одное гнездо и отправлялись к тем участкам, которые впоследствии становились их домом. В результате их перемещения были заложены основы зон будущего мозга и определились относительные размеры и расположение таких областей, как V1, с первыми признаками, характерными для мозга человека, а не черепахи или кита. В этом теплом и темном исходном вареве клетки ориентировались так же, как бактерии движутся к источнику пищи или сперматозоид стремится к неоплодотворенной яйцеклетке, – ощущая химические вещества, которые их привлекают, и продвигаясь к их источнику. Все эти клетки вместе исполняли сложную хореографическую постановку, задуманную генами.
Как только нейроны поселились в своих новых домах, они выпустили побеги аксонов, смело и слепо устремившихся к невидимым мишеням. Движение аксонов тоже направлялось химическими веществами, которые выделялись из важнейших точек крошечного шарика-мозга и либо притягивали, либо отталкивали аксоны. Аксоны действовали весьма разборчиво и искали правильное сочетание химических веществ, указывавшее им точную целевую локализацию в развивающемся мозге. Среди этих пилигримов были аксоны, которые двигались от будущего глаза к будущему таламусу – важной области мозга, расположенной под покровом коры. Градиенты химических веществ обеспечивали необходимую информацию, чтобы аксоны соседних клеток сетчатки в обоих развивающихся глазах прибыли к соседним клеткам в той части таламуса, которая позднее стала отвечать за зрение. В свою очередь, соседние клетки в зрительной области таламуса выпустили аксоны, которые направились в будущую зону V1 и там образовали связи с соседними клетками. За счет этого паттерна связей карта сетчатки была воссоздана в таламусе, а также в области V1. В зарождающихся отделах мозга одновременно происходило много подобных перемещений. И что в результате? Еще до появления функциональных глаз ваш “протомозг” уже имел структурную основу зрительной карты в области V1, а также многие другие карты[127].
Когда аксоны из развивающегося таламуса достигли своих мишеней в коре мозга, они впервые принесли в кору сигналы от чувствительных рецепторов глаз, ушей, языка и кожи. Информации в них было мало. Амниотическая среда перекрывала путь многим сигналам из внешнего мира. Но когда в мозге были заложены основы карт чувств, функцию руководства взяло на себя тело. Клетки развивающейся сетчатки глаз начали производить медленные спонтанные волны нейронной активности[128]. По сравнению с обычной скоростью активности мозга эти волны были заторможенными и происходили лишь один раз за одну или две минуты. Поскольку клетки сетчатки соединялись с соседними клетками таламуса, которые, в свою очередь, были связаны с соседними клетками в области V1, волны активности из сетчатки естественным образом распространялись по этим связям и создавали параллельные волны в зрительной области таламуса и в области V1. Параллельные и почти синхронные волны в зрительных областях уточняли зрительные карты и усиливали связь между ними – и все это было еще до того, как у вас открылись глаза.
Слуховые карты формируются аналогичным образом. Временная структура в улитке плода запускает спонтанные волны активности в звуковых рецепторах, которые направляют волны в слуховую зону таламуса, а затем на карту звуковых частот A1[129]. Эти волны уточняют слуховые карты задолго до того, как ребенок покидает матку.
Развитие тактильных карт происходит несколько сложнее. Тактильные рецепторы, встроенные в восковую кожу плода, располагаются на всей поверхности тела и не могут, подобно клеткам сетчатки или улитки, создавать координированные волны. Вместо этого спинной мозг запускает случайные и быстрые подергивания рук и ног. Эти подергивания плода вызывают движения частей тела по отношению к амниотическому пузырю и стенкам матки и тем самым создают волны давления по всей поверхности кожи, активирующие тактильные рецепторы. Эти волны активности распространяются до области таламуса, ответственной за прикосновения. Отсюда они переходят на область S1, совершенствуя строение тактильной карты поверхности тела. Но роль подергиваний этим не ограничивается: область S1 перенаправляет волны соседнему фрагменту коры, который впоследствии становится двигательной картой M1. Таким образом, соматосенсорная карта уточняет отображение тела на будущей двигательной карте[130].
До этого момента я описывала области S1 и M1 так, как будто одна из них является исключительно тактильной, а другая связана только с движением. Хотя эти области часто именно так и описывают, на самом деле их трудно разделить. Даже в мозге взрослого человека в области S1 возникает ответ нейронов на движение, а нейроны в области M1 могут реагировать на прикосновение. Можно сказать, что карта S1 по большей части связана с тактильными ощущениями, а карта M1 связана в основном с движением. А многие ученые обобщенно называют эти области сенсомоторной корой. Возможно, зрелые карты S1 и M1 имеют взаимосвязанные функции по той причине, что движения и тактильные ощущения часто связаны в нашей обычной жизни вне матки. Движения тела вызывают ощущения на коже, а ощущения на коже часто заставляют нас совершать движения. Но возможно также, что это пережиток периода зарождения карт в матке, когда соматосенсорная кора сообщала двигательной коре информацию о теле, которым она будет управлять.
