Глава 3
Как перестроить свой мозг
Ученый изменяет мозг: улучшение восприятия и памяти, скорости мышления
В этой главе я хочу рассказать вам о Майкле Мерценихе и его работе. Имя этого человека связано с появлением не одного десятка инноваций и практических изобретений в области нейропластичности, и его чаще всего упоминают другие специалисты, занимающиеся проблемой изменчивости мозга. При этом он – самый неуловимый ученый из всех, кого я знаю. Мне удалось договориться о нашей встрече в Сан-Франциско только после того, как я выяснил, что он будет присутствовать на конференции в Техасе, я приехал туда и сел рядом с ним.
«Воспользуйтесь этим электронным адресом», – сказал он.
«А если вы снова не ответите?»
«Проявите настойчивость».
В последнюю минуту он перенес место встречи на свою виллу в Санта-Розе в Калифорнии.
Следует отметить, что общение с Мерценихом стоило тех сил, которые были затрачены на его поиски.
Ирландский невролог Иен Робертсон называет Майкла «ведущим мировым исследователем в области пластичности мозга». Специализация Мерцениха – совершенствование способности людей мыслить и воспринимать окружающий мир за счет перестройки мозга с помощью тренировки определенных областей обработки информации, называемых картами мозга. Кроме того, он – возможно, в большей степени, чем любой другой ученый – максимально подробно рассказывает о том, как происходит изменение этих областей.
Вилла в Санта-Розе – это то место, где Мерцених «сбавляет обороты» и восстанавливает силы. Когда видишь окружающие виллу пологие холмы, растущие на них деревья и виноградники, возникает ощущение, что кто-то, словно по волшебству, перенес в Северную Америку кусочек Тосканы. В этом месте я провел с Майклом и его семьей вечер и ночь, а затем утром мы отправились в лабораторию Майкла в Сан-Франциско.
Мы ехали в его небольшой машине с открытым верхом на очередную встречу и разговаривали, поскольку большую часть дня он был слишком занят, и у нас не было возможности пообщаться. Ветер развевал его седые волосы, а он рассказывал мне о том, что многие из наиболее ярких воспоминаний второй половины его жизни – ему исполнился шестьдесят один год – связаны с обсуждениями научных идей. Я сам присутствовал при том, как он буквально сыпал ими, разговаривая по мобильному телефону. Когда мы переезжали через один из знаменитых мостов Сан-Франциско, он был настолько увлечен обсуждением интересующих нас обоих концепций, что заплатил пошлину, которую в данном случае платить не должен был.
Мерцених принимает участие в десятке совместных работ и экспериментов, и на его счету создание нескольких компаний. Он сам называет себя «немного сумасшедшим». Конечно, это не так, но в нем присутствует удивительное сочетание энергии и естественной непринужденности. Он родился в немецкой семье в городе Лебанон, штат Орегон, и хотя он носит типично немецкую фамилию, его речь типична для жителей Западного побережья и отличается легкостью и простотой.
Как обучение влияет на мозг
Среди специалистов по нейропластичности, имеющих серьезный послужной список в мире естественных наук, именно Мерцениху принадлежат наиболее смелые заявления в данной области. Он полагает, что при лечении серьезных заболеваний, таких как шизофрения, упражнения для мозга могут быть так же эффективны, как лекарственные препараты: что пластичность мозга существует с момента рождения человека до его смерти; и что радикальное улучшение когнитивного[20] функционирования: того, как мы учимся, думаем, воспринимаем и запоминаем, – возможно даже в пожилом возрасте. Его последние патенты выданы на перспективные методики, позволяющие осваивать навыки владения языками без утомительного запоминания. Мерцених утверждает, что при правильных условиях тренировка нового навыка может изменить сотни миллионов, а возможно, миллиарды связей между нервными клетками в картах нашего мозга.
Если подобные эффектные заявления вызывают у вас скептическое отношение, вспомните о том, что они исходят от человека, который уже помог вылечить ряд расстройств, считавшихся когда-то неизлечимыми. Еще в начале своей карьеры Мерцених вместе со своей группой разработал наиболее часто используемую конструкцию имплантата, который позволяет глухим от рождения детям слышать. Его сегодняшняя работа в области пластичности мозга помогает учащимся, испытывающим трудности в обучении, улучшать когнитивную деятельность и восприятие. Созданные им методики – серия компьютерных программ, основанных на нейропластичности, под названием «Fast ForWord» – уже помогли сотням тысяч людей. Программа Fast ForWord сделана в форме игры для детей. Самое удивительное в ней – это то, насколько быстро происходят изменения. В некоторых случаях у людей, которые испытывали когнитивные сложности на протяжении всей своей жизни, улучшение наблюдается уже после тридцати – шестидесяти часов лечения. Даже для самих специалистов неожиданностью стало то, что программа помогает некоторым детям, страдающим аутизмом.
Мерцених уверен: когда обучение проходит в соответствии с законами, управляющими пластичностью мозга, его умственные функции совершенствуются, что позволяет нам познавать и воспринимать информацию с большей точностью, скоростью и степенью запоминания.
Когда мы учимся, то расширяем свои знания. Но, по мнению Мерцениха, благодаря этому мы также изменяем саму структуру мозга и повышаем его способность к обучению. В отличие от компьютера мозг постоянно переделывает сам себя.
Говоря о тонком наружном слое мозга – коре, он утверждает: «Кора головного мозга выборочно совершенствует свои способности к обработке информации в зависимости от решаемой задачи». Мозг не просто учится; он всегда «учится учиться». В представлении Мерцениха наш мозг – это не бездушный сосуд, который мы наполняем; он скорее похож на живое существо, способное расти и меняться благодаря правильному питанию и тренировкам. Прежде, как я уже говорил, мозг рассматривали как сложный механизм, имеющий жесткие ограничения в плане памяти, скорости обработки информации и ума. Мерцених доказал ошибочность этих представлений.
Мерцених не ставил перед собой цель понять, как происходит изменение мозга. Он случайно пришел к осознанию того, что мозг способен преобразовывать свои схемы. И хотя он не стал первым ученым, открывшим миру нейропластичность, благодаря его экспериментам, осуществленным уже в начале карьеры, пластичность мозга получила признание среди передовой части неврологов.
Человечки Пенфилда
Для того чтобы понять, каким образом могут изменяться так называемые карты мозга, мы должны, в первую очередь, разобраться с тем, что они собой представляют. Впервые карты мозга человека были составлены в 1930-х годах канадским нейрохирургом доктором Уайлдером Пенфилдом из Монреальского неврологического института. Для Пенфилда «составление карты» мозга пациента означало определение проекционных зон коры мозга, где представлены различные части тела и происходит обработка информации о совершаемых ими действиях. Было обнаружено, что кора мозга в области лобных долей включает моторную (т. е. двигательную) систему, которая координирует движения наших мышц, а еще три зоны коры – височная, теменная и затылочная – образуют сенсорную (чувственную) систему мозга, обрабатывающую сигналы, посылаемые в мозг от органов чувств (глаза, уши, рецепторы прикосновения и т. д.).
В течение многих лет Пенфилд составлял карты сенсорной и двигательной зон коры мозга на основе информации, которую получал, оперируя мозг пациентов, больных раком и эпилепсией. Поскольку в мозге человека нет болевых рецепторов, такие пациенты во время операции остаются в сознании. Пенфилд обнаружил: если прикоснуться специальным электродом к сенсорной зоне мозга, то это вызывает в теле пациента определенные ощущения. Он использовал электрический зонд (электрод) для того, чтобы отличать здоровую ткань (которую следует сохранить) от злокачественных новообразований или патологической ткани, требующей удаления.
