Наш креативный мозг. Как человек и мир творят друг друг

2. Соревнование за лучшие контакты: нейрональный дарвинизм

Cells that fire together wire together^[4].

Доналд Хебб (1949)

Из-за невообразимо огромного числа клеток мозга и возникающих между ними контактов в ходе развития мозга важную роль играют принципы самоорганизации. Поэтому всякий мозг – даже при наличии одного и того же генетического фона – в ходе развития становится уникальным. В нем формируется сеть из миллиардов нейронов, каждый из которых посредством синапсов контактирует с другими нейронами, число которых может быть от 1000 до 100 000. Эта предельно сложная сеть не может быть генетически запрограммирована через синапсы. Генетический фон дает в общих чертах инструкции для структуры мозга и задает правила процесса локальной самоорганизации. Детали восполняются потом через локальное функционирование клеток мозга в процессе развития.

В процессе развития формируется избыточное количество клеток, волокон и контактов. Позднее возникает конкуренция, в ходе которой побеждают соединения, которые лучше функционируют. И опять-таки главную роль в развитии клетки мозга играет ее окружение. Сначала спонтанная электрическая активность в сети нервных клеток возникает локально. На более поздней стадии электрическая активность определяется информацией, поступающей от нашего тела и через наши органы чувств из внешнего мира, – той, что передается через спинной мозг, а также визуальной информацией – через зрение и звуковой – через слух.

Под влиянием электрической активности в процессе развития с большой точностью выстраиваются связи между областями и клетками мозга. Если клетки находятся в интенсивном электрическом контакте друг с другом, этот контакт закрепляется. При возникновении в контактах электрической активности выделяются химические передатчики, воздействующие на клетку, с которой произошел контакт. Клетки, которые возбуждаются друг от друга (то есть становятся электрически активными), формируют связи друг с другом. Если контакт слабый, он исчезнет, а затем исчезнут также причастные к нему клетки мозга. Впрочем, смерть клетки – это нормальный процесс в ходе развития мозга. Иными словами, survival of the fittest [выживает сильнейший]. Мы производим впятеро больше клеток мозга, чем то количество, которым в итоге располагаем; этот процесс называют нейродарвинизмом.

Впоследствии неоптимально функционирующие и излишние контакты обрезаются. В конечном счете остающиеся связи в мозге оцениваются более чем в миллион километров волокон – число настолько большое, что случайности при их формировании не могут не приводить к возникновению индивидуальных различий. Группы клеток мозга, во время развития соединяющиеся друг с другом, лишь приблизительно находят друг друга с помощью генетических программ, использующих химические передатчики; затем, когда начинают функционировать, они уже точно устанавливают свои связи. Активность клеток мозга влияет на формирование связей и, следовательно, на развитие мозга; связанные друг с другом структуры продолжают совместно функционировать также в процессах обучения, мышления и воспоминания.

Это не означает, что наш мозг железобетонный. Небольшие повреждения или нарушения в развитии могут многократно ремонтироваться, но степень восстановления зависит от серьезности нарушения и от возраста человека. Чем моложе мозг, тем больше его пластичность. Впоследствии пластичность на микроуровне все еще сохраняется.

3. Критические фазы развития: теперь или никогда

На базе генетического фона и в процессе нейронального дарвинизма у ребенка во время эмбрионального развития и после рождения формируются системы мозга. В качестве примера того, как проходит этот процесс, мы можем проследить формирование системы, посредством которой мы получаем возможность видеть (см. главу VII).

Нейроны (клетки мозга), которые создаются в самой сердцевине мозга, вокруг желудочков мозга, получают генетическое задание стать клетками определенного типа. Затем они ползут, подобно гусеницам пяденицы, по волокнам глиальных клеток в первичную зрительную кору (глава V.1) и там дифференцируются. Глиальные клетки раньше считали вспомогательными клетками для нейронов, но оказалось, что они играют весьма активную роль при развитии мозга и при передаче химических сигналов. Затем нейроны посредством химических сигналов привлекают волокна клеток из таламуса от латерального коленчатого тела (corpus geniculatum lateralis), которые здесь получают и обрабатывают информацию, поступающую от сетчатки глаза.

