Коннектом. Как мозг делает нас тем, что мы есть - Себастьян Сеунг

Само понятие об участке мозга, выполняющем определенную функцию, основано на эмпирических фактах. Путем измерения нервных импульсов удается показать, что нейроны головного мозга, расположенные поблизости друг от друга (мы имеем в виду соседствующие тела клеток), склонны обладать сходными функциями. Можно представить себе иной тип мозга, где нейроны хаотически разбросаны вне всякой связи с их функциями. Такой мозг бессмысленно разделять на участки.

Но почему нейроны на одном и том же участке обычно имеют похожие функции? Одна из причин – в том, что большинство связей в мозгу осуществляется между близлежащими нейронами. А значит, нейроны данного участка «прислушиваются» главным образом друг к другу, поэтому логично предположить, что у них сходные функции – точно так же, как мы ожидаем меньшего разнообразия мнений в относительно замкнутой группе людей. Но это лишь часть истории.

В мозгу есть и кое-какие связи между отдаленными нейронами. Собственно, нейроны того или иного участка «слушают» не только соседей, но и своих собратьев из других полей мозга. Могут ли эти далекие источники нервных импульсов стать причиной усиления разнообразия? Могли бы, но только если бы они были распределены по всему мозгу. На самом же деле такие источники обычно сосредоточены лишь в ограниченном количестве участков мозга. Вернемся к нашей социальной аналогии и сравним участок мозга с группой людей, которая немного прислушивается к окружающему миру, но лишь посредством чтения газет и просмотра телепрограмм, причем все члены сообщества читают одни и те же газеты и смотрят одни и те же передачи. Такие внешние влияния окажутся чересчур скудными, они тоже не приведут к росту разнообразия (мнений ли, нейронных ли связей).

Почему дальние связи ограничены таким образом? Наверняка дело в организации «подключения проводов» в мозгу (его «монтажной схеме»). В большинстве парных участков мозга не хватает аксонов между половинками пары, так что у их нейронов просто нет возможности завязать контакты друг с другом. Иными словами, каждый участок мозга подключен к ограниченному набору участков-источников и участков-«мишеней». Этот набор именуют «коннекционным отпечатком», поскольку он, судя по всему, уникален для каждого участка мозга. Такой отпечаток часто несет в себе массу ценной информации касательно функций данного участка. Например, причина того, что бродмановское поле 3 передает тактильные ощущения (об этой функции я писал ранее), состоит в том, что эта область подключена к нервным путям, проводящим сигналы прикосновения, температуры и боли от спинного мозга к головному. Аналогичным образом причина того, что бродмановское поле 4 контролирует движения, состоит в том, что эта область направляет много аксонов в спинной мозг, который, в свою очередь, подключен к мышцам нашего тела.

Из этих примеров как будто следует, что функция того или иного участка мозга сильно зависит от его подключения к другим участкам. Если это так, сдвиги в подключении должны приводить к изменению функции. Не мешает отметить, что этот принцип был продемонстрирован путем переподключения слуховой области коры так, чтобы она выполняла роль зрительной. Первый шаг на этом пути сделал в 1973 году Джеральд Шнайдер, разработавший оригинальный метод изменения маршрутов аксонов, растущих в головном мозге новорожденных хомячков. Намеренно повреждая определенные участки мозга, он направлял аксоны сетчатки в сторону от их обычной цели (зрительного нерва) к альтернативному пункту назначения – слуховому нерву. В итоге визуальные сигналы направлялись в ту кортикальную область, которая обычно отвечает за слуховое восприятие.

Функциональные следствия такого переподключения исследовали уже в 1990-е годы Мриганка Сур и ее сотрудники. Воспроизведя опыты Шнайдера на хорьках, они показали, что нейроны слуховой коры в таком случае начинают откликаться на визуальные раздражители. Более того, хорьки сохраняют способность видеть даже после того, как их зрительная кора «отключена», – вероятно, задействуя кору слуховую. Оба этих доказательства указывают на то, что слуховая кора изменила свою функцию, как бы став зрительной. Подобная «кроссмодальная» пластичность наблюдается и у людей. Например, если человек с ранних лет слеп, его зрительная кора активируется, когда он читает шрифт Брайля кончиками пальцев.

