Вслед за Скиннером и Павловым плеяда физиологов ринулась искать те нервные клетки, которые отвечают за обучение. И их нашли!
Мы с вами уже выяснили, что часть клеток в организме человека знает о своей будущей функции изначально. Но есть и другие клетки, специализация которых определяется чуть позже, по результатам опыта конкретного человека.
Для формирования каждого навыка у нас есть физиологические окна возможностейпериоды времени, когда области мозга наиболее восприимчивы к тем или иным стимулам. В один из таких критических периодов и развивается способность нервных клеток зрительной коры хорошо распознавать образ (частично это задано генетикой). Известно, что при рождении у ребенка уже есть предрасположенность в первичной зрительной коре отображать воспринимаемый образ. Наиболее активный рост первичных и вторичных областей зрительной коры происходит до трех лет.
В 2011 году Синдзи Нишимото с коллегами с помощью функциональной МРТ (фМРТ) смогли продемонстрировали, как зрительная кора «видит» различные изображения. Исследователи, конечно, видели не точное отображение объекта, а подобие его силуэта, собранного из совокупности активированных клеток.
Таким образом, по активности мозга можно понять, что видит человек в тот или иной момент.
В действительности исследователи показывали не статичные изображения, а кадры фильмов в динамике, наблюдая при этом изменяющуюся активность.
Тут стоит сделать оговорку. Подобный способ визуализации не является технологией «чтения мыслей». Дело в том, что декодировать сложные комплексные функции (такие как наша речь, мыслительные акты) невероятно сложно. И вот почему.
Природа наделила нас возможностью развивать вторую сигнальную систему (по И. П. Павлову). Эта система называется речевой. Вообще, чтобы подумать о чем-то, нужно сначала назвать это, придумать/подобрать слово. Чтобы сформулировать мысль, нужно скомбинировать слова. Чтобы лучше понять процессы сборки мозгом целостных образов, давайте коротко рассмотрим, как устроены механизмы восприятия и усвоения новых слов.
Наш мозг поделен на огромное количество функциональных областей, но все они работают как единая система. У нас есть первичные области коры, которые воспринимают только один вид информации, например зрительный образ. Есть вторичные и третичные области, они обобщают несколько параметров стимулов. Третичные области называют также ассоциативными: внутри них смешиваются сигналы первичных и вторичных областей (происходит ассоциирование). А это уже позволяет собрать в конечном итоге некий целостный образ. Представляете, как сложно!
Иными словами, в третичных областях коры есть клетки, которые могут ассоциировать друг с другом сигналы, идущие от разных органов восприятия. Эти клетки собирают информацию от слуховых зон, зрительных областей, обонятельной системы.
Поскольку в детстве родители кодировали информацию словами, мы научились сопоставлять с ними образы. К примеру, нам показывают игрушку и называют ее («этомашинка»). В затылочных областях коры (восприятие зрения) активизируются клетки для распознавания образа игрушки. В височных областях коры (восприятие слуха) клетки, реагирующие на звуковой стимул (в нашем случаеназвание игрушки). В ассоциативных областях сопоставляются разные параметры стимула, и так мы получаем общий образ игрушечной машинки, соответствующий определенному внешнему виду, тактильным ощущениям от него, слову «машинка», его звучанию и так далее. Под это дело даже формируется «речевой» нейрон.
По сути, мозг обучается новым словам, используя все те же условные рефлексы, только вместо колокольчика и еды у насзрительные образы сложных условно-рефлекторных комплексов. Морковьоранжевая. Зайчикс двумя ушками. Чем больше ассоциированных повторений, тем прочнее формируется сеть из связанных клеток в мозге. То есть чем чаще мама говорила вам «смотри, это морковь, она оранжевая», тем крепче это оседало в мозге.
Важно понимать, что любой опыт в некотором смысле «перепаивает» наши связи. Мозг очень пластичен, он, как мягкая глина, подстраивается под среду (оставляя на себе ее отпечатки). Даже читая этот текст, вы перестраиваете связи между клетками мозга.
