Человеческий мозг состоит из десятков миллиардов нейронов. По мере взросления они соединяются в масштабную сеть, которая меняется всю жизнь под воздействием внешней среды. Такая пластичность позволяет улучшать когнитивные способности уже во взрослом возрасте, восстанавливаться после серьезных повреждений и решать самые неожиданные задачи.
T&P публикуют отрывок из книги современного философа Катрин Малабу о том, почему мозг напоминает скульптуру, как определенные занятия помогают улучшить память и есть ли пределы у пластичности.
1. Пластичность развития: формирование нейронных связей
[…] «Головной мозг человека, — утверждает Жан-Пьер Шанже, — предстает перед нами как гигантская сборка десятков миллиардов спутанных друг с другом нейронных „паутин“, где „стрекочут“ и распространяются тысячи электрических импульсов, тут и там перехватываемых широким спектром химических сигналов». Эти «паутины», также называемые «разветвлениями», — нейронные соединения, постепенно образующиеся в ходе развития индивида. Когда говорят о пластичности, характеризуют именно этот нейрогенез. Мозг, в сущности, формирует сам себя. «Человек рождается с мозгом, который весит 300 граммов, то есть в пять раз меньше мозга взрослого… Одна из главных особенностей развития человеческого мозга состоит в том, что оно продолжается еще длительное время после рождения… примерно пятнадцать лет».Таким образом, все начинается с установления соединений, затем их умножения и усложнения. Увеличение массы мозга совпадает с разрастанием аксонов и дендритов, образованием синапсов, развитием вокруг аксонов миелиновых оболочек. Это развитие подчинено строгому генетическому детерминизму. По своему происхождению и строению «все человеческие мозги схожи между собой», говорит Марк Жанро. Безусловно, соединения, составляющие анатомию зрелого мозга, не являются делом случая или стихийной организации. Миграция нервных клеток и их приспособление к конечным целям запрограммированы. «Приведем лишь один пример, — продолжает автор. — У всех людей волокна, исходящие из сетчатки и несущие зрительную информацию, завершают свой путь в зрительной части коры больших полушарий, то есть в затылочной доле, находящейся в задней части мозга; у всех людей эта зрительная часть образует связи с другими участками, расположенными в теменной, височной доле и т. д. Следовательно, мозг взрослого человека отражает существование предустановленного плана, который обеспечивает неизменность анатомии от одного индивида к другому».
Если нейрогенез соответствует «предустановленному плану», зачем вообще говорить о пластичности, характеризуя это развитие? По двум существенным причинам, связанным с 1) вышеупомянутым процессом установления соединений и 2) их формовкой (которая отличается от модуляции синаптической эффективности). В обоих случаях выполнение программы действует как пластика. Существует, так сказать, пластическое искусство мозга, чем и объясняется использование термина «пластичность» в данном контексте. Именно здесь на передний план выступает суженное или «закрытое» значение этого понятия — скульптура заранее определенной формы.
С резцом скульптора в процессе установления соединений можно сравнить явление под названием «апоптоз», или «клеточная гибель». Эта смерть представляет собой нормальное явление. Она опять же соответствует выполнению генетической программы, которая приводит к устранению бесполезных связей и постепенному становлению окончательной формы системы за счет нацеливания нервных волокон на клетки-мишени. В человеческом мозге смерть нейронов начинается в конце внутриутробного периода и продолжается как минимум в течение первых шести месяцев жизни. У взрослого человека ее динамика существенно замедляется. Как пишет Жан-Пьер Шанже: «Истребление нейронов — часть нормального развития. Оно составляет один из его решающих этапов». В книге с красноречивым заглавием «Скульптура живого» биолог Жан-Клод Амайзен подчеркивает тот факт, что мозг, отнюдь не будучи, как долго полагалось, полностью сформированным к моменту рождения органом, представляет собой инстанцию, одновременно принимающую и придающую себе собственную форму. «Клеточная гибель, — пишет он, — является… инструментом, позволяющим эмбриону развить свою форму методом исключения, что роднит ее со скульптурой».
