Доктор биологических наук Е. П. Харченко, М. Н. Клименко

Уровни пластичности

В начале нынешнего столетия исследователи мозга отказались от традиционных представлений о структурной стабильности мозга взрослого человека и невозможности образования в нём новых нейронов. Стало ясно, что пластичность взрослого мозга в ограниченной степени использует и процессы нейроногенеза.

Говоря о пластичности мозга, чаще всего подразумевают его способность изменяться под влиянием обучения или повреждения. Механизмы, ответственные за пластичность, различны, и наиболее совершенное её проявление при повреждении мозга - регенерация. Мозг представляет собой чрезвычайно сложную сеть нейронов, которые контактируют друг с другом посредством специальных образований - синапсов. Поэтому мы можем выделить два уровня пластичности: макро- и микроуровень. Макроуровень связан с изменением сетевой структуры мозга, обеспечивающей сообщение между полушариями и между различными областями в пределах каждого полушария. На микроуровне происходят молекулярные изменения в самих нейронах и в синапсах. На том и другом уровне пластичность мозга может проявляться как быстро, так и медленно. В данной статье речь пойдёт в основном о пластичности на макроуровне и о перспективах исследований регенерации мозга.

Существуют три простых сценария пластичности мозга. При первом происходит повреждение самого мозга: например, инсульт моторной коры, в результате которого мышцы туловища и конечностей лишаются контроля со стороны коры и оказываются парализованными. Второй сценарий противоположен первому: мозг цел, но повреждён орган или отдел нервной системы на периферии: сенсорный орган - ухо или глаз, спинной мозг, ампутирована конечность. А поскольку при этом в соответствующие отделы мозга перестаёт поступать информация, эти отделы становятся „безработными“, они функционально не задействованы. В том и другом сценарии мозг реорганизуется, пытаясь восполнить функцию повреждённых областей с помощью неповреждённых либо вовлечь „безработные“ области в обслуживание других функций. Что касается третьего сценария, то он отличен от первых двух и связан с психическими расстройствами, вызванными различными факторами.

Немного анатомии

На рис. 1 представлена упрощённая схема расположения на наружной коре левого полушария полей, описанных и пронумерованных в порядке их изучения немецким анатомом Корбинианом Бродманом.

Каждое поле Бродмана характеризуется особым составом нейронов, их расположением (нейроны коры образуют слои) и связями между ними. К примеру, поля сенсорной коры, в которых происходит первичная переработка информации от сенсорных органов, резко отличаются по своей архитектуре от первичной моторной коры, ответственной за формирование команд для произвольных движений мышц. В первичной моторной коре преобладают нейроны, по форме напоминающие пирамиды, а сенсорная кора представлена преимущественно нейронами, форма тел которых напоминает зерна, или гранулы, почему их и называют гранулярными.

Обычно мозг подразделяют на передний и задний (рис. 1). Области коры, прилегающие в заднем мозге к первичным сенсорным полям, называют ассоциативными зонами. Они перерабатывают информацию, поступающую от первичных сенсорных полей. Чем сильнее удалена от них ассоциативная зона, тем больше она способна интегрировать информацию от разных областей мозга. Наивысшая интегративная способность в заднем мозге свойственна ассоциативной зоне в теменной доле (на рис. 1 не окрашена).

В переднем мозге к моторной коре прилегает премоторная, где находятся дополнительные центры регуляции движения. На лобном полюсе расположена другая обширная ассоциативная зона - префронтальная кора. У приматов это наиболее развитая часть мозга, ответственная за самые сложные психические процессы. Именно в ассоциативных зонах лобной, теменной и височной долей у взрослых обезьян выявлено включение новых гранулярных нейронов с непродолжительным временем жизни - до двух недель. Данное явление объясняют участием этих зон в процессах обучения и памяти.

В пределах каждого полушария близлежащие и отдалённые области взаимодействуют между собой, но сенсорные области в пределах полушария не сообщаются друг с другом напрямую. Между собой связаны гомотопические, то есть симметричные, области разных полушарий. Полушария связаны также с нижележащими, эволюционно более древними подкорковыми областями мозга.

Резервы мозга

Впечатляющие свидетельства пластичности мозга нам доставляет неврология, особенно в последние годы, с появлением визуальных методов исследования мозга: компьютерной, магнитно-резонансной и позитронно-эмиссионной томографии, магнитоэнцефалографии. Полученные с их помощью изображения мозга позволили убедиться, что в некоторых случаях человек способен работать и учиться, быть социально и биологически полноценным, даже утратив весьма значительную часть мозга.

Пожалуй, наиболее парадоксальный пример пластичности мозга - случай гидроцефалии у математика, приведшей к утрате почти 95% коры и не повлиявшей на его высокие интеллектуальные способности. Журнал „Science“ опубликовал по этому поводу статью с ироничным названием „Действительно ли нам нужен мозг?“.

Однако чаще значительное повреждение мозга ведёт к глубокой пожизненной инвалидности - его способность восстанавливать утраченные функции не беспредельна. Распространённые причины поражения мозга у взрослых - нарушения мозгового кровообращения (в наиболее тяжёлом проявлении - инсульт), реже - травмы и опухоли мозга, инфекции и интоксикации. У детей нередки случаи нарушения развития мозга, связанные как с генетическими факторами, так и с патологией внутриутробного развития.

Среди факторов, определяющих восстановительные способности мозга, прежде всего следует выделить возраст пациента. В отличие от взрослых, у детей после удалений одного из полушарий другое полушарие компенсирует функции удалённого, в том числе и языковые. (Хорошо известно, что у взрослых людей утрата функций одного из полушарий сопровождается нарушениями речи.) Не у всех детей компенсация происходит одинаково быстро и полно, однако треть детей в возрасте 1 года с парезом рук и ног к 7 годам избавляются от нарушений двигательной активности. До 90% детей с неврологическими нарушениями в неонатальном периоде впоследствии развиваются нормально. Следовательно, незрелый мозг лучше справляется с повреждениями.

Второй фактор - длительность воздействия повреждающего агента. Медленно растущая опухоль деформирует ближайшие к ней отделы мозга, но может достигать внушительных размеров, не нарушая функций мозга: в нём успевают включиться компенсаторные механизмы. Однако острое нарушение такого же масштаба чаще всего бывает несовместимо с жизнью.

Третий фактор - локализация повреждения мозга. Небольшое по размеру, повреждение может затронуть область плотного скопления нервных волокон, идущих к различным отделам организма, и стать причиной тяжкого недуга. К примеру, через небольшие участки мозга, именуемые внутренними капсулами (их две, по одной в каждом полушарии), от мотонейронов коры мозга проходят волокна так называемого пирамидного тракта (рис. 2), идущего в спинной мозг и передающего команды для всех мышц туловища и конечностей. Так вот, кровоизлияние в области внутренней капсулы может привести к параличу мышц всей половины тела.

