Глава 3. Как перестроить свой мозг. Ученый изменяет мозг: улучшение восприятия и памяти, скорости мышления


...

Топографическая организаций карты

Когда мы говорим, что карта мозга организована топографически, мы имеем в виду, что она организована таким же образом, как все тело. Например, наш средний палец расположен между указательным и безымянным. То же самое можно сказать о проекционных зонах мозга: карта для среднего пальца находится между картами для указательного и безымянного пальца. Топографическая организация карты обеспечивает высокую эффективность работы мозга: поскольку те проекционные зоны, которые обычно работают вместе, располагаются на карте близко друг к другу, сигналам не приходится «странствовать» по всему мозгу.

Мерцениху предстояло ответить на вопрос: как подобный топографический порядок возникает на карте мозга?41 Полученный им и его коллегами ответ был поистине гениальным. Топографический порядок появляется из-за того, что многие из наших повседневных видов деятельности предполагают повторение последовательных операций в определенном порядке42. Например, когда мы подбираем предмет размером с яблоко или бейсбольный мяч, мы, как правило, сначала сжимаем его большим и указательным пальцами, а затем обхватываем остальными пальцами, последовательно один за другим. Поскольку большой и указательный пальцы обычно дотрагиваются до предмета практически одновременно, карты для каждого из этих пальцев формируются близко друг к другу. (Нейроны, активирующиеся вместе, связываются друг с другом.) Когда мы продолжаем обхватывать предмет рукой, следующим к нему прикасается средний палец, поэтому его карта располагается рядом с картой указательного пальца и дальше от большого пальца. Итак, мы имеем типичную последовательность хватательного движения — первым большой палец, вторым указательный, третьим средний, — которая повторяется тысячи раз. Подобное повторение ведет к формированию карты мозга, где проекционная зона большого пальца находится рядом с зоной указательного пальца, которая, в свою очередь, располагается рядом с зоной среднего и т. д. Сигналы, поступающие в разное время, например, от большого пальца и мизинца, имеют карты мозга, более отдаленные друг от друга, потому что нейроны, активирующиеся раздельно, не связываются между собой.


41 При создании топографических карт природа осуществляет два преобразования: пространственная организация (пальцев кисти) трансформируется в организованную временную последовательность, которая затем преобразуется в пространственную организацию (пальцев кисти на карте мозга). Яркой демонстрацией возможностей мозга по созданию нового топографического порядка вместо старого может служить история одного пациента из Франции. В 1996 году мужчине из Лиона ампутировали обе кисти, а затем трансплантировали две новые кисти. До трансплантации французские врачи провели функциональную магнитно-резонансную томографию для картирования двигательной коры мужчины, которая, как и ожидалось, показала, что в результате полной утраты входящей информации от кистей рук его мозг создал в их карте аномальную топографию. В 2000 году после трансплантации обеих кистей они составляли карту двигательной коры через два, четыре и шесть месяцев после операции и выяснили, что трансплантированные руки начали «распознаваться и активироваться чувствительной корой», а карта обрела нормальную топографическую организацию. P. Giraux, A. Sirigu, F. Schneider, and J-M. Dubernard. 2001. Cortical reorganization in motor cortex after graft of both hands. Nature Neuroscience, 4(7): 691–92.

42 Выяснив, что карты мозга формируются под влиянием распределения поступающей к ним информации по времени, он тем самым раскрыл загадку своего первого эксперимента, во время которого он перерезал нервы кисти руки обезьяны, и они перемешались — «провода перекрестились», — но при этом у обезьяны остались нормально организованные топографические карты. Даже после перемешивания нервов сигналы от пальцев поступали в фиксированной временной последовательности — большой палец, затем указательный, затем средний, — обеспечивая топографическую организации карт. См. М. М. Merzenich, 2001, 69.


Многие, если не все, карты мозга работают по принципу пространственного объединения событий, происходящих одновременно. Мы уже рассказывали, что карта слуховой коры работает как пианино, картируя области для звуковых сигналов с низким тоном в одном конце и с высоким тоном — в другом. Почему именно в таком порядке? Потому что в природе низкие частоты обычно объединяются друг с другом. Когда мы общаемся с человеком с низким голосом, то слышим, главным образом, звуки с низкой частотой, поэтому они группируются вместе.

Количество переходит в качество

Появление в лаборатории Мерцениха Билла Дженкинса положило начало новому этапу исследований, которые должны были помочь Мерцениху применить свои открытия на практике. Дженкинса, получившего образование в области поведенческой психологии43, больше всего интересовало понимание того, как происходит наше обучение. Он предложил учить животных новым навыкам и наблюдать за тем, как обучение будет влиять на их нейроны и карты мозга.


43 Поведенческая психология, или бихевиоризм (от англ. behavior — поведение). Господствующее направление в западной психологии вплоть до 80-х годов XX в. В основе бихевиоризма лежит теория условных рефлексов И. П. Павлова. Бихевиористы исследуют только внешние «психологические» проявления, т. е. действия, поведение человека или животных (по схеме стимул — реакция), считая, что сами психологические процессы исследовать объективно невозможно. Многие эксперименты «поведенческие психологи» ставят на животных (крысах, собаках и т. п.), смело перенося потом свои выводы на людей. Таким образом, по большому счету, бихевиоризм не является полноценной психологией (отрицая наличие человеческой души и ее сложность). — Прим. ред.