Между тем, как объясняет Марк Жанро, начиная с этой стадии развития и как только система обретает законченную скульптурную форму, «генетический детерминизм ослабевает». «После рождения топографическая сеть, образовавшаяся в ходе эмбриогенеза и стабилизировавшаяся через гибель нейронов и устранение соединений, начинает функционировать под влиянием внешних факторов. Это функционирование влечет за собой новую фазу формовки соединений». Среда играет здесь основополагающую роль.
Развитие человеческого мозга по большей части протекает в открытом пространстве, при соприкосновении с раздражителями мира, которые непосредственно воздействуют на рост и объем соединений.
Например, зрительная система не является целиком функциональной при рождении. Синапсы, что соединяют волокна, исходящие из сетчатки, с нейронами зрительной коры, еще не полностью сформированы. И именно информация, полученная извне, активизирует эти синапсы и содействует их созреванию. В этом ключе и принято говорить о формовке синапсов или механизме синаптической пластичности (как мы видим, по-прежнему связанной с генетической программой) во второй фазе развития.
Процесс образования мозга в течение этих двух фаз — установление соединений и их созревание под воздействием среды — выявляет, таким образом, пластичность в выполнении программы. В обоих случаях мозг предстает как сформированная — постепенно изваянная, стабилизированная, поделенная на разные регионы — и в то же время формообразующая инстанция: мало-помалу, по мере того как увеличивается объем соединений, прорисовывается идентичность индивида. И чем дальше, тем больше эта «первая пластичность» утрачивает свой неумолимый детерминизм. Скульптор постепенно начинает импровизировать. В формовке соединений все большую роль играет наша собственная активность: «Наш мозг, формуемый нашей собственной деятельностью, нашими взаимодействиями с внешним миром, равно как и влиянием, испытываемым нами в ходе воспитания, знает нашу историю и жизненный путь. Из этой близости рождается глубинное тождество функционирования нашего мозга и нашего понимания мира, можно даже сказать, тождество взглядов».
На самом деле первый уровень пластичности тесно связан со вторым, поскольку влияние среды постепенно приходит на смену эпигенетической «лепке» и становится все более выраженным. Суженное или «закрытое» значение пластичности очень скоро наталкивается на ее «открытое» значение — «свободу», в которой удивительным образом сходятся детерминизм и неопределенность. И действительно, мы видим, что морфогенез мозга приводит не к установлению ригидной и окончательно закрепленной структуры, но к образованию того, что можно назвать шаблоном. Он затем оттачивается (вылепляется) в ходе развития и далее — уже в меньшей степени, но с неменьшей эффективностью — на протяжении всей жизни. Нервная деятельность предустановленных цепочек, таким образом, приходит на смену скульптурной активности апоптоза. Отныне роль морфогенных факторов играет окружение мозга как органа (формовка соединений), а затем и его внешнее окружение (синаптическая модуляция под влиянием среды).
Источник: Svetlana Mokrova / istockphoto.com
2. Пластичность модуляции: мозг и его история
В этом пункте мы сразу же встречаем второе поле действия нейропластичности — модификацию нейронных соединений посредством модуляции синаптической эффективности. Несомненно, именно на этом уровне пластичность проявляет себя с наибольшей яркостью и силой и именно здесь она «раскрывает» свое значение. На самом деле существует своего рода нейронное «творчество», не зависящее ни от чего другого, кроме опыта индивида, его жизни и взаимодействий со средой. Это «творчество» не закреплено исключительно за человеческим мозгом, но характерно уже для наиболее рудиментарных нервных систем.
Данная пластичность, состоящая в придании формы ветвлениям и модуляции синаптической эффективности, была впервые выявлена канадским неврологом Дональдом Олдингом Хеббом. В конце 1930-х годов разнообразные экспериментальные наблюдения заставили его отойти от концепции жесткой локализации цепочек памяти в соответствии с моделью рефлекторной дуги Павлова. По его мысли, следовало скорее говорить о существовании «пластичных синапсов», способных адаптировать свою эффективность передачи. Хебб сформулировал гипотезу нейронных цепочек, способных к самоорганизации, то есть к модификации своих соединений в ходе деятельности, необходимой для восприятия и обучения. Синапс — это первостепенное место, где нервная деятельность может оставить след, способный сместить, изменить или преобразовать себя через повторение прошлых действий.
