• Как перекраиваются карты мозга
• Эффект стимуляции
• Музыка и жонглирование
• Что такое use и что такое it?

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 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.

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.

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.

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 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.

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 расширилась⁹¹.

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 изменениям⁹².

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 музыкантов⁹³.

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 музыканты⁹⁴.

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 далее⁹⁵. 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

⁸⁶О френологии см.: Mountcastle,V. The evolution of ideas concerning the function of the neocortex’, Cerebral Cortex, 1995, 5:289-295.
⁸⁷Brodmann, 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.
⁸⁹О трансплантации зрительного нерва см .: Sharma, J., Angelucci, A. & Sur, M. Induction of visual orientation modules in auditory cortex. Nature. 2000, 404:841-847.
⁹⁰О 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.
⁹¹0 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.
⁹⁴Об 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