Страница 6 из 10
Таким образом, первый урок заключается в том, что микроструктура мозга отражает особенности среды, воздействию которой он подвергается. И относится это не только к дендритам. Вскоре мы узнаем, что опыт общения с миром модулирует почти все измеримые элементы мозга, начиная с молекулярного уровня и заканчивая общим анатомическим строением.
Почему Эйнштейн стал Эйнштейном? Генетика определенно сыграла в этом свою роль, однако в наши учебники по истории он попал благодаря каждой частице опыта, какой ему довелось получить: музыкальная среда и звуки виолончелей, учитель физики в старшем классе, отказ любимой девушки, патентное бюро, где он работал, математические задачи, за блестящее решение которых его превозносили, книги, которые он читал, равно как и миллионы фрагментов последующего опыта, – все это в совокупности позволило его нервной системе сформировать биологическую систему, которую мы называем Альбертом Эйнштейном. Каждый год в мир приходят тысячи детей с задатками не хуже, чем у него, однако воздействия внешней среды – культуры, экономических условий, состава семьи – не дают им достаточной положительной обратной связи. И Эйнштейны из них не вырастают.
Если бы все решала только ДНК, отпал бы практический смысл в построении целенаправленных социальных программ, призванных прививать детям положительный опыт и ограждать их от опыта разрушительного. Но мозгу, чтобы правильно развиваться, требуется правильная внешняя среда. Один из больших сюрпризов преподнес нам проект «Геном человека»: когда на рубеже нового тысячелетия ученые вчерне составили структуру генома, оказалось, что у человека имеется всего-навсего около 20 тысяч генов[25]. Такого биологи не ожидали: они-то предполагали, что генов у человека должно быть никак не меньше сотен тысяч, учитывая невероятную сложность устройства мозга и организма в целом.
Тогда каким же образом невероятно сложно устроенный мозг, насчитывающий 86 млрд одних только нейронов, умудряется выстраивать себя на основе простейшего «букваря»? Ответ строится на применяемой геномом остроумной стратегии: его дело – выточить болванку и предоставить опыту общения с миром доводить ее до ума. Словом, мозг человека при рождении поразительно не завершен, и для его развития требуется взаимодействие с окружающим миром.
Рассмотрим цикл сна и бодрствования. Его регулируют внутренние часы организма, называемые циркадным ритмом, который настроен примерно на 24-часовой цикл. Если же вы на несколько суток спуститесь в пещеру, куда не проникает дневной свет, возвещающий время суток, ваш циркадный ритм сместится в диапазон 21–27 часов. Здесь нам открывается придуманное мозгом простое решение: приблизительно задать основу биологических часов, а дальше пускай они сами подстраиваются под суточный цикл солнца. Такой изящный трюк избавляет нас от необходимости генетически кодировать внутренние часы с идеально точным ходом – пускай мир сам вращает их шестеренки как полагается.
Поскольку мозг обладает гибкостью, события вашей жизни впечатываются напрямую в его нервную ткань. Эта грандиозная выдумка Матушки-природы позволяет нам учить языки, ездить на велосипеде, постигать премудрости квантовой физики – и вся наша способность обучаться новому прорастает из зернышек весьма скромного набора генов. ДНК не план и не проект, а лишь первая костяшка домино, которая дает начало всему шоу нашего становления.
С этих позиций легко понять, почему ряд самых распространенных нарушений зрения (скажем, неспособность корректно воспринимать глубину) развиваются из-за разбалансировки в паттернах активности, передаваемых в зрительную кору от одного и другого глаза. Например, у детей с врожденным сходящимся или расходящимся косоглазием работа глаз не может быть скоординирована (как было бы при правильном расположении глазных (зрительных) осей). Без лечения у ребенка не разовьется нормальное стереоскопическое зрение, то есть способность четко воспринимать размеры, формы и расстояния, несмотря на легкие различия в изображениях, поступающих от каждого глаза. Один глаз будет постепенно слабеть вплоть до слепоты. Ниже мы разберемся, почему такое происходит и как это исправить. А пока уясним важный момент: развитие нормальной зрительной системы зависит от нормального притока зрительных импульсов – иными словами, зависит от опыта.