Умение синапсов модулировать свою эффективность и модифицировать интенсивность своих ветвлений под действием опыта осуществляется в двух направлениях. Либо эффективность синапса (его способность передавать сигналы от нейрона к нейрону) увеличивается — это «долговременная потенциация (ДВП или LTP)»; либо она уменьшается — это «долговременная депрессия (ДВД или LTD)». Это видно уже на примере такого животного, как аплизия. Ее центральная нервная система проста и состоит из восьми пар ганглиев, расположенных вокруг пищевода, и большого абдоминального ганглия. Аплизия обладает скудным набором поведенческих стереотипов, среди которых можно выделить ряд защитных маневров вроде втягивания сифона или жабры. Вместе с тем сила ее защитного рефлекса модулируется опытом. Повторение неопасных стимуляций на мантии вызывает уменьшение рефлекса (привыкание), которое выражается в снижении амплитуды отступательных движений. Привыкание сопровождается подавлением синаптической активности и пропорциональным уменьшением количества нейротрансмиттера, выделяемого на уровне сенсорно-двигательного синапса.
Явления долговременных потенциации и депрессии еще более отчетливо выражены в процессах приспособления, обучения и памяти у птиц. К примеру, черношапочная гаичка запасает еду в кладовых, которые потом безошибочно находит. Исследователям удалось установить, что размер мозговой зоны (гиппокампа), участвующей в этом процессе, у данной птицы больше, чем у других, не имеющих опыта запасания кормов. Стало быть, виды, практикующие запасание, имеют в сравнении с другими ощутимо более крупный гиппокамп. Это изменение является следствием накопления новых нейронов, уменьшения клеточной гибели (апоптоза) и увеличения соединений между нейронами гиппокампа. Последний, таким образом, демонстрирует удивительную структурную пластичность.
Потенциация и депрессия представляют собой не просто синаптические процессы, в течение которых одна или несколько стимуляций вызывают немедленное возбуждение. Это еще и долговременные модификации, способные преобразовать форму (изменения размера определенной зоны мозга, варьирование проницаемости регулярно возбуждаемой зоны) и удалить след, с тем чтобы нанести его заново (лабильность следа памяти). Действительно было замечено, что некоторые нервные сети становятся более продуктивными, когда «подавляют» синапсы, которые были задействованы в задачах, приводивших к ошибкам в двигательном обучении. В человеческом мозге эта особенность проявляется со всей очевидностью в ходе всех процессов обучения. Например, при обучении игре на фортепиано механизм подавления входных сигналов, соответствующих ошибочным движениям («промахам»), делает возможным усвоение правильных движений. В случае потенцированных соединений синапсы увеличивают площадь соприкосновения, их проницаемость возрастает, нервная проводимость ускоряется. И наоборот, малоиспользуемый или «подавляемый» синапс имеет тенденцию становиться менее продуктивным. Нейроны в некотором роде сохраняют импульсы стимуляции. Дело обстоит так, как если бы стабилизация воспоминаний происходила исключительно при условии потенциальной дестабилизации общего пейзажа памяти.
Итак, долговременная потенциация структурно связана с долговременной депрессией, и эта связь составляет дифференцирующую, а точнее, трансдифференцирующую силу нейропластичности. Если воспользоваться аналогией со становлением стволовых клеток, то можно считать, что благодаря своей пластичности нейронные связи всегда способны сменить различие, воспринять отпечаток или от него избавиться, трансформировать свою программу.
Следовательно,
тот факт, что синапсы демонстрируют усиление или ослабление своей эффективности в зависимости от опыта, позволяет установить, что, хотя анатомия мозга у всех людей одинакова, ни один мозг не идентичен другому по своей истории.
Об этом напрямую свидетельствуют явления обучения и памяти. Повторение и привычка играют существенную роль, а это значит, что у нервной цепочки никогда нет четко фиксированной реакции. Пластичность совмещает роль скульптора с функциями художника и воспитателя свободы и автономии. В некотором смысле допустимо утверждать, что синапсы представляют собой резервы мозга на будущее. Они не закреплены и не служат простыми передатчиками нервной информации, но обладают силой формировать или реформировать саму эту информацию. Марк Жанро пишет: «Эффективность синапсов варьируется в зависимости от потоков информации, которая через них проходит: каждый из нас в детстве и на протяжении всей своей жизни испытывает уникальную конфигурацию влияний внешней среды, которая отражается на форме и работе сетей нашего мозга».
