Запутанный мозг. Путеводитель по нейропсихологии

Химические вещества и электричество

Суть работы мозговых клеток сводится к тому, что они посредством химических веществ генерируют электричество. Как и у всех живых клеток, у них тоже есть электрическое поле, слегка отличающееся от электрического поля окружающих их клеток. Внутри мозговой клетки наблюдается несколько превышенная концентрация ионов калия с отрицательным электрическим зарядом. Обычно окружающая клетки мембрана препятствует проникновению в них других химических ионов, но если ее должным образом стимулировать, она меняет свою структуру и начинает пропускать ионы натрия. У ионов натрия положительный электрический заряд, и такой обмен положительными и отрицательными ионами вызывает в клетке неожиданный всплеск электричества. Этот неожиданный всплеск электричества мы называем электрическим импульсом. Электрические импульсы пронизывают ткань мозга, перемещаясь вдоль вытянутых «стеблей» (аксонов) нейронов. Иногда такое перемещение происходит относительно медленно, так как каждый импульс меняет очередную часть клеточной мембраны, деполяризуя ее за счет ионов натрия, обновляющих электрический импульс. Но это достаточно медленный и постепенный метод доставки информации. У нейронов, обеспечивающих быструю передачу, совершенно иная структура: их аксоны покрыты белым веществом, что способствует более высокой скорости передачи информации.

Белое вещество в таких клетках – это жировое покрытие, называемое миелиновой оболочкой. Она состоит из особых клеток, именуемых шванновскими. Шванновские клетки, или леммоциты, формируются вдоль аксонов и покрывают их миелиновой оболочкой, прерываясь крошечными щелями или зазорами в тех местах, где клеточная мембрана подвергается воздействию окружающей среды. Каждая шванновская клетка как бы изолирует аксон, препятствуя обмену положительно и отрицательно заряженных ионов. Следовательно, электрический импульс может обновляться лишь в местах зазоров между шванновскими клетками, поэтому и импульс распространяется вдоль аксона скачкообразно. Это значительно ускоряет передачу сообщения, и именно этой цели и служит белое вещество мозга. Оно состоит из миллиардов миелинизированных нервных волокон, гудящих подобно высоковольтным линиям и насыщенных электрическими импульсами, передающимися из одной части мозга в другую.

Рисунок 2.2. Шванновская клетка (леммоцит)

Именно так нейроны проводят и доставляют электрические сообщения. Но как эти сообщения передаются от одного нейрона другому? Чтобы ответить на этот вопрос, придется вернуться к упоминавшимся выше синаптическим шишкам. Синапс – это точка соединения двух нейронов, точнее говоря, зазор между двумя нейронами. Каждая синаптическая шишка соприкасается с рецепторным участком и через щель (синаптическое пространство) сообщается со следующим нейроном. В синаптических шишках имеются маленькие «кармашки», или везикулы, заполненные специальным химическим веществом – так называемым нейротрансмиттером (он же нейромедиатор). Когда электрический импульс достигает синаптической шишки, везикулы открываются и впрыскивают в синаптическое пространство нейротрансмиттер, который воспринимается рецепторным участком дендрита следующего нейрона, меняя электрическую полярность нервной мембраны. Везикулы каждого нейрона всегда содержат один и тот же нейротрансмиттер, но в нервной системе используется множество различных трансмиттерных веществ (действие некоторых из них мы рассмотрим в главе 13, когда коснемся такой темы, как психоактивные препараты и их воздействие на сознание человека).

Рисунок 2.3. Синапс

Воздействия химических веществ от одного синапса недостаточно для того, чтобы вызвать реакцию другого нейрона. Но если задействуется достаточное количество синапсов, их совокупное действие меняет клеточную мембрану следующего нейрона. Некоторые синапсы повышают вероятность активации следующей клетки, поэтому их так и называют – возбуждающие синапсы, поскольку они возбуждают и стимулируют нейрон. Но есть и другие синапсы – тормозные; как следует из названия, они не способствуют активации нейрона, а тормозят ее, т. е. препятствуют передаче информации. Эта комбинация возбуждающих и тормозных синапсов создает в мозге особые пути, которые проводят импульсы к одним областям мозга и отводят их от других.

