гравитационные условия? Изменятся ли его мозговые карты в соответствии с новыми условиями? Ученые проверили эту гипотезу, выращивая детенышей крыс в корзинках, подвешенных в центрифуге[306]. Некоторые центрифуги не вращались, так что крысята в установленных в них корзинках росли в обычном гравитационном поле. Другие центрифуги были включены и постоянно вращались. Это вращение придавливало крысят ко дну корзин, в результате чего на них действовала сила, вдвое превышавшая силу G (обозначим ее 2G). Крысята прожили в таких условиях три недели, после чего ученые извлекли их и исследовали структуру участка соматосенсорной карты S1, отвечающую за передние лапы (рис. 35).
Животные, росшие в условиях нормальной силы тяжести, имели на соматосенсорной карте S1 обширные участки, соответствующие передним лапам, на которых отображалась тактильная информация от безволосой поверхности кожи на нижней стороне каждого крохотного пальца. Только небольшие пятна на карте соответствовали тактильным ощущениям от корня каждого когтя, которое возникает, когда коготь поднимается или опускается. Но у крысят, выросших в условиях удвоенной силы тяжести, которая придавливала их ко дну корзин, были совсем другие карты передних лап. Голые поверхности кожи на нижней стороне пальцев слабо отображались на карте, а основную территорию занимали области когтей. Соответствующие карты мозга крыс представлены на рис. 36. Детство в условиях удвоенной силы тяжести привело к тому, что крысы больше чувствовали когтями, чем подушечками пальцев.
Рис. 35. Схема эксперимента (вверху) и влияние среды G и 2G на строение участка соматосенсорной карты S1, соответствующего передним лапам крыс (внизу). Художник Пол Ким.
После этих первых трех недель жизни крысят, росших в условиях 2G, переносили в среду с нормальной силой тяжести, где они оставались больше месяца. Даже после того, как животные прожили в условиях G дольше, чем в условиях 2G, на их картах передних лап по-прежнему доминирующее положение занимали зоны когтей. Три первые недели жизни в условиях 2G выгравировали мозговые карты крыс таким образом, что более поздний опыт не мог стереть эти следы.
Рис. 36. Сравнение тактильного ландшафта мозга крыс, выросших в условиях G (слева) и 2G (справа). Художник Пол Ким.
Строение соматосенсорной карты S1 крысят из обеих групп должно было определяться как генетическими, так и внешними факторами. Однако у крысят из группы 2G отпечатки эволюционного прошлого, связанного с жизнью в условиях G, перекрываются ранним жизненным опытом под влиянием других сил, отличающихся от силы G. Тот факт, что их карта S1 сильно отличается от карты их собратьев, выросших в нормальных условиях, показывает, что пренатальный и неонатальный опыт может переписывать генетические инструкции для формирования карты S1. Он также показывает, что влияние раннего жизненного опыта выходит за рамки двоичной системы “плохо – хорошо” или “иметь – не иметь”. Скорее, все установки каждого нейронного переключателя одновременно настраиваются под действием раннего сенсорного опыта детеныша. Внешняя среда обучает мозг детеныша максимально эффективно отображать мир. И в этом процессе среда формирует карты мозга новорожденного ребенка или крысенка, вплоть до карты каждого когтя или ногтя.
Есть и другие доказательства, указывающие на замечательную способность мозга ребенка быстро обучаться на основании входных сигналов. К ним относится явление массивной переориентации зрительной коры слепых детей на решение других задач. Еще один пример – история девочки, у которой правое полушарие мозга перестало развиваться на раннем этапе внутриутробного развития[307]. Она родилась фактически лишь с половиной мозга, но она нормально живет, если не считать затруднения в движениях левой части тела. У нее почти нормальное зрение, хотя она имеет лишь половину зрительной карты V1. Когда ученые просканировали ее зрительную карту V1 с помощью фМРТ, они обнаружили, что карта V1 в левом полушарии ее мозга отображает как левую, так и правую часть поля зрения. Другими словами, в развивающейся слуховой коре нет ничего предопределенного, что делало бы ее слуховой, кроме того факта, что она обычно получает свои сигналы от улитки уха.
Вероятно, самой яркой иллюстрацией роли обучения в раннем периоде жизни является серия экспериментов с новорожденными хорьками. Повреждая некоторые зрительные и слуховые отделы их мозга, ученые смогли перенаправить сообщения от клеток, передающих зрительную информацию от глаз к мозгу[308]. Вместо того чтобы доставлять эту информацию к зрительной области мозга, клетки начали отправлять ее в слуховые отделы, включая карту звуковых частот A1. Удивительно, но у этих животных карта зрительного пространства развивалась в слуховой коре[309]. Более того, поведение хорьков показывало, что они воспринимали активность этой карты как результат зрения, а не слуха[310]. Иными словами, нет никаких заранее заданных установок для развития слуховой коры, которые делают ее именно слуховой корой, за исключением того, что в норме она получает сигналы от улитки уха.
Такие массивные перестройки в мозге взрослых животных или людей попросту невозможны. У слепых от рождения детей зрительная кора переключается на решение других задач, но у людей, ослепших во взрослом возрасте, такого не происходит. Процесс созревания и специализации нервных клеток происходит в младенчестве и в детстве, закрепляя карты мозга и отображение информации нейронами. За счет опыта взрослые люди могут уточнять карты мозга и отображения; эта способность является основой для обучения на протяжении всей жизни. Однако у взрослых людей слуховая карта не превращается, скажем, в зрительную, как у новорожденных хорьков. Это различие объясняет, почему маленькие дети гораздо легче восстанавливаются после инсульта, чем взрослые люди[311]. Детский мозг гибок, что позволяет перестраивать и изменять функции неповрежденных частей поврежденного мозга, извлекая наибольшую пользу из оставшихся здоровых тканей.
Хотя фиксированная структура взрослого мозга – препятствие для восстановления поврежденного мозга, возможно, это преимущество в повседневной жизни. Ценность нашего мозга обусловлена тем, что он поддерживает идеальное равновесие между памятью (стабильностью) и обучением (изменением). Представьте себе, что вы каждое утро встаете и заново учитесь чистить зубы и завязывать шнурки, не говоря уже о том, что заново овладеваете смыслом каждого слова и способом сложения слов в предложения. Стабильность мозга позволяет удерживать знания и навыки изо дня в день и из года в год. Но если бы наш мозг был слишком стабильным, мы не могли бы учиться ничему новому и приспосабливаться к новым событиям или обстоятельствам.
Таким образом, мозг ребенка настроен на то, чтобы учиться. Особенно это касается человеческих детей: они мало что делают, но многому учатся. И учатся они не только тому, что видно со стороны: как улыбаться или произносить первые слова. Они учатся, что
