Пластичність мозку

• Як перекроюються карти мозку
• ефект стимуляції
• Музика та жонглювання
• Що таке use і що таке it?

У попередній статті ми визначили декілька областей мозку, які є ключовими для наших когнітивних здібностей, і завдали їх на карту мозку. Когнітивна нейробиология досягла піку свого розвитку в 1990-і роки, коли були винайдені прилади, що дозволяють отримати зображення мозку, і зосередилася на картографії мозку. Різні області мозку відповідають за різні функції.

Противники картографії мозку жартома називають її сучасної френологіей. Френологи, ці шарлатани XIX століття, судили про здібності людей за будовою і формою черепа. Надаючи вирішальне значення формі голови і черепа, вони не просто культивували лженауку, але і лили воду на млин расово-біологічних навчань початку XX століття.

І все ж порівняння з френологіей дещо спрощує проблему. Вірною Маунткастла, один з видатних неврологів XX століття, сам не займаючись зображенням мозку, частково виступив на захист френології⁸⁶. На його думку, френологія спирається на два основні постулати. Перший з них: різні функції локалізовані в різних областях мозку. І другий: функції мозку відбиваються на формі черепа. Другий постулат - абсолютний нонсенс, але перший постулат можна вважати коректним і теоретично дуже важливим.

Одне з перших досліджень, які показали, як локалізовані функції мозку, провів французький невролог Поль Брока. Йому попався пацієнт, який раптово втратив дар мови. Після смерті пацієнта Брока обстежив його мозок і виявив кровотеча - в нижній частині лобової частки. Ця частина мозку зараз відома як «зона Брока». Однак в той час Поль Брока ще думав, згідно з традиційними уявленнями, що ця зона є симетричною для обох півкуль. Але потім, спираючись на дані численних спостережень, він рішуче заявив про те, що функція мови належить лівій півкулі. Відкриття моторного центру промови було першим анатомічним доказом локалізації функції мозку.

На початку XX століття Корбініан Бродман на підставі величезного порівняльно-анатомічного матеріалу розділив поверхню мозкових півкуль на безліч більш-менш автономних ділянок, що відрізняються один від іншого по клітинному будові і, отже, за функціями. Він склав одну з перших карт мозку, розділивши його на 52 області. До речі, цю карту використовують і понині⁸⁷.

Методики позитронно-емісійної томографії (ПЕТ) і функціональної магнітно-резонансної томографії (фМРТ) забезпечили прорив в картуванні мозку. Спираючись на нові знання, вчені згодом відмовилися від спрощеного уявлення про те, що одна область мозку відповідає за певну функцію. Навпаки, кожна функція співвідноситься з мережею областей, а одна і та ж область може входити в безліч різних мереж. Але фіксація на картах залишилася, і так чи інакше в такому системному описі виявляються сліди статичного мислення. Карти зображують щось незмінне. Гори і ріки знаходяться там, де вони знаходяться. І тільки останнім часом наука звернула увагу на те, що карти можуть змінюватися, до того ж самим істотно.

Як перекроюються карти мозку

Мозок змінюється - і це не новина, а явний науковий факт. Якщо, припустимо, школяр до середовища не вивчив урок, але прийшов додому і позанимался, а до четверга він уже знає, що представляють собою насіннєві рослини, то його мозок змінився. Більше інформацію зберігати ніде (за винятком шпаргалок). Нас же насамперед цікавить, коли, де і як змінюється мозок.

Ми вже говорили про те, що функціональні карти мозку перекроюються, коли мозок позбавляється притоку інформації.

Якщо людина, наприклад, втратив якийсь орган або частина тіла, і сенсорна область мозку більше не отримує звідти інформацію, що оточують області мозку починають зазіхати на цю ділянку. Якщо сигнали від вказівного пальця перестають надходити в мозок, то ця область відповідно звужується. Зате сусідня область, яка отримує сигнали від середнього пальця, навпаки, розширюється.

Мова йде не про нейронах, які мігрують з однієї області мозку в іншу. Велика кількість нових нейронів відмирає незабаром після закінчення міграції. У довгостроковій перспективі близько 50 відсотків, що залишилися клітин також відмирають. Вважається, що доля нових клітин залежить від характеру утворених ними зв`язків і їх відсів служить механізмом підтримання сталості чисельності нейронів.