Обучение и нейропластичность

Большой мозг – да и вообще весь человеческий мозг – пронизывают нервные проводящие пути, осуществляющие переброску электрических импульсов из одной области мозга в другую. Эти пути отчасти присутствуют у нас с рождения, а отчасти формируются в процессе накопления жизненного опыта. Сразу после рождения младенца связей между нейронами в его мозге гораздо больше, чем в любой другой период его жизни: в этот момент практически каждый вероятный синапс «оживает». Но в течение первых трех лет жизни количество этих связей сокращается: используемые связи укрепляются, а неиспользуемые – отмирают. Несмотря на это, в нашем распоряжении по-прежнему остаются миллиарды синаптических связей, т. е. сокращение числа связей совершается постепенно, а не резко. Почему это происходит? Все это непосредственно связано с нашим умением адаптироваться к окружающей среде: в какой мере мы как вид этим умением обладаем. Действительно, людям (или, по крайней мере, человеческим обществам) приходится существовать в самых разных природных условиях и средах – начиная с арктических зон вечной мерзлоты и заканчивая иссушающими пустынями и влажными джунглями; впрочем, и среднеконтинентальный климат ничем не лучше, ибо температура в некоторых регионах материка в течение года может колебаться от +40 до -40 °C. И во всех этих условиях и средах мы способны выжить, хотя навыки, способствующие такому выживанию, весьма различны. Но мы выживаем не потому, что адаптируемся к этим условиям физически, а потому, что учимся этому. С момента рождения – и даже еще до рождения – ребенок учится жить в этом мире. Сразу после рождения он в основном ориентирован на то, чтобы учиться этому у других людей, и это обучение может принимать различные формы. К трем годам ребенок, как правило, прочно усваивает все необходимые навыки и прекрасно ладит с миром. А вот научиться ладить с социумом – процесс куда более сложный!

Люди наделены невероятной способностью к обучению, и именно для этого им и дарован мозг. Процесс обучения начинается с того самого момента, когда одни синапсы в клетках мозга усиливаются, а другие ослабляются, и передаваемые по неведомым путям нервные импульсы оказывают должное действие. Клетки нашего мозга реагируют на новое обучение и налагаемые им требования двояко. Во-первых, за счет формирования синапса – или по меньшей мере за счет усиления потенциала синаптической шишки и развития связанного с ней рецепторного участка, – вследствие чего выделяется и включается в оборот больше трансмиттеров, делая сообщение более сильным и устойчивым. Во-вторых, за счет миелинизации. Нейрон, активированный чисто случайно, обычно лишен миелиновой оболочки, поскольку не способен ее сформировать, но зато активные нейроны притягивают к себе шванновские клетки. Таким образом, если непрерывно стимулировать группу таких клеток, что обычно и происходит в процессе обучения чему-то новому, аксоны начинают обрастать шванновскими клетками. Как известно, миелинизация помогает более быстрому прохождению сообщения по нейрону, поэтому и то, чему мы учимся, запоминается легче, да и навык закрепляется быстрее.

Быстрее всего процесс обучения происходит в детские и отроческие годы, хотя, если говорить по существу, учиться мы продолжаем всю свою жизнь. Другими словами, мы постоянно предъявляем требования клеткам нашего мозга, побуждая их формировать новые связи. Мы, например, не рождаемся с умением читать; и эта способность не из тех, которые мы развили. В большинстве человеческих культур умение читать, если чтение вообще является элементом такой культуры, встречается крайне редко; это уникальный дар, присущий очень немногим индивидуумам. Однако все мы способны научиться читать. Хотя это требует изрядных усилий, терпения, усидчивости и продолжительных занятий с печатным словом. Большинство людей к тому времени, когда им исполняется 10–12 лет, уже могут читать, причем бегло. Правда, некоторым для этого требуется значительно больше времени, но здесь уже все зависит от жизненных обстоятельств, опыта и мотивации приложить необходимые усилия.

