Все мы начиная с 24 февраля 2022 года оказались перед лицом наступающего варварства, насилия и лжи. В этой ситуации чрезвычайно важно сохранить хотя бы остатки культуры и поддержать ценности гуманизма — в том числе ради будущего России. Поэтому редакция «Горького» продолжит говорить о книгах, напоминая нашим читателям, что в мире остается место мысли и вымыслу.
Мозговой трест. 39 ведущих нейробиологов — о том, что мы знаем и чего не знаем о мозге. М.: Синдбад, 2022. Сборник под редакцией Дэвида Линдена. Перевод с английского Юрия Гольдберга. Содержание
1. Покорность одомашненных животных обусловлена генетически
Самая важная поведенческая особенность домашних собак, которая в первую очередь отличает их от диких, — это покорность. И эта черта развилась в них не сама по себе, а в результате принципиальных изменений, происходивших в процессе непрерывного контакта с людьми. Она, в частности, проявилась в переосмыслении зрительного контакта: прямой взгляд в глаза из угрозы превратился в знак привязанности. Механизм ее формирования довольно хорошо исследован и, надо сказать, в ходе экспериментов превзошел ожидания ученых.
«В знаменитом исследовании чернобурых лисиц, проведенном Дмитрием Беляевым, Людмилой Трут и их коллегами, поведенческий переход из дикого состояния в одомашненное произошел всего за 30–40 поколений в процессе селекции диких лисиц. В результате этого эксперимента, начатого в Новосибирске еще в конце 1950-х годов, были выведены лисицы, обладающие многими из тех симпатичных черт, которые мы ассоциируем с домашними собаками: одомашненные лисы виляют хвостом, лижут руки, реагируют на зов и стремятся к физическому и зрительному контакту с людьми».
Главный вывод этого затяжного эксперимента состоял в следующем: у популяции диких лисиц изначально имелись генетические особенности, нужные для преобразования характера из дикого в домашний. Исследователи отмечали, что «дружелюбные» взаимоотношения между лисами и людьми начали проявляться уже через четыре поколения селекции. При этом до сих пор нельзя сказать точно, какие конкретно изменения ответственны за покорность чернобурых лисиц, однако эксперимент убедительно доказывает, что эти изменения привели, в частности, к снижению уровня гормонов стресса.
2. Большую часть времени мозг разговаривает сам с собой
Нейронные цепи, которые развиваются и формируются в нашем мозге, в значительной степени определяются опытом. Мы часто сравниваем мозг с суперсовременным компьютером, однако нейробиологи указывают на один значительный изъян этой метафоры:
«Сравнение с компьютером не учитывает, что мозг не вынимают из коробки уже готовым к работе. Для формирования мозга требуются годы, причем немалая часть „строительных работ“ выполняется спустя значительное время после рождения. Этот процесс сопровождается грандиозными изменениями. Мозг новорожденного младенца весит приблизительно полкилограмма, и синаптических связей в нем в три раза меньше, чем в мозге взрослого человека. Более того, в течение первого года жизни эти связи, как правило, исчезают и заменяются новыми».
Первоначально возникающие связи заменяются новыми, поскольку они не предназначены для выполнения задач, с которыми должен справляться двухлетний (то есть уже немного подросший) ребенок, не говоря уже о ребенке школьного возраста. Что до жизненного опыта, то он определяет развитие мозга лишь косвенным образом. Информация из окружающего мира поступает в мозг в виде электрических импульсов: например, вся зрительная информация проходит примерно по двум миллионам аксонов, соединяющих сетчатку глаз с мозгом, и тому подобное. Этот сверхплотный поток информации передается и обрабатывается десятками миллиардов нейронов мозга, которые сообщаются преимущественно друг с другом. По сути, заключают авторы, бóльшую часть усилий мозг тратит на разговор с самим собой, а внешний мир влияет на этот разговор лишь опосредованно.