Обычно, когда кто-то или что-то касается руки человека, в спинной мозг поступает электрический сигнал. Далее этот сигнал проходит в головной мозг, в те зоны коры, которые позволяют руке почувствовать это прикосновение. Пенфилд выяснил, что может заставить пациентов ощутить как бы прикосновение к руке, воздействовав электрическим разрядом на зону мозга, соответствующую области руки. Когда он стимулировал в мозге другую часть проекционных точек руки, то пациент ощущал прикосновение к плечу, кисти, пальцам и т. д. Стимулирование совсем другой проекционной зоны мозговой карты вызывало ощущения прикосновения к лицу. Со временем Пенфилд составил сенсорную карту мозга, где была представлена поверхность всех частей тела[21].
Пенфилд проделал то же самое для двигательной карты, то есть выявил зоны коры мозга, контролирующие движения. Прикасаясь к различным зонам, он вызывал у пациента движения в области ноги, руки, лица и других мышц.
Одно из главных открытий, сделанных Пенфилдом, заключалось в том, что сенсорные и двигательные зоны мозга так же, как географические карты, имеют топографический характер. Это означает, что соседние участки тела человека, как правило, представлены в соседних участках карт мозга. Он также выяснил, что, прикасаясь к определенным частям карты, можно вызвать давно утраченные воспоминания детства или фантастические сцены, а это означает, что психическая активность более высокого уровня также отображена на карте мозга.
Составленные Пенфилдом карты определяли представление о мозге нескольких поколений ученых. Однако, следуя убеждению о невозможности изменения мозга, они считали, что эти карты постоянны, неизменны и универсальны – одинаковы для каждого из нас, – хотя сам Пенфилд никогда не утверждал ничего подобного.
Мерцених выяснил, что карты мозга не являются неизменными и универсальными, а имеют разные границы и размеры у различных людей. С помощью серии блистательных экспериментов он продемонстрировал, что форма карт мозга меняется в зависимости от того, чем мы занимаемся на протяжении жизни. Но для того чтобы доказать это, ему требовался гораздо более тонкий инструмент, чем электроды Пенфилда.
Мерцених, во время учебы на последних курсах Университета Портленда, вместе с другом использовал оборудование лаборатории электроники, позволяющее зарегистрировать «кривую» электрической активности в нейронах насекомых. Эти эксперименты привлекли внимание одного из профессоров, который восхищался талантом и любознательностью Мерцениха и дал ему рекомендации для поступления в аспирантуру Гарвардского университета и Университета Джонса Хопкинса. Мерцених был принят в оба университета, но остановил свой выбор на Университете Джонса Хопкинса, где получил степень кандидата по физиологии под руководством одного из виднейших нейрофизиологов того времени Вернона Маунткастла. Последний в 1950-х годах доказывал, что подробности карт мозга можно выяснить благодаря изучению электрической активности с помощью новой методики – используя микроэлектроды.
Микроэлектроды настолько малы и чувствительны, что их можно ввести внутрь одного нейрона (или рядом с ним) и регистрировать момент, когдаэтот конкретный нейрон посылает электрический сигнал другим нейронам. Сигнал нейрона передается с микроэлектрода на усилитель, а затем на экран осциллографа, где он появляется в виде резкого выброса (так называемого спайка) на «кривой электрической активности». Именно с помощью микроэлектродов Мерцених совершил большинство своих главных открытий.
Это важное изобретение позволило нейрофизиологам регистрировать взаимодействие нейронов, общее количество которых в мозге взрослого человека оценивается примерно в 100 миллиардов. Используя более грубые электроды, вроде тех, которыми пользовался Пенфилд, ученые могли наблюдать лишь одновременное возбуждение тысяч нейронов.
Микрокартирование и сейчас дает информацию, которая примерно в тысячу раз точнее, чем сканирование мозга на аппаратах самого последнего поколения. Дело в том, что длительность возникающего в нейроне электрического сигнала нередко составляет тысячную долю секунды, поэтому сканеры мозга упускают огромное количество информации{9}. Несмотря на это, микрокартирование не может заменить сканирование мозга в медицине, потому что требует проведения крайне трудоемких операций, осуществляемых под микроскопом с помощью микрохирургических инструментов.
Мерцених сразу же начал активно использовать эту методику. Он хотел уточнить карту той области мозга, где происходит обработка ощущений от прикосновения к руке. Мерцених удалил кусочек черепа обезьяны над соответствующей сенсорной зоной коры, сделав «окно» в черепе размером один на два миллиметра, а затем установил микроэлектрод рядом с первым попавшимся сенсорным нейроном. После этого он постукивал по кисти обезьяны, пока не доходил до того участка – например, кончика пальца, – прикосновение к которому заставляло нейрон передавать электрический сигнал на микроэлектрод. Таким образом он записывал местоположение одного из нейронов, представляющих в сенсорной коре кончик пальца, отмечая первую точку на карте. Затем он устанавливал микроэлектрод рядом с другим нейроном и искал то место, прикосновение к которому «включало» этот нейрон. Он проделывал это до тех пор, пока не была составлена карта всей кисти. Для составления такой карты требуется огромное число перемещений микроэлектрода. Мерцених и его коллеги в ходе своих исследований провели тысячи подобных экспериментов.
Критические периоды бывают и у мозга
Примерно в это же время было сделано важное открытие, которое навсегда изменило работу Мерцениха. В 1960-е годы, когда Мерцених приступил к использованию микроэлектродов для изучения мозга, двое других ученых, тоже работавших в Институте Джонса Хопкинса под руководством Маунткастла, обнаружили, что у очень молодых животных мозг пластичен. Дэвид Хьюбел и Торстен Визел проводили микрокартирование зрительной зоны коры мозга с целью изучения процесса обработки визуальной информации. Они устанавливали микроэлектроды в зрительной зоне коры мозга котят и выяснили, что информация о линиях, ориентации и движениях визуально воспринимаемых объектов обрабатывается в разных частях коры. Они также открыли существование «критического периода» между третьей и восьмой неделями жизни, когда мозг новорожденных котят должен получать визуальную стимуляцию для нормального развития. В ходе одного из экспериментов Хьюбел и Визел зашили веко на одном глазу котенка на время периода раннего развития, чтобы этот глаз не получал визуальной стимуляции. Когда они освободили глаз котенка от швов, то обнаружили, что те зрительные области на карте мозга, которые обрабатывают информацию, поступающую от закрытого глаза, не получили никакого развития, в результате чего животное осталось слепым на этот глаз на всю жизнь. Стало очевидно, что есть некий критический период, когда мозг котят особенно пластичен, и его структура формируется под влиянием опыта.
Проанализировав карту мозга для слепого глаза, Хьюбел и Визел сделали еще одно неожиданное открытие, связанное с нейропластичностью. Та часть мозга, в которую не поступала информация от закрытого глаза, не бездействовала. Она начала обрабатывать визуальную информацию от открытого глаза, словно в мозгу не должны простаивать впустую никакие «корковые площади». То есть мозг опять нашел способ перестроить сам себя – что стало еще одним свидетельством его особой пластичности в критический период. За эту работу Хьюбел и Визел были удостоены Нобелевской премии. Однако, даже обнаружив существование пластичности мозга в раннем детском возрасте, исследователи не «переносили» эту пластичность на мозг взрослого человека.
Конрад Лоренц и Зигмунд Фрейд – в одной команде
Открытие критических периодов[22] стало одним из самых известных открытий второй половины двадцатого века в области биологии. Вскоре ученые доказали, что стимуляция извне необходима и для развития других систем мозга. Также стало ясно, что у каждой нейронной системы есть свой критический период, или временной интервал, в течение которого она отличается наибольшей пластичностью и восприимчивостью к факторам окружающей среды, а также демонстрирует быстрый рост. Например, сенситивный период для развития языковых навыков начинается в младенчестве и заканчивается в промежутке между восьмью годами и наступлением половой зрелости. После завершения этого критического периода способности человека к изучению языка (в том числе второго языка) становятся ограниченными. Интересно, что обработка информации, полученной при изучении родного языка (что, естественно, случается в сенситивный период) и второго языка после критического периода, происходит в разных областях 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» (т. е. запечатлением. – Прим. ред.).