Это вновь позволяет поставить под сомнение старую догму, согласно которой взрослый мозг, как правило, утрачивает свою пластичность — он, конечно, в состоянии накапливать новую информацию, но с его обучаемостью, функциями памяти и глобальной структурой не происходит никаких изменений, разве что в сторону упадка или дегенерации. Мы, напротив, видим, что имеет место постоянная перестройка нейронной морфологии.
3. Восстановительная пластичность: мозг и его регенерация
Здесь мы подходим к рассмотрению третьего поля действия пластичности — восстановления. За термином «восстановительная пластичность» на самом деле кроются два различных процесса: обновление нейронов, или вторичный нейрогенез, и способность мозга восполнять некоторые виды ущерба, вызванного повреждениями.
Что подразумевается под «обновлением нейронов» или «вторичным нейрогенезом»? Из того, что мы только что сказали, вытекает, будто за первой пластичностью — морфогенетической — следует пластичность модуляции, которая модифицирует синаптическую эффективность, но не затрагивает анатомическую стабильность мозга, как если бы она работала, так сказать, внутри закрытой системы. По словам Хезер Кэмерон: «Некоторые ученые до сих пор придерживаются гипотезы стабильного мозга, согласно которой никакой анатомической пластичности взрослого мозга, и особенно коры больших полушарий, не существует; они считают, что функциональная пластичность, лежащая в основе механизмов обучения, предполагает изменение „мощности“ синапсов, производимое модификацией рецепторов или межклеточной среды нейронов на молекулярном уровне». Однако эта догма стабильного мозга не вполне верна. Действительно, продолжает автор,
«сегодня нам известно, что отдельные нейроны в зонах, важных для процесса обучения, постоянно обновляются — и это составляет относительно существенные анатомические изменения».
Даже если роль стволовых клеток во взрослом мозге и их локализация все еще мало изучены, даже если существует вероятность, что вторичный нейрогенез затрагивает не все регионы мозга, неоспорим тот факт, что нервные клетки во взрослом возрасте обновляются. Это открывает небывалые перспективы для восстановления мозга и меняет наши представления о его функционировании.
Недавнее исследование неокортекса приматов выявило наличие новых нейронов в трех регионах ассоциативной коры: префронтальной, нижней височной и теменной зонах. «Данный результат особенно интересен, поскольку ассоциативная кора играет важную роль в высокоуровневых когнитивных функциях, тогда как стриарная кора [в которой не наблюдается обновления] участвует в обработке информации зрительного происхождения. Это различие наводит на мысль, что для пластичных по своей природе функций нейрогенез играет ключевую роль и в то же время он бесполезен для функций низшего уровня, таких как обработка данных органов чувств, которые, как правило, стабильны в течение всей жизни».
Производство новых нейронов, таким образом, имеет целью не просто замену отмирающих клеток. Оно играет роль в пластичности модуляции и в силу этого еще больше расширяет понятие пластичности — вплоть до того, что колеблет понятие стабильности. Опять же: статуя оживает, программа одушевляется. Там, где, как нам кажется, присутствует лишь чистая механика, мы обнаруживаем сложное переплетение разных типов пластичности, противоречащих привычным представлениям о мозге как машине. Как утверждает Ален Прошьянц: «Необходимо сказать, что одна из главных характеристик нервной системы, безусловно, заключается в ее пластичности. Мозг нельзя рассматривать как сеть окончательно проложенных кабелей, а старение мозга — как выключение все возрастающего числа элементов этой цепочки из сети. Даже несмотря на то что это формально доказано лишь в нескольких экспериментальных моделях, мы вправе предположить, что нервные волокна вырастают ежедневно, что одни синапсы распадаются, а другие, новые, образуются. Эти перемены в нейронном пейзаже… являются свидетельством нашей приспособляемости, обучаемости и нашего потенциала к совершенствованию, который сохраняется вплоть до преклонного возраста, а фактически — до самой смерти».