3. За день активности ребенок проходит сорок шесть футбольных полей
Это просто забавный статистический факт, но с нейробиологией он не связан — содержание пункта, конечно, заключается в другом. Дело в том, что маленькие дети относительно медленно обучаются новым движениям — во всяком случае, хуже взрослых. Скорость моторного обучения у детей планомерно увеличивается и достигает наивысшего уровня только к двенадцати годам. Неловкость маленького ребенка кажется нам само собой разумеющейся, но и у нее есть свои конкретные и четко описываемые причины:
«Причина меньшей ловкости, вероятно, в том, что в детском возрасте развитие тех отделов мозга, которые управляют движением, еще не завершено. Но, если дети учатся медленнее, а их движения изменчивы, почему нам кажется, что некоторыми навыками, (например, спуска с горы на лыжах) они овладевают быстрее взрослых? Во-первых, они меньше ростом, и поэтому центр масс у них находится ниже, что повышает устойчивость. Во-вторых, непостоянство движений ребенка может работать в его пользу, поскольку в каждой ситуации он пробует разные варианты движений, выбирая наилучший».
Вышеописанная стратегия — в принципе очень важная часть освоения моторных навыков. Взрослые менее склонны экспериментировать с разными вариантами движений и поэтому зачастую выбирают не самые оптимальные. А дети в большей степени готовы посвящать себя тренировкам. Например, когда малыш учится ходить, за один час он делает в среднем 2400 шагов и падает 17 раз. А упомянутые в заголовке сорок шесть футбольных полей он наматывает, когда уже научился ходить и оттачивает этого навык в повседневности.
Vincent Schwenk / DeepMind / Unsplash
4. Мозг некоторых птиц меняет размер в зависимости от сезонных потребностей
В контексте нейробиологии очень важен вопрос о том, как многолетнее оттачивание тех или иных навыков влияет на развитие мозга и его структуру. Да и вообще — способен ли воспроизводимый и закрепляемый опыт спровоцировать перемены в самой организации мозга или это только кажущаяся очевидной гипотеза?
Многим читателям (даже тем, кто нейробиологией особо не интересуется), должно быть, известно популярное исследование, подопытными кроликами в котором стали лондонские таксисты: им (во всяком случае, в те времена, когда навигаторы еще не распространились повсеместно) необходимо было выучить 25 тысяч улиц и 20 тысяч ориентиров — без этого знания невозможно было сдать экзамен, получить лицензию и нормально работать.
«Ведет ли такое значительное развитие навыка навигации к видимым изменениям мозга? Сравнение мозга лондонских таксистов с мозгом других людей показало, что у первых увеличена задняя часть гиппокампа — области, участвующей в формировании пространственной памяти. Но где здесь причина, а где следствие? Мозг меняется в результате упорных тренировок — или у людей с увеличенным гиппокампом просто больше шансов сдать экзамен и получить лицензию?»
Подобные исследования были проведены и на птицах: у некоторых видов птиц размеры гиппокама подвержены сезонным колебаниям. У черношапочных гаичек он достигает максимального размера в октябре, когда эти птицы наиболее активно запасают пищу — птицам нужно помнить, где они спрятали свои зимние запасы. По этой аналогии выяснилось, что в случае с людьми определенные виды обучения также могут приводить к изменениям в организации соматосенсорной и моторной коры. Например, у незрячих людей, освоивших азбуку Брайля: зона коры для пальца, считывающего буквы, у них больше, чем зоны для других пальцев.
5. Фантомные боли могут возникать из-за вторжения «зоны губ» в «зону руки»
Невероятная пластичность мозга — это, безусловно, хорошо и полезно, но есть у нее и свои «побочные эффекты». Самый распространенный пример такого рода у всех на слуху — обычно его называют «фантомными болями»:
«Многие люди с ампутированной рукой или ногой испытывают ощущение „фантомной конечности“ — как будто рука или нога по-прежнему на месте. У некоторых она даже болит. Считается, что в фантомных болях виновата реорганизация коры. Например, те зоны соматосенсорной и моторной коры, которые ранее отвечали за руку, через некоторое время после ее ампутации могут быть поглощены соседними — в частности, отвечающими за губы».