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. Вулси 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».
Это означало, что карты мозга носят динамический характер.
Мерцених сразу же оценил революционные последствия этих экспериментов. Он обсудил эксперимент Лэшли с Верноном Маунткастлом, у которого, по словам Мерцениха, «эксперимент Лэшли вызвал серьезное беспокойство. Маунткастл не желал верить в пластичность мозга. Он хотел, чтобы все оставалось на своих местах вечно. А Маунткастл понимал, что результаты этого эксперимента ставят под сомнение наши представления о мозге. Маунткастл считал Лэшли сумасбродом, склонным к преувеличениям».
Коллеги готовы были согласиться с результатами экспериментов Хьюбела и Визела и самим фактом существования пластичности мозга в детские годы, но они отвергали предположение Мерцениха о том, что пластичность сохраняется и тогда, когда человек вступает во взрослое состояние.
Мерцених с грустью вспоминает: «У меня были все основания для того, чтобы верить в невозможность существования пластичности у взрослых людей, но они были ниспровергнуты всего за одну неделю».
Мертвые души
Мерцениху не оставалось ничего другого, как искать наставников среди призраков мертвых ученых, таких как Шеррингтон и Лэшли. Он написал статью об эксперименте с «перемешиванием» нервов, где несколько страниц в разделе «Комментарии» посвятил рассуждениям о том, что мозг взрослого человека обладает пластичностью – хотя само это слово он не употреблял.
Однако комментарии так никогда и не были опубликованы. Клинтон Вулси, его куратор, поставил на них большой крест, сказав, что они носят излишне гипотетический характер и что Мерцених очень сильно отступает от полученных им данных. Когда статья была опубликована, в ней не было ни малейшего упоминания о пластичности, а объяснению новой топографической организации карты мозга уделялось минимальное внимание. Мерцених не стал возражать, по крайней мере, в печати. В конце концов, он был всего лишь рядовым научным сотрудником лаборатории.
Но ситуация со статьей разозлила его, а его ум буквально кипел от разных идей. Он начал приходить к мысли о том, что, возможно, пластичность – это главное свойство мозга, которое получило развитие в ходе эволюции, чтобы дать людям конкурентное преимущество, и что это может быть настоящим «чудом».
Пианино внутри нас
В 1971 году Мерцених стал профессором Калифорнийского университета в Сан-Франциско и начал работать на кафедре отоларингологии и физиологии, которая занималась исследованием заболеваний уха. Теперь он был сам себе начальником и приступил к проведению серии экспериментов, которые должны были доказать существование пластичности мозга. Однако данная тема все еще вызывала множество споров, поэтому он проводил эксперименты, связанные с нейропластичностью, под видом исследований, считавшихся допустимыми. Так, в начале 1970-х годов он потратил значительное количество времени на составление карт слуховой зоны коры головного мозга различных видов животных и принял участие в создании и совершенствовании имплантата для внутреннего уха.
Улитка внутреннего уха – это своеобразный микрофон. Она расположена рядом с вестибулярным аппаратом, который управляет чувством равновесия. Когда во внешнем мире возникает звук, звуковые волны разной частоты вызывают вибрацию волосковых клеток внутри улитки, соответствующих определенной частоте. Существует три тысячи таких волосковых клеток, которые преобразуют звук в электрические сигналы, идущие по слуховому нерву к слуховой зоне коры головного мозга. Специалисты, занимающиеся микрокартированием, выяснили, что в слуховой зоне звуковые частоты наносятся на ее карту «тонотопически». Это означает, что они организованы по тому же принципу, что и пианино: низкие звуковые частоты расположены на одном конце проекционной слуховой зоны, а высокие – на другом.
Улитковый имплантат не является слуховым аппаратом. (Слуховой аппарат усиливает звук и помогает людям с частичной потерей слуха, вызванной тем, что их улитка функционирует не в полном объеме, но достаточно хорошо для того, чтобы выявлять хоть какой-то звук.) Улитковые имплантаты предназначены для тех, чья глухота связана с серьезным повреждением улитки. Такой имплантат заменяет улитку, преобразуя звуки речи во вспышки электрических импульсов, посылаемых к мозгу. Мерцених и его коллеги не надеялись полностью воспроизвести сложный естественный орган с тремя тысячами волосковых клеток, поэтому им предстояло решить вопрос о том, может ли мозг, получивший в процессе эволюции способность расшифровывать сложные сигналы, поступающие от такого большого количества волосковых клеток, расшифровать импульсы от гораздо более простого устройства. Если окажется, что он на это способен, значит, слуховая зона коры обладает пластичностью, позволяющей ей изменяться и реагировать на искусственные входные сигналы. Имплантат состоит из микрофона, электронного устройства, преобразующего звук в электрические импульсы, и электрода, который хирурги имплантируют в нервы, идущие от уха к мозгу.
В середине 1960-х годов некоторые ученые были настроены крайне враждебно в отношении самой идеи создания улиткового имплантата. Одни говорили, что осуществление такого проекта просто невозможно. Другие заявляли, что в результате использования таких имплантатов глухие люди могут быть подвергнуты риску дальнейших нарушений. Несмотря на все это, среди пациентов нашлись добровольцы, готовые проверить работу имплантатов на себе. Первоначально некоторые из них могли услышать только шум; другие улавливали всего несколько звуков, шипение и момент начала и окончания звучания.
Вклад Мерцениха в разработку улиткового имплантата заключался в том, что он использовал знания, полученные в процессе картирования слуховой зоны, для определения того, какие входные сигналы должен получать от имплантата пациент, чтобы иметь возможность расшифровать речь, и куда следует имплантировать электрод. Совместно с биоинженерами он работал над созданием прибора, который сможет передавать сложную речь по небольшому количеству каналов и при этом речь не станет менее доступной для понимания. Они разработали высокоточный, многоканальный имплантат, позволяющий глухим людям слышать, а его конструкция легла в основу одного из двух улитковых имплантатов, наиболее часто используемых в наши дни.
Дорогу осилит идущий
Естественно, больше всего Мерцениху хотелось заняться непосредственным изучением пластичности мозга. В конце концов он решил провести простой, радикальный эксперимент, в ходе которого планировалось полностью отрезать поступление сенсорной информации к карте мозга и посмотреть, какой будет реакция. Он отправился в Нэшвилл к своему другу и коллеге из Университета Вандербилта Джону Каасу, который работал со взрослыми обезьянами.
Кисть руки обезьяны так же, как у человека, имеет три главных нерва: радиальный, медиальный и локтевой. Медиальный нерв передает ощущения, главным образом, от средней части кисти, а два других – от ее обеих сторон. Мерцених перерезал медиальный нерв у одной из обезьян, чтобы посмотреть, что будет происходить с картой медиального нерва, когда будет прервано поступление всей входной информации. После этого он вернулся в Сан-Франциско и стал ждать.
Через два месяца он снова приехал в Нэшвилл. Составив карту мозга обезьяны, он, как и предполагалось, обнаружил, что при прикосновении к средней части кисти обезьяны в области карты, обслуживающей медиальный нерв, не наблюдается никакой активности. Но его поразило нечто другое.
Карта медиального нерва активировалась, когда он нажимал на внешние стороны кисти обезьяны – те области, которые посылают свои сигналы через радиальный и локтевой нервы! Карты мозга для радиального и локтевого нервов увеличились в размере почти в два раза и захватили то пространство, которое раньше было картой медиального нерва. И эти новые карты имели топографический характер.