Когда контакты между выросшими волокнами и клетками коры сформированы, электрическая активность, возникающая благодаря зрению, необходима для созревания и поддержания характерной структуры зрительной коры. Система должна «научиться видеть» в течение очень чувствительного – критического – периода развития после рождения ребенка. Люди, родившиеся с непрозрачным хрусталиком (врожденная катаракта) и получившие новый хрусталик после этого критического периода развития, уже не могут научиться видеть. Если ребенок косит и для «ленивого глаза» не позаботились о необходимой активации клеток мозга в течение критического периода развития зрительной коры, то она уже не будет реагировать на информацию от «ленивого глаза». Поэтому у ребенка с косоглазием здоровый глаз временно закрывают повязкой, так что «ленивый глаз» оказывается вынужден посылать информацию в зрительную кору, и эта функция зрительной коры не утрачивается.

И наоборот: связи, если они однажды уже сформированы в течение критической фазы развития, остаются стабильными до конца жизни. Каждая область мозга – и внутри ее каждый вид клеток – имеет иную критическую фазу, в течение которой может иметь место нормальное развитие мозга. Области мозга, важные для нашей гендерной идентичности (то есть ощущения себя мужчиной или женщиной) и для нашей сексуальной ориентации, программируются еще до рождения (глава IV.1), а области мозга и системы, с помощью которых мы учимся говорить на родном языке, после рождения (главы VI.2, VI.3).

4. Химические вещества и развитие мозга: функциональная тератология

Медицина достигла такого развития, что уже не осталось почти ни одного здорового человека.

Олдос Хаксли

Развитие мозга происходит на основе химических сигналов между его клетками. Это делает развитие мозга уязвимым для веществ, которые попадают в плаценту. Также и после рождения химические вещества могут очень сильно повлиять на развитие мозга. Отличие от действия химических веществ на мозг взрослого человека состоит в том, что, влияя на формирование кирпичиков детского мозга в период развития, они могут стать фактором постоянного воздействия на структуру и, следовательно, на последующую функцию мозга. Ребенок кажется здоровым, появившись на свет, но воздействие химических веществ на развитие мозга позже выразится в проблемах с учебой и поведением или в психических нарушениях. Эта отрасль получила название функциональной тератологии, или тератологии поведения.

Классическая тератология охватывает врожденные пороки развития, которые заметны сразу же при рождении, такие как открытая спина (расщепление позвоночника, spina bifida) или отсутствие больших полушарий (анэнцефалия). Такие тератологические нарушения связаны с воздействием на ранней стадии беременности лекарств (например, против эпилепсии), химикалий в крестьянском хозяйстве или загрязнением воздуха. Ртуть в рыбе, которую ест беременная женщина, снижает IQ у ребенка еще в течение 22 лет. Гормоноподобное вещество DES (диэтилстилбестрол), которое давали громадному числу женщин при кровотечении во время беременности, исходя из необоснованной идеи, что оно было вызвано недостатком гормонов, приводит к повышенной опасности психических нарушений у ребенка, таких как шизофрения, депрессия и попытки самоубийства. При функциональной тератологии речь идет о детях, которые при рождении выглядят совершенно здоровыми, однако позднее, когда должны начать функционировать системы головного мозга, с ними возникают проблемы.

К функциональной тератологии приводят во время беременности, например, алкоголь, сигареты, употребление кокаина или других вызывающих зависимость веществ и лекарств. Пренатальное воздействие курящей матери вызывает эпигенетические изменения ДНК в крови младенца, которые продолжают сказываться по меньшей мере до семнадцатилетнего возраста. К сожалению, никотинзаменяющие средства вроде жевательной резинки, пластырей и спреев при употреблении во время беременности увеличивают опасность появления у ребенка синдрома дефицита внимания и гиперактивности (ADHD). Если маленьких детей приходится несколько раз оперировать, анестетики могут вызвать нарушения в развитии мозга. Неоднократных зубоврачебных процедур под наркозом, которые в последние годы практикуют всё чаще, у детей также следует избегать.