В рамках одного из экспериментов они составили карту сенсорной области коры головного мозга обезьяны. Затем они научили ее прикасаться кончиком пальца к вращающемуся диску, оказывая на него в течение десяти секунд именно то давление, которое было необходимо для получения вознаграждения в виде кусочка банана. От обезьяны требовалось большое внимание, чтобы научиться прикасаться к диску очень легко и точно оценивать длительность прикосновения. После нескольких тысяч попыток Мерцених и Дженкинс повторно картировали мозг обезьяны и увидели, что после успешного прохождения обучения область карты кончика ее пальца увеличилась. Эксперимент показал, что при наличии у животного мотивации к обучению его мозг гибко реагирует на происходящие изменения.

В ходе эксперимента стало очевидно, что процесс состоит из двух этапов. Сначала, когда обезьяна изучает новый навык, происходит расширение проекционной зоны кончика пальца. Однако через некоторое время повышается эффективность отдельных нейронов, и при этом число нейронов, необходимых для выполнения задания, сокращается.

Когда ребенок впервые учится играть гаммы на фортепьяно, то для того, чтобы сыграть каждую ноту, он использует всю верхнюю часть тела — кисть, руку, плечо. Даже мускулы его лица напряжены от старания. Постоянно упражняясь, начинающий пианист перестает включать в процесс ненужные мышцы и вскоре при исполнении одной ноты начинает пользоваться только соответствующим пальцем. У него формируется «более легкое прикосновение», а с появлением опыта он обретает «изящество» и умение расслабляться во время исполнения. Происходит переход от использования огромного числа нейронов к использованию меньшего числа тех нейронов, которые подходят для выполнения именно этой задачи. Подобное более эффективное использование нейронов появляется тогда, когда мы в совершенстве овладеваем каким-либо навыком, что объясняет, почему в процессе тренировки или добавления нового навыка пространство соответствующей карты мозга расширяется не до бесконечности.

Мерцених и Дженкинс также доказали, что в процессе обучения отдельные нейроны становятся более селективными. Каждый нейрон на карте мозга для чувства прикосновения имеет свое «рецептивное поле», или сегмент на поверхности кожи, который «отчитывается» перед ним. По мере того, как обезьяны учились трогать диск, рецептивные поля отдельных нейронов становились меньше, в результате чего эти нейроны активировались только тогда, когда небольшие участки кончиков пальцев прикасались к диску. Таким образом, при увеличении размера проекционной зоны каждый нейрон в ней начинает отвечать за меньший участок поверхности кожи, что позволяет животному более тонко различать прикосновения. Одним словом, карта становится более точной.

Кроме того, Мерцених и Дженкинс выяснили, что по мере обучения нейронов и повышения их эффективности у них появляется способность и к более быстрой обработке информации. Это означает, что скорость нашего мышления тоже может меняться. Скорость мысли крайне важна для нашего выживания. События нередко происходят очень быстро, и если мозг обрабатывает информацию медленно, то он может упустить что-то важное. В ходе одного из экспериментов Мерцених и Дженкинс учили обезьян различать звуки за все более и более короткие промежутки времени. В ответ на звуки обученные нейроны активировались быстрее44, обрабатывали их за более короткое время и затрачивали меньше времени на «отдых» между моментами активации. Появление более быстрых нейронов обеспечивает увеличение скорости мышления, что немаловажно, так как скорость мысли — значимая составляющая ума. Тесты для оценки коэффициента интеллектуальности (IQ) определяют не только вашу способность найти правильный ответ на вопрос, но и то, сколько времени вам для этого требуется.


44 Команда ученых обнаружила, что нейроны могут обрабатывать второй сигнал через 15 миллисекунд после первого. Они также определили, что временные фрагменты, в течение которых мозг обрабатывает и интегрирует информацию, могут составлять от десятков миллисекунд до нескольких десятых секунды. Это исследование давало ответ на вопрос: когда мы говорим, что нейроны, активирующиеся вместе, соединяются между собой, что конкретно мы имеем в виду под словом «вместе»? Совершенно одновременно? Проанализировав свою собственную работу и работы других ученых, Мерцених и Дженкинс определили, что в данном случае «вместе» означает, что нейроны должны активироваться в промежутке от тысячных до десятых долей секунды. М. М. Merzenich and W. M. Jenkins. 1995. Cortical plasticity, learning, and learning dysfunction In B. Julesz and I. Kov6cs, eds., Maturational windows and adult cortical plasticity. SFI studies in the sciences of complexity. Reading, MA: Addison-Wesley, 23:247–64.


Ученые обнаружили еще один интересный факт. При обучении животного какому-либо навыку нейроны не только становятся более быстрыми, но и из-за увеличения скорости их активации возрастает ясность передаваемых ими сигналов. У более быстрых нейронов повышается способность к одновременной активации — что делает их лучшими командными игроками, — установлению связей и формированию групп нейронов, испускающих более ясные и сильные сигналы. Это очень важный момент, так как сильный сигнал оказывает большее влияние на мозг. Когда мы хотим запомнить что-то из услышанного, то должны слышать это ясно и четко, причем ясность здесь определяется отчетливостью первоначального сигнала.

Наконец, Мерцених выяснил, что в долгосрочных пластических изменениях важную роль играет внимание. В ходе многочисленных экспериментов он обнаружил, что продолжительные изменения имели место только тогда, когда обезьяны проявляли неослабный интерес к происходящему. Когда животные выполняли задания автоматически, не уделяя этому особого внимания, карты их мозга менялись, но эти изменения длились недолго. Мы часто превозносим «способность к работе со многими задачами». Однако даже если вы способны к обучению в условиях распыленного внимания, такая распыленность не способствует устойчивым изменениям карты мозга.