Четвёртый фактор - обширность поражения. В целом чем больше очаг поражения, тем больше выпадений функций мозга. А поскольку основу структурной организации мозга составляет сеть из нейронов, выпадение одного участка сети может затронуть работу других, удалённых участков. Вот почему нарушения речи нередко отмечаются при поражении областей мозга, расположенных далеко от специализированных областей речи, например центра Брока (поля 44–45 на рис. 1).

Наконец, помимо этих четырёх факторов, важны индивидуальные вариации в анатомических и функциональных связях мозга.

Как реорганизуется кора

Мы уже говорили о том, что функциональная специализация разных областей коры мозга определяется их архитектурой. Эта сложившаяся в эволюции специализация служит одним из барьеров для проявления пластичности мозга. Например, при повреждении первичной моторной коры у взрослого человека её функции не могут взять на себя сенсорные области, расположенные с ней по соседству, но прилежащая к ней премоторная зона того же полушария - может.

У правшей при нарушении в левом полушарии центра Брока, связанного с речью, активируются не только прилежащие к нему области, но и гомотопическая центру Брока область в правом полушарии. Однако такой сдвиг функций из одного полушария в другое не проходит бесследно: перегрузка участка коры, помогающего повреждённому участку, приводит к ухудшению выполнения его собственных задач. В описанном случае передача речевых функций правому полушарию сопровождается ослаблением у пациента пространственно-зрительного внимания - например, такой человек может частично игнорировать (не воспринимать) левую часть пространства.

Уровни пластичности

Немного анатомии

Обычно мозг подразделяют на передний и задний (рис. 1 ). Области коры, прилегающие в заднем мозге к первичным сенсорным полям, называют ассоциативными зонами. Они перерабатывают информацию, поступающую от первичных сенсорных полей. Чем сильнее удалена от них ассоциативная зона, тем больше она способна интегрировать информацию от разных областей мозга. Наивысшая интегративная способность в заднем мозге свойственна ассоциативной зоне в теменной доле (на рис. 1 не окрашена).

Резервы мозга

Однако чаще значительное повреждение мозга ведёт к глубокой пожизненной инвалидности - его способность восстанавливать утраченные функции не беспредельна. Распространённые причины поражения мозга у взрослых - нарушения мозгового кровообращения (в наиболее тяжёлом
проявлении - инсульт), реже - травмы и опухоли мозга, инфекции и интоксикации. У детей нередки случаи нарушения развития мозга, связанные как с генетическими факторами, так и с патологией внутриутробного развития.

Среди факторов, определяющих восстановительные способности мозга, прежде всего следует выделить возраст пациента . В отличие от взрослых, у детей после удалений одного из полушарий другое полушарие компенсирует функции удалённого, в том числе и языковые. (Хорошо известно, что у взрослых людей утрата функций одного из полушарий сопровождается нарушениями речи.) Не у всех детей компенсация происходит одинаково быстро и полно, однако треть детей в возрасте 1 года с парезом рук и ног к 7 годам избавляются от нарушений двигательной активности. До 90% детей с неврологическими нарушениями в неонатальном периоде впоследствии развиваются нормально. Следовательно, незрелый мозг лучше справляется с повреждениями.

Третий фактор - локализация повреждения мозга. Небольшое по размеру, повреждение может затронуть область плотного скопления нервных волокон, идущих к различным отделам организма, и стать причиной тяжкого недуга. К примеру, через небольшие участки мозга, именуемые внутренними капсулами (их две, по одной в каждом полушарии), от мотонейронов коры мозга проходят волокна так называемого пирамидного тракта (рис. 2 ), идущего в спинной мозг и передающего команды для всех мышц туловища и конечностей. Так вот, кровоизлияние в области внутренней капсулы может привести к параличу мышц всей половины тела.

Как реорганизуется кора

Примечательно, что межполушарная передача функций в одних случаях возможна, а в других - нет. По-видимому, это означает, что гомотопические зоны в обоих полушариях загружены неодинаково. Возможно, поэтому при лечении инсульта методом транскраниальной микроэлектростимуляции (подробнее о ней мы расскажем далее) чаще наблюдается и успешнее протекает улучшение речи, чем восстановление двигательной активности руки.

Компенсаторное восстановление функции, как правило, происходит не за счёт какого-либо одного механизма. Практически каждая функция мозга реализуется с участием различных его областей, как корковых, так и подкорковых. Например, в регуляции двигательной активности помимо первичной моторной коры принимают участие ещё несколько дополнительных моторных корковых центров, которые имеют собственные связи с ближними и отдалёнными областями мозга и собственные пути, идущие через ствол головного мозга в спинной мозг. При повреждении первичной моторной коры активация этих центров улучшает двигательные функции.

Кроме того, организация самого пирамидного тракта - наиболее длинного проводящего пути, который состоит из многих миллионов аксонов („отводящих“ отростков) мотонейронов коры и следует к нейронам передних рогов спинного мозга (рис. 2 ), - предоставляет и другую возможность. В продолговатом мозге пирамидный тракт расщепляется на два пучка: толстый и тонкий. Толстые пучки перекрещиваются друг с другом, и в результате толстый пучок правого полушария в спинном мозге следует слева, а толстый пучок левого полушария - соответственно справа. Мотонейроны коры левого полушария иннервируют мышцы правой половины тела, и наоборот. Тонкие же пучки не перекрещиваются, ведут от правого полушария к правой стороне, от левого - к левой.

У взрослого человека активность мотонейронов коры, аксоны которых проходят по тонким пучкам, практически не выявляется. Однако при поражении, например, правого полушария, когда нарушается двигательная активность мышц шеи и туловища левой стороны, в левом полушарии активируются именно эти мотонейроны, с аксонами в тонком пучке. В результате активность мышц частично восстанавливается. Можно предположить, что этот механизм также задействован при лечении инсультов в острой стадии транскраниальной микроэлектростимуляцией.

Замечательное проявление пластичности мозга - реорганизация повреждённой коры даже по прошествии многих лет с момента возникновения повреждения. Американский исследователь Эдвард Тауб (ныне работающий в университете Алабамы) и его коллеги из Германии Вольфганг Митнер и Томас Элберт предложили простую схему реабилитации двигательной активности у пациентов, перенёсших инсульт. Давность перенесённого поражения мозга среди их пациентов варьировала от полугода до 17 лет. Суть двухнедельной терапии заключалась в разработке движений парализованной руки с помощью различных упражнений, причём здоровая рука была неподвижной (фиксировалась). Особенность этой терапии - интенсивность нагрузки: пациенты упражнялись по шесть часов ежедневно! Когда же мозг пациентов, у которых восстановилась двигательная активность руки, обследовали с помощью функциональной магнитно-резонансной томографии, то оказалось, что в выполнение движений этой рукой вовлекаются множество областей обоих полушарий. (В норме - при непоражённом мозге, - если человек двигает правой рукой, у него активируется преимущественно левое полушарие, а правое полушарие ответственно за движение левой руки.)