Более того, в ассоциативных областях коры формируется универсальный способ распознавания образов по ключевым элементам. В детстве мы видели игрушечного зайчика с серыми ушами, в документальных фильмах о природенастоящего зайца. А еще нам достаточно показать два пальца (имитирующих уши зайца), и мы распознаем привычный с детства образ. Для ассоциативной коры длинные уши и являются этим самым ключевым стимулом. В мозге формируется связанная группа клеток (с контрольным центром в ассоциативной коре), которая реагирует на любые типы зайцев. Вот так клетки и работают в ансамбле.
Для того чтобы закрепить понимание того, как функционирует эта данная физиологическая схема, давайте рассмотрим пример поинтереснее. Многие из нас любят пить кофе. И сейчас читатели наверняка ощутили в своем воображении аромат этого напитка. Ассоциативные области собирают информацию из разных отделов мозга. Именно поэтому рисунок чашки с кофе или само слово «кофе» ассоциируются с конкретным ароматом. Запах мы на самом деле не чувствуем, но «речевой» нейрон (при слове «кофе») начинает автоматически привлекать из памяти информацию, связанную с работой обонятельной системы. Это крайне упрощенная схема, но работает все приблизительно так.
Логичным образом возникает вопрос: как мозг отличает реальный запах кофе от воображаемого?
Здесь ситуация чуть сложнее, но полагают, что сигнал подавляется, так как не стимулируются сенсорные системы. Химические раздражители (в виде молекул кофеина) не попадают на обонятельные рецепторы, и мозг не получает от них сигнал. Ассоциативные нейроны коры просто извлекают информацию из памяти. Это позволяет не превращать работу мозга в полную мешанину.
А вот во сне или в случае галлюцинаций торможение информации, приходящей от сенсорных систем, отключается, поэтому мы видим, слышим и чувствуем то, чего нет.
Физиологи в связи с этим любят вспоминать слова великого И. М. Сеченова, который писал:
Нет никакой разницы в процессах, обеспечивающих в мозгу реальные события, их последствия или воспоминания о них.
Мы рассмотрели нейрофизиологическую парадигму доминант, которая сформировалась на рубеже XIXXX столетий. В действительности «учение о доминанте» А. А. Ухтомского не только не потеряло актуальности, но и продолжает развиваться сегодня (хотя и в более современных интерпретациях).
Далее в этой книге мы рассмотрим еще несколько парадигм, чтобы сформировать представление о том, как ученые видят мозг сегодня.
Выбывает тот, кто не успел включиться в работу
На протяжении большей части своей истории нейронаука придерживалась догмы, что взрослый мозг остается неизменным до старости. Нейробиологи считали, что человек может только терять нервные клетки, но не приобретать их. Однако что думает об этом современная наука?
Чтобы разобраться в этом вопросе, необходимо заглянуть в историю развития нервных клеток мозга.
Головной мозг человеческого эмбриона формируется из нескольких мозговых пузырей, которые образуются в результате деления и перемещения нейронов. У нейронов головного мозга обычно один длинный и множество коротких отростков. Если посмотреть на нейроны в микроскоп, мы увидим, что они напоминают скопления звезд (рис. 2 и рис. 3).
В развитии мозга есть этапы, когда скорость образования клеток достигает 250 тысяч новых нейронов в минуту, то есть 15 миллионов в час. Каждую неделю прибывают миллиарды новых нейронов. Но в какой-то момент создается поистине драматическая ситуация: нейроны внезапно начинают гибнуть с колоссальной скоростью (до нескольких миллионов в час!).
На некоторое время процесс гибели клеток мозга останавливается, а затем запускается вновь. Нейробиологи называют это явление двумя великими волнами гибели нейронов в развивающемся мозге.