На сей раз, публикуя результаты исследований, Мерцених и Каас назвали изменения «впечатляющими» и для их объяснения использовали слово «пластичность», хотя и поставили его в кавычки.
Эксперимент показал, что при перерезании медиального нерва другие нервы, которые по-прежнему получают входные электрические сигналы, «захватывают» пространство неиспользуемой карты для обработки поступающей к ним информации. Таким образом, снова подтвердилось, что управление картами мозга определяется конкуренцией за драгоценные ресурсы и принципом «не использовать – значит потерять».
Конкуренция внутри мозга
Конкурентная природа нейропластичности оказывает влияние на всех нас. Внутри нашего мозга идет бесконечная война нервов. Если мы прекращаем тренировать наши ментальные навыки, то пространство карты мозга, предназначенной для этих навыков, переходит к тем навыкам, которые мы продолжаем использовать. Когда вы спрашиваете себя: «Как часто я должен упражняться во французском языке, играть на гитаре или заниматься математикой, чтобы делать это неизменно хорошо?», то задаете вопрос о конкурентном характере пластичности мозга. Речь идет о том, с какой регулярностью вам следует заниматься каким-либо видом деятельности, чтобы связанное с ним пространство карты мозга не досталось другому виду деятельности.
Конкурентный характер нейропластичности помогает объяснить некоторые ограничения возможностей взрослых людей. Вспомните те проблемы, которые возникают у большинства взрослых при изучении второго языка. Принято считать, что эти проблемы связаны с тем, что к моменту взросления период сенситивный для изучения языков заканчивается и наш мозг становится слишком негибким для крупномасштабного изменения своей структуры. Однако открытие конкурентного характера пластичности мозга позволяет расширить это объяснение. Возможно так. По мере взросления мы все больше используем родной язык, вследствие чего он начинает доминировать в той части карты мозга, которая связана с нашими лингвистическими способностями.
Если это действительно так, то почему же нам проще учить второй язык в молодости? Разве в это время конкуренция отсутствует? Дело в том, что если освоение двух языков происходит одновременно в критический период (т. е. в раннем детстве), то оба языка получают единую «зону опоры». По словам Мерцениха, результаты сканирования мозга показывают, что у детей, говорящих на двух языках, звуки обоих языков представлены на одной большой карте, образующей своеобразную библиотеку всех звуков.
Конкурентный характер нейропластичности, возможно, объясняет и то, почему нам так сложно порвать с плохими привычками или «отучиться» от них. Большинство из нас представляют мозг в виде хранилища, а обучение – как средство его заполнения. Пытаясь избавиться от плохой привычки, мы считаем, что можем решить этот вопрос, добавив что-то новое в это хранилище. Однако когда мы приобретаем плохую привычку, она завладевает участком карты мозга, и каждый раз, когда мы действуем в соответствии с ней, она получает все больший контроль над картой и мешает использованию данного пространства для других привычек. Именно поэтому нередко «отучиться» от дурных привычек гораздо сложнее, чем их приобрести, что говорит о важности обучения, проводимого в раннем детстве, – раньше, чем «плохие» привычки получат конкурентное преимущество.
Свято место пусто не бывает
Следующий эксперимент Мерцениха, отличавшийся гениальной простотой, сделал идею пластичности мозга крайне популярной среди нейрофизиологов и, в конечном счете, помог развеять сомнения скептиков в большей степени, чем какой-либо другой эксперимент, проведенный до и после него.
Мерцених составил карту мозга для кисти руки обезьяны. Затем он ампутировал этой обезьяне средний палец. Через несколько месяцев он провел повторное картирование и выяснил, что карта мозга ампутированного пальца исчезла, а карты соседних пальцев увеличились, захватив пространство, которое ранее занимала карта среднего пальца. Это стало самым наглядным доказательством динамического характера карт мозга, существования в нем борьбы за корковое пространство и распределения ресурсов мозга по принципу «что не используется, то отмирает».
Мерцених также заметил, что животные одного вида могут иметь похожие карты, но ониникогдане бывают идентичными. Микрокартирование позволило ему увидеть те различия, которые не мог заметить Пенфилд, использующий более крупные электроды. Он также выяснил, что карты основных частей тела меняются каждые несколько недель! Каждый раз, когда он составлял карту лица одной и той же обезьяны, она получалась другой.
Для проявления пластичности не нужны провокации в виде перерезанных нервов или ампутаций. Нейропластичность – это обычное явление: изменение карт мозга происходит постоянно. При публикации результатов этого эксперимента Мерцених в конце концов начал использовать слово «пластичность» без кавычек. Тем не менее, несмотря на всю ясность и простоту проведенного им эксперимента, противостояние идеям Мерцениха не прекратилось в одночасье.
Против него выступили оппоненты. «Практически все исследователи нервной системы, которых я знал, – вспоминает он, – считали мои выводы чем-то несерьезным: якобы мои эксперименты были небрежными и описанные мною результаты вызывают сомнения. Однако я повторял эксперименты много раз и получал те же результаты».
Одним из главных противников Мерцениха стал Торстен Визел. Несмотря на то что он сам доказал существование пластичности в критические периоды, он был категорически против идеи о том, что пластичность возможна у взрослых людей. Впоследствии все же Визел согласился с идеей пластичности мозга взрослых и публично признал, что долгое время был неправ и что новаторские эксперименты Мерцениха, в конце концов, заставили его самого и его коллег изменить свое мнение. Подобное решение такой фигуры в мире науки, как Визел, не прошло незамеченным для других оппонентов Мерцениха.
«Больше всего, – говорит Мерцених, – меня расстраивало то, что никто не обращал внимания{10} на грандиозные позитивные возможности идеи нейропластичности для лечения больных людей».
Фактор времени
Начиная с конца 1980-х годов Мерцених участвовал в проведении исследований, имевших конкретную цель, – проверить, имеют ли карты мозга временные критерии и можно ли манипулировать их границами и функционированием, «играя» с регулированием времени поступления на них входной информации.
В ходе одного из этих экспериментов Мерцених составил карту нормально функционирующей кисти руки обезьяны, а затем сшил вместе два ее пальца, чтобы они двигались как один. После того, как обезьяна несколько месяцев пользовалась сшитыми пальцами, он провел повторное картирование. Две карты двух первоначально разделенных пальцев слились в одну карту. Когда исследователи дотрагивались до любой точки любого пальца, происходила активация этой новой единой карты. Поскольку все движения и ощущения в этих двух пальцах всегда возникали одновременно, они сформировали общую карту. Эксперимент показал, что регулирование времени поступления входных сигналов к нейронам определенной карты определяло ее формирование – нейроны, которые активировались одновременно или близко по времени, соединялись вместе для составления одной карты.
Другие ученые проверили результаты исследований Мерцениха на людях. Некоторые люди рождаются со сросшимися пальцами – заболевание, называемое синдактилией, или «синдромом перепончатой (кожной) синдактилии». При составлении карты двух таких больных сканирование мозга показало, что у каждого из них есть общая карта для сросшихся пальцев{11}.
После того, как хирургическим путем пальцы были разделены, провели повторное картирование мозга объектов исследования, обнаружившее появление двух отдельных карт для разделенных пальцев. После операции пальцы могли двигаться независимо друг от друга, поэтому нейроны больше не активировались одновременно, иллюстрируя еще один принцип пластичности: разделяя поступление сигналов к нейронам по времени, вы создаете отдельные карты мозга. В неврологии это открытие сегодня формулируется следующим образом – Нейроны, активирующиеся раздельно, устанавливают раздельные связи – или Нейроны, активирующиеся несогласованно, неспособны связываться друг с другом.