Восстановление активности парализованной руки через 17 лет после инсульта - бесспорно, волнующее достижение и яркий пример реорганизации коры. Однако реализовано это достижение высокой ценой - соучастием большого числа областей коры и притом обоих полушарий.

Принцип работы мозга таков, что в каждый момент та или иная область коры может участвовать только в одной функции. Вовлечение сразу многих областей коры в управление движениями руки ограничивает возможность параллельного (одновременного) выполнения мозгом разных задач. Представим себе ребёнка на двухколёсном велосипеде: он восседает на седле, крутит ногами педали, прослеживает свой маршрут, правой рукой фиксирует руль и её указательным пальцем нажимает на звонок, а левой рукой держит печенье, откусывая его. Выполнение такой простой программы быстрого переключения с одного действия на другое непосильно не только для поражённого, но и для реорганизованного мозга. Не умаляя важности предложенного метода реабилитации инсультных больных, хотелось бы заметить, что она не может быть совершенной. Идеальным вариантом представляется восстановление функции не за счёт реорганизации поражённого мозга, а за счёт его регенерации.

Отступление от правил

Обратимся теперь ко второму сценарию: мозг цел, но повреждены периферические органы, а конкретнее - слух или зрение. Именно в такой ситуации оказываются люди, рождённые слепыми или глухими. Давно замечено, что слепые быстрее дискриминируют слуховую информацию и воспринимают речь, чем зрячие. Когда слепых от рождения (и утративших зрение в раннем детстве) исследовали методом позитронно-эмисионной томографии мозга в то время, как они читали тексты, набранные брайлевским шрифтом, оказалось, что при чтении пальцами у них активируется не только соматосенсорная кора, ответственная за тактильную чувствительность, но и зрительная кора. Почему это происходит? Ведь в зрительную кору у слепых не поступает информация от зрительных рецепторов! Аналогичные результаты были получены при изучении мозга глухих: они воспринимали используемый ими для общения знаковый язык (жестикуляцию) в том числе и слуховой корой.

Рис. 3. Операция подсадки зрительного тракта к медиальному коленчатому телу таламуса. Слева показан нормальный ход нервных путей от глаз и ушей, справа - их расположение после операции. (Нервные пути, несущие слуховую информацию, отсекали от медиальных коленчатых тел и на их места подсаживали окончания зрительных нервов, отделённые от латеральных коленчатых тел таламуса. Было уничтожено также нижнее двухолмие в среднем мозге, где переключается часть нервных путей от уха в слуховую кору (не показано на схеме):
1 - зрительный тракт,
2 - слуховой тракт,
3 - латеральные коленчатые тела таламуса,
4 - медиальные коленчатые тела таламуса,
5 - таламокортикальные пути к зрительной коре,
6 - таламокортикальные пути к слуховой коре.

Как уже отмечалось, сенсорные зоны не связаны в коре напрямую друг с другом, а взаимодействуют лишь с ассоциативными областями. Можно предположить, что переадресация соматосенсорной информации у слепых в зрительную кору и зрительной информации у глухих - в слуховую происходит с участием подкорковых структур. Такая переадресация представляется экономичной. При передаче информации от сенсорного органа в сенсорную область коры сигнал несколько раз переключается с одного нейрона на другой в подкорковых образованиях мозга. Одно из таких переключений происходит в таламусе (зрительном бугре) промежуточного мозга. Пункты же переключения нервных путей от разных сенсорных органов близко соседствуют (рис. 3 , слева).

При повреждении какого-либо сенсорного органа (или идущего от него нервного пути) его пункт переключения оккупируют нервные пути другого сенсорного органа. Поэтому сенсорные области коры, оказавшиеся отрезанными от обычных источников информации, вовлекаются в работу за счёт переадресации им иной информации. Но что происходит тогда с самими нейронами сенсорной коры, обрабатывающими чужую для них информацию?

Исследователи из Массачусетсского технологического института в США Джитендра Шарма, Алессандра Ангелуччи и Мриганка Сур брали хорьков в возрасте одного дня и делали зверькам хирургическую операцию: подсаживали оба зрительных нерва к таламокортикальным путям, ведущим в слуховую сенсорную кору (рис. 3). Целью эксперимента было выяснить, преобразуется ли слуховая кора структурно и функционально при передаче ей зрительной информации. (Напомним ещё раз, что для каждого типа коры характерна особая архитектура нейронов.) И в самом деле, это произошло: слуховая кора морфологически и функционально стала похожа на зрительную!

Иначе поступили исследователи Дайана Канн и Ли Крубитцер из Калифорнийского университета. Опоссумам на четвёртый день после рождения удалили оба глаза и через 8–12 месяцев у повзрослевших животных изучали первичные сенсорные области коры и прилегающую к ним ассоциативную зону. Как и ожидалось, у всех ослеплённых животных реорганизовалась зрительная кора: она сильно уменьшилась в размере. Зато, к удивлению исследователей, непосредственно к зрительной коре прилегала структурно новая область X. Как зрительная кора, так и область X содержали нейроны, воспринимавшие слуховую, соматосенсорную или и ту и другую информацию. В зрительной коре оставалось ничтожное число участков, не воспринимавших ни ту, ни другую сенсорную модальность - то есть сохранивших, вероятно, своё первоначальное назначение: восприятие зрительной информации.

Неожиданным оказалось то, что реорганизация коры затронула не только зрительную кору, но и соматосенсорную, и слуховую. У одного из животных соматосенсорная кора содержала нейроны, реагировавшие или на слуховую, или на соматосенсорную, или на обе модальности, а нейроны слуховой коры реагировали либо на слуховые сигналы, либо на слуховые и соматосенсорные. При нормальном развитии мозга такое смешение сенсорных модальностей отмечается только в ассоциативных областях более высокого порядка, но не в первичных сенсорных областях.

Развитие мозга определяется двумя факторами: внутренним - генетической программой и внешним - информацией, поступающей извне. Вплоть до последнего времени оценка влияния внешнего фактора была трудноразрешимой экспериментальной задачей. Исследования, о которых мы только что рассказали, позволили установить, насколько важен характер поступающей в мозг информации для структурно-функционального становления коры. Они углубили наши представления о пластичности мозга.

Почему мозг регенерирует плохо

Цель регенерационной биологии и медицины - при повреждении органа блокировать заживление рубцеванием и выявить возможности перепрограммирования повреждённого органа на восстановление структуры и функции. Эта задача предполагает восстановление в повреждённом органе состояния, характерного для эмбриогенеза, и присутствие в нём так называемых стволовых клеток, способных размножаться и дифференцироваться в различные типы клеток.