Таким образом, генетические инструкции играют лишь малую роль в деталях формирования кортикальных связей. Иначе и быть не может: разве каких-то 20 тысяч генов хватит, чтобы в деталях прописать 200 триллионов соединений между нейронами? Такая сверхсложная модель никогда бы не сработала. Напротив, чтобы нейронные сети нормально развивались, им требуется взаимодействовать с реальностью[26].
29 сентября 1812 года на свет появился младенец, которому предстояло унаследовать престол Великого герцогства Баден. Но, увы, через 17 дней он скончался. На том его коротенькая история и закончилась.
Или не закончилась? Спустя 16 лет в Нюрнберге объявился странный юноша, называвший себя Каспаром Хаузером. При нем имелась записка, где значилось, что он был брошен в детстве. Сам юноша явно не умел говорить, а только твердил две-три фразы, включая такую: «Хочу быть кавалеристом, как мой отец». Чудной найденыш вызывал всеобщий интерес в городе, им заинтересовались и городские верхи; поползли слухи, что он и есть наследный принц Бадена, просто в первые дни жизни его подменили умирающим младенцем нечестивые заговорщики, метившие на баденский престол.
Впрочем, история найденыша приобрела широкую известность и помимо дворцовых интриг: в Каспаре видели классический пример ребенка-дикаря. Как следовало из его сбивчивых речей, все детство он провел в одиночестве, заточенный в тесную подземную каморку, куда не проникал дневной свет. Темница имела метр в ширину, два в длину и полтора в высоту. Помимо убогого соломенного ложа обстановку составляла лишь детская деревянная лошадка. Просыпаясь поутру, Каспар всякий день находил в своем обиталище немного хлеба и воды; другой пищи он не знал. И никогда не видел, чтобы кто-то входил в его каморку или выходил из нее. Временами ему оставляли воду не совсем такого вкуса, как обычно, и, попив ее, он погружался в сон, а проснувшись, замечал, что у него подстрижены волосы и ногти. За все время заточения у него не было прямого контакта с другими людьми. Человек, который обучал его письму, всегда закрывал лицо, так что юноша не мог бы его узнать.
История Каспара Хаузера приковала к себе внимание мира. Мальчик вырос, научился четко выражать свои мысли и позже с обильными трогательными подробностями описывал в автобиографии свое несчастное детство. Его необычная судьба и сегодня живет в пьесах, книгах и музыке; возможно, Каспар – самый знаменитый в истории найденыш-маугли.
Однако рассказы Каспара почти наверняка были выдумками. Помимо обширных исторических исследований, исключивших достоверность его повествования, тому имеются и причины нейробиологического свойства: не смог бы ребенок, выросший в отрыве от людей, выучиться ходить, говорить, писать, выступать на публике и жить благополучной жизнью, как это произошло с Каспаром. Средства массовой информации почти сотню лет муссировали его историю, пока Карл Леонгард[27] не поставил в ней жирную точку, без всяких экивоков высказавшись по существу дела:
«Живи Каспар с детства в описываемых им условиях, в умственном развитии он не ушел бы дальше клинического идиота и, безусловно, вряд ли смог прожить долго. Его россказни настолько изобилуют нелепицами, что остается только удивляться, почему столь многие в них поверили и по сей день продолжают верить»[28].
25
Первоначально в рамках проекта «Геном человека» ученые насчитали порядка 24 тысяч генов; позже их число значительно снизилось – до 19 тысяч. См. Ezkurdia I et al. (2014). Multiple evidence strands suggest that there may be as few as 19,000 human protein-coding genes, Hum Mol Genet 23 (22): 5866–5878.