В ходе следующего эксперимента Мерцених создал карту для того, что можно назвать несуществующим пальцем. В течение месяца исследователи стимулировали одновременно все пять кончиков пальцев обезьяны пятьсот раз в день, мешая обезьяне использовать один из пальцев в какой-либо момент времени. Вскоре на карте мозга обезьяны появилась новая расширенная карта, на которой были представлены все пять пальцев, а собственные карты каждого пальца начали исчезать из-за прекращения их использования.
В ходе последнего и наиболее впечатляющего эксперимента Мерцених и его команда доказали, что размещение карт происходит не на анатомической основе. Они взяли небольшой участок кожи с одного пальца и хирургическим путем пересадили его вместе с нервом, по-прежнему подсоединенным к своей карте мозга, на соседний палец. Теперь стимуляция этого участка кожи и его нерва происходила всегда, когда палец, на который они были пересажаны, двигался или ощущал прикосновение в процессе повседневного использования. В соответствии с моделью жесткого программирования сигналы должны были по-прежнему посылаться с кожи по нерву на карту мозга для того пальца, с которого она была взята. Вместо этого при стимулировании данного участка кожи реагировала карта нового пальца. Карта пересаженного участка кожи мигрировала из карты пальца, на котором он находился первоначально, в карту нового пальца, потому что стимуляция участка кожи и нового пальца происходила одновременно.
Итак, всего за несколько лет Мерцених сумел выяснить, что мозг взрослого человека пластичен, убедить в этом скептиков из научного сообщества и доказать, что опыт меняет мозг. Но он так и не разгадал главную загадку: как картам удается осуществлять самоорганизацию по топографическому принципу и функционировать с максимальной пользой для человека.
Топографическая организация карты
Когда мы говорим, что карта мозга организована топографически, мы имеем в виду, что она организована таким же образом, как все тело. Например, наш средний палец расположен между указательным и безымянным. То же самое можно сказать о проекционных зонах мозга: карта для среднего пальца находится между картами для указательного и безымянного пальца. Топографическая организация карты обеспечивает высокую эффективность работы мозга: поскольку те проекционные зоны, которые обычно работают вместе, располагаются на карте близко друг к другу, сигналам не приходится «странствовать» по всему мозгу.
Мерцениху предстояло ответить на вопрос: как подобный топографический порядок возникает на карте мозга?{12} Полученный им и его коллегами ответ был поистине гениальным. Топографический порядок появляется из-за того, что многие из наших повседневных видов деятельности предполагают повторение последовательных операций в определенном порядке{13}. Например, когда мы подбираем предмет размером с яблоко или бейсбольный мяч, мы, как правило, сначала сжимаем его большим и указательным пальцами, а затем обхватываем остальными пальцами, последовательно один за другим. Поскольку большой и указательный пальцы обычно дотрагиваются до предмета практически одновременно, карты для каждого из этих пальцев формируются близко друг к другу. (Нейроны, активирующиеся вместе, связываются друг с другом.) Когда мы продолжаем обхватывать предмет рукой, следующим к нему прикасается средний палец, поэтому его карта располагается рядом с картой указательного пальца и дальше от большого пальца. Итак, мы имеем типичную последовательность хватательного движения – первым большой палец, вторым указательный, третьим средний, – которая повторяется тысячи раз. Подобное повторение ведет к формированию карты мозга, где проекционная зона большого пальца находится рядом с зоной указательного пальца, которая, в свою очередь, располагается рядом с зоной среднего и т. д. Сигналы, поступающие в разное время, например, от большого пальца и мизинца, имеют карты мозга, более отдаленные друг от друга, потому что нейроны, активирующиеся раздельно, не связываются между собой.
Многие, если не все, карты мозга работают по принципу пространственного объединения событий, происходящих одновременно. Мы уже рассказывали, что карта слуховой коры работает как пианино, картируя области для звуковых сигналов с низким тоном в одном конце и с высоким тоном – в другом. Почему именно в таком порядке? Потому что в природе низкие частоты обычно объединяются друг с другом. Когда мы общаемся с человеком с низким голосом, то слышим, главным образом, звуки с низкой частотой, поэтому они группируются вместе.
Количество переходит в качество
Появление в лаборатории Мерцениха Билла Дженкинса положило начало новому этапу исследований, которые должны были помочь Мерцениху применить свои открытия на практике. Дженкинса, получившего образование в области поведенческой психологии[23], больше всего интересовало понимание того, как происходит наше обучение. Он предложил учить животных новым навыкам и наблюдать за тем, как обучение будет влиять на их нейроны и карты мозга.
В рамках одного из экспериментов они составили карту сенсорной области коры головного мозга обезьяны. Затем они научили ее прикасаться кончиком пальца к вращающемуся диску, оказывая на него в течение десяти секунд именно то давление, которое было необходимо для получения вознаграждения в виде кусочка банана. От обезьяны требовалось большое внимание, чтобы научиться прикасаться к диску очень легко и точно оценивать длительность прикосновения. После нескольких тысяч попыток Мерцених и Дженкинс повторно картировали мозг обезьяны и увидели, что после успешного прохождения обучения область карты кончика ее пальца увеличилась. Эксперимент показал, что при наличии у животного мотивации к обучению его мозг гибко реагирует на происходящие изменения.
В ходе эксперимента стало очевидно, что процесс состоит из двух этапов. Сначала, когда обезьяна изучает новый навык, происходит расширение проекционной зоны кончика пальца. Однако через некоторое время повышается эффективность отдельных нейронов, и при этом число нейронов, необходимых для выполнения задания, сокращается.
Когда ребенок впервые учится играть гаммы на фортепьяно, то для того, чтобы сыграть каждую ноту, он использует всю верхнюю часть тела – кисть, руку, плечо. Даже мускулы его лица напряжены от старания. Постоянно упражняясь, начинающий пианист перестает включать в процесс ненужные мышцы и вскоре при исполнении одной ноты начинает пользоваться только соответствующим пальцем. У него формируется «более легкое прикосновение», а с появлением опыта он обретает «изящество» и умение расслабляться во время исполнения. Происходит переход от использования огромного числа нейронов к использованию меньшего числа тех нейронов, которые подходят для выполнения именно этой задачи. Подобное более эффективное использование нейронов появляется тогда, когда мы в совершенстве овладеваем каким-либо навыком, что объясняет, почему в процессе тренировки или добавления нового навыка пространство соответствующей карты мозга расширяется не до бесконечности.
Мерцених и Дженкинс также доказали, что в процессе обучения отдельные нейроны становятся более селективными. Каждый нейрон на карте мозга для чувства прикосновения имеет свое «рецептивное поле», или сегмент на поверхности кожи, который «отчитывается» перед ним. По мере того, как обезьяны учились трогать диск, рецептивные поля отдельных нейронов становились меньше, в результате чего эти нейроны активировались только тогда, когда небольшие участки кончиков пальцев прикасались к диску. Таким образом, при увеличении размера проекционной зоны каждый нейрон в ней начинает отвечать за меньший участок поверхности кожи, что позволяет животному более тонко различать прикосновения. Одним словом, карта становится более точной.
Кроме того, Мерцених и Дженкинс выяснили, что по мере обучения нейронов и повышения их эффективности у них появляется способность и к более быстрой обработке информации. Это означает, что скорость нашего мышления тоже может меняться. Скорость мысли крайне важна для нашего выживания. События нередко происходят очень быстро, и если мозг обрабатывает информацию медленно, то он может упустить что-то важное. В ходе одного из экспериментов Мерцених и Дженкинс учили обезьян различать звуки за все более и более короткие промежутки времени. В ответ на звуки обученные нейроны активировались быстрее{14}, обрабатывали их за более короткое время и затрачивали меньше времени на «отдых» между моментами активации. Появление более быстрых нейронов обеспечивает увеличение скорости мышления, что немаловажно, так как скорость мысли – значимая составляющая ума. Тесты для оценки коэффициента интеллектуальности (IQ) определяют не только вашу способность найти правильный ответ на вопрос, но и то, сколько времени вам для этого требуется.
