Профессор Дэвид Линден попросил 39 выдающихся нейробиологов ответить на вопрос «Что бы вы больше всего хотели рассказать людям о работе мозга?». Так получился сборник эссе «Мозговой трест». Публикуем ответ Элисон Барт — нейробиолога из Университета Карнеги-Меллона
Мозг мгновенно перестраивается, когда вы берете в руки инструмент
Вы возвращаетесь после субботних дел и заезжаете в гараж, стараясь свернуть в нужный момент, чтобы не задеть мусорные баки с одной стороны дорожки и велосипеды с другой. Затем останавливаетесь так, чтобы дверь гаража, закрываясь, не повредила автомобиль. Как вам удается точно чувствовать габариты своей машины? В вождении автомобиля есть один удивительный момент: когда вы садитесь за руль, ваше ощущение тела расширяется до внешних границ машины. Вы чувствуете, как близко можно подъехать к бордюру, чтобы его не задеть; понимаете, как далеко можно сдать назад, не врезавшись в препятствие; оцениваете положение автомобиля на дороге, мельком взглянув на разметку. Возникает ощущение, будто ваше тело увеличилось в сорок раз и оканчивается колесами и бампером.
Интересно, что, как только вы отстегиваете ремень безопасности и выходите из машины, ощущение тела (или соматическое чувство) мгновенно возвращается в границы вашей кожи. Такое быстрое расширение и сжатие границ тела связано с поразительной пластичностью мозга. Пластичность — базовое свойство мозга, и ученые исследуют конкретные механизмы, с помощью которых отдельные нейронные пути в соматосенсорной коре ослабляются, усиливаются или маскируются, что позволяет нам ощущать и делать чрезвычайно сложные вещи. В этом эссе я покажу, что отображение нашего тела в мозге пластично и что изменения происходят непрерывно, в процессе наших повседневных занятий. Это особенно важно для нас как для вида, использующего орудия труда и инструменты. Каждый раз, когда мы берем в руки предмет и ловко пользуемся им, мы расширяем представление о своем теле, включая в него этот предмет и тем самым получая возможность обращаться с ним по своему усмотрению.
Младенец должен научиться понимать, где начинается и где заканчивается его тело; он дотрагивается до разных предметов, двигает руками и ногами, наблюдая за ними. Карта поверхности тела формируется в нашем мозге в период эмбрионального развития в виде встроенного в сознание грубого наброска, а затем уточняется в процессе обретения опыта. Термин «соматосенсорная карта» отражает то обстоятельство, что организация тактильной информации на поверхности мозга примерно соответствует расположению частей тела: проекция большого пальца соседствует с проекциями других пальцев руки и с проекцией ладони, а проекция ладони граничит с проекцией локтя и так далее. Размеры участков мозга, отведенных разным частям тела, могут не соответствовать реальным пропорциям этих частей тела (например, проекции пальцев и губ занимают несоизмеримо большую область по сравнению с областью коленей или плеч), но их взаимное расположение в целом сохраняется.
Растущие дети часто неуклюжи
На определенном этапе они с трудом адаптируются к изменениям формы и размера тела — ноги оказываются длиннее, чем кажется, и дети спотыкаются и падают. Ребенок может забраться к родителям на колени и с удивлением обнаружить, что уже не умещается там. Соматосенсорные карты, расположенные в неокортексе («новых» областях коры), должны постоянно «перезагружаться», чтобы адекватно представлять меняющиеся формы тела. К счастью, для этого предусмотрены специальные механизмы.
Соматосенсорные карты обладают одним важным свойством: они могут изменяться под воздействием опыта. Чрезмерная стимуляция некоторых частей тела, например пальцев скрипача, который репетирует по шесть часов в день, может привести к относительному увеличению области коры, где хранится проекция этих пальцев. В случае изменения размеров тела — например, когда человек поправляется или худеет — соматосенсорные карты тоже должны корректироваться. Каждая беременная женщина хоть раз пыталась протиснуться через толпу, прежде чем понимала, что ее тело гораздо больше, чем ей казалось. После этого ей приходилось корректировать свои представления, чтобы лучше координировать движения в пространстве. Подобная пластичность соматосенсорных проекций, обусловленная рутинным опытом, постоянно проявляется в повседневной жизни, а не только в лабораторных условиях.