Такие наблюдения согласуются с доктриной Лешли об эквипотенциальности, однако здесь есть важная оговорка. Та или иная кортикальная область действительно способна научиться выполнять любую функцию, но лишь если у нее уже существует необходимое подключение к другим участкам мозга. Если бы каждый участок коры был подключен ко всем остальным (и ко всем участкам мозга вне коры), эквипотенциальность не требовала бы никаких дополнительных условий. Может быть, мозг стал бы гораздо более «гибким» и устойчивым к повреждениям, если бы «всё было подключено ко всему»? Может, и так. Но тогда он разбух бы до поистине гигантских размеров. Все эти «провода» занимают место, к тому же потребляют энергию. А мозг явно эволюционировал с учетом соображений экономии. Вот почему подключение одного участка мозга к другому весьма избирательно.

Эксперименты Шнайдера и Сур побудили юные мозги изменить схему подключения. А как насчет зрелого мозга? Если подключения между различными участками мозга становятся фиксированными во взрослые годы, то это должно ограничивать возможности изменений. И наоборот: если взрослый мозг способен переподключаться, у него больше шансов для восстановления после травм и болезней. Вот почему исследователи так хотят узнать, возможно ли переподключение в зрелом возрасте. А если возможно, то нельзя ли найти методы лечения, которые будут этому способствовать?

В 1970 году в поле зрения лос-анджелесских соцработников попала одна тринадцатилетняя девочка – немая, встревоженная, с большим отставанием в развитии. Джени (это псевдоним) стала жертвой чрезвычайно жестокого обращения. Всю свою недолгую жизнь она провела в изоляции: отец девочки держал ее в одной комнате и даже иногда связывал – чтобы не убежала. Узнав о Джени, общественность прониклась к ней сочувствием. Врачи и ученые надеялись, что она сумеет оправиться от физических и психических травм детства. Они решили помочь ей освоить язык и другие навыки социального поведения.

В том же году вышел фильм Франсуа Трюффо «Дикий ребенок» – о «маугли» из Аверона. Мальчика, названного Виктором, нашли примерно в 1800 году, он бродил, голый и одинокий, по лесам Франции. Делались попытки приобщить его к цивилизации, но он лишь научился произносить несколько слов. История сохранила и другие примеры «маленьких дикарей», выросших без человеческой любви и заботы. Ни один такой ребенок так и не научился говорить.

Подобные случаи показывают: по всей вероятности, существует некий критический период освоения языка и приобретения иных социальных навыков. Если «дикий ребенок» лишен возможности учиться в этот период, позже он, скорее всего, уже никогда не овладеет соответствующими навыками. Образно говоря, дверь в обучение остается открытой, пока идет критический период, а затем она захлопывается и запирается на замок. Правдоподобная трактовка, однако о детях-дикарях известно слишком мало, чтобы эту версию можно было считать доказательной с научной точки зрения.

Когда нашли Джени, ученые рассчитывали, что ее случай может опровергнуть гипотезу о критическом периоде. Они решили изучать Джени в процессе ее реабилитации. Девочка достигла обнадеживающих результатов в освоении языка, но в конце концов финансирование этих работ иссякло. И тогда жизнь Джени совершила трагический поворот. Ей пришлось сменить несколько приютов, и ее умственные способности, судя по всему, деградировали.

Эти исследования уже завершались, когда в научных журналах появились статьи, где сообщалось, что Джени по-прежнему выучивает новые слова, но синтаксис дается ей с трудом. Судя по научно-популярным работам о ней, появившимся позже, ученых это обескуражило: они предрекали, что она никогда не научится правильно строить фразу. Мы не узнаем, продвинулась бы Джени по этому пути дальше или нет. Ее случай дает кое-какие свидетельства в пользу существования критического периода для успешного освоения языка, однако трудно делать четкие научные выводы на основании этой истории, сколь бы грустной и трогательной она ни была.

Окулисты постоянно сталкиваются с менее угнетающими формами неполноценности, связанной с нехваткой нужных раздражителей. Ослабление зрения для одного глаза часто проходит незамеченным, если другой глаз по-прежнему видит нормально. Очки или удаление катаракты легко позволяют скорректировать проблему, связанную с одним глазом. Однако пациент, возможно, все равно не будет нормально видеть этим глазом или же будет страдать стереослепотой, поскольку у него что-то не так в мозгу. (Может быть, вы надевали 3D-очки в кино. Они создают ощущение глубины, посылая в ваши глаза чуть-чуть отличающиеся друг от друга картинки. Стереослепотой называется расстройство зрения, при котором человек не способен в таких случаях воспринимать трехмерное изображение.) Специалисты называют это отклонение амблиопией («ленивым глазом», «затуманенным зрением»), однако здесь повинен не только глаз, но и мозг.