Однако некоторые женщины не могут обойтись без лекарств во время беременности, например в случае эпилепсии. Тогда врач должен уметь правильно выбрать такое лекарство, которое в наименьшей степени нарушит развитие мозга ребенка. Другие средства, такие как антидепрессанты, дают слишком часто также и беременным женщинам, которые вовсе не находятся в глубокой депрессии. Наиболее часто применяемые антидепрессанты, селективные ингибиторы обратного захвата серотонина (SSRI), ведут к преждевременным родам, снижению веса новорождённых и снижению оценки по шкале Apgar (система быстрой оценки состояния здоровья новорождённого), большей опасности аутизма и впоследствии к нарушению моторики у ребенка.

Если врач решает давать антидепрессанты, выбор лекарства и дозировка будут решающими для ребенка в утробе матери. Литий – средство стабилизации настроения при биполярной депрессии, но может также применяться при психозах во время беременности, однако уровень препарата в сыворотке крови не должен быть слишком высок, потому что это может вызвать симптомы отравления у ребенка. Употребление лития повышает опасность возникновения сердечно-сосудистых отклонений у плода в период формирования внутренних органов, что должно контролироваться проведением ультразвукового исследования. К тому же прием лития приводит к случаям преждевременных родов.

Но если беременная женщина находится в депрессии и не получает никакого лечения, это также связано с риском для ребенка. У таких детей более тонкая кора больших полушарий, такого типа, как бывает у людей, которые страдают депрессией. Так что это может служить ранним указанием повышенного риска возникновения депрессии у детей. Кроме того, для таких детей отмечается повышенный риск преждевременного появления на свет, пониженный вес, экстериоризированное поведение: агрессия, задиристость, непослушание, грубость, а также снижение вербального интеллекта. Врач, зная все это, мог бы бороться с легкой депрессией во время беременности, прибегая к нелекарственной терапии. Контролируемые испытания, то есть эксперименты, участники которых случайно распределяются по экспериментальным или контрольным группам, показывают эффективность воздействия света, акупунктуры, интернет-терапии и транскраниальной магнитной стимуляции (см. главу XIX.1).

В настоящее время мы заботимся об удалении химических веществ из окружающей среды. Фталаты, пластификаторы пластиков, которые находят бесчисленное и многообразное применение, снижают IQ у семилетних детей и уменьшают половые различия в их игровом поведении. Что это означает для их более поздней сексуальной ориентации и гендерной идентичности, должно стать предметом исследования. Применение фталатов между тем резко сократилось. Курение не только самой беременной женщины, но и курящий поблизости отец повышают среди прочего опасность возникновения синдрома дефицита внимания и гиперактивности (ADHD) у ребенка. Свинец пагубно влияет на когнитивное развитие ребенка и как антидетонатор в бензине теперь заменяется другими присадками.

ДДТ – запрещенный пестицид, но он всё еще применяется и тоннами хранится в плохо контролируемых местах. ДДТ может нарушать половую дифференциацию мозга ребенка. Тонкая пыль, которой загрязняет воздух автомобильная промышленность, воздействие во время беременности токсических веществ, находящихся в воздухе, таких как ароматические растворители или формальдегид, повышают опасность развития аутизма у ребенка. В питьевой воде в слабой концентрации содержатся половые гормоны, из-за того что миллионы женщин принимают противозачаточные таблетки, и эти вещества с мочой попадают в воду. Кроме того, люди выбрасывают в унитаз или в раковину оставшиеся лекарства. Нам пока неизвестно, насколько длительное воздействие оказывают малые дозы гормонов и лекарств на развитие мозга ребенка.

Исследования проявлений функциональной тератологии сложны, поскольку чувствительность к этим веществам зависит также от генетических факторов, и указанные вещества в этом отношении изучены еще далеко не достаточно.