В статье под названием «Необычное распределение новых нейронов» исследователи утверждают: «…наблюдения вторичного нейрогенеза отчетливо показывают, что адаптивные способности нервной системы птиц и взрослых млекопитающих проистекают не только из изменчивости синаптических соединений. Они также опираются на производство или обновление отдельных популяций нейронов в нескольких строго определенных регионах, общим свойством которых является выполнение функций, отвечающих за обучение и/или память. В этом свете представляется, что вторичный нейрогенез равным образом позволяет личному опыту субъекта накладывать свой отпечаток на нейронные сети в виде регулярных морфологических и функциональных перестроек. А значит, взрослый нейрогенез в качестве предельного механизма пластичности, в значительной мере управляемого личным опытом субъекта и его взаимодействиями со средой, по всей видимости, составляет дополнительный механизм индивидуации. С той существенной разницей, что действует он в течение всей жизни».
Идея клеточного обновления, регенерации, ресурса как вспомогательных средств синаптической пластичности проливает свет на силу исцеления — лечения, заживления, компенсации, восстановления, способности мозга создавать естественные «протезы». Пластическое искусство мозга рождает статую, способную излечивать саму себя. Функционирование мозга, как мы знаем, может быть нарушено по причине многих патологий, наиболее известные из которых — черепно-мозговые травмы, нарушения мозгового кровообращения, энцефалиты, нейродегенеративные заболевания (болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера). Вместе с тем после подобных повреждений и недугов нервная система неизменно проявляет пластичность независимо от того, венчаются ее усилия успехом или нет: пораженные структуры и функции пытаются себя модифицировать, с тем чтобы восполнить дефицит или сформировать новую схему организации, одновременно отклоняющуюся от нормы и ее восстанавливающую.
Восстановительная пластичность, очевидно, восполняет не все дефициты. Некоторые поражения, как мы знаем, необратимы. Но поначалу мозг всегда пытается с большей или меньшей результативностью, эффективностью и надежностью реорганизовать пораженную функцию.
В качестве примера данного феномена Марк Жанро приводит «паралич левой руки, вызванный поражением двигательной коры справа вследствие инсульта. Сначала никакое движение невозможно, рука неподвижна и вяла. Через некоторое время мышечная сила возвращается, восстанавливается подвижность локтя и запястья. Как это возможно, если нейроны, отвечающие за управление этими движениями, разрушены?… Тут на помощь приходит функциональная нейровизуализация: она показывает, что при усилиях пациента двигать парализованной рукой активизируется как раз не затронутая поражением двигательная кора слева. Пациент, сам по себе или за счет реабилитации, учится использовать нервные пути, которые в нормальном состоянии таковыми не являются. Подобная реорганизация двигательной функции еще раз свидетельствует о пластичности церебральных механизмов».
Другой пример — это то, что происходит на начальном этапе болезни Альцгеймера. Наступающая амнезия частично компенсируется способностью восстановления хранящейся информации. Деактивация одних регионов (гиппокампа) уравновешивается метаболической активацией других (фронтальных). Таким образом,
за поражением отдельных цепочек следует смена стратегий обработки информации, которая также свидетельствует о функциональной пластичности мозга.
Итак, в мозге человека предусмотрены функции, ответственные за реорганизацию после повреждений. Эти явления также наблюдаются в случае некоторых трансплантаций. В январе 2000 года сотрудники лионской больницы имени Эдуара Эррио впервые провели пересадку кистей рук тридцатитрехлетнему Дени Шателье, который за три года до этого перенес ампутацию после случайного взрыва. Вопрос стоял следующим образом: даже если удастся установить анатомическую преемственность между кистями донора и предплечьями реципиента, можно ли добиться той же преемственности на психологическом и неврологическом уровнях? Случай Д. Ш. доказал, что да. Фантомные боли у него исчезли, а двигательный прогресс, которого он добился, позволил заключить, что его мозг успешно интегрировал пересаженные руки.
«Когда двигательная кора реорганизуется, синапсы модифицируются. Они изменяют свои влияние и „вес“ в локальном функционировании сети нейронов… После пересадки [подобное] изменение нейронных связей могло бы привести к восстановлению представительства кисти руки».
Очередное доказательство удивительной приспособляемости нашего мозга.