Кора головного мозга состоит из многочисленных групп нейронов, называемых ядрами. Когда мы учимся читать, определенные ядра мозга возбуждаются и начинают создавать новые связи. Вполне может быть и так, что некоторые из этих ядер, будучи уже достаточно развитыми, изначально оказываются восприимчивыми к тем знакам или символам, которыми полнится сама природа, и потому предупреждают нас, например, что красный цвет – знак опасности, поскольку это цвет крови. Но как бы ни были они развиты, при наличии должного опыта и должного обучения эти ядра столь же успешно адаптируются к адекватному восприятию и других природных символов. Если постоянно заниматься, нарабатывая привычку к письменному или печатному слову – и, что самое важное, к заключенному в нем смыслу, – то ядра постепенно адаптируются к нему, наделяя нас навыком беглого чтения. Чем чаще мы обращаемся к печатному слову, чем больше читаем, тем более активно развивается эта группа нейронов, пока наконец мы не получаем в свое распоряжение особую зону мозга, адаптированную к расшифровке печатных слов.

То же происходит по всему мозгу, когда мы учимся соответствовать требованиям, налагаемым на нас средой, окружением и опытом. Нередко случается так, что определенные зоны мозга развиваются особым образом, поскольку ядра предрасположены иметь дело с определенной информацией. Многие из них сформировались еще в ходе эволюции, вот почему подобные зоны мы часто находим в мозге млекопитающих. Но как бы далеко мы ни зашли в этом направлении и какими бы сложными ни были наши навыки и умения, все это непосредственно связано с нашей чисто человеческой способностью учиться. Эволюция требовала от нас, чтобы мы обучались новым навыкам, дающим нам умение приспосабливаться к вечно меняющейся внешней среде, поэтому мы и развили такие структуры мозга, которые наделяют нас этим умением.

Способность клеток мозга адаптироваться к внешней среде и внешним условиям называется нейропластичностью, и она сопровождает нас всю нашу жизнь. Раньше считалось, что мозг полностью адаптируется к внешней среде только к возрасту полового созревания и что после этого функции клеток нашего мозга в значительной степени закрепляются и остаются неизменными. Теперь же мы знаем, что это не так. Да, получив повреждение мозга, дети восстанавливаются гораздо быстрее, чем взрослые, и в некоторых случаях поврежденные участки мозга у них отрастают заново. Но взрослые, в отличие от детей, могут восстанавливаться от самых различных типов повреждений в самом широком спектре, перестраивая нервные импульсы так, что они формируют новые проводящие пути. Мы также знаем, что нейроны могут расти и развиваться в течение всей жизни до тех пор, пока они воспринимают умственные или физические нагрузки, необходимые для стимуляции их роста.

Случай из практики: история Ноя Уолла

Процесс роста нейронов прекрасно иллюстрируется историей Ноя Уолла – «мальчика, отрастившего мозг». У Ноя были врожденное расщепление позвоночника (спина бифида) и гидроцефалия (водянка головного мозга), так что места для собственно мозговой ткани оставалось очень мало. Больших полушарий мозга при рождении у него практически не было: внутричерепное пространство было заполнено цереброспинальной жидкостью, оказывавшей на неразвитый мозг существенное давление. Большинство младенцев в подобных обстоятельствах не выживают, но Ною очень повезло с родителями: это были очень любящие и решительные люди, которые в часы бодрствования всячески его стимулировали и занимались с ним различными видами активной деятельности. От давления жидкости удалось избавиться с помощью хирургического вмешательства, и, хотя с рождения мозг Ноя был очень маленьким, мозговая ткань, откликаясь на внешние нагрузки и активную среду, начала расти, и в конце концов у него сформировались большие полушария. К пяти годам они выросли почти до нормального размера, так что Ной во всех отношениях был абсолютно нормальным маленьким мальчиком.

Человеческий мозг тоже сохраняет способность адаптироваться к новым физическим условиям. Наблюдения за организмом астронавтов показали, что длительное нахождение в условиях невесомости способно привести к структурным изменениям в мозге. Согласно отчету, составленному командой исследователей под руководством В. Коппельманса (2016), для сравнения были взяты результаты магнитно-резонансной томографии (МРТ) мозга членов экипажа «Спейс шаттл» и астронавтов с Международной космической станции, сделанной перед отправлением в космос и после их возвращения. Оказалось, что в мозге астронавтов наросло большое количество серого вещества вокруг зон, которые отвечают за движения нижних конечностей. Чем больше времени они провели в космосе, тем более очевиден был этот образчик нейропластичности. Нижние конечности особо важны для передвижения по земле, в условиях земного тяготения, и менее важны в космосе, в условиях невесомости, поэтому исследователи пришли к разумному заключению, что нервные изменения обусловлены результатом работы головного мозга, пытавшегося приспособиться к новым условиям окружающей среды. Сходный, хотя и не совсем идентичный результат был получен при сравнении мозга здоровых людей с мозгом пациентов, которым был показан длительный постельный режим.