В тканях взрослого организма клетки часто обладают весьма ограниченной способностью к делению и жёстко придерживаются „специализации“: клетки эпителия не могут превращаться в клетки мышечного волокна и наоборот. Однако накопившиеся к настоящему времени данные позволяют с уверенностью утверждать, что практически во всех органах млекопитающих клетки обновляются. Но скорость обновления различна. Регенерация клеток крови и эпителия кишечника, рост волос и ногтей идут в постоянном темпе на протяжении всей жизни человека. Замечательной регенерационной способностью обладают печень, кожа или кости, причём регенерация требует участия большого числа регуляторных молекул различного происхождения. Иначе говоря, гомеостаз (равновесие) этих органов находится под системным надзором, так что их способность к регенерации пробуждается каждый раз, когда какое-либо повреждение нарушает равновесие.

Обновляются, хоть и медленно, мышечные клетки сердца: нетрудно подсчитать, что за время человеческой жизни клеточный состав сердца хотя бы раз обновляется полностью. Более того, обнаружена линия мышей, у которых практически полностью регенерирует сердце, поражённое инфарктом. Каковы же перспективы регенерационной терапии мозга?

Нейроны обновляются и в мозгу взрослого человека. В обонятельных луковицах мозга и зубчатой извилине гиппокампа, расположенного на внутренней поверхности височной доли мозга, идёт непрерывное обновление нейронов. Из мозга взрослого человека выделены стволовые клетки, и в лабораторных условиях показано, что они могут дифференцироваться в клетки других органов. Как уже упоминалось, в ассоциативных областях лобной, височной и теменной долей у взрослых обезьян образуются новые гранулярные нейроны с небольшим (около двух недель) временем жизни. У приматов также выявлен нейроногенез в обширной области, охватывающей внутреннюю и нижнюю поверхности височной доли мозга. Но эти процессы имеют ограниченный характер - иначе они вошли бы в противоречие с эволюционно сформировавшимися механизмами мозга.

Трудно представить, как человек и его младшие братья существовали бы в природе при быстром клеточном обновлении мозга. Невозможно было бы сохранять в памяти накопленный опыт, информацию об окружающем мире, необходимые навыки. Более того, оказались бы невозможными механизмы, отвечающие за комбинаторное манипулирование мысленными представлениями об объектах и процессах прошлого, настоящего или будущего - всё то, что лежит в основе сознания, мышления, памяти, языка и др.

Исследователи сходятся в том, что ограниченность регенерации взрослого мозга нельзя объяснить каким-либо одним фактором и потому нельзя снять каким-то единичным воздействием. Сегодня известно несколько десятков разных молекул, блокирующих (или индуцирующих) регенерацию длинных отростков нейронов - аксонов. Хотя уже достигнуты некоторые успехи в стимуляции роста повреждённых аксонов, до решения проблемы регенерации самих нейронов ещё далеко. Однако в наши дни, когда сложность мозга перестала отпугивать исследователей, эта проблема всё больше привлекает внимание. Но мы не должны забывать про то, о чём говорилось в предыдущем абзаце. Восстановление повреждённого мозга не будет означать полного восстановления прежней личности: гибель нейронов - это невосполнимая утрата прошлого опыта и памяти.

Что такое МЭС

Сложность механизмов регенерации мозга дала толчок поискам таких системных воздействий, которые вызывали бы движение молекул в самих нейронах и в их окружении, переводя мозг в новое состояние. Синергетика - наука о коллективных взаимодействиях - утверждает, что новое состояние в системе можно создать перемешиванием её элементов. Поскольку большинство молекул в живых организмах несёт заряд, подобное возмущение в мозгу можно было бы вызвать с помощью внешних слабых импульсных токов, приближающихся по своим характеристикам к биотокам самого мозга. Эту идею мы и попытались осуществить на практике.

Решающим фактором для нас стала медленноволновая (0,5–6 герц) биоактивность мозга маленьких детей. Поскольку на каждой стадии развития характеристики мозга самосогласованны, мы выдвинули допущение, что именно эта активность поддерживает способность детского мозга к восстановлению функций. Не сможет ли медленноволновая микро-электростимуляция слабыми токами (МЭС) индуцировать подобные механизмы у взрослого человека?

Разница в электрическом сопротивлении клеточных элементов и межклеточной жидкости нервной ткани громадна - у клеток оно в 10 3–10 4 раз выше. Поэтому при МЭС молекулярные сдвиги скорее произойдут в межклеточной жидкости и на поверхности клеток. Сценарий изменений может быть следующим: наиболее сильно начнут колебаться малые молекулы в межклеточной жидкости, низкомолекулярные регуляторные факторы, слабо связанные с клеточными рецепторами, оторвутся от них, изменятся потоки ионов из клеток и в клетку и т. д. Следовательно, МЭС может вызвать немедленную пертурбацию межклеточной среды в очаге поражения, изменить патологический гомеостаз и индуцировать переход к новым функциональным отношениям в ткани мозга. В результате клиническая картина заболевания быстро улучшится, уменьшится нейродефицит. Заметим, что процедура МЭС безвредна, безболезненна и непродолжительна: пациенту просто накладывают на определённые области головы пару электродов, подсоединённых к источнику тока.

Чтобы проверить, насколько справедливы наши предположения, мы в сотрудничестве со специалистами из нескольких клиник и больниц Санкт-Петербурга отобрали пациентов со следующими поражениями центральной нервной системы: острая стадия инсульта, невралгия тройничного нерва, опийный абстинентный синдром и детский церебральный паралич. Эти заболевания различаются по своему происхождению и механизмам развития, однако в каждом случае МЭС вызывала быстрые либо немедленные терапевтические эффекты (быстрый и немедленный - не одно и то же: немедленный эффект наступает сразу после после воздействия или же в очень скором времени).

Столь впечатляющие результаты дают основание полагать, что МЭС изменяет функционирование сетевой структуры мозга за счёт разных механизмов. Что касается быстрых и нарастающих от процедуры к процедуре эффектов МЭС у пациентов в острой стадии инсульта, то они, помимо механизмов, рассмотренных выше, могут быть связаны с восстановлением нейронов, подавленных интоксикацией, с предотвращением апоптоза - запрограммированной гибели нейронов в зоне поражения, а также с активированием регенерации. Последнее предположение подкрепляется тем, что МЭС ускоряет восстановление функции руки после того, как в ней хирургическим путём воссоединяют концы повреждённых периферических нервов, а также тем, что у пациентов в нашем исследовании наблюдались и отсроченные терапевтические эффекты.

При опийном абстинентном синдроме реализуется третий из рассматриваемых нами сценариев пластичности мозга. Это психическое расстройство, связанное с многократным приёмом наркотика. На начальных этапах нарушения ещё не сопряжены с заметными структурными изменениями мозга, как при детском церебральном параличе, но в значительной степени обусловлены процессами, происходящими на микроуровне. Быстрота и множественность эффектов МЭС при этом синдроме и при других психических расстройствах подтверждает наше предположение о том, что МЭС воздействует сразу на множество разных молекул.