К концу третьего триместра беременности все главные связующие пути в мозге уже сформированы[131]. Кора становится морщинистой, как изюм, так что может увеличиться еще в пять раз, но при этом все еще помещаться в мягких и подвижных границах черепа. Карты мозга уже готовы воспринимать мир, в котором ребенку вскоре предстоит жить. И все это до того, как ребенок вдохнул воздух, испытал вес собственного тела и ощутил на себе прикосновение прямых солнечных лучей. Означает ли это, что карты нашего мозга окончательно сформированы генами еще до рождения? Вовсе нет. Гены определили первый важный этап. Говоря метафорически, из глины они слепили сложную основу, на которой строится конечный продукт. Они обеспечили сырой материал и базовую структуру мозга и его карт. Но когда эта структура была заложена, мозг начал чувствовать окружающий мир и учиться. В этот важнейший период обучения происходят уточнения и даже перестройки карт мозга, которые сказываются на всей последующей жизни.
Во время пребывания в утробе матери мы получили некоторое представление о мире, в котором нам предстояло родиться. Мы в какой-то степени слышали голос матери, передававший информацию о ней и о языке, которым нам позднее предстояло овладеть. Ритм ее сердцебиений и то, как ее движения подталкивали нас, составляли важную часть нашего существования в состоянии плода. А в момент рождения нас ввели в мир, наполненный ощущениями. Наши сенсорные карты, сформированные генами и натренированные волнами, теперь оказались засыпаны данными о нашем новом мире и о том, как наилучшим образом использовать эту информацию.
Один из способов изучения влияния раннего опыта на карты мозга заключается в изменении окружающей среды или сенсорного опыта новорожденных животных. Существует несколько возможностей для изменения окружающей среды новорожденного. Можно добавлять в среду нечто, что обычно не воздействует на новорожденное существо, можно удалять что-то, что обычно присутствует, а можно делать и то, и другое одновременно. Эксперименты на животных показывают, что удаление или добавление чего-то в нормальную среду новорожденного может приводить к перестройкам его карт мозга с долгосрочными последствиями.
Во многих исследованиях роль раннего опыта анализировали по его влиянию на карты звуковых частот, таких как A1, в слуховой коре крыс. В отличие от новорожденных детей, новорожденные крысята ничего не слышат и не видят еще более недели после рождения. При рождении крысята имеют грубую карту частот A1 в области от 1000 до 32 000 Гц с очень слабо развитым участком для восприятия частот выше 32 000 Гц[132].
Ученые идентифицировали несколько типов ультразвуковых криков, включая сигналы дистресса на 22 000 Гц, которые крысы посылают при боли или приближении хищника, а также сигналы радости примерно на частоте 50 000 Гц, которые крысы издают при игре, спаривании или щекотке[133]. Сигнал дистресса заставляет других крыс замирать или убегать, а крики радости призывают собратьев крыс приблизиться и активируют в их мозге центры удовольствия. Как смех у людей, так сигналы на частоте 50 000 Гц усиливают социальное взаимодействие и укрепляют связи между крысами.
Когда примерно через 12 дней после рождения крысята начинают слышать звуки окружающего мира, среди этих звуков, естественно, есть сигналы радости на частоте 50 000 Гц, издаваемые их матерью и другими сородичами. На карте A1 в мозге новорожденной крысы мало места уделено частотам выше 32 000 Гц, однако за две недели под влиянием звуков из окружающей среды карта A1 перестраивается, в результате чего какая-то часть ее территории, ранее обрабатывавшая звуки на частоте от 20 000 до 32 000 Гц, теперь обрабатывает звуки с частотой выше 32 000 Гц[134]. На самом деле около 40 % поверхности карты A1 взрослой крысы отводится под обработку звуков на частоте от 32 000 до 64 000 Гц.
Однако эта быстрая перестройка зависит от опыта. Ученые блокировали уши новорожденных крыс на протяжении двух недель с того момента, когда они начинают слышать. Их карта A1 все равно формировалась в соответствии со звуковыми частотами, но на ней гораздо более значительная территория отводилась обработке звуков с частотой около 25 000 Гц и гораздо менее значительная – обработке звуков с частотой около 50 000 Гц, чем у нормально слышащих собратьев. Это различие отражено на рис. 29. Короче говоря, у тех крысят, которые слышали важные звуки на частоте 50 000 Гц в первые недели жизни, увеличен участок карты A1, соответствующий этому диапазону частот. Но если в слуховом опыте крысят в этот важный период жизни после рождения не было этих сигналов, на их картах A1 нет обычного пространства для отображения звуков на таких частотах. Экспериментаторы не проверяли, какой будет жизнь крысят с измененной картой A1 после того, как им вернут слух. Но если бы крысы возвращались к нормальной жизни, они были бы вынуждены жить с мозгом, оптимизированным для улавливания сигналов страха, но не подготовленным для узнавания игривых трелей приятелей или партнеров для спаривания.