Другие исследования наглядно продемонстрировали, как мозг способен восстанавливаться после повреждения, полученного в результате сильного удара по голове, когда нарушается кровоснабжение того или иного участка мозга. Отсутствие кислорода приводит к гибели важнейших нервных клеток, в результате чего нарушаются такие функции, как движение или речь. Из медицинской практики нам известно, что организм человека способен восстановиться после столь серьезной травмы, и часто такие пациенты почти полностью возвращают себе эти функции, но для этого необходимо приложить немало усилий, если только они на это способны. Нервные клетки мозга реагируют на эти усилия тем, что полностью перестраиваются, минуя поврежденные участки и прокладывая новые проводящие пути в стремлении выполнить то действие или восстановить ту способность, которые требуются телу.

Даже люди, полностью лишившиеся целых участков мозга, могут иногда восстанавливать утраченные функции. В главе 10 мы рассмотрим те зоны и участки мозга, которые отвечают за речевую функцию и которые в большинстве своем (хотя далеко не всегда) находятся в левом полушарии. Повреждения, нанесенные этим участкам левого полушария, могут серьезно нарушить речевую способность человека – умение разговаривать или произносить слова или даже понимать их смысл. Но интересен следующий факт: в 1980 году Гуч привел отчет о наглядных результатах одной операции. Несколько пациентов были доставлены в больницу с такими серьезными повреждениями левого полушария мозга, что хирурги решили полностью удалить эту половину. До операции пациенты совершенно не владели речью, однако после того, как поврежденное полушарие было удалено, утраченная функция начинала восстанавливаться: люди снова начинали говорить, понимать и даже вспоминать слова старых песен. Языковые/речевые функции, прежде возложенные на левое полушарие, теперь брала на себя правая сторона их мозга. Прежде о таком уровне нейропластичности мозга никто даже не подозревал, и этот пример лишний раз доказывает, сколь ошибочно создавать упрощенные модели работы мозга. Она всегда гораздо сложнее, чем кажется поначалу!

Латерализация мозга

Отчет Гуча опроверг представление о том, что речевая способность сосредоточена только в левом полушарии, и показал, сколь пластичны полушария нашего мозга и какой сильной адаптивной способностью они наделены. Общее правило гласит, что нашему мозгу присуща определенная латерализация: одна сторона мозга отвечает за одни функции, а вторая – за другие. Например, левая сторона головного мозга контролирует правую сторону тела, а правая сторона мозга – левую сторону тела. Так, приказ выполнить то или иное действие, отданный правой стороной мозга руке, приведет в движение вашу левую руку, и наоборот.

Исключениями из этого правила являются лишь органы зрения и слуха, расположенные на голове: глаза и уши имеют взаимные точки пересечения, так что информация, поступающая от каждого глаза или уха, воспринимается обеими сторонами мозга. Для человека это жизненно важно, поскольку умение уловить разницу в звуках, воспринимаемых каждым ухом, позволяет нам узнать, с какой стороны находится источник этого звука. То же и с глазами: наличие перекрестного обзора означает, что информация, воспринимаемая левосторонней частью глаза от источника, находящегося в правой области его поля обзора, поступает в левое полушарие мозга, а информация, воспринимаемая правосторонней частью глаза, поступает в правое полушарие. Поэтому каждый глаз способен обозревать все визуальное поле, а мозг, кроме того, может сравнивать между собой два образа.

Исследователи сумели воспользоваться этой особенностью восприятия, для того чтобы изучить, как функционируют разные части мозга. С помощью экрана, заслонявшего одну сторону визуального поля, им удалось выяснить, что именно левая сторона мозга понимает (читает) письменные указания, тогда как правая сторона обычно читать не может, но зато может понимать другие обозначения. Здесь также налицо пересечение: если бы вы, например, написали слово «ключ» и предъявили его правой стороне мозга человека, дав его прочесть, то человек не смог бы сказать, что означают эти написанные буквы, но зато среди различных предметов, разложенных перед ним, он взял бы именно ключ, а не что-то другое. Таким образом, эта сторона мозга тоже способна улавливать некоторый смысл, хотя навыками чтения она не владеет.