Лечение с помощью МЭС получали в общей сложности более 300 пациентов, причём главным критерием для оценки действия МЭС служили терапевтические эффекты. В будущем нам представляется необходимым не столько выяснение механизма действия МЭС, сколько достижение максимальной пластичности мозга при каждом заболевании. Так или иначе, свести объяснение действия МЭС к каким-то отдельным молекулам либо клеточным сигнальным системам было бы, по-видимому, некорректно.

Важное достоинство микроэлектростимуляции слабыми токами - в том, что она, в отличие от популярных ныне методов заместительной клеточной и генной терапии, запускает эндогенные, собственные механизмы пластичности мозга. Главная проблема заместительной терапии даже не в том, чтобы накопить необходимую массу клеток для трансплантации и ввести их в поражённый орган, а в том, чтобы орган принял эти клетки, чтобы они смогли в нём жить и работать. До 97% клеток, трансплантированных в мозг, погибает! Поэтому дальнейшее изучение МЭС в индуцировании процессов регенерации мозга представляется перспективным.

Заключение

Мы рассмотрели лишь некоторые примеры пластичности мозга, связанные с восстановлением повреждений. Другие её проявления имеют отношение к развитию мозга, точнее, к механизмам, ответственным за память, обучение и другие процессы. Возможно, здесь нас ждут новые захватывающие открытия. (Вероятный предвестник их - неонейроногенез в ассоциативных зонах лобной, теменной и височной долей взрослых обезьян.)

Однако у пластичности мозга есть и отрицательные проявления. Её минус-эффекты определяют многие болезни мозга (например, болезни роста и старения, психические расстройства). Обзоры многочисленных данных по визуальным исследованиям мозга сходятся в том, что при шизофрении часто уменьшается кора фронтальной области. Но нередки также изменения коры и в других областях мозга. Следовательно, уменьшается число нейронов и контактов между нейронами поражённой области, а также число её связей с другими отделами мозга. Изменяется ли при этом характер переработки поступающей в них информации и содержание информации „на выходе“? Нарушения восприятия, мышления, поведения и языка у больных шизофренией позволяют утвердительно ответить на этот вопрос.

Мы видим, что механизмы, отвечающие за пластичность мозга, играют важнейшую роль в его функционировании: в компенсации повреждений и в развитии болезней, в процессах обучения и формирования памяти и др. Не будет большим преувеличением отнести пластичность к фундаментальным особенностям мозга.

Доктор биологических наук Е. П. Харченко ,
М. Н. Клименко

Химия и жизнь, 2004, N6

6 сентября 2016 в 15:25

Нейропластичность: перестраиваем мозг

Научно-популярное ,
Мозг

Перевод

Наш мозг необычайно пластичен. Не как пластиковая посуда или кукла Барби – в неврологии пластичность означает удивительную способность мозга меняться и адаптироваться практически ко всему, что с нами происходит. В былые времена учёные считали, что когда человек переставал быть ребёнком, его мозг застывал, как глиняный горшок, и оставался в одной форме. Но кипы исследований опровергли их мнение – мозг больше напоминает пластилин . Эти изменения могут происходить на разных масштабах: от отдельного нейрона, меняющего связи, до целой корковой области, уменьшающейся или разбухающей. Структуру мозга могут менять множество факторов, от травм и инсультов, до медитации, упражнений или ежедневных занятий на пианино. И как всё в жизни, пластичность – это палка о двух концах. Плюс в том, что мозг может перестроить себя во время реабилитации после инсульта. Минус – фантомные боли после потери конечности. Давайте посмотрим, как, что и почему происходит.

Начнём с небольших масштабов и синаптической пластичности (если вы не в курсе, что есть синапс, прочтите сначала ). Эта разновидность пластичности, которую часто называют длительной потенциацией (ДПЦ) и длительным подавлением (ДПД), критична для нашего понимания процессов запоминания и обучения. Очень упрощённо она работает так: связи между нейронами усиливаются или ослабляются (происходит потенциация или депрессия) в зависимости от их действий. Когда нейрон А постоянно возбуждает нейрон Б, связь между ними усиливается.

Естественно, обычно это происходит на нескольких синапсах – так могут появиться целые сети, в случае, если они достаточное количество раз именно в таком составе проявили активность (и мы считаем, что память формируется примерно так же). Так что целуйте вашу половинку достаточно часто во время прослушивания композиций Лу Бега, и скоро песня «Mambo number five» будет вызывать у вас романтические чувства. Дональд Хебб , канадский невропсихолог, придумал поговорку «Вместе запускаются, вместе заплетаются» для описания этого процесса. Изначально эти связи хрупкие, но если вы активируете их достаточное количество раз, они превратятся в прочные (их нельзя будет разделить, как Бритни и Джастина в 99-м). Обратный процесс, ДПД, запускается другой процедурой стимуляции, и, как считается, ослабляет ненужные связи – вы забываете имя вашей бывшей или облагораживаете новые танцевальные движения. Пластичность синапсов – концепция, которую когнитивные и поведенческие терапевты рекомендуют своим пациентам: для смены устоявшихся мысленных шаблонов нужно шаг за шагом при помощи практики формировать новые. И новые пути проходят эволюцию от грунтовых дорог до скоростных шоссе (по которым передвигается здоровое поведение), а сломанные контуры уплывают в небытие.

Пластичность на больших масштабах проявляется по-другому. Растущее количество исследований показывают, что чем больше вы используете определённый мускул, тем большую область мозг для него выделяет. Например, одно из исследований показывает, что хотя области, отвечающие за движения пальцев, обычно имеют одинаковый размер, это не неизменно. После пяти дней упражнений на пианино были найдены определённые и вполне видимые изменения в двигательной области коры мозга. Области, отвечающие за движения пальцев, расширились и заняли другие части соседних областей, будто сорняки, разрастающиеся в саду. Исследователи пошли ещё дальше: они показали, что даже если испытуемые думали об упражнениях, эффект получался почти таким же! Мысленные упражнения оказались настолько же эффективными в реорганизации структуры мозга, как и физические. Ещё один пример (о котором студенты-неврологи слышали, наверное, чаще, чем жители «Bible Belt» – областей США, где особенно силён протестантский фундаментализм – об Иисусе) – это лондонские таксисты. Опытные таксисты, которым приходится запоминать карту столицы, включая десятки тысяч улиц и десятки достопримечательностей, обладают большим задним гиппокампом – структурой мозга, отвечающей за пространственную память и ориентацией. У контрольной группы, водителей автобусов с постоянными и устоявшимися маршрутами, гиппокамп обычного размера. Чтобы предотвратить обычные комментарии типа «корреляция не гарантирует причинности» (ведь, возможно, именно увеличенный размер гиппокампа и привёл таксистов на эту работу?), исследователи показали, что увеличении объёма гиппокампа позитивно коррелировала со временем, проведённым за баранкой. Чем дольше вы водите, тем больше ваш мозг адаптируется.