Соматосенсорная потеря, например в результате ампутации конечности (или удаления зуба, что случается гораздо чаще), также может привести к «территориальному переделу» в мозге, когда зоны неповрежденных частей тела со временем «захватывают» те области коры, которые больше не получают входящих сигналов. После удаления зуба у нас возникает навязчивое желание прикоснуться языком к тому месту, где он был раньше. Но через несколько дней или недель мы привыкаем к пустому пространству во рту и уже его не замечаем. Наша способность корректировать представление о размере своего тела обусловлена пластичностью нейронных связей в мозге. Ученые постепенно выявляют сложные механизмы, по которым нейроны мозга анатомически перестраиваются под воздействием опыта. Во многих случаях подобные изменения бывают устойчивыми и долговременными. В других ситуациях нейронные цепи меняют свои функции без какой-либо анатомической перестройки, за счет ослабления или усиления синаптических связей между нейронами. Это эффективная стратегия (поскольку в ней используются уже существующие связи), и она обеспечивает быстрое переключение соматосенсорных проекций в зависимости от выполняемой задачи. Кроме того, она дает нам огромное преимущество как виду.
Наша способность к долговременным настройкам ощущения своего тела удивительна — но не меньше впечатляет способность соматосенсорных проекций мгновенно подстраиваться под актуальную задачу. Вспомните, например, как быстро вы понимаете, выезжая из гаража, что зеркало заднего вида заденет стену. Или как ловко вы управляетесь с ножом и вилкой. Границы нашего тела мгновенно меняются, и столовые приборы становятся как бы продолжением нас, что расширяет сенсорные возможности пальцев. Держа в руке вилку, мы «чувствуем» тарелку и тот кусок, который берем с нее. Наши «границы» раздвигаются до зубцов вилки, на несколько сантиметров дальше кончиков пальцев. Эта форма обусловленной опытом пластичности соматосенсорной системы позволяет нам искусно обращаться с инструментами, поскольку мозг корректирует наше ощущение границ тела, позволяя использовать инструменты как его продолжение.
Почему использование инструментов требует практики?
Потому что для перенастройки карты необходимы время и многократные повторы — с обратной связью, чтобы мы могли учиться методом проб и ошибок. Иногда такое обучение обходится довольно дорого, в чем могут убедиться неопытные водители. Многим случается несколько раз поцарапать машину, прежде чем они поймут, какую дистанцию нужно держать, чтобы избежать столкновения. И все же наш мозг прекрасно умеет усваивать новую соматосенсорную информацию и менять представление о размере и форме «тела», чтобы мы могли овладевать новыми навыками. Обратная связь, которую мы получаем, когда учимся пользоваться палочками для еды, помогает добиться нужного результата. Когда наши усилия наконец увенчиваются успехом, карта тела дополняется и закрепляется.
Исследования показывают, что для нейропластичности особенно важны подобные периоды проб и ошибок с промежуточными успехами и повторяющимися попытками — и с перерывами на сон. Со временем от неловких попыток брать еду двумя палочками мы переходим к ощущению, что эти палочки стали продолжением нашей руки. Изменение ментального представления под воздействием опыта впервые было описано психологами больше ста лет назад, и сегодня этот феномен хорошо изучен. Непрерывный процесс корректировки карты тела на основании опыта начинается еще в раннем детстве, когда мы учимся обуваться, держать карандаш, кататься на лыжах, рисовать, переворачивать котлету на сковородке, играть на пианино. В основе всех этих навыков лежат изменения в реакции клеток мозга на поступающие сигналы — одни изменения ограничены областями мозга, отвечающими за движение, а другие происходят в сенсорных зонах.