Ученые обнаружили еще один интересный факт. При обучении животного какому-либо навыку нейроны не только становятся более быстрыми, но и из-за увеличения скорости их активации возрастаетясностьпередаваемых ими сигналов. У более быстрых нейронов повышается способность к одновременной активации – что делает их лучшими командными игроками, – установлению связей и формированию групп нейронов, испускающих более ясные и сильные сигналы. Это очень важный момент, так как сильный сигнал оказывает большее влияние на мозг. Когда мы хотим запомнить что-то из услышанного, то должны слышать это ясно и четко, причем ясность здесь определяется отчетливостью первоначального сигнала.
Наконец, Мерцених выяснил, что в долгосрочных пластических изменениях важную роль играет внимание. В ходе многочисленных экспериментов он обнаружил, что продолжительные изменения имели место только тогда, когда обезьяны проявляли неослабный интерес к происходящему. Когда животные выполняли задания автоматически, не уделяя этому особого внимания, карты их мозга менялись, но эти изменения длились недолго. Мы часто превозносим «способность к работе со многими задачами». Однако даже если вы способны к обучению в условиях распыленного внимания, такая распыленность не способствует устойчивым изменениям карты мозга.
И снова о детском развитии
Когда Мерцених был ребенком, двоюродная сестра его матери, преподаватель начальной школы в Висконсине, была выбрана учителем года всех Соединенных Штатов. После церемонии награждения, проходившей в Белом доме, она навестила семью Мерцених в Орегоне.
«Моя мать, – вспоминает он, – задала ей ни к чему не обязывающий вопрос типа тех, которые часто звучат в разговорах: «Что главное в твоей работе?» На что ее двоюродная сестра ответила: «Ну, детей нужно тестировать, когда они приходят в школу, чтобы понять, стоит ли ими заниматься. Если они стоят того, то ты уделяешь им свое внимание и при этом не тратишь впустую время на тех, кто этого не стоит». Именно так она и сказала. И, знаете, так или иначе, этот ответ отражает то, как люди обращались и обращаются с детьми, непохожими на других. Представление о том, что ваши мозговые ресурсы постоянны и не могут быть существенно улучшены или изменены, крайне деструктивно».
В период проведения своих экспериментов в области нейропластичности Мерцених узнал о работе Паулы Таллал из Университета Рутгерса, которая занималась изучением причин проблем, возникающих у детей при обучении чтению. Примерно от 5 до 10 процентов детей дошкольного возраста имеют речевые затруднения, которые мешают им читать, писать или даже следовать указаниям. Иногда таких детей называют дислексиками (от слова «дислексия»).
Дети начинают разговаривать, используя сочетания согласных и гласных, например, повторяя «да, да, да» и «ба, ба, ба». Во многих странах, говорящих на разных языках, первые слова, произносимые детьми, состоят из таких сочетаний – нередко это слова «мама», «папа», «пи-пи» и так далее. Исследования Таллал показали, что для детей с речевыми затруднениями характерны проблемы с обработкой слуховой информации, включающей в себя типичные быстро произносимые сочетания согласных и гласных, которые называют «быстрыми частями речи». Детям сложно правильно их расслышать и, соответственно, точно воспроизвести.
Мерцених считал, что у таких детей нейроны слуховой зоны коры активируются слишком медленно, поэтому они не могут отличить два похожих звука или определить последовательность двух звуков, когда те звучат близко друг к другу. Эти дети часто не улавливают на слух начало слогов или изменения звуков внутри слога. Как правило, после обработки звука нейроны готовы к новой активации после отдыха, продолжающегося примерно 30 миллисекунд. Восьмидесяти процентам детей с нарушениями речи для этого требуется как минимум в три раза больше времени, поэтому они теряют большие объемы языковой информации.
При изучении моделей активации нейронов у таких детей фиксируемые сигналы носили неясный характер. «Они были неясными как на входе, так и на выходе», – говорит Мерцених.
Неудовлетворительная способность различать элементы языка становится причиной проблем с выполнением всех языковых задач: проблем со словарным запасом, пониманием, речью, чтением и письмом. Из-за того, что такие дети затрачивают много энергии на расшифровку слов (детям по-прежнему приходится заниматься определением различия между: «да, да, да» и «ба, ба, ба»), они склонны к использованию более коротких предложений и не могут тренировать свою память для составления длинных предложений.
Когда Таллал впервые выявила все это, у нее возникло опасение, что такие дети «неисправимы» – и невозможно им помочь. Но это было до того, как она и Мерцених объединили свои силы.
Программа для детей с речевыми нарушениями и проблемами в обучении
В 1996 году Мерцених, Паула Таллал, Билл Дженкинс и один из коллег Таллал, психолог Стив Миллер, создали компанию Scientific Learning, работа которой полностью посвящена использованию результатов исследований в области нейропластичности – призвана помочь людям перепрограммировать свой мозг.
Главный офис компании находится в деловой части Окленда, штат Калифорния, и располагается в шикарном здании под названием «Ротонда» с овальным стеклянным куполом высотой 120 футов (40 м), края которого украшены сусальным золотом. Входя в это здание, вы словно попадаете в другой мир. В Scientific Learning работают детские психологи, специалисты по нейропластичности, по человеческой мотивации и патологии речи, инженеры, программисты и художники-мультипликаторы.
Я уже упоминал «Fast ForWord» – название обучающей программы, которую компания разработала для детей с речевыми нарушениями и проблемами в обучении. Эта программа позволяет тренировать любую основную функцию мозга, связанную с языком, начиная с расшифровки звуков и заканчивая пониманием – своего рода перекрестное мозговое обучение.
Программа включает в себя семь упражнений для мозга. Одна из них помогает детям совершенствовать способность различать короткие и длинные звуки. Например, по экрану монитора пролетает корова, издающая мычащие звуки. Ребенок должен поймать корову с помощью курсора и удерживать на месте нажатием кнопки мыши. Затем неожиданно длительность звука «му» едва заметно меняется. В этот момент ребенок должен отпустить корову и дать ей улететь. Тот, кто отпускает корову сразу же после изменения звука, набирает очки.
В другой игре дети учатся различать сочетания согласных и гласных звуков, которые легко перепутать, такие как «ба» и «да». Сначала эти сочетания появляются на небольшой скорости, как в обычной речи, а затем скорость их появления увеличивается. С помощью еще одной игры детей учат запоминать и сопоставлять звуки. «Быстрые части речи» используются во всех упражнениях, но их озвучивание замедляется с помощью компьютеров, чтобы дети с речевыми нарушениями могли слышать их и формировать для них четкие карты; затем по мере выполнения упражнений скорость озвучивания увеличивается.
Когда ребенок достигает поставленной перед ним цели, происходит что-то забавное: персонаж мультфильма съедает ответ, зарабатывает несварение желудка, корчит комичную рожицу или делает смешное движение, которое достаточно неожиданно, чтобы удержать внимание ребенка. Это «вознаграждение» – важная часть программы, поскольку каждый раз, когда ребенок получает такое поощрение, его мозг выделяет такие медиаторы, как допамин и ацетилхолин, которые способствуют закреплению тех изменений карты, которые только что произошли. (Допамин усиливает вознаграждение, а ацетилхолин помогает мозгу «настраивать» и оттачивать воспоминания.)
Дети с менее выраженными нарушениями обычно работают с программой Fast ForWord один час и сорок минут в день пять раз в неделю в течение нескольких недель, а те, чьи нарушения более выражены, занимаются восемь – двенадцать недель.
