Живой мозг. Удивительные факты о нейропластичности и возможностях мозга - Дэвид Иглмен

Сфокусировав взгляд, вы заметите изменение объема сигнальных химических веществ, продуцируемых одной клеткой в ходе коммуникации с другой, а также изменение числа рецепторов при приеме химического месседжа. Вас восхитят своей изощренностью молекулярные и ионные каскады внутри нейронов, осуществляющие вычисления и подстройки в ответ на каждый новый стимул. В нейронном ядре вы увидите, как замысловатые химические структуры прикрепляются к извилистым нитям ДНК, вызывая большую экспрессию одних генов и подавляя другие.

Вас, вероятно, поставит в тупик столь сложно устроенная система, в которой пластичность проявляется повсеместно, во всех механизмах. Они все гибко-подвижны. Параметры меняются на всех уровнях и во всех масштабах, от роста и встраивания новых рождающихся нейронов до изменений в экспрессии генов. Когда биологическая система допускает такое огромное количество степеней свободы, возможности для стратегий сохранения памяти беспредельны.

В сущности, у нас имеется много надежных оснований считать, что синапсы не единственное, что меняется. Во-первых, если обучение только настраивает эффективность действующих синапсов, нам не следовало бы ожидать крупных перемен в структуре мозга. Однако при его визуализации можно видеть значительные перемены, когда, например, добровольцы в ходе экспериментов учатся жонглировать, студенты-медики готовятся к экзаменам или лондонские таксисты заучивают схему расположения улиц16. Кортикальные изменения не сводятся только к модификации синапсов, а, судя по всему, предполагают добавление нового клеточного материала17.

Во-вторых, если воспоминания просто удерживаются в матрице синаптических весов, у нас нет причин ожидать нейрогенеза, то есть роста и встраивания в систему новых нейронов18. По идее, когда новоиспеченные нейроны, порождаемые гиппокампом, будут втискиваться в сеть, следовало бы ожидать, что они рискуют спутать тонкий синаптический узор. Тем не менее они успешно находят дорогу во взрослую кору. Эти нейроны не лишние, их можно направить на формирование памяти. Например, если тренировать крысу на выполнение задания, требующего участия гиппокампа, число новых нейронов, генерируемых мозгом, удваивается по сравнению с базовым уровнем. И наоборот, если задание не требует участия гиппокампа, число новых нейронов в мозге крысы не изменится19.

В-третьих, в результате колебания уровней сахаров и белков вокруг ДНК изменяются паттерны экспрессии генов20. Исследования в этой относительно новой области — эпигенетике — показывают, что жизненный опыт вносит свои поправки в определение того, какие гены подавляются, а какие усиливаются. В качестве примера отметим, что мышата, воспитывающиеся в благоприятных условиях (мать часто вылизывает их и ухаживает за шерсткой), демонстрируют пожизненные изменения в паттернах молекул, которые прикрепляются к нитям ДНК, что, как выясняется, на всю жизнь снижает тревоги и страхи детенышей, а также повышает заботливость в отношении уже их потомства21. Таким образом ваш жизненный опыт проникает под кожу — и еще глубже, до уровня экспрессии генов, где может встроиться на длительный срок.

Когда нейрофизиологи и разработчики искусственного интеллекта говорят об изменениях в сети, они обычно подразумевают изменения в силе связей между клетками. Однако, на наш свежий дилетантский взгляд, синапсы обречены на недостаточность, потому что пластичность проявляется в мозге на каждом уровне. Характер протекания активности в сетях определяется всеми их настройками, как крупными, так и мелкими. К какой бы части мозга мы ни обратились, пластичность обнаруживается везде. Но тогда почему ученые сосредоточены почти исключительно на синапсах? А потому, что их активность проще всего замерять. Остальные процессы в целом выражены слишком слабо и протекают в мозге слишком стремительно, чтобы современные технологии могли зафиксировать их. По этой причине мы, подобно пьянице, который ищет ключи под фонарем, концентрируем внимание на том, что можем увидеть и измерить.

* * *

Таким образом, в распоряжении мозга множество кнопок, которые он может задействовать, что подводит нас к следующему фрагменту истории: как мозг при наличии стольких настраиваемых параметров умудряется что-либо изменять, не внося сумбур и путаницу во все другие функции? Как осмыслить взаимодействие всех его частей и структур? В чем состоят принципы, посредством которых многие степени свободы не вырываются из-под контроля, а, напротив, поддерживают друг друга в рамках единой системы сдержек и противовесов?

Я предлагаю рассматривать эти вопросы не с позиций биологических особенностей частей мозга, а с позиций временного масштаба, в котором они функционируют. Нашу историю о тайнах изменчивости мозга следует раскрывать не через подробности устройства его механизмов, а через темпы их жизнедеятельности.

Включаем разные временные шкалы

Несколько лет назад американский писатель и футуролог Стюарт Бранд предложил рассматривать цивилизацию как многослойную систему, слои которой функционируют одновременно, но в разном темпе22. Так, мода быстротечна, а промышленные предприятия в какой-либо отрасли меняются значительно медленнее. Инфраструктура — дороги, здания, коммуникации — развивается постепенно. Правила и законы жизни общества — управление — адаптируются очень медленно, защищая нас от ветров перемен. Культура идет вперед по собственному расписанию, опираясь на глубинные основы истории и традиций. Медленнее всего движется природа, отсчитывая свою историю по шкале веков и тысячелетий.

Временные шкалы взаимодействуют, пусть это и не всегда заметно. Слои, живущие более быстрыми темпами, передают накапливающиеся новшества живущим медленнее. Последние, в свою очередь, устраивают слоям-торопыгам проверки на прочность и структурирование. Сила и устойчивость культуры обеспечиваются взаимодействием всех уровней системы (рис. 10.2).

Рис. 10.2. Разнотемповые слои системы

Печатается с разрешения автора

Принцип разбиения на слои в зависимости от их динамики полезен при рассмотрении мозга. Правда, диапазон здесь будет другой: не от скоротечной моды до величественно неторопливой Матери-природы, а от быстрых биохимических каскадов до изменений экспрессии генов. В мозге меняются не только синапсы, но и множество других параметров (для посвященных: сюда входят типы и распределение каналов, состояния фосфорилирования, формы нейритов, скорость транспорта ионов, темпы продуцирования оксида азота, биохимические каскады, пространственная локализация ферментов и экспрессия генов). Если эти потоки активности правильно связаны между собой, мимолетное событие может оставить в системе след, потому что быстрые каскады запускают более медленные, которые в конечном счете могут запускать еще более медленные процессы, а те в свою очередь — постепенные глубинные перемены. Таким образом, изменения пластичности разнесены по временному спектру, а не сохраняются по принципу «всё или ничего». Все формы пластичности взаимодействуют одна с другой, и мощь системе придает слаженное действие всех ее временных слоев23.

Мы видим много разных проявлений действия этой многотемповой системы. Предположим, вы страстно влюбились в слабослышащую девушку — и бросились изучать сурдоязык[58]. Всякий раз, когда вам удается жестами выразить свои чувства, возлюбленная вознаграждает вас кокетливой улыбкой. Вы всё лучше осваиваете жестовый язык и уже изъясняетесь на нем вполне бегло, как вдруг девица, на вашу беду, уезжает из страны. Никто