Мозг состоит почти из 100 миллиардов нейронов, и на их свойства могут влиять опыт, болезни, травмы или наркотики. Нейронов в мозге так много, что нам трудно понять, какие из них нужно исследовать. Если речь идет об использовании инструментов, мы можем сосредоточиться на нейронах, которые находятся в ограниченной области мозга, активируются посредством тактильных манипуляций и соответствуют определенным частям тела.
Кое-что нам достоверно известно: отработка навыка одной рукой не позволяет легко передать этот навык другой руке (то же относится и к ногам); мастерство требует практики для закрепления изменений в нейронных связях; восприятие инструмента как продолжения тела отключается почти мгновенно. Подобные отключения происходят, например, когда мы выходим из машины или откладываем вилку — границы тела тут же возвращаются к исходному состоянию. Это говорит о том, что изменения в нейронных связях могут активироваться или подавляться в зависимости от ситуации. Повседневный опыт показывает, что мы способны пользоваться самыми разными инструментами, а значит, «инструментальные карты» сосуществуют в мозге и, вероятно, пересекаются.
Эксперименты на животных показывают, что визуальная обратная связь способствует расширению возможностей нейронов, когда инструмент становится частью ментальной проекции тела. У приматов (кроме человека) в этом процессе участвует зона мозга, которая называется внутритеменной бороздой. Она объединяет зрительную и соматосенсорную информацию. Нам важно понимать, как разные типы нейронов — возбуждающие и тормозящие — и связи между ними динамически меняются при умелом обращении с инструментом. Без этого понимания трудно объяснить, как биологические компоненты мозга обеспечивают соматосенсорную пластичность, не говоря уже о том, чтобы использовать это свойство для восстановления функций мозга.
Вполне возможно, что для ловкой манипуляции инструментами привлекаются стандартные механизмы пластичности и сенсорной памяти — точно так же, как тактильные сигналы вызывают изменения в возбуждении нейронов неокортекса. Этот процесс почти наверняка сопровождается укреплением связей между возбуждающими нейронами в соматосенсорных зонах, а также изменениями в моторных зонах мозга. Но одни лишь долговременные изменения в соединениях возбуждающих нейронов не могут объяснить легкость, с которой мы способны взять инструмент и начать пользоваться им, менять одно орудие труда на другое или возвращаться к своему обычному состоянию, без применения каких-либо орудий. Крайне важно, что подобное расширение границ собственного тела можно мгновенно отключить. Таким образом, мозг должен обладать способностью блокировать эти крепкие связи посредством торможения — как только мы откладываем вилку, выходим из машины или снимаем туфли.
По-прежнему остается загадкой, как карты тела, адаптированные к использованию инструментов, существуют отдельно друг от друга — так, что мы можем использовать самые разные предметы (например, молоток и пинцет), не путая их. Существуют ли методы, помогающие быстрее обучаться обращению с инструментами? Как природные различия между людьми проявляются в навыках — действительно ли одни учатся быстрее других, и если да, то почему? Все эти вопросы активно изучаются. Ясно одно: наш мозг сформировался в результате долгого эволюционного процесса, не предполагавшего, что мы будем использовать доступные предметы, чтобы расширить свои физические возможности. Обычные клеточные и синаптические механизмы обусловленной опытом пластичности, уже существовавшие в центральной нервной системе, могли на каком-то этапе адаптироваться к новым задачам, что позволило нам как виду овладеть еще более сложными навыками.
Вступив в эпоху, когда виртуальная реальность становится привычным явлением, мы можем обнаружить новые способы реорганизации своих перцептивных возможностей, не ограниченные использованием предметов, которые мы превращаем в инструменты. Компьютерная обратная связь, возможно, позволит нам быстрее осваивать новые навыки, а тактильная обратная связь в виртуальной реальности преобразует наш довольно примитивный визуальный опыт в нечто пока недоступное. Новые физические законы (снижение гравитации?), пространственные образы объектов и измененная шкала времени в интерактивных компьютерных играх дополнят материальный мир, что приведет к такому изменению карт в мозге, какое не может произойти в привычной для нас реальности.