Первые результаты исследования, опубликованные в журнале Science в январе 1996 года, были удивительными. Детей с нарушениями речи разделили на две группы – члены одной выполняли упражнения по программе Fast ForWord, а члены контрольной группы играли в компьютерную игру, похожую на ту, что была создана в рамках программы, но не тренирующую ускоренную обработку речи. В обе группы отбирали детей одинакового возраста с похожими коэффициентами умственного развития и языковыми навыками (проблемами). У детей, работавших с программой Fast ForWord, наблюдалось значительное улучшение результатов стандартного тестирования обработки речевой, языковой и слуховой информации. На момент окончания обучения они получали нормальное или превышающее норму количество баллов за владение языком, а повторное тестирование спустя шесть недель показало устойчивое сохранение достигнутых ими успехов. Они добились гораздо больших улучшений, чем дети в контрольной группе.
За шесть недель среднестатистический ребенок, прошедший обучение по программеFast ForWord,продвигался в развитии языковых навыков на 1,8 года. Группа исследователей из Стэндфордского университета провела сканирование мозга двадцати детей, страдающих дислексией, до и после прохождения ими Fast ForWord. Первоначальные результаты сканирования показали, что дети с дислексией используют для чтения иные участки мозга, чем обычные дети. После обучения были получены результаты, свидетельствующие о нормализации работы их мозга.
История Вилли Арбора
Вилли Арбор – семилетний мальчик с рыжими волосами и веснушками из Западной Вирджинии. Он состоит в отряде бойскаутов-волчат[24], любит ходить в супермаркет и, хотя его рост не превышает четырех футов (1 м 22 см), увлекается борьбой. Он только что прошел обучение по программе Fast ForWord и буквально преобразился.
«Главная проблема Вилли заключалась в том, что он недостаточно хорошо воспринимал на слух речь других людей, – рассказывает его мать. – Я могла сказать слово «копия», а ему слышалось «кофе». Когда был какой-либо шумовой фон, ему было особенно сложно. Посещение детского сада действовало на него угнетающе. Его неуверенность буквально бросалась в глаза. Из-за того, что все дети правильно отвечали на вопросы воспитателей, а он нет, у него появились нервные привычки – он начал жевать свою одежду или теребить рукав. В первом классе учитель предлагал оставить его на второй год». У Вилли были проблемы с чтением – как вслух, так и «про себя».
«Вилли не мог четко услышать изменение высоты тона, – продолжает его мать. – Поэтому он неспособен был отличить восклицание от общего утверждения и не улавливал изменений интонаций речи, что осложняло для него понимание эмоций людей. Для него все звучало одинаково».
Родители водили Вилли к детскому сурдологу, который диагностировал, что его «проблемы со слухом» вызваны возникшим в его мозге нарушением процесса обработки слуховой информации. Вилли тяжело давалось запоминание цепочек слов, потому что его слуховая система быстро перегружалась. Если вы давали ему более трех указаний одновременно, например: «пожалуйста, отнеси свою обувь наверх – положи ее в шкаф – затем спускайся обедать», он забывал их. Он снимал обувь, поднимался по лестнице и спрашивал: «Мама, что ты просила сделать?». Учителям все время приходилось повторять ему свои указания. Хотя он был по-своему одаренным ребенком – у него были способности к математике, – проблемы с чтением мешали его успехам и в этой области.
Мать Вилли отказалась оставить его в первом классе на второй год, и летом в течение восьми недель он занимался по программе Fast ForWord.
«До начала занятий, – вспоминает она, – нам приходилось чуть ли не силой усаживать его за компьютер, и работа за ним его очень утомляла. Однако во время обучения он проводил за компьютером по сто минут в день в течение целых восьми недель. Ему нравился процесс выполнения упражнений и система баллов, потому что он сам мог видеть, как его результаты становятся все лучше и лучше». После окончания курса Вилли научился воспринимать интонации речи, начал хорошо понимать эмоции других людей и стал испытывать меньшее беспокойство. «Для него так много всего изменилось, – говорит его мать. – Когда он принес домой результаты экзаменов, проводившихся в середине семестра, он сказал: «Мама, они лучше, чем в прошлом году». Он начал получать за свои работы высокие оценки, и это было очень заметное улучшение….Теперь он чувствует уверенность в себе и своих возможностях. Мне же кажется, что мои молитвы были услышаны. Это просто удивительно». Прошел год, а способности Вилли продолжают совершенствоваться.
«Побочные эффекты» обучения
До команды Мерцениха начала доходить информация о том, что использование программы Fast ForWord дает ряд «побочных эффектов». У детей улучшался почерк. Родители сообщали о том, что у многих учеников начало проявляться устойчивое внимание и сосредоточенность. Мерцених считал, что эти неожиданные позитивные моменты связаны с тем, что программа Fast ForWord способствует некоторым общим улучшениям процесса психической обработки информации.
Один из наиболее важных видов деятельности мозга – о котором мы часто не задумываемся – это определение длительности тех или иных вещей или обработка временно́й информации. Если вы не способны определить, сколько времени длятся события, то не можете соответствующим образом двигаться, воспринимать окружающий вас мир или прогнозировать. Мерцених выяснил, что при обучении людей чувствовать на своей коже очень быстрые вибрации, длящиеся всего 75 миллисекунд, они также обретают способность распознавать звуки длительностью в 75 миллисекунд. Создавалось впечатление, что программа Fast ForWordповышает общую способность мозга управлять временем.
Иногда эти улучшения затрагивали также обработку визуальной информации. До начала занятий, когда Вилли предложили сыграть в игру, в которой нужно было выбирать предметы, не соответствующие месту: сапог на дереве, жестяная банка на крыше, – его глаза бегали по всей странице. Он пытался увидеть всю страницу вместо того, чтобы просматривать единовременно одну небольшую ее часть. В школе при чтении он часто пропускал целые строки. После завершения обучения по программе Fast ForWord его глаза больше не бегали по всей странице – он научился фокусировать свое визуальное внимание.
У некоторых детей, которые прошли стандартизованное тестирование вскоре после завершения программы Fast ForWord, наблюдался прогресс не только в области языка, речи и чтения, но и в математике, естественных и социальных науках. Возможно, эти дети лучше слышали то, что происходило в классе, или лучше читали – но Мерцених считал, что объяснение этого факта более сложное.
«Происходит повышение коэффициента интеллекта, – говорит он. – Мы использовали матричный тест, представляющий собой средство оценки коэффициента интеллекта, ориентированное на обработку визуальной информации – и наблюдали его повышение».
Кроме того, были и другие неожиданные результаты. Так, специалисты начали наблюдать определенный общий прогресс у некоторых детей, страдающих аутизмом.
Аутизм
Аутизм – патологическая замкнутость, когда человек не способен установить душевный контакт с другим человеком. Аутизм – одна из самых непостижимых загадок и одно из наиболее тяжелых нарушений развития у детей. Эту проблему называют «расстройством развития», потому что она затрагивает множество аспектов: ум, восприятие, навыки общения и эмоциональную сферу жизни человека.
У большинства детей, страдающих аутизмом, коэффициент интеллекта ниже 70. У них наблюдаются серьезные трудности с общением, а в наиболее тяжелых случаях аутисты воспринимают людей как неодушевленные объекты, не приветствуя их и не признавая за людей. Иногда может показаться, что аутисты не видят, что в мире существует «другой разум». Они также испытывают трудности с обработкой поступающей извне чувственной информации. Такая информация часто вызывает у них быструю перегрузку мозга, делая их сверхчувствительными к звукам и прикосновениям. (Возможно, это объясняет, почему дети-аутисты обычно избегают зрительного контакта: впечатления от контактов с людьми, в особенности когда «общение» воздействует на несколько органов чувств, – для них слишком интенсивны.) Нейронные сети у таких детей сверхактивны, и многие из них страдают эпилепсией.