5. Информация от органов чувств дифференцирует кору больших полушарий

Наш мозг в период пребывания в матке программируется информацией, которая из внешней среды проникает внутрь через органы чувств и из тела через периферическую и автономную нервные системы. Каждый участок нашего тела имеет представительство в нашем мозге, так что мозгу ясно, из какой части тела и из какого органа чувств поступает к нему информация. Наш мозг управляет также из этих пунктов функциями нашего тела. Наш мозг, таким образом, «телесен» вплоть до мельчайших деталей.

Мозг и области мозга структурно варьируются в зависимости от возраста, пола, национальности; но и внутри каждой группы велики индивидуальные вариации. Структуры мозга многообразно варьируются в паттерне извилин коры больших полушарий; в величине областей коры вариабельность составляет до 40 %. Это имеет важные последствия, так как микроскопические границы между областями коры определяют их функциональную специализацию.

Гомункулус (человечек): схема, основанная в том числе и на исследованиях Уайлдера Пенфилда, дает представление о репрезентации той или иной части тела в соматосенсорной (A, слева) и моторной (B, справа) коре больших полушарий мозга. На представленном рисунке величина участка коры, который в ходе развития отводится для определенной части тела, отражает либо чувствительность этой части тела (слева), либо уровень ее двигательной функции (справа). Заметьте, что участок чувствительности в гениталиях лежит как раз под участком чувствительности в стопе. Обратите также внимание на обширное представительство чувствительности губ (слева) и моторики лицевых мышц (справа).

Большие индивидуальные различия между областями коры представляют также проблему при интерпретации результатов сканирования мозга. Если при исследовании мозга хотят указать, где именно в коре было найдено функциональное изменение при сканировании, делают это, прибегая к «стандартному мозгу» с нумерацией по Бродманну. В 1909 году Корбиниан Бродманн, изучая мозг под микроскопом, определил границы 52 областей коры больших полушарий. Различные области мозга соответствуют определенным функциям мозга. В то же время при микроскопическом исследовании различных образцов мозга оказалось, что области Бродманна заметно колеблются по величине и локализации в коре. Границы между областями прослеживаются только под микроскопом и не видны при сканировании. Так что при сканировании можно указать только вероятность, в какой именно области коры отмечаются функциональные изменения, но уверенности здесь быть не может (ил. 7).

В ходе развития кора больших полушарий разделяется на большое число специализированных областей, каждая из которых будет занята обработкой и хранением одного вида информации. Это происходит под влиянием генетического фона и процессов развития мозга, при которых информация от различных органов чувств поступает внутрь коры, и функция той или иной системы определяет ее структуру. Для каждого из нас этот чрезвычайно сложный процесс развития приводит к результату, явно отличающемуся от прочих (глава II.3). Так в период развития закладываются наши возможности, наши таланты, но и наши ограничения.

Также в пределах каждой области с конкретной функцией, такой как сенсорная кора, находится специализированный участок, где обрабатывается информация, идущая и от кожи, хотя основной объем информации, поступающей от кожи, направляется к соответствующим, самым большим, отделам коры головного мозга. Поскольку наши губы, язык и кисти рук гораздо более чувствительны, чем, скажем, спина, при учете размеров проекций частей тела в коре головного мозга, возникает странное искажение пропорций на представленном рисунке. Такой карикатурный персонаж был назван «гомункулусом». Когда информация не поступает, например, из-за повреждения нерва или ампутации, депривированная кора частично рекрутируется прилежащими областями.

Примеры подобной пластичности коры – прежде всего когда это возникает в период развития – поразительны. В случае ранней слепоты зрительная кора используется для обработки сенсорной, слуховой и обонятельной информации. Когда слепые пробуют определить предмет на ощупь, активируется зрительная кора. При врожденной слепоте обонятельная система также действует гораздо активнее. У глухих усиливается зрительный ответ в слуховом участке коры. Кроме того, чтение с губ и язык жестов активируют у них слуховую кору. После ампутации конечности участок коры, где обрабатываются сенсорные сигналы от этой конечности, частично перенимается близлежащими областями коры. Если прикоснуться к лицу такого пациента, он может почувствовать это как касание к фантомной кисти ампутированной руки.