Рис. 2. Окрашенные нейроны, световая микроскопия
Рис. 3. Окрашенные нейроны, флуоресцентная микроскопия
Более 50 % клеток мозга гибнут еще до рождения ребенка. Благодаря современным исследованиям Сузаны Эркулано-Оузель, мы знаем, что в мозге взрослого человека находится порядка 86 миллиардов нервных клеток. Получается, что в процессе развития плода гибнет более 90 миллиардов нейронов. Только вдумайтесь в эту цифру!
Долгое время было непонятно, почему так происходит. Нам же так нужны клетки, а они вдруг гибнут отчего-то.
В результате серии исследований с применением методов молекулярно-клеточной нейробиологии удалось выяснить, что каждый нейрон должен устанавливать контакты с другими клетками. Если нейрон мозга за отведенный ему срок не сумел установить контакт ни с одной другой клеткой, он втягивает все свои отростки обратно и умирает. В нем буквально активируется программа самоуничтожения, называемая апоптозом.
Открытие потрясло ученых. Зачем уничтожать здоровые клетки миллиардами? Многие пытались объяснить логику поведения клеток. Для ученых, исследовавших сей феномен, открытие было вдвойне пугающим, поскольку считалось, что новым нейронам взяться просто неоткуда.
Лишь к началу 2000-х годов, после детального изучения нескольких тысяч срезов мозга, ряду исследователей удалось сформулировать объяснение этого феномена.
Первая волна гибели клеток связана с тем, что нервная система просто формирует свой размер. Иными словами, чтобы мозг не получился слишком большим и неудобным.
В результате исследований мозга зародышей животных выяснилось, что в утробе среда постепенно берет верх над генетическими программами. Природа «получает сигналы» о том, какие изменения необходимо внести в зависимости от происходящих событий. Любой внешний фактор, действующий на плод, может оказывать воздействие на развитие его нервной системы. Мозг пластично перестраивается под воздействием среды, он адаптируется, готовится к вылазке длиною в жизнь. Факторы могут влиять как на протекание тонких биохимических процессов в мозге, так и на развитие целых структур.
О второй волне гибели клеток речь пойдет чуть позже.
Разлука с матерью приводит к нарушениям в мозге
Беременность может сопровождаться воздействием неблагоприятных факторов. Доказано, например, что, если во время беременности женщина пребывает в состоянии стресса, это может сказаться на закладке структур гипоталамуса. Что в свою очередь уже может повлиять на мотивационное поведение, работу центров голода и жажды, центров полового поведения.
Немного истории вопроса. В 1989 году в результате народного восстания в Бухаресте произошла антикоммунистическая революция. В стране началась суматоха. Некоторым родителям пришлось отдать своих детей в детские дома. Причем либо сразу после рождения, либо в раннем возрасте.
Чуть позднее в Румынии проводились широкомасштабные исследования последствий пребывания ребенка в детском доме. Это очень известные работы. Возможно, многие из вас о них читали. Но коротко расскажу самую суть. На протяжении 12 лет исследователи наблюдали за 136 сиро-тами, одну половину из них поместили в семьи, а другуюоставили в детском доме.
Изначально состояние здоровья малышей из обеих групп было примерно одинаковым. И в семьях, и в детских домах исследователи поддерживали схожий уровень финансового благополучия. Но каким-то неясным образом в мозгу детей, оставшихся в детских домах, через восемь лет наблюдений оказалось в несколько раз меньше белого вещества (нервных волокон, проводящих сигналы между участками мозга), чем у тех, кто жил в семьях.
Нехватка белого вещества приводила к возникновению неврологических и психиатрических расстройств, в число которых входила даже шизофрения.
Исследователи предположили, что раз у детей изначально был примерно одинаковый уровень здоровья, значит, сработали какие-то факторы внешней среды.
Но реальность оказалась куда страшнее. Выяснилось, что недостаток внимания к детям со стороны матери (или других близких) в первые полтора-два года вызывает изменения в работе генов.
По одной из теорий, родитель и ребенокэто одна психофизиологическая система (до 12 лет!). Они соединены друг с другом связью, которую обеспечивает гормон окситоцин. Чем чаще мать прикасается к ребенку, поглаживает его, обнимает, тем больше окситоцина вырабатывается в его организме (да и в организме матери тоже). Окситоцин еще называют гормоном дружелюбия.