Звичайно, новоутворення нейронів в певних областях мозку можливо, але немає доказів того, що вони будуть наділені будь-якими функціями в певних зонах кори головного мозку. Зміни в першу чергу спостерігаються в структурі нейронів, де одні маленькі відростки відмирають, і їх заміщають інші. На відростках перебувають синапси, які контактують з іншими нейронами. Зміни відростків і синапсів призводять, в свою чергу, до зміни функції нейронів. Якщо ми поглянемо на мозок зверху, то побачимо, що сенсорна зона мозку, яка спочатку приймала сигнали від вказівного пальця, потім стала отримувати сигнали від середнього пальця. Таким чином, карта мозку перекроюються⁸⁸.

Можливо, за рахунок цих же механізмів зорові області мозку у сліпих активізуються при читанні текстів, набраних за методом Брайля. Але той факт, що зорові області активізуються, не обов`язково свідчить про те, що сліпі з їх допомогою аналізують сенсорну інформацію. До кінця не ясно, які процеси відбуваються в цих зонах. Можливо, зорові області активуються за рахунок механізму несвідомої візуалізації.

Ключове запитання полягає в тому, як змінюються різні ділянки мозку. Або вони спочатку запрограмовані на виконання спеціального завдання, або їх функції залежать від характеру одержуваних стимулів. Який фактор відіграє провідну роль в цьому процесі - спадковість або середовище, природа чи виховання?

Вагомий внесок у вивчення цих механізмів внесла наукова група дослідників з Массачусетско- го технологічного інституту під керівництвом Мрі- ганки Сура (штат Массачусетс, США). Вчені робили тхорів хірургічну операцію: підсаджували обидва зорових нерва до таламокортікальную шляхах, що ведуть в слухову сенсорну кору⁸⁹. Мета експерименту - з`ясувати, які структурні і функціональні зміни відбуваються в слуховий зоні при передачі їй зорової інформації. Це призвело до перебудови слуховий області, і за своєю структурою вона стала більше нагадувати зорову. Функція сигналів також переорієнтувалася. Виявилося, що тварини, пересуваючись, використовували слухову область для того, щоб бачити. Ніхто з учених не вважає, що в цьому «винні» лише природа або тільки виховання, але результати Мріганкі Сура підтверджують важливість сенсорної стимуляції для організації мозку, що в свою чергу підкреслює неоціненну роль навколишнього середовища⁹⁰.

ефект стимуляції

Наведений вище приклад показує, як перекроюються карта мозку, коли в організмі відбуваються структурні зміни, наприклад якась функція припиняє свою роботу і мозок перестає отримувати інформацію від того чи іншого органу. Інший тип змін викликаний додатковою стимуляцією, наприклад при тренуванні спеціальної функції. Про феномен пластичності нам відомо не так багато. Перші роботи в цьому напрямку проводилися в 1990-і роки.

Наприклад, тренували мавп - у них розвивали здатність розрізняти тональність звуку. Мавпи освоюють цю навичку. Послідовно почувши два звуки, вони визначають, однією чи вони тональності, а потім натискають на кнопку. Дослідження показало, що спочатку, коли звуки сильно відрізнялися один від одного, мавпи успішно справлялися з тестом. Зате вони майже не розрізняли звуки, близькі за тональністю. Через кілька тижнів після сотень тренувань мавпи почали розрізняти і звуки, дуже близькі за тональністю. Коли вчені вирішили з`ясувати, які нейрони слухової області активуються при виконанні цього завдання, виявилося, що після кількох тижнів тренувань кількість активованих нейронів зросла. Тобто область, яка активізувалася в ході експериментів, після тренувань розширилася⁹¹.

Схожий експеримент проводився на мавпах, коли вони відпрацьовували певний рух пальця. Після кількох тижнів тренувань моторна область, відповідальна за рух цього пальця, збільшилася. Ці експерименти показують, що карта мозку надзвичайно схильна до змін⁹².

Музика та жонглювання

Найбільш істотні зміни вчені виявили в зв`язку з удосконаленням моторних навичок. Дослідники вивчали зміни, що відбуваються в мозку в процесі тривалих вправ на музичних інструментах. У музикантів, що грають на смичкових інструментах, область, яка приймає сенсорний імпульс від лівої руки, більше, ніж та ж область у не музикантів⁹³.

