Пластичность мозга

Представление о сенситивных периодах развил известный исследователь поведения животных — этолог Конрад Лоренц. Он заметил, что если в промежутке между пятнадцатью часами и тремя днями после рождения гусята в течение короткого периода времени будут общаться с человеком, то именно к нему, а не к матери они будут испытывать родственные чувства всю оставшуюся жизнь. Чтобы доказать это, он сам выращивал гусят, которые потом следовали за ним повсюду. Лоренц назвал этот процесс «импринтингом»[38].

В действительности нечто похожее на такие критические периоды описывал и Зигмунд Фрейд. Он утверждал, что мы проходим стадии развития, представляющие собой особые периоды, в течение которых мы должны испытывать определенные переживания (получать определенный опыт), без которых не будем здоровыми людьми; по его мнению, эти периоды определяют наше развитие и формируют нас на всю оставшуюся жизнь.

Появление идеи о пластичности мозга в критический период изменило медицинскую практику. Благодаря открытию Хьюбела и Визела дети, родившиеся с катарактой, больше не были обречены на слепоту. Теперь в раннем детском возрасте, то есть в критический период, им давали направление на прохождение восстановительной хирургической операции, после которой их мозг мог получать световую информацию, необходимую для формирования важных связей. Так использование микроэлектродов доказало пластичность мозга, по крайней мере, в детские годы.

Как устроена нервная система

Мерцених задумался о пластичности мозга взрослого человека благодаря случаю. В 1968 году после защиты докторской диссертации он начал работать в качестве научного сотрудника у коллеги Пенфилда — Клинтона Вулси, исследователя из Мэдисона, штат Висконсин. Булей поручил Мерцениху курировать двух нейрохирургов — Рона Пола и Герберта Гудмана. Все вместе они решили провести научное наблюдение за тем, что происходит, если перерезан один из периферических нервов кисти руки и затем начинается его регенерация.

Нервную систему принято делить на центральную нервную систему (головной мозг и спинной мозг) и периферическую. Первая выступает в роли центра оперативного управления всей системой. Вторая — периферическая — доставляет сообщения от органов чувств в спинной и головной мозг и переносит команды из головного и спинного мозга к мышцам и железам. Ученым давно известно, что периферическая нервная система пластична; если вы перерезаете, скажем, нерв кисти руки, он способен «регенерировать», т. е. «вырасти» заново.

Каждый нейрон состоит из трех частей. Прежде всего это дендриты — его многочисленные разветвленные отростки, воспринимающие сигналы от других нервных клеток. Дендриты передают эти сигналы в тело клетки. Далее следует аксон — более длинный отросток, представляющий собой живой кабель, он может иметь самую разную длину (от микроскопических аксонов в головном мозге до аксонов, идущих к ногам человека и достигающих почти 2 м в длину). Аксоны упрощенно можно сравнить с проводами, потому что они на очень большой скорости переносят электрические импульсы к дендритам соседних нейронов.

Нейрон может получать сигналы двух типов: одни его возбуждают, другие подавляют. Когда нейрон получает достаточное количество возбуждающих сигналов от других нейронов, он испускает свой собственный сигнал. При получении им подавляющих сигналов его активность подавляется, и вероятность порождения им сигнала уменьшается.

Аксоны не соприкасаются напрямую с дендритами соседних нейронов. Они разделены микроскопическим пространством, которое называют синапсом. После того как электрический сигнал попадает на конец аксона, он приводит в действие выработку в синапсе химического посредника — медиатора (или нейротрансмиттера). Химический посредник устремляется к дендриту соседнего нейрона, возбуждая его или подавляя. Когда мы говорим, что нейроны «перепрограммируют» самих себя, то имеем в виду изменения, происходящие в синапсе, которые усиливают и повышают или ослабляют и уменьшают количество связей между нейронами.

О регенерации периферических нервов

Мерцених, Пол и Гудман хотели исследовать хорошо известную, но сохраняющую свою загадочность связь между периферической и центральной нервными системами. Когда большой периферический нерв (состоящий из множества аксонов) перерезается, то иногда в процессе его регенерации происходит «перекрещивание проводов». И если аксоны заново присоединяются к аксонам «неправильного» нерва, у человека может проявиться «ложная локализация», при которой прикосновение к указательному пальцу ощущается в большом пальце. Ученые предположили, что ложная локализация возникает из-за того, что процесс регенерации «перемешивает» нервы, посылая сигнал от указательного пальца в зону мозга для большого пальца.

Ученые придерживались еще того представления, что каждый участок на поверхности тела имеет нерв, напрямую передающий сигнал в определенную точку на карте мозга, положение которой автоматически программируется при рождении. Таким образом, считалось, что ветвь нерва в большом пальце всегда передает свои сигналы непосредственно в то место на сенсорной карте мозга, которая представляет большой палец.

Итак, Мерцених и его группа, исходя из такой модели карты мозга, просто решили зафиксировать то, что происходит в мозге в процессе «перемешивания» нервов.

С помощью микроэлектродов они составили карты кисти руки в мозге нескольких взрослых обезьян, перерезали периферический нерв, идущий к кисти, и сразу же сшили два конца перерезанного нерва таким образом, чтобы они находились достаточно близко друг к другу, но не соприкасались полностью. Они рассчитывали на то, что в процессе саморегенерации нерва произойдет перекрещивание его многочисленных аксональных «проводов». Через семь месяцев они провели повторное картирование. Мерцених предполагал, что они получат хаотичную карту мозга с большим количеством нарушений. Так, он ожидал, что в случае пересечения нервов большого и указательного пальца прикосновение к указательному пальцу вызовет активность в той области карты, которая соответствует большому пальцу. Но он не увидел ничего подобного. Карта была практически нормальной.

«То, что мы увидели, — говорит Мерцених, — было просто поразительно. Я не мог ничего понять». Новая карта была топографически упорядочена, словно мозг совсем не путал сигналы от перекрещенных нервов.

Составленная сегодня карта завтра уже недействительна

Это открытие изменило жизнь Мерцениха. Он понял, что не только он сам, но и большинство нейрофизиологов совершенно неправильно интерпретируют то, как мозг человека формирует свои карты-представительства тела и окружающего мира. Иначе говоря, карта мозга способна упорядочить свою структуру в ответ на поступление аномальной входной информации, то есть мозг — пластичен.

Как же это возможно? Получив результаты эксперимента, Мерцених также заметил, что формирование новых «топографических карт» происходило немного в другом месте, чем это было раньше. Мерцених решил во всем разобраться.

Он отправился в библиотеку, чтобы найти там дополнительные данные. Мерцених выяснил, что в 1912 году Грэм Браун и Чарльз Шеррингтон обнаружили, что стимуляция одной точки в двигательной области коры головного мозга может заставить животное в один момент сгибать ногу, а в другой — выпрямлять. Результаты этого эксперимента, данные о которых затерялись в массе научной литературы, позволяли предположить отсутствие однозначной связи между двигательной картой мозга и определенным движением. В 1923 году Карл Лэшли, использовавший более примитивное оборудование, чем микроэлектроды, вскрыл череп обезьяны, открыв двигательную зону коры мозга, затем простимулировал ее в определенном месте и зафиксировал возникшее в результате этого движение. Затем он зашил все обратно. Через некоторое время он повторил свой эксперимент, стимулируя мозг обезьяны в том же самом месте, и убедился в том, что вызываемые этим движения часто меняются. Знаменитый теоретик того времени из Гарвардского университета — Эдвин Г. Боринг выразил этот феномен следующей фразой: «Составленная сегодня карта завтра уже будет недействительна».