8 | Пластичные чувства

Издавна было известно, что наши сенсорные системы обладают таким удивительным свойством, как пластичность. У людей, лишенных одного из чувств, происходит компенсаторное усиление всех остальных: например, у слепых людей обостряется слух и осязание. Кроме того, эксперименты по перцептивному обучению (подобные тем, о которых я расскажу в 9-й главе) показали, что с помощью тренировки человек может, например, значительно повысить остроту своего зрения. Конечно, скептики могут возразить, что в этом случае человек просто развивает навык выполнения конкретной задачи и учится лучше концентрировать на ней свое внимание – и, следовательно, ни о каком реальном улучшении работы сенсорной системы речь не идет. Но исследования с использованием современных методологий убедительно доказали, что при этом происходит физическое изменение нейронных сетей в головном мозге.

Термин «пластичность мозга» означает способность мозга к реорганизации своих нейрональных схем. Один из классических ранних экспериментов, показавших это, состоял в следующем: исследователи брали слепую от рождения (например, вследствие повреждения обеих сетчаток) крысу. Когда крыса подрастала, ее обучали проходить лабиринт, что животное делало с удовольствием, потому что в конце лабиринта его ожидало лакомство. Затем исследователи слегка повреждали крысе зрительную кору и снова запускали в лабиринт. Теоретически поврежденная зрительная кора не должна была повлиять на способность зверька ориентироваться в пространстве. Но на деле крыса находила путь в лабиринте гораздо хуже, чем раньше, что означало, что зрительная кора у слепых крыс каким-то образом задействована в выполнении этой задачи, хотя и неизвестно, как именно. Эксперимент был осуществлен, в частности, Карлом Лешли из Лаборатории биологии приматов имени Р. Йеркса, которого интересовало физическое местонахождение памяти в мозге. Последующие исследователи указывали на некоторые недостатки его метода, но в целом ученый двигался в правильном направлении[24].

Еще одно наблюдение, на этот раз касавшееся людей, сделали в те же годы врачи-клиницисты. Они сообщали о двух типах приобретенной слепоты. К первой категории относились пациенты, у которых с рождения был перекрыт один глаз, например, катарактой или вследствие редко встречающегося нарушения развития век. Когда анатомическая проблема в конце концов устранялась, глаз все равно оставался слепым или почти слепым. Что-то происходило в течение этого раннего периода окклюзии, что затем не давало глазу и его проводящему пути в центральной нервной системе начать функционировать надлежащим образом.

Ко второй категории относились дети с врожденным косоглазием. Когда такие дети вырастали, один глаз у них обычно брал верх над другим, в результате чего второй глаз переставал работать. В просторечии это называется синдромом ленивого глаза, или спящего глаза, на официальном медицинском языке – амблиопией. На самом деле этот глаз не слепой – специализированные тесты показывают, что его сетчатка вполне функциональна, – просто он не участвует в зрении. (Существуют различные методы лечения этой патологии, наиболее распространенный – попеременное перекрытие глаз в раннем детстве, чтобы ни один глаз не мог взять на себя доминирующую роль и подавлять другой.)

Исследователи Дэвид Хьюбел и Торстен Визель, первооткрыватели простых и сложных нейронов в зрительной коре, провели аналогичные эксперименты на животных и описали нейрональную основу ленивого глаза: оказалось, что в ранний период жизни синапсы, которые соединяют идущий от сетчатки зрительный проводящий путь с центральной нервной системой, очень пластичны. Если корковые нейроны получают основную зрительную информацию от одного глаза и почти не получают ее от другого, аксоны первого глаза захватывают все синаптическое пространство корковых нейронов, из-за чего второй глаз, хотя и остается функциональным, лишается возможности передавать сигналы мозгу.

Кроме того, Хьюбел и Визель обнаружили, что проблема косоглазия гораздо сложнее, чем считалось раньше. В норме изображения с обоих глаз почти идеально совпадают топографически: один и тот же участок визуальной сцены стимулирует одну и ту же группу корковых нейронов. Когда же исследователи вызвали у животных искусственное косоглазие (заставив животных с рождения носить на одном глазу призму, отклонявшую падающее на сетчатку изображение) и затем исследовали их мозг, оказалось, что сигналы из двух глаз возбуждали разные группы нейронов-мишеней, то есть не создавали единую кортикальную карту. Другими словами, при косоглазии зрение в буквальном смысле слова становится бинокулярным: вместо одного изображения мозг видит два разных. А поскольку эти два изображения конфликтуют друг с другом, мозгу приходится выбирать, какому из них отдать предпочтение. В итоге синаптические связи с одним из двух глаз подавляются – сначала временно, а затем и навсегда, делая этот глаз функционально слепым.