26
В последующих главах мы рассмотрим данную тему более глубоко и подробно. Хотя зависимость и независимость от опыта представляются противоположностями, между ними не всегда можно провести четкую грань. См. Cline H (2003). Sperry and Hebboil and vinegar? Trends Neurosci 26 [12]: 655–661). В одних случаях жестко запрограммированные механизмы воспроизводят опыт взаимодействия с миром, тогда как в других случаях подобный опыт ведет к экспрессии генов, что, в свою очередь, приводит к образованию новых жестких схем. Рассмотрим, как выглядит картина явной опытозависимой активности: первичная зрительная кора содержит перемежающиеся полосы ткани, которые несут визуальную информацию от правого и от левого глаза (подробнее об этом поговорим ниже). Аксоны, передающие информацию от каждого глаза, изначально широко ветвятся в коре, а потом разделяются, направляясь в два участка, отдельные для правого и левого глаза. Откуда они знают, как им разойтись? Дело в том, что разделение возникает в силу паттернов сопряженной активности: у нейронов левого глаза обычно наблюдается больше взаимной сопряженности, чем у нейронов правого.
В середине 1960-х годов нейробиологи из Гарвардского университета Дэвид Хьюбел и Торстен Визель показали, что под действием опыта карта равномерного чередования полос способна меняться: если животному закрыть один глаз, территория, занимаемая нервными волокнами открытого глаза, будет расширяться, и это демонстрирует, что в условиях синаптической конкуренции, которая формирует эти карты, необходима нейронная активность. См. Hubel DH, Wiesel TN (1965). Binocular interaction in striate cortex of kittens reared with artificial squint, J Neurophysiol 28: 1041–1059).
Однако во всем этом определенно крылась загадка, поскольку, как ранее наблюдали Хьюбел и Визель, формирование чередующихся территорий для левого и правого глаза не зависит от активности: подобные паттерны развивались даже у выросших в полной темноте животных. См. Horton JC, Hocking DR [1996]. An adult-like pattern of ocular dominance columns in striate cortex of newborn monkeys prior to visual experience, J Neurosci. 16 [5]: 1791–1807. Как же согласуются эти два результата, когда они явно противоречат один другому?
Понадобились годы, чтобы разгадать этот парадокс. Как обнаружилось, пока животное развивается в материнской утробе, в сетчатке его глаз возникают волны спонтанной активности. Эти волны в общих чертах имитируют зрение. Они грубые – не позволяют различать границы и детали, однако их достаточно для сопряжения активности соседних волокон, тянущихся от каждого глаза, что вызывает разделение на два отдельных глаза в следующих областях мозга (таких как, например, латеральное коленчатое тело таламуса, а также кора головного мозга). Иными словами, на раннем этапе развития мозг сам генерирует активность, чтобы поддержать расхождение аксонов левого и правого глаза; позже в действие вступят зрительные потоки от внешнего мира. См. Meister M et al. (1991). Synchronous bursts of action potentials in ganglion cells of the developing mammalian retina, Science 252 (5008): 939–943. Таким образом, граница между приобретаемым опытом и генетически заложенной нейронной активностью довольно-таки размыта. Взаимодействие между опытом и экспрессией генов бывает довольно сложным. Общий принцип в том, что независимые от опыта молекулярные механизмы выстраивают первоначально неточные схемы структур мозга. Позже активность взаимодействия с миром обеспечивает тонкую настройку нейронных связей. Мы больше не можем воспринимать мозг либо как результат работы генов, либо как плод взаимодействия с миром, потому что иногда гены имитируют опыт. Механизмы, зависящие и не зависящие от опыта, тесно переплетены.
27
Карл Леонгард (1904–1988) – немецкий психиатр. Разработал одну из первых типологий характеров, введя в науку концепцию акцентуированных личностей. Прим. ред.
28
Leonhard K (1970). Kaspar Hauser und die moderne Ke