На сегодняшний день ученые предполагают (хотя и не уверены на 100%), что фантомные боли вызывает именно это функциональное вторжение зоны нижней части лица в зону руки, как бы странно это ни звучало. Однако лишь немногие люди, которым не повезло лишиться конечности, в момент прикосновения к какой-то части своего тела ощущают, что что-то коснулось их несуществующей части тела. Поэтому существует и другая теория, объясняющая фантомную боль: возможно, ее провоцируют остаточные связи от отсутствующей конечности, а немаловажную роль здесь играет изменение возбудимости спинного мозга.
6. Когда мы чувствуем, что какой-то инструмент стал «нашим продолжением» — это буквально так и есть
Эта способность мозга называется «соматосенсорным проецированием» — и оно удивительным образом подстраивается под актуальные задачи, которые перед нами стоят. Авторы книги предлагают автомобилистам вспомнить, как быстро, выезжая из гаража, они понимают, что зеркало заднего вида заденет стену. Или более близкий для всех нас пример — способность управляться 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».
Именно поэтому любое использование инструментов требует практики — оно в нас не предустановлено, как бы нам того ни хотелось. Для перенастройки карты необходимы время и многократные повторы — зачастую это чревато множеством проб и ошибок, а иногда даже травм и финансовых затрат. Но все же наш мозг прекрасно умеет усваивать новую соматосенсорную информацию и менять представление о размере и форме «тела». Именно эта способность и позволяет нам овладевать новыми навыками. Корректировка собственной «карты тела» начинается еще в раннем детстве и продолжается на протяжении всей жизни.
7. У механизмов работы памяти есть нечто общее с наркотической зависимостью
У памяти есть определенный срок службы — иногда он меньше, чем нам хотелось бы, а иногда больше, но он есть. С течением времени воспоминания неизбежно меркнут. И в этом авторы книги видят определенное сходство между памятью и наркотической зависимостью.
«Когда наркоман пытается порвать с вредной привычкой, он сталкивается с проблемой, похожей на ту, что возникает при попытке забыть неприятный опыт: он не может сознательно контролировать связанную с наркотиками память, которая провоцирует рецидивы. Откуда у пристрастия к наркотикам так много общего с памятью?»
По мнению ученых, память формируется в мозге посредством усиления и ослабления синапсов — связей между отдельными нейронами. Усиленный синапс между двумя нейронами интенсивнее возбуждает электрическую активность в принимающей клетке цепи. Даже на основе личного опыта мы можем выявить некоторые аспекты обучения и памяти, которые, по всей видимости, кодируются в мозге благодаря синаптической пластичности. Разные воспоминания хранятся в памяти разное время — и те события, которые несут особо сильный эмоциональный заряд, мы помним в самых мелких подробностях. Так устроена синаптическая пластичность. Похожая ситуативная «перенастройка мозга» происходит и при употреблении наркотиков: даже однократное употребление перенастраивает мозг, в результате чего меняется восприятие окружающего мира. Любое наркотическое вещество влияет на силу синаптических связей — а вот лекарства от эпилепсии или антидепрессанты, например, не влияют, поскольку не стимулируют выработку дофамина.
Vincent Schwenk / DeepMind / Unsplash
8. Секрет счастья кроется в несчастье — и это вполне себе научный тезис
Некоторые нейронные цепи в мозге всех животных, включая человека, очень хорошо предсказывают результат того или иного известного им стимула — в этом выражается наша способность привыкать к неизменной, знакомой и не говорящей об опасности информации. Это полезно с поведенческой точки зрения и дает нам эволюционное преимущество:
«Если мы будем обращать внимание на легкое прикосновение одежды к коже или на слабый запах стирального порошка, который часто используем для стирки, это будет в лучшем случае отвлекать нас, а в худшем — ослаблять нашу способность распознавать значимые сигналы вроде хлопка по плечу или запаха сгоревшего тоста и реагировать на них. Вполне возможно, что неспособность к предсказанию результата, а значит, и к адаптации, — один из факторов, вызывающих расстройства аутистического спектра».