Большинство людей предпочитают пользоваться одной из рук чаще, чем другой, а спортсмены знают, что то же самое можно сказать и о ногах: действительно, одной мы предпочитаем пользоваться чаще, чем другой, и не обязательно эти рука и нога будут совпадать. Большинство людей – правши, но многие – левши; у правшей обычно более развито левое полушарие мозга, зато у левшей полушария сбалансированы и равно активны как левая сторона мозга, так и правая. Они также выказывают больше вариативности в том, какое именно полушарие заведует основной речевой функцией – правое, левое или, как у некоторых людей, речевая деятельность одинаково распределена между ними. У правшей, как правило, речевой функцией заведует левое полушарие. Но никто еще не доказал, что существует некая связь между доминантным полушарием и познавательной способностью: какую бы сторону мозга вы ни использовали чаще, потенциал ваших способностей и навыков одинаков.

Ключевая идея

Кто вы: правша, левша или одинаково свободно владеете обеими руками? Большинство людей считают себя правшами, поскольку они пишут правой рукой, однако в действительности четверть из них – люди смешанного типа: они могут пользоваться правой рукой при выполнении сложных заданий, а для выполнения более простых функций пользуются левой. Все зависит от того, какую руку мы считаем рабочей и какими критериями при этом руководствуемся. Точно так же опрос населения с целью выяснения, сколько человек считают себя левшами, показал, что эта оценка колеблется от 4 до 30 % в зависимости от того, какие критерии мы предъявляем к левшам и насколько жестки эти критерии.

О правом и левом полушариях мозга ходит большое число расхожих мифов. Говорят, например, что правое полушарие в большей степени, чем левое, отвечает за творческий процесс, тогда как левое больше управляет аналитическими способностями; или что правое полушарие более склонно к мистике, тогда как левое более тяготеет к материализму. Все это по большому счету чепуха, типичное преувеличение куда более точных данных, полученных на основе научных наблюдений. Эти научные наблюдения показывают, что решение пространственных задач вроде вычерчивания графиков и диаграмм больше берет на себя правое полушарие мозга, тогда как арифметические задачи вроде сложения или подсчета в основном решаются левым полушарием.

Эти наблюдения, которые в любом случае лишь обозначают некую тенденцию, но при этом являются довольно общими и не могут быть приложимы ко всем и каждому, привели к общераспространенному мифу, который можно выразить примерно так: а) пространственное мышление = рисование = искусство = артистическая личность = творчество; б) арифметика = числа = вычисление = практичная личность = материализм.

Но эти выводы пока бездоказательны; в сущности, известно, что творчество, если оно опирается на навыки, воспоминания, способности и воображение, задействует оба полушария мозга. Точно так же и математики в процессе решения задач используют как правое, так и левое полушарие мозга. Поскольку мы говорим о латерализации функций мозга, важно помнить, что обе половины в целом дополняют друг друга. Они не противостоят друг другу, а работают согласованно, давая нам необходимый жизненный опыт. Одна сторона мозга может анализировать значение слов, тогда как другая в это время анализирует нюансы их произношения, тон, с которым они были произнесены, и время их произнесения – и вместе обе стороны дают нам возможность понять, о чем нам говорят.

Нельзя не упомянуть и об исследованиях, проведенных при работе с пациентами, у которых отсекли пучок волокон, называемый мозолистым телом, в попытке избавить их от тяжелой формы эпилепсии, которая начинается в одном полушарии, а затем распространяется по всему мозгу. Когда этих людей протестировали, оказалось, что обе половины их мозга могут действовать самостоятельно и что каждая наделена некоторыми из тех способностей, которые обычно закреплены за другой. Языковые функции, например, отводятся левому полушарию, но правое тоже наделено способностью читать простые слова. Точно так же считается, что правое полушарие лучше обрабатывает образы и картины, но и левое в известной мере тоже обладает этой способностью. Однако особый интерес представляют описания, данные некоторыми из этих людей. Одна женщина, например, описала, как ее левая рука достала из шкафа платье, которое она и не думала надевать и даже не помышляла о таком выборе, а, напротив, собиралась достать совершенно другое.