8. Пластичность мозга

В предыдущей главе мы определили несколько областей мозга, которые являются ключевыми для наших когнитивных способностей, и нанесли их на карту мозга. Когнитивная нейробиология достигла пика своего развития в 1990-е годы, когда были изобретены приборы, позволяющие получить изображения мозга, и сосредоточилась на картографии мозга. Разные области мозга отвечают за разные функции.

Противники картографии мозга в шутку называют ее современной френологией. Френологи, эти шарлатаны XIX века, судили о способностях людей по строению и форме черепа. Придавая решающее значение форме головы и черепа, они не просто культивировали лженауку, но и лили воду на мельницу расово-биологических учений начала XX века.

И все же сравнение с френологией несколько упрощает проблему. Вернон Маунткастл, один из выдающихся неврологов XX века, сам не занимаясь изображением мозга, отчасти выступил в защиту френологов⁸⁶. По его мнению, френология опирается на два основных постулата. Первый из них: различные функции локализованы в различных областях мозга. И второй: функции мозга отражаются на форме черепа. Второй постулат — абсолютный нонсенс, но первый постулат можно считать корректным и теоретически очень важным.

⁸⁶ О френологии см.: Mountcastle,V. The evolution of ideas concerning the function of the neocortex', Cerebral Cortex, 1995, 5:289–295.

Одно из первых исследований, показавших, как локализованы функции мозга, провел французский невролог Поль Брока. Ему попался пациент, который внезапно лишился дара речи. После смерти пациента Брока обследовал его мозг и обнаружил кровотечение — в нижней части лобной доли. Эта часть мозга сейчас известна как «зона Брока». Однако в то время Поль Брока еще полагал, согласно традиционным представлениям, что эта зона является симметричной для обоих полушарий. Но затем, опираясь на данные многочисленных наблюдений, он решительно заявил о том, что функция речи принадлежит левому полушарию. Открытие моторного центра речи было первым анатомическим доказательством локализации функции мозга.

В начале XX века Корбиниан Бродман на основании огромного сравнительно-анатомического материала разделил поверхность мозговых полушарий на множество более или менее автономных участков, отличающихся один от другого по клеточному строению и, следовательно, по функциям. Он составил одну из первых карт мозга, разделив его на 52 области. Кстати, эту карту используют и поныне⁸⁷.

⁸⁷ Brodmann, K. Vergleichende Lokalisationslehre der Grosshirnrinde. Leipzig: Barth. 1909.

Методики позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) и функциональной магнитно-резонансной томографии (ФМРТ) обеспечили прорыв в картировании мозга. Опираясь на новые знания, ученые со временем отказались от упрощенного представления о том, что одна область мозга отвечает за определенную функцию. Наоборот, каждая функция соотносится с сетью областей, а одна и та же область может входить во множество разных сетей. Но фиксация на картах осталась, и так или иначе в таком системном описании проявляются следы статичного мышления. Карты изображают нечто неизменное. Горы и реки находятся там, где они находятся. И только в последнее время наука обратила внимание на то, что карты могут меняться, притом самым существенным образом.

Как перекраиваются карты мозга

Мозг изменяется — и это не новость, а бесспорный научный факт. Если, допустим, школьник к среде не выучил урок, но пришел домой и позанимался, а к четвергу он уже знает, что представляют собой семенные растения, то его мозг изменился. Больше информацию хранить негде (за исключением шпаргалок). Нас же прежде всего интересует, когда, где и как изменяется мозг.

Мы уже говорили о том, что функциональные карты мозга перекраиваются, когда мозг лишается притока информации.

Если человек, к примеру, потерял какой-то орган или часть тела, и сенсорная область мозга больше не получает оттуда информацию, окружающие области мозга начинают посягать на этот участок. Если сигналы от указательного пальца перестают поступать в мозг, то эта область соответственно сужается. Зато соседняя область, которая получает сигналы от среднего пальца, наоборот, расширяется.

Речь идет не о нейронах, которые мигрируют из одной области мозга в другую. Большое количество новых нейронов отмирает вскоре после окончания миграции. В долгосрочной перспективе около 50 процентов оставшихся клеток также отмирают. Считается, что судьба новых клеток зависит от характера образованных ими связей и их отсев служит механизмом поддержания постоянства численности нейронов.

Конечно, новообразование нейронов в определенных областях мозга возможно, но нет доказательств того, что они будут наделены какими-либо функциями в определенных зонах коры головного мозга. Изменения в первую очередь наблюдаются в структуре нейронов, где одни маленькие отростки отмирают, и их замещают другие. На отростках находятся синапсы, которые контактируют с другими нейронами. Изменения отростков и синапсов приводят, в свою очередь, к изменению функции нейронов. Если мы взглянем на мозг сверху, то увидим, что сенсорная зона мозга, которая сначала принимала сигналы от указательного пальца, затем стала получать сигналы от среднего пальца. Таким образом, карта мозга перекраивается⁸⁸.

⁸⁸ О пластичности в сенсорных областях см.: Kaas, J.H., Merzenich, M.M. & Killackey, H.R The reorganization of somatosensory cortex following peripheral nerve damage in adult and developing mammals, Annual Review of Neuroscience, 1983, 6:325–356; Kaas, J.H. Plasticity of sensory and motor maps in adult mammals. Annual Review of Neuroscience. 1991, 14:137–167.

Возможно, за счет этих же механизмов зрительные области мозга у слепых активизируются при чтении текстов, набранных по методу Брайля. Но тот факт, что зрительные области активизируются, не обязательно свидетельствует о том, что слепые с их помощью анализируют сенсорную информацию. До конца не ясно, какие процессы происходят в этих зонах. Возможно, зрительные области активируются за счет механизма бессознательной визуализации.

Основополагающий вопрос заключается в том, как изменяются различные участки мозга. Или они изначально запрограммированы на выполнение специальной задачи, или их функции зависят от характера получаемых стимулов. Какой фактор играет первостепенную роль в этом процессе — наследственность или среда, природа или воспитание?

Весомый вклад в изучение этих механизмов внесла научная группа исследователей из Массачусетского технологического института под руководством Мриганки Сура (штат Массачусетс, США). Ученые делали хорькам хирургическую операцию: подсаживали оба зрительных нерва к таламокортикальным путям, ведущим в слуховую сенсорную кору⁸⁹. Цель эксперимента — выяснить, какие структурные и функциональные изменения происходят в слуховой зоне при передаче ей зрительной информации. Это привело к перестройке слуховой области, и по своей структуре она стала больше напоминать зрительную. Функция сигналов также переориентировалась. Оказалось, что животные, передвигаясь, использовали слуховую область для того, чтобы видеть. Никто из ученых не считает, что в этом «виноваты» только природа или только воспитание, но результаты Мриганки Сура подтверждают важность сенсорной стимуляции для организации мозга, что в свою очередь подчеркивает неоценимую роль окружающей среды⁹⁰.

⁸⁹ О трансплантации зрительного нерва см.: Sharma, J., Angelucci, A. & Sur, M. Induction of visual orientation modules in auditory cortex. Nature. 2000, 404:841–847.

⁹⁰ О поведенческих эффектах см.: von Melchner, L., Pallas, S.L. & Sur, M. Visual behaviour mediated by retinal projections directed to the auditory pathway. Nature. 2000, 404: 871–876.