Кроме того, посылать сигналы, которые передавали бы уже известную и привычную для нас информацию, просто нерационально, ведь организму придется потратить лишнюю энергию на эту операцию, а потому разумнее просто не генерировать необязательные биопотенциалы. По мнению одного из авторов сборника, именно тут и лежит ключ к пониманию того, как работает мозг, а значит, и к обретению счастья, хотя это уже слишком абстрактные материи для ученых.
«Способность — и потребность! — мозга воспринимать контрасты отчасти объясняет, почему наши попытки достичь вечного блаженства обычно ни к чему не приводят. Поскольку мозг подгоняет оценки, постоянно сравнивая происходящее в данный момент с тем, что было раньше, секрет счастья может таиться в несчастье. Разумеется, речь не о катастрофических событиях, а, например, о кратковременном похолодании, после которого можно порадоваться теплу. Путь к наслаждению лежит через контрасты».
9. Наш глаз лучше знает, что нам нужно от зрения
Мы привыкли считать нашу зрительную систему очень тонкой и едва ли не совершенной — но в действительности она могла бы обладать куда большим спектром возможностей, если бы это было оправдано в эволюционном плане. Так, например, она хорошо работает в диапазоне яркостей света, различающихся в 10 миллиардов раз. Звучит впечатляюще, особенно если с чем-нибудь сравнить: например, лучшие профессиональные цифровые камеры 2017 года выпуска имеют динамический диапазон около 14 ступеней экспозиции, то есть 214 — 16 384 уровня интенсивности света. Мы видим в темноте буквально в миллион раз лучше, чем любая камера: такое зрение помогало нашим предкам замечать льва или охотиться на антилопу как на ярком солнце, так и в сгущающихся сумерках.
Но при этом не все так идеально: такая адаптация к освещению не позволяет нам количественно оценивать яркость. Это и не важно:
«Для выживания нам важнее знать размер, форму и тип объекта, а не общий уровень освещенности. Это точное соответствие зрения статистике видимой картины, необходимое для выделения важных признаков, наблюдается не только внутри глаза. Мы видим его и на последующих стадиях обработки зрительной информации в мозге. Нейронные цепи мозга гораздо сложнее нейронных цепей глаза, и поэтому эволюционные принципы в нем сложнее выделить и математически проверить».
В случае с эволюцией вообще трудно говорить наверняка, почему именно наши способности сформировались так, а не иначе, но тут причинно-следственная связь кажется довольно очевидной: мы бы просто не выжили, если бы наше зрение было слишком хорошим для наших насущных потребностей.
10. Мы не знаем, где именно скрывается боль
Если ушибить палец, нам будет казаться, что боль исходит от ноги. Но не все так просто, потому что болевым ощущениям в принципе не стоит доверять — с ними связано слишком много парадоксов. Боль — сложное ощущение, формируемое мозгом, и в нем есть множество разных аспектов.
Безусловно, восприятие боли формируется в мозге. Однако даже самые компетентные ученые (статьи которых и включены в сборник) по-прежнему не могут сказать, где конкретно это происходит.
«Интересно, что нейрохирурги на протяжении многих лет делали попытки иссекать отдельные участки мозга, чтобы избавлять пациентов от хронической боли, — увы, почти безуспешно. Более того, после иссечения некоторых отделов мозга пациентов ради избавления их от неконтролируемых судорог электрическая стимуляция вызывала у этих пациентов разнообразные ощущения (цвета, звуки, щекотка и даже воспоминания), однако спровоцировать боль оказалось очень трудной».
И даже сейчас, несмотря на все достижения нейробиологии, мы не выявим те участки мозга, которые кодируют болевые ощущения. Поэтому докторам до сих пор приходится полагаться на слова пациента, — до изобретения специального аппарата, который мог бы «считать» боль и ее источник, к сожалению, пока еще слишком далеко.