Сара Бенгтссон і Фредрік Уллен (Каролінський інститут, Стокгольм) також виявили, що провідні шляхи в білій речовині мозку, по яких передаються моторні сигнали, у піаністів більш розвинені. Причому відмінності виявилися тим істотніше, чим довше вправлялися музиканти⁹⁴.

Але при вправах на музичному інструменті мова йде про дуже тривалому впливі на мозок. А як діють на людей більш короткі тренування? В одному дослідженні випробовувані тренували специфічний навик - вони згинали пальці в певній послідовності: середній палець - мізинець - безіменний палець - середній палець - вказівний палець і так далі⁹⁵. Спочатку вони робили багато помилок. Через десять днів вони вже освоїли цю вправу і почали виконувати його в хорошому темпі і майже без помилок. Одночасно спостерігалося зростання активності в основний рухової зоні кори головного мозку, тобто в тій області, яка управляє м`язами.

У науковій літературі часто посилаються на результати експериментів з жонглерами (про що вже згадувалося у вступі)⁹⁶. Згідно з цими дослідженнями, область потиличної частки збільшувалася вже через три місяці після початку тренувань. Це дослідження також демонструє, що нетривалі тренування можуть привести до настільки серйозних змін, що їх видно навіть при магнітно-резонансному скануванні, яке дає не дуже точні свідчення. Втім, той факт, що зміни не завжди можна зафіксувати, також демонструє, що пластичність - це двосічний меч пасивність теж впливає на мозок.

Що таке use і що таке it?

Дані експериментів з жонглерами і музикантами переконують нейрофізіологів і психологів в непохитності тривіальної істини «use it or lose it» ( «використовуй, інакше втратиш»). Навіть якщо ми погодимося з тим, що зміни в мозку залежать від того, чим ми займаємося, цей факт не слід надто переоцінювати. Треба в першу чергу задатися питанням, що означає «використовуй» в даному контексті? Чи всі види активної діяльності рівноцінні? Адже ніхто не засумнівається в користь активного способу життя, всі знають, що тренування і вправи дуже добре не для фізичного здоров`я. Коли після перелому на ногу накладають гіпс, нам дуже важко повернутися до здорового способу життя - нерухомість і гіпс атрофують наші м`язи. У різних ситуаціях ми даємо різне навантаження на опорно-руховий апарат. Одна справа - ходити на роботу і проводити весь день в офісі, і інша справа - тренуватися в гімнастичному залі, даючи повне навантаження на всі м`язи.

Наскільки інтенсивної і тривалої повинна бути інтелектуальна тренування, щоб ми відчули результати? Адже між заняттями в фіт- ніс-клубі і професійної силовим тренуванням є велика різниця.

Слід також пам`ятати про те, що «it» відноситься не до всього мозку. «It» в даному випадку апелює до специфічних функцій і специфічним областям мозку. Якщо ми почнемо тренуватися, щоб розрізняти тональність звуків, то зміни відбудуться в слухових областях, а не в лобовій або потиличної частках. І знову можна провести паралель з фізичним тренуванням. Якщо згинати й розгинати праву руку, з важкою гантеллю, то у нас розвинуться біцепси саме правої руки за умови, що гантель досить важка, що вправи проводяться регулярно і що тренування триває кілька тижнів. Але ми не можемо узагальнити, що «вправа з гантелями розвиває мускулатуру» або «корисно для фізичного здоров`я». Це буде не цілком коректно.

У музикантів, що грають на смичкових інструментах, збільшена сенсорна область, що відповідає за сигнали від лівої, а не від правої руки. Вправи з жонглюванням розвивають координацію рухів і візуально-просторову орієнтацію.

Отже, фразу «use it or lose it» можна витлумачити гранично спрощено. Наприклад, «для мозку корисно робити те-то і те-то ...». Якщо певний тип діяльності впливає на мозок, це не обов`язково означає, що ми тренуємо мозок і покращуємо показники інтелекту. Специфічні функції допомагають розвиватися специфічним областям.

У попередньому розділі ми намагалися пояснити парадокс: яким чином інтелект кам`яного віку справляється з інформаційним потоком. Можливе пояснення цього феномена полягає в тому, що мозок, ймовірно, пристосовується до середовища і до тих вимог, які вона висуває. У цьому ж розділі ми навели чимало прикладів того, як мозок може пристосовуватися до середовища і змінюватися в процесі тренувань і вправ. Пластичність може бути властива і лобової, і тім`яної часток, включаючи ті ключові області, які пов`язані з обсягом робочої пам`яті. Так що теоретично тренувати робочу пам`ять можна. Можливо, пластичність - це результат адаптації до тієї певному середовищі, в якій ми знаходимося. І в той же час феномен пластичності можна використовувати цілком цілеспрямовано, розвиваючи певні функції.