Чарльз Гилберт из Рокфеллеровского университета провел изобретательный эксперимент, показавший, как происходит реорганизация корковых ответов другого рода. В норме в зрительной коре существует своего рода «карта» сетчатки. Конечно, она немного искажена из-за неровной поверхности коры, однако исследования показали, что соседние точки на сетчатке проецируют свои ответы на соответствующие соседние точки в зрительной коре, создавая на ней упорядоченную карту поля обзора. Эксперимент заключался в следующем: с помощью лазера в сетчатке обезьяны безболезненно проделывалось крошечное отверстие, после чего Гилберт регистрировал активность ее зрительной коры. Поначалу на кортикальной карте появлялся пробел, соответствовавший отверстию в сетчатке. Но спустя какое-то время этот пробел затягивался: соседние области сетчатки образовывали синаптические связи с клетками зрительной коры, которые остались без работы из-за повреждения их источника сигналов.

Это не означает, что в поврежденной области сетчатки было восстановлено зрение. Если сетчатка повреждена, в этом месте навсегда останется слепое пятно, которое ни сетчатка, ни мозг не смогут компенсировать. Происходит другое: освободившиеся корковые нейроны «захватываются» клетками вокруг места поражения сетчатки, что, в свою очередь, позволяет предположить, что эта область начинает функционировать эффективнее, чем раньше. Насколько мне известно, никто пока не протестировал это предположение. Как бы то ни было, гиперинервированная область сетчатки должна быть более устойчивой – и, возможно, менее чувствительной к дальнейшим повреждениям, чем прежде.

Таким способом природа предотвращает простой вычислительных мощностей. Если какая-то область коры перестает получать входные сигналы из своего естественного источника, она бездействует – а это непозволительная роскошь для нашего мозга. Поэтому через какое-то время эта корковая область переключается на обслуживание неповрежденных источников. Аналогичный механизм предположительно используется мозгом для преодоления последствий мелких инсультов. (Невропатологи утверждают, что мы теряем небольшие участки мозговой ткани на протяжении всей жизни.) Представьте, что в коре произошла закупорка мелкого кровеносного сосуда, в результате чего крошечная область мозга, которую он питал, отмерла. Корковая область-мишень, которая раньше обрабатывала входные сигналы из этого навсегда замолчавшего источника, осталась не у дел. Но природа старается по максимуму задействовать драгоценные корковые ресурсы, поэтому она передает их в распоряжение соседних областей.

В предыдущем разделе мы говорили о том, как сенсорные системы приспосабливаются к различным видам патологий и повреждений, серьезно нарушающих их нормальное функционирование. Но небольшие реорганизации систем восприятия – естественный процесс, который происходит с каждым из нас.

Когда исследователи получили доступ к технологиям сканирования мозга, мы узнали много интересного. Яркий пример пластичности мозга был обнаружен при исследовании мозговой активности слепых от рождения людей. Так, когда слепые добровольцы читали с помощью пальцев текст, напечатанный шрифтом Брайля, у них активизировались области мозга (такие как первичная зрительная кора), которые у зрячих задействованы в обработке визуальной информации. Слепые на протяжении многих лет интенсивно использовали свое чувство осязания, в результате чего функция обработки тактильной информации каким-то образом была передана незадействованному зрительному центру.

Другой впечатляющий пример был получен в ходе исследования зрячих людей – профессиональных скрипачей. При игре на скрипке человек делает относительно несложные и неточные движения одной рукой, которой водит смычкой по струнам. При этом другой рукой он должен делать точно выверенные мелкие движения, прижимая струны к грифу скрипки в строго определенных местах (иначе ноты будут звучать фальшиво) – причем иногда это необходимо делать с головокружительной скоростью. Другими словами, здесь сочетается высокая скорость и точность движений. Профессиональные скрипачи упражняются по многу часов в день. Как вы уже догадались, это отражается на физической организации связей в их головном мозге – конкретно в той области мозга, которая контролирует движение пальцев. У профессиональных скрипачей эта область расширяется настолько, что даже заменяет функции соседней мозговой ткани. Но это происходит только для одной руки, используемой для нажима на струны. Та же область в другом полушарии, которая контролирует относительно простые движения руки, работающей смычком, не меняется.

(Мне интересно, не происходит ли с другими профессионалами то же самое, что и со скрипачами. Например, не могут ли у профессиональных спортсменов расширяться области мозга, отвечающие за контроль определенных мышц? Или, если вы всю жизнь изучаете мозг, не приводит ли это к тому, что «область изучения мозга» в вашем собственном мозге расширяется настолько, что вытесняет все прочие нейронные сети, например, отвечающие за любовь к опере?)