Вы уже согласны с тем, что мозг невероятно пластичен? Не спешите, у нас есть ещё примеры. Если вы отказались от медитации, как от хипповой ерунды, обратите внимание: долговременная практика медитации связана с весьма положительными изменениями в мозгу. Воспринимайте её как тренировку – как уроки на пианино. Исследования показывают, что если сидеть спокойно и медитировать, то можно увеличить толщину коры (то есть, больше серых клеточек, то есть, больше нейронов для обработки сигналов) в областях, связанных с вниманием, памятью и управлением эмоциями. Более того, миндалина, центр реакций, связанных со страхом и отвращением, уменьшается и ослабляет связи с префронтальной корой головного мозга, местом, где расположены высшие исполнительные функции. Проще говоря, медитация позволяет реагировать на стресс более вдумчиво и подавлять инстинкты. Последнее по очереди, но не по значимости – сеть пассивного режима работы мозга, ответственная за самоопределение и грёзы наяву, также снижает активность, что позволяет меньше отвлекаться (и предотвращает перескакивание мыслей со вчерашней вечеринки на неотвратимость смерти или что-то подобное). И пока я тут занимаюсь скрытой пропагандой ЗОЖ , упомяну, что ещё меняют ваш мозг к лучшему физические упражнения. Всего три часа быстрой ходьбы в неделю увеличивает рост и рождение нервных клеток, что, в свою очередь, предотвращает возрастное уменьшение мозга. Исследование показывают, что особенно выигрывают от этого передние области и гиппокамп – то есть, их объём после длительных упражнений вырастал. Вот вам и пример того, как память и способность рассуждать улучшаются благодаря ЗОЖ.

Ваш мозг, словно идеальный супруг, существует с вами вместе в хорошие времена и в плохие, в болезни и в здоровье. После перенесённой травмы или инсульта нейропластичность помогает вам. Реабилитационные тренировки после инсульта или травмы показали, что мозг проводит реорганизацию вокруг повреждённого региона. Допустим, инсульт повредил часть мозга, отвечающую за движения левой руки. Использование технологии под названием «терапия принудительных двигательных ограничений» (когда вас заставляют пользоваться «плохой» рукой, в то время как другую руку ограничивают в движениях), ведёт к увеличению объёма серого вещества в двигательном отделе, меняет смежные с повреждённым регионы так, что они берут на себя его функции и даже заставляют контралатеральную полусферу участвовать в восстановлении. Мозг перестраивает себя, чтобы приспособиться к новым обстоятельствам и сделать это наилучшим образом. Однако, не всегда это проходит так здорово. Иногда мозг может подложить свинью и доставить вам неприятностей – это я насчёт фантомных болей. Вы, наверно, слышали о людях, у которых сохраняется ощущение ампутированных рук или ног. Это также заслуга нашего неугомонного пластичного мозга, хотя на 100% этот процесс не изучен. Одна из общепринятых теорий говорит, что область соматосенсорной коры, соседствующая с той, что отвечала за функции отсутствующей конечности, хватается за новую возможность и занимает вакантное место. К примеру, область лица расположена рядом с областью рук. И если потерять руку, область лица занимает место своего соседа и воспринимает все ощущения лица вдвойне: как идущие от щеки, так и от несуществующего большого пальца.

Становится понятно, что мы не ограничены теми картами, что нам раздала природа: возможно поменять некоторые из них (и это даже не будет воспринято, как шулерство). Мозг отражает наше окружение, наши решения, эмоции и стиль жизни, и поменять всё это, на самом деле, никогда не поздно.

В предыдущей статье 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. Верной Маунткастл, один из выдающихся неврологов XX века, сам не занимаясь изображением мозга, отчасти выступил в защиту френологов 86 . 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.

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 поныне 87 .

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 перекраивается 88 .

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 Массачусетско- го технологического института под руководством Мри- ганки Сура (штат Массачусетс, США). Ученые делали хорькам хирургическую операцию: подсаживали оба зрительных нерва к таламокортикальным путям, ведущим в слуховую сенсорную кору 89 . 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 среды 90 .

Эффект стимуляции

Приведенный выше пример показывает, как перекраивается карта мозга, когда в организме происходят структурные изменения, например какая-либо функция прекращает свою работу и мозг перестает получать информацию от того или иного органа. Другой тип изменений вызван дополнительной стимуляцией, например при тренировке специальной функции. О феномене пластичности нам известно не так много. Первые работы в этом направлении проводились в 1990-е годы.

Например, тренировали обезьян - у них развивали способность различать тональность звука. Обезьяны осваивают этот навык. Последовательно услышав два звука, они определяют, одной ли они тональности, а затем нажимают на кнопку. Исследование показало, что поначалу, когда звуки сильно отличались друг от друга, обезьяны успешно справлялись с тестом. Зато они почти не различали звуки, близкие по тональности. Через несколько недель после сотен тренировок обезьяны начали различать и звуки, очень близкие по тональности. Когда ученые решили выяснить, какие нейроны слуховой области активируются при выполнении этой задачи, оказалось, что после нескольких недель тренировок количество активированных нейронов возросло. То есть область, которая активировалась в процессе тестов, после тренировок расширилась 91 .

Похожий эксперимент проводился на обезьянах, когда они отрабатывали определенное движение пальца. После нескольких недель тренировок моторная область, ответственная за движение этого пальца, увеличилась. Эти эксперименты показывают, что карта мозга в высшей степени подвержена изменениям 92 .

Музыка и жонглирование

Наиболее существенные изменения ученые обнаружили в связи с совершенствованием моторных навыков. Исследователи изучали изменения, происходящие в мозге в процессе длительных упражнений на музыкальных инструментах. У музыкантов, играющих на смычковых инструментах, область, принимающая сенсорный импульс от левой руки, больше, чем та же область у не музыкантов 93 .

Сара Бенгтссон и Фредрик Уллен (Каролинский институт, Стокгольм) также обнаружили, что проводящие пути в белом веществе мозга, по которым передаются моторные сигналы, у пианистов более развиты. Причем различия оказались тем существеннее, чем дольше упражнялись музыканты 94 .

Но при упражнениях на музыкальном инструменте речь идет об очень длительном воздействии на мозг. А как действуют на людей более короткие тренировки? В одном исследовании испытуемые тренировали специфический навык - они сгибали пальцы в определенной последовательности: средний палец - мизинец - безымянный палец - средний палец - указательный палец и так далее 95 . Поначалу они совершали много ошибок. Через десять дней они уже освоили это упражнение и начали выполнять его в хорошем темпе и почти без ошибок. Одновременно наблюдался рост активности в основной двигательной зоне коры головного мозга, то есть в той области, которая управляет мускулатурой.