Придворная дама с бинтованными ногами. Китай. Начало ХХ в. (фото из книги: Women of All Nations. London; New York: Underwood & Underwood, 1911. P. 532)

Пластичность коры, вероятно, объясняет, почему в старом Китае могло так долго сохраняться такое страшное издевательство, как «лотосовая стопа». У шестилетних девочек ломали кости стопы, после чего стопы туго бинтовали, так чтобы они становились как можно меньше. «Лотосовая стопа» значительно повышала шансы удачно выйти замуж. Генитальная сенсорная кора и моторная кора, управляющая мышцами тазового дна, обе лежат рядом с участком стопы. Участок ощущений и моторики на коре стоп из-за бинтования искусственно становился маленьким, в результате чего соседние области, а именно участки гениталий и мышц тазового дна, могли расширяться и становиться более чувствительными, более сильными. Согласно историческим описаниям, женщины с крошечными ножками действительно обладали более чувствительной вагиной с более сильными мышцами, в том числе и более сильными мышцами тазового дна, и поэтому были более сексуальными.

Американский невролог Рамачандран описал мужчину и женщину, которые подверглись ампутации стопы выше лодыжки. И тот и другая, занимаясь любовью, испытывали сильные ощущения не только в ампутированной ноге, но также и в гениталиях, причем переживание оргазма было сильнее, чем до ампутации. Это подкрепляет предположение о последствиях бинтования ног с целью получения «лотосовой стопы».

Экспериментальные исследования позволяют видеть принципы и детали специализации участков коры больших полушарий в период развития. В этом играет роль спонтанная электрическая активность во всех частях зрительной системы, начиная с сетчатки глаза, затем в первой системе переключения импульсов, таламусе, и потом уже в самой зрительной коре (ил. 40). Базисная структура и функция первичной зрительной коры (ил. 40, VI) возникают также, если никакой информации от глаза не поступает и даже если вообще нет глаза. Информация от зрения, однако, весьма существенна для полного созревания и сохранения структуры зрительной коры и ее функционирования: без этого специфические структуры зрительной коры сморщиваются.

Другие участки коры, оказывается, еще сильнее зависят от роста волокон, которые доставляют в мозг специфическую чувственную информацию. Если у подопытных животных зрительную информацию направляют к слуховой коре, там возникают структуры зрительной коры, но не столь хорошо организованные, как в первичной зрительной коре V1. У грызунов каждому волоску усов сответствует сенсорный участок коры. Если у эмбриона крысы зрительную кору трансплантировать в сенсорную кору, там возникают структуры мозга, типичные для усов. Таким образом, структура коры развивается под влиянием чувственной информации. И обратно, у мышей с врожденной глухотой функции слуховой коры переняли сенсорная и зрительная системы, и зрительная кора увеличилась.

В период формирования мозга в моторной области коры, которая лежит перед сенсорной корой, именно таким образом возникает карта областей, откуда управляется каждая мышца. В гипоталамусе, где функции нашего тела регулируются автоматически, в период развития выбираются особые клетки, которые через автономную нервную систему будут управлять работой сердца, легких, печени, почек, селезенки или половых органов и собирать поступающую от них информацию. В гипоталамусе даже специализируются особые клетки, которые будут определять накопление или разрушение подкожного жира или жира в брюшной полости.

Так информацией из внешнего мира, передаваемой нашими органами чувств, и информацией из внутренних органов наше тело через генетические программы представлено в нашем мозге во всех деталях. Электрическая активность в системах, которые доставляют информацию в кору больших полушарий, и поступление информации в определенные места в течение определенной критической фазы развития вместе определяют строение и тем самым функцию каждой системы мозга на все остальное время нашей жизни.