Отже, якщо ми хочемо тренувати свій мозок, нам доведеться вибрати функцію і область. Уміння жонглювати чи стане в нагоді в повсякденному житті, і, напевно, не має особливого сенсу розвивати цю навичку. Краще витратити час на області, що відповідають за загальні функції. Ми вже знаємо, що певні області в тім`яній і лобової частках носять полімодальний характер, тобто не пов`язані з будь-якої специфічної сенсорної стимуляцією, а активуються при виконанні завдань як на слух, так і на зір. Тренування полімодальної області принесла б більше користі, ніж тренування області, що відповідає, наприклад, тільки за слух. Ці ключові області також мають відношення до того, що наша робоча пам`ять обмежена.

Якщо тренувати і розвивати ці галузі, це пішло б на благо нашим інтелектуальним функціям. Але чи реально це? Якби ми могли шляхом вправ вплинути на цю область, яка є «вузьким місцем», досягли б ми серйозних результатів? У яких життєвих ситуаціях нас найчастіше підводить пам`ять?

Список літератури

⁸⁶Про френології див .: Mountcastle, V. The evolution of ideas concerning the function of the neocortex `, Cerebral Cortex, 1995, 5: 289-295.
⁸⁷Brodmann, K. Vergleichende Lokalisationslehre der Gros- shirnrinde. Leipzig: Barth. 1909.
⁸⁸ Про пластичності в сенсорних областях см .: Kaas, J.H., Merzenich, М.М.. Killackey, Н.Р. The reorganization of somatosensory cortex following peripheral nerve damage in adult and developing mammals, Annual Review of Neuroscience, 1983, 6: 325-356- Kaas, J.H. Plasticity of sensory and motor maps in adult mammals. Annual Review of Neuroscience. 1991 року, 14: 137-167.
⁸⁹Про трансплантацію зорового нерва см.: Sharma, J., Angelucci, A. Sur, M. Induction of visual orientation modules in auditory cortex. Nature. 2000, 404: 841-847.
⁹⁰Про ефекти поведінки см.: Von Melchner, L., Pallas, S.L. Sur, M. Visual behaviour mediated by retinal projections directed to the auditory pathway. Nature. 2000, 404: 871-876.
⁹¹0 тренінгу і його впливі на слухову зону див .: Recanzone, G.H., Schreiner, С. Е. Merzenich, М.М.. Plasticity in the frequency representation of primary auditory cortex following discrimination training in adult owl monkeys. Journal of Neuroscience. 1993,13: 87-103.
⁹² Про руховому тренінгу і його впливі на кору головного мозку див .: Nudo, R.J., Milliken, G. W., Jenkins, W. M., Merzenich, М.М. Use- dependent alterations of movement representations in primary motor cortex of adult squirrel monkeys. Journal of Neuroscience. 1996,16, 785-807.
⁹³ Див. Дослідження про музикантів, що грають на смич кових інструментах: Elbert, Т., Pantev, С., Wienbruch, С., Rockstroh, В. Taub, Е. Increased cortical representation of the fingers of the left hand in string players. Science. 1995 року, 270.
⁹⁴Про дослідження білої речовини у піаністів см.: Bengtsson, S.L., Nagy, Z., Skare, S., Forsman, L., Forssberg, H. Ullen, F. Extensive piano practicing has regionally specific effects on white matter development. Nature Neuroscience. 2005,8.
⁹⁵ Про функціональний магнітно-резонансному дослідженні заучування рухів пальців см.: Kami, A., Meyer, G., Jezzard, P., Adams, M.M., Turner, R. Ungerleider, L.G. Functional MRI evidence for adult motor cortex plasticity during motor skill learning. Nature. 1995 року, 377: 155-158.
⁹⁶ Про жонглюванні см.: Draganski, В., Gaser, С., Busch, V., Schuierer, G., Bogdahn, U. May, A. Neuroplasticity: changes in grey matter induced by training. Nature. 2004, 427: 311-312.

Торкель Клінгберг

Увага, тільки СЬОГОДНІ!