В научной литературе часто ссылаются на результаты экспериментов с жонглерами (о чем уже упоминалось во вступлении) 96 . Согласно этим исследованиям, область затылочной доли увеличивалась уже через три месяца после начала тренировок. Это исследование также демонстрирует, что непродолжительные тренировки могут привести к столь серьезным изменениям, что их видно даже при магнитно-резонансном сканировании, которое дает не слишком точные показания. Впрочем, тот факт, что изменения не всегда можно зафиксировать, также демонстрирует, что пластичность - это обоюдоострый меч; пассивность тоже оказывает влияние на мозг.

Что такое use и что такое it?

Данные экспериментов с жонглерами и музыкантами убеждают нейрофизиологов и психологов в непреложности тривиальной истины «use it or lose it» («используй, иначе потеряешь»). Даже если мы согласимся с тем, что изменения в мозге зависят от того, чем мы занимаемся, этот факт не следует чересчур переоценивать. Надо в первую очередь задаться вопросом, что означает «используй» в данном контексте? Все ли виды активной деятельности равноценны? Ведь никто не усомнится в пользе активного образа жизни, все знают, что тренировки и упражнения очень благотворны для физического здоровья. Когда после перелома на ногу накладывают гипс, нам очень трудно вернуться к здоровому образу жизни - неподвижность и гипс атрофируют наши мышцы. В разных ситуациях мы даем разную нагрузку на опорно-двигательный аппарат. Одно дело - ходить на работу и проводить весь день в офисе, и другое дело - тренироваться в гимнастическом зале, давая полную нагрузку на все мышцы.

Насколько интенсивной и продолжительной должна быть интеллектуальная тренировка, чтобы мы почувствовали результаты? Ведь между занятиями в фит- нес-клубе и профессиональной силовой тренировкой есть большая разница.

Следует также помнить о том, что «it» относится не ко всему мозгу. « It» в данном случае апеллирует к специфическим функциям и специфическим областям мозга. Если мы начнем тренироваться, чтобы различать тональность звуков, то изменения произойдут в слуховых областях, а не в лобной или затылочной долях. И снова можно провести параллель с физической тренировкой. Если сгибать и разгибать правую руку, с тяжелой гантелью, то у нас разовьются бицепсы именно правой руки при условии, что гантель достаточно тяжелая, что упражнения проводятся регулярно и что тренировка длится несколько недель. Но мы не можем обобщить, что «упражнение с гантелями развивает мускулатуру» или «полезно для физического здоровья». Это будет не вполне корректно.

У музыкантов, играющих на смычковых инструментах, увеличена сенсорная область, отвечающая за сигналы от левой, а не от правой руки. Упражнения с жонглированием развивают координацию движений и визуально-пространственную ориентацию.

Итак, фразу « use it or lose it» можно истолковать предельно упрощенно. Например, «для мозга полезно делать то-то и то-то…». Если определенный тип деятельности оказывает воздействие на мозг, это не обязательно означает, что мы тренируем мозг и улучшаем показатели интеллекта. Специфические функции помогают развиваться специфическим областям.

В предыдущей главе мы пытались объяснить парадокс: каким образом интеллект каменного века справляется с информационным потоком. Возможное объяснение этого феномена заключается в том, что мозг, вероятно, приспосабливается к среде и к тем требованиям, которые она выдвигает. В этой же главе мы привели немало примеров того, как мозг может приспосабливаться к среде и меняться в процессе тренировок и упражнений. Пластичность может быть присуща и лобной, и теменной долям, включая те ключевые области, которые связаны с объемом рабочей памяти. Так что теоретически тренировать рабочую память можно. Возможно, пластичность - это результат адаптации к той определенной среде, в которой мы находимся. И в то же время феномен пластичности можно использовать вполне целенаправленно, развивая определенные функции.

Итак, если мы хотим тренировать свой мозг, нам придется выбрать функцию и область. Умение жонглировать едва ли пригодится в повседневной жизни, и, наверное, не имеет особого смысла развивать этот навык. Лучше потратить время на области, отвечающие за общие функции. Мы уже знаем, что определенные области в теменной и лобной долях носят полимодальный характер, то есть не связаны с какой-либо специфической сенсорной стимуляцией, а активируются при выполнении задач как на слух, так и на зрение. Тренировка полимодальной области принесла бы больше пользы, чем тренировка области, отвечающей, например, только за слух. Эти ключевые области также имеют отношение к тому, что наша рабочая память ограниченна.

Если тренировать и развивать эти области, это пошло бы на благо нашим интеллектуальным функциям. Но реально ли это? Если бы мы могли путем упражнений повлиять на эту область, являющуюся «узким местом», достигли бы мы серьезных результатов? В каких жизненных ситуациях нас чаще всего подводит память?

ПРИМЕЧАНИЯ

86 О френологии см.: Mountcastle,V. The evolution of ideas concerning the function of the neocortex’, Cerebral Cortex, 1995, 5:289-295.
87 Brodmann, K. Vergleichende Lokalisationslehre der Gros- shirnrinde. Leipzig: Barth. 1909.
88 О пластичности в сенсорных областях см.: Kaas, J.H., Merzenich, М.М. & Killackey, Н.Р. 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.
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.
91 0 тренинге и его воздействии на слуховую зону см.: Recanzone, G.H., Schreiner, С. Е. & Merzenich, М.М. Plasticity in the frequency representation of primary auditory cortex following discrimination training in adult owl monkeys. Journal of Neuroscience. 1993,13:87-103.
92 О двигательном тренинге и его воздействии на кору головного мозга см.: Nudo , R.J., Milliken, G. W., Jenkins, W. M., & Merzenich, М.М. Use- dependent alterations of movement representations in primary motor cortex of adult squirrel monkeys. Journal of Neuroscience. 1996,16, 785-807.
93 См. исследование о музыкантах, играющих на смыч ковых инструментах: Elbert, Т., Pantev, С., Wienbruch, С., Rockstroh, В. & Taub, Е. Increased cortical representation of the fingers of the left hand in string players. Science. 1995, 270.
94 Об исследовании белого вещества у пианистов см.: Bengtsson, S.L., Nagy, Z., Skare, S., Forsman, L., Forssberg, H. & Ullen, F. Extensive piano practicing has regionally specific effects on white matter development. Nature Neuroscience. 2005,8.
95 О функциональном магнитно-резонансном исследовании заучивания движений пальцев см.: Kami, A., Meyer, G., Jezzard, P., Adams, M.M., Turner, R. & Ungerleider, L.G. Functional MRI evidence for adult motor cortex plasticity during motor skill learning. Nature. 1995, 377:155-158.
96 О жонглировании см.: Draganski, В., Gaser, С., Busch, V., Schuierer, G., Bogdahn, U. & May, A. Neuroplasticity: changes in grey matter induced by training. Nature. 2004, 427: 311-312.

Торкель Клингберг

Еще 30 лет назад человеческий мозг считался органом, который заканчивает свое развитие во взрослом возрасте. Однако наша нервная ткань эволюционирует всю жизнь, отвечая на движения интеллекта и изменения во внешней среде. Пластичность мозга позволяет человеку учиться, исследовать или даже жить с одним полушарием, если второе было повреждено. T&P рассказывают, что такое нейропластичность и как она работает на физиологическом и молекулярном уровне.