В связи с тем что многие аутичные дети имеют нарушения речи, врачи-клиницисты стали предлагать их родителям воспользоваться программой Fast ForWord. Результаты оказались самыми неожиданными. Родители аутистов, прошедших лечение по программе Fast ForWord, рассказывали Мерцениху, что их дети стали более общительными. Это вызвало у него вопрос, не стали ли эти дети просто более внимательными слушателями. Ответы родителей привели его в восхищение: стало ясно, что симптомы расстройства речи и симптомы аутизма исчезали одновременно. Могло ли это означать, что языковые и аутистические нарушения – разные проявления одной и той же проблемы?
Два исследования с участием детей-аутистов подтвердили информацию, полученную Мерценихом. Одно из них – ориентированное на изучение языковых навыков – показало, что программа Fast ForWord помогает аутичным детям быстро перейти от тяжелых речевых нарушений к нормальному уровню владения речью. Однако в ходе второго исследования, в котором приняли участие сто детей-аутистов, выяснилось, что эта программа также оказывает серьезное влияние на симптомы их главного недуга. У детей повышалась продолжительность концентрации внимания и улучшалось… чувство юмора. Им стало проще общаться: они были способны к более длительному зрительному контакту, начали здороваться с людьми и обращаться к ним по имени, разговаривали с ними и прощались в конце встречи. Казалось, что дети начали ощущать, что в мире существуют другие люди, достойные внимания.
История Лорали
Восьмилетней Лорали диагноз «среднефункциональный аутизм» поставили, когда ей было три года. Даже в возрасте восьми лет она мало говорила. Она не откликалась на свое имя и не реагировала на обращение родителей, словно не слышала их. Иногда она разговаривала, но когда делала это, то, по словам матери, «использовала свой собственный язык, который иногда было невозможно понять». Если она хотела сока, то не просила его. Если она хотела взять какую-либо вещь, она объясняла это с помощью жестов и тянула родителей к шкафам.
У нее наблюдались и другие симптомы аутизма, такие как повторяющиеся движения, к которым дети-аутисты прибегают, пытаясь сдержать охватывающие их чувства. По словам матери Лорали, у нее «был весь спектр симптомов: взмахи руками, хождение на цыпочках, избыток энергии, кусание. И она не могла сказать мне, что чувствует».
Она была очень привязана к деревьям. Когда родители водили ее по вечерам на прогулку, она часто останавливалась, прикасалась к дереву, обнимала его и разговаривала с ним.
Лорали обладала необычной чувствительностью к звукам. «У нее был исключительный слух, – говорит ее мать. – Когда она была маленькой, то часто закрывала уши руками. Она не выносила определенную музыку, передаваемую по радио, например, классику или медленную музыку». В кабинете педиатра она слышала раздающиеся на верхнем этаже звуки, которые никто другой не слышал. Дома она подходила к раковине, наполняла ее водой, обнимала трубы и слушала, как по ним течет вода.
Отец Лорали был военным моряком и в 2003 году служил в Ираке. Когда в связи с его переводом семья переехала в Калифорнию, Лорали поступила в среднюю школу, где ее взяли в специальный коррекционный класс, в котором использовалась программа Fast ForWord. В течение восьми недель она примерно два часа в день выполняла упражнения этой программы.
Когда она завершила курс, «ее речь буквально взорвалась, – вспоминает ее мать, – и она начала больше говорить и использовать полные предложения. Она могла рассказать мне о том, что с ней было в школе. До этого я спрашивала: «Как прошел твой день – хорошо или плохо?». Теперь она рассказывала о том, что делала, при этом помнила детали прошедшего дня. Если она попадала в плохую ситуацию, то могла поделиться этим, и мне не приходилось вытягивать из нее слова. Ей также стало проще что-то запомнить». Лорали всегда любила читать, теперь же она читает более длинные книги, научную литературу и энциклопедию. «Сегодня она слушает достаточно тихие звуки и спокойно воспринимает разную музыку, звучащую по радио, – говорит ее мать. – Она словно пробудилась к жизни. А так как она изменилась в плане общения, это стало пробуждением для всех нас. Это настоящее счастье».
Природа аутизма по Мерцениху
Мерцених решил, что ему нужно вернуться к научной работе, чтобы лучше понять природу аутизма и многочисленные задержки в развитии, связанные с ним. Он считал, что для этого необходимо прежде всего создать «аутистичное животное» – животное, у которого будут те же нарушения в развитии, что и у детей-аутистов. Тогда он сможет изучить его и попытаться вылечить.
Когда Мерцених начал думать о том, что он называет «детской катастрофой» аутизма, ему пришло в голову, что, возможно, в этом случае что-то идет не так в младенческом возрасте, то есть в тот период, на который приходятся наиболее важные критические периоды, наивысшая пластичность мозга и максимально активное его развитие. Однако аутизм – это, главным образом, наследственное расстройство. Если один из однояйцовых близнецов страдает аутизмом, то его вероятность у второго близнеца равна 80–90 процентам. В случае разнояйцовых близнецов, когда один из них аутист, у второго, не страдающего аутизмом, все же бывают проблемы с речью и социальными взаимодействиями.
Тем не менее число случаев аутизма растет с ужасающей скоростью, что не может объясняться исключительно генетикой. Когда около сорока лет назад это расстройство впервые получило признание в качестве самостоятельного диагноза, оно наблюдалось примерно у одного человека из 5000. Сегодня – у одного из 15 человек! Это увеличение вызвано отчасти тем, что аутизм устанавливают лучше, чем раньше, кроме того, у некоторых детей признают «легкий аутизм» ради обеспечения государственной финансовой помощи на их лечение. «Однако, – говорит Мерцених, – даже с учетом всех поправок, наблюдается трехкратное увеличение числа случаев аутизма за последние пятнадцать лет».
Мерцених пришел к мысли, что существует вероятность влияния факторов окружающей среды на рефлекторные дуги таких детей, вызывающего раннее завершение критических периодов до полной дифференциации карт мозга. При рождении наши проекционные зоны мозга напоминают «черновые наброски», или схематичные чертежи, лишенные деталей и недифференцированные. В сенситивные периоды, когда под действием первого жизненного опыта формируется структура карт нашего мозга, черновой набросок становится детализированным и дифференцированным.
И снова крысы
Мерцених и его команда использовали микрокартирование для того, чтобы показать, как происходит формирование карт у новорожденных крыс в критический период. Сразу же после рождения, в начале критического периода, слуховые карты крыс были недифференцированными и имели только две обширные области в коре головного мозга. Половина карты реагировала на любой звук высокой частоты. Вторая половина реагировала на любой низкочастотный звук.
Когда во время сензитивного периода животное подвергалось воздействию звука определенной частоты, эта простая организация менялась. Если оно постоянно слышало высокий звук В, то через некоторое время происходила активация только нескольких нейронов, которые становились селективными в отношении этого звука. То же самое происходило, когда животное подвергалось воздействию звуков Г, Д, Е и так далее. Теперь карта вместо двух обширных областей имела множество разных зон, каждая из которых реагировала на те или иные звуки, то есть стала дифференцированной.
Удивительная особенность коры головного мозга в критический период заключается в том, что она настолько пластична, что может меняться просто под воздействием нового стимула. Такая чувствительность позволяет младенцам и очень маленьким детям в сенситивный период развития языковых навыков без труда учиться новым звукам и словам, всего лишь слушая разговоры родителей. По окончании критического периода дети старшего возраста и взрослые, конечно же, могут учить языки, но теперь им приходится прикладывать усилия для концентрации внимания.
Конец ознакомительного фрагмента.