Но если этого не происходит, если ребенок остается без должного внимания, запускаются биохимические механизмы, которые могут исказить работу генов или просто выключить часть из них. Ничего себе история, не правда ли?
В более поздних исследованиях было доказано, что в подобных ситуациях у детей также чаще развивалась депрессия.
И тут возникает еще один хороший вопрос: получается, что характер ребенкаэто гены, на которые влияет среда?
Канадский биолог Майкл Мини изучал, насколько сильно влияет материнская забота на развитие детенышей грызунов в первые недели с момента рождения. Так же, как и в исследовании с детским домом, часть крысят ученый забрал от матери. В норме мать-крыса вылизывает своих детенышей, почесывает, часто их касается. И лишившись такой заботы, крысята вырастали «ненормальными». Мы бы сказали «психически неуравновешенными». Они становились нервными, агрессивными и боязливыми (прятались в самые темные углы).
Все детеныши, получавшие материнскую заботу, развивались как и положено крысам. Они шли на контакт с сородичами, были энергичными, хорошо обучались и справлялись с заданиями. Что же случилось? Почему материнская забота оказала столь сильное воздействие на крысят?
Выяснилось, что у получивших заботу крыс лучше развилась область мозга под названием гиппокамп (она связана с запоминанием информации). Исследуя крыс, не получивших материнской заботы, ученые обнаружили, что внутри ДНК некоторых клеток произошли негативные изменения (в результате химических перестроек часть генов просто были выключены). По этой причине в гиппокампе уменьшилось количество рецепторов, восприимчивых к стрессовым гормонам. Из-за этого нервная система уже не могла адекватно реагировать на внешние раздражители. Иными словами, ситуации, в которых обычные крысы вели себя спокойно, вызывали у потомства, лишенного заботы, неадекватно сильный стресс.
Таким образом, механизм имеет чудовищно материалистическую природу. Только вдумайтесь: не заботимся о потомствеи на ДНК садятся молекулы, блокирующие определенные гены! И мы сразу получаем проблемы с психикой.
Как оказалось, все описанное выше применимо и к человеку. Если в первые месяцы жизни дети лишались родительской заботы или подвергались насилию, они вырастали с какими-либо нарушениями в работе нервной системы. Более того, это формировало склонность к алкоголизму, наркомании, суицидам в их дальнейшей жизни.
У многих детей стрессы в раннем дошкольном возрасте могут быть вызваны болезнями (простудами, краснухой и так далее), режущимися зубами, даже кратковременной разлукой с матерью. Существует эволюционная теория, утверждающая, что мы обучаемся быть в стрессе с рождения. Потому что только дети, способные привлечь мать плачем, смогут получить должную порцию еды или внимания. Так выходит, что с рождения нас приучают к принципу «чтобы получить внимание или едунадо плакать».
Излишне ранняя разлука с матерью (к примеру, в результате ее ухода из семьи) может служить одной из главных причин развития невроза. Доказано, что многие дети в возрасте от шести месяцев до двух с половиной лет испытывают психологическое беспокойство, если их отдают в ясли. Однако и гиперопека не идет ребенку на пользу: он становится слишком сильно зависим от родителей, что приводит к потере самостоятельности.
Итак, на развитии нашей нервной системы могут сказываться различные факторы. Но приведенные примеры показывают, что одним из ключевых является забота матери, близость с ней.
Вы никогда не задумывались, почему наши с вами головы имеют округлую форму?
Когда этот же вопрос задают студентам первых курсов биологических и медицинских факультетов, ответы получают самые разнообразные.
Например: «потому что это более обтекаемая форма», «с нее лучше соскальзывают капли дождя», «такая форма позволяет вращать головой в разные стороны», «потому что природа любит шарообразные формы». Последний вариант ответа ближе всего к вероятной истине.