотя и похожие звуки.