Развитие мозга не замирает, когда завершается его формирование. Сегодня мы знаем, что нейронные связи возникают, гаснут и восстанавливаются постоянно, так что процесс эволюции и оптимизации в нашей голове не прекращается никогда. Это явление носит название «нейрональная пластичность», или «нейропластичность». Именно она позволяет нашему разуму, сознанию и когнитивным навыкам адаптироваться к изменениям окружающей среды, и именно она является ключом к интеллектуальной эволюции вида. Между клетками нашего мозга постоянно возникают и поддерживаются триллионы связей, пронизанных электрическими импульсами и вспыхивающих, как маленькие молнии. Каждая клетка на своем месте. Каждый межклеточный мостик тщательно проверен с точки зрения необходимости его существования. Ничего случайного. И ничего предсказуемого: ведь пластичность мозга - это его способность приспосабливаться, улучшать себя и развиваться по обстоятельствам.

Пластичность позволяет мозгу переживать удивительные перемены. Например, одно полушарие может дополнительно взять на себя функции другого, если то не работает. Так произошло в случае Джоди Миллер - девочки, которой в возрасте трех лет из-за не поддававшей лечению эпилепсии почти целиком удалили кору правого полушария, заполнив освободившееся пространство спинномозговой жидкостью. Левое полушарие почти мгновенно стало адаптироваться к создавшимся условиям и взяло на себя управление левой половиной тела Джоди. Спустя всего десять дней после операции девочка покинула больницу: она уже могла ходить и пользоваться левой рукой. Несмотря на то что у Джоди осталась только половина коры, ее интеллектуальное, эмоциональное и физическое развитие идет без отклонений. Единственным напоминанием об операции остается легкий паралич левой части тела, который, однако, не помешал Миллер посещать занятия по хореографии. В 19 лет с отличными оценками она окончила школу.

Все это стало возможным благодаря способности нейронов создавать между собой новые связи и стирать старые, если они не нужны. В основе этого свойства мозга лежат сложные и малоизученные молекулярные события, которые опираются на экспрессию генов. Неожиданная мысль ведет к появлению нового синапса - зоны контакта между отростками нервных клеток. Освоение нового факта - к рождению новой клетки мозга в гипоталамусе . Сон дает возможность растить необходимые и удалять ненужные аксоны - длинные отростки нейронов, по которому нервные импульсы идут от тела клетки к ее соседкам.

Если ткань повреждена, мозг узнает об этом. Часть клеток, которые раньше анализировали свет, могут начать, к примеру, обрабатывать звук. Судя по данным исследований, в том, что касается информации, у наших нейронов просто зверский аппетит, так что они готовы анализировать все, что им только предложат. Любая клетка способна работать со сведениями любого типа. Ментальные события провоцируют лавину событий молекулярных, которые происходят в телах клеток. Тысячи импульсов регулируют производство молекул, необходимых для мгновенного ответа нейрона. Генетический пейзаж, на фоне которого разворачивается это действо, - физические изменения нервной клетки - выглядит невероятно многоплановым и сложным.

«Процесс развития мозга позволяет создавать миллионы нейронов в правильных местах, а потом «инструктирует» каждую клетку, помогая ей сформировать уникальные связи с другими клетками», - рассказывает Сьюзан МакКоннел , ученый-нейробиолог из Стэнфордского университета. «Можно сравнить это с театральной постановкой: она разворачивается по сценарию, написанному генетическим кодом, но у нее нет ни режиссера, ни продюсера, а актеры ни разу в жизни не разговаривали друг с другом до того, как выйти на сцену. И несмотря на все это, спектакль идет. Для меня это настоящее чудо».

Пластичность мозга проявляется не только в экстремальных случаях - после травмы или болезни. Само по себе развитие когнитивных способностей и памяти тоже является ее следствием. Исследования доказали, что освоение любых новых навыков, будь то изучение иностранного языка или привыкание к новой диете, усиливает синапсы. При этом декларативная память (например, запоминание фактов) и процедурная память (например, сохранение моторных навыков езды на велосипеде) связаны с двумя известными нам типами нейропластичности.

Структурная нейропластичность: постоянная развития

С декларативной памятью связана структурная нейропластичность. Каждый раз, когда мы обращаемся к знакомой информации, синапсы между нашими нервными клетками меняются: стабилизируются, усиливаются или стираются. Это происходит в мозжечке , миндалинах , гиппокампе и коре больших полушарий каждого человека каждую секунду. «Приемники» информации на поверхности нейронов - так называемые дендритные шипики - растут, чтобы усваивать больше сведений. Причем если процесс роста запускается в одном шипике, соседние тут же охотно следуют его примеру. В постсинаптических уплотнениях - плотной зоне, которая есть в некоторых синапсах, - вырабатывается больше 1000 белков, которые помогают отрегулировать обмен информацией на химическом уровне. По синапсам курсируют множество различных молекул, действие которых позволяет им не распасться. Все эти процессы идут постоянно, так что с точки зрения химии наша голова выглядит как пронизанный транспортными сетями мегаполис, который всегда находится в движении.

Нейропластичность обучения: вспышки в мозжечке

Нейропластичность обучения, в отличие от структурной, возникает вспышками. Она связана с процедурной памятью, отвечающей за чувство равновесия и моторику. Когда мы садимся на велосипед после долгого перерыва или учимся плавать кролем, в нашем мозжечке восстанавливаются или возникают впервые так называемые лазящие и моховидные волокна: первые - между крупными клетками Пуркинье в одном слое ткани, вторые - между гранулярными клетками в другом. Множество клеток меняется вместе, «хором», в один и тот же момент, - так что мы, ничего специально не вспоминая, оказываемся способны сдвинуть с места самокат или удержаться на плаву.

Моторная нейропластичность тесно связана с явлением долговременной потенциации - усилением синаптической передачи между нейронами, которое позволяет надолго сохранить проводящий путь. Сегодня ученые полагают, что долговременная потенциация лежит в основе клеточных механизмов обучения и памяти. Это она на протяжении всего процесса эволюции различных видов обеспечивала их способность приспосабливаться к изменениям окружающей среды: не падать с ветки во сне, копать подмерзшую почву, замечать тени хищных птиц в солнечный день.

Очевидно, однако, что два типа нейропластичности позволяют описать далеко не все изменения, которые происходят в нервных клетках и между ними на протяжении жизни. Картина мозга, похоже, так же сложна, как картина генетического кода: чем больше мы о нем узнаем, тем лучше понимаем, как мало нам в действительности известно. Пластичность позволяет мозгу приспосабливаться и развиваться, менять свою структуру, улучшать свои функции в любом возрасте и справляться с последствиями болезней и травм. Это результат одновременной совместной работы самых разных механизмов, законы которой нам еще только предстоит изучить.