Другие эксперименты показали, что добавление неожиданных новых звуков в среду новорожденного животного тоже может перестроить его карту A1. Если крысят помещали в звуковую камеру и подвергали воздействию низкочастотных (4000 Гц) или высокочастотных (19 000 Гц) звуковых импульсов на протяжении нескольких первых недель жизни, их карты A1 перестраивались таким образом, что более значительная территория карты отводилась под отображение звуков с частотами около 4000 или 19 000 Гц соответственно[135].
Рис. 29. Влияние раннего опыта на развитие карты звуковых частот A1 у крыс. Художник Пол Ким.
Даже если через три недели крысята возвращались в нормальную звуковую среду и далее росли в обычных условиях, их карты A1 в зрелом возрасте по-прежнему предпочтительно отображали звуки с теми частотами, которые они слышали в детстве. Воздействие таких же монотонных импульсов звука на взрослых крыс не оказывает такого влияния на их карту A1.
Первые недели слухового опыта являются особенными: именно тогда структура карты A1 крыс наиболее податлива и подвержена влиянию внешних звуков. На самом деле это короткое время дает животным возможность адаптироваться к специфической окружающей среде, позволяя им подготовиться к обработке и восприятию тех звуков, которые им преимущественно предстоит слышать на протяжении жизни.
Анализ карт A1 крысят позволяет понять гораздо более общее и распространенное явление, касающееся карт всех непрерывных чувств у многих животных – от птиц до кошек, от овец до жаб и от мух до человека. На ранних этапах жизни карты мозга формируются окружающей средой и моделируются в соответствии с ней. Зарождающаяся карта, выстроенная в соответствии с генетической схемой, сначала “воспитывается” телом, а затем активно настраивается внешней средой. Обучение сдвигает сети и связи, приносящие информацию в карты мозга и выносящие информацию из них. В результате нейроны на карте меняют свои рецептивные поля. Например, группа нейронов на карте A1 крысы 12 дней от роду активируется при звуках с частотой около 30 000 Гц, но те же самые нейроны на карте крысы 22 дней от роду по большей части отвечают на звуки с частотой около 45 000 Гц. Поскольку меняются рецептивные поля нейронов на всех участках карты, вся карта в целом перестраивается и искажается. Расширяются области, которые отображают ключевые фрагменты мира (скажем, 50 000 Гц на карте A1 или центральная ямка на карте V1). Кто-то выигрывает, а кто-то проигрывает. Например, увеличение зоны кончика пальца на карте S1 происходит за счет территории лица.
Изменение увеличения на карте мозга путем сдвига рецептивных полей клеток – это лишь один способ, с помощью которого развивающийся мозг инвестирует ресурсы в соответствии с ранним жизненным опытом. Другой способ заключается в инвестировании в материалы, из которых строится карта. Обычно считают, что карты – это плоские отображения в двух измерениях (длина и ширина). Однако, конечно же, в трехмерном мире тоже существуют карты, в том числе в мозге и в других местах. Например, если вы держите в руках отпечатанную карту местности, карта имеет еще и третье измерение – это толщина бумаги и чернил. В случае бумажных карт толщина материала может определять срок службы и качество карты, но не влияет на ее информационное содержание.
Карты мозга тоже состоят из материи: из нейронов и их проводов, аксонов и дендритов, которые передают сигналы между нейронами. Еще один способ, с помощью которого развивающийся мозг может обучаться и инвестировать ресурсы, заключается в изменении этой материи таким образом, чтобы ключевые участки карты становились толще. Например, если в младенчестве няня часто щекотала вам пальчики ног или играла с ними, в результате этого раннего обогащающего опыта зона пальцев ног на вашей карте S1 могла расшириться (занять большую площадь на поверхности мозга), стать толще или претерпеть оба изменения. Когда опыт приводит к утолщению части карты, это обычно означает, что там содержится больше материи – больше нейронов, больше связей между нейронами или больше поддерживающих клеток, помогающих нейронам выполнять их работу. Если участок пальцев левой ноги на карте S1 утолщен, это может говорить о том, что нейроны, отображающие прикосновение к этим пальцам, лучше оснащены для коммуникации и координации друг с другом. Результатом является более эффективная локальная обработка информации, что позволяет лучше чувствовать и различать прикосновения к этим пальцам. В детстве и в меньшей степени в более позднем возрасте карты мозга могут изменяться и адаптироваться за счет расширения ключевых участков, укрепления этих территорий дополнительной материей или за счет обоих процессов.
Мы видели, как экспериментальные процедуры изменяют карты мозга новорожденных крысят. Однако то же самое можно сказать о маленьких детях и о влиянии раннего окружения на их нервную систему. Рассмотрим пример недоношенных детей, которым после рождения приходится оставаться в родильном доме для проведения интенсивной терапии. Такие дети остаются в отделениях интенсивной терапии недели или месяцы и постоянно слышат громкий высокочастотный шум вентиляторов, насосов, мониторов и сигнализации – дополнительные звуки по сравнению с той звуковой средой, в которой они находились бы в утробе матери. Кроме того, им чего-то не хватает. Если бы эти дети развивались в матке до окончания срока беременности, их бы окружал акустический мир с доминированием мелодичных низкочастотных компонентов голоса матери и предсказуемого ритма ее сердцебиений. Этих звуков нет в отделениях интенсивной терапии для недоношенных детей. Есть и другие отличия. Например, детям в больнице приходится переживать болезненные процедуры, такие как забор крови, и у них меньше тесных физических контактов по сравнению с ситуацией в матке или в родительском доме.
Хотя мы пока не знаем окончательно, как пребывание в больнице влияет на развитие карт мозга новорожденных детей, у нас все больше доказательств, что этот опыт действительно оказывает влияние на обработку звуковой и тактильной информации[136]. Понятно, что лечение этим детям необходимо для выживания. Однако растущая озабоченность ученых и врачей по поводу важной роли ранней среды для развития нервной системы ребенка приводит к пересмотру отношения к сенсорной среде в отделениях интенсивной терапии для новорожденных. Можно ли одновременно спасать жизнь ребенка и усилить влияние социального фактора? Можно ли ослабить шум сигнализации и оборудования? Многие родильные дома начали учитывать эти важнейшие замечания.
В некоторых случаях внести значительные изменения достаточно легко. Например, было показано, что просто включение аудиозаписи сердцебиения матери и низкочастотных составляющих ее голоса (тех звуков, которые были бы слышны ребенку в матке) на три часа в день, пока недоношенный ребенок остается в больнице, влияет на развитие его слуховой коры[137]. Исследователи обнаружили, что эта часть мозга, включающая в себя частотную карту A1, была толще у тех детей, которые слышали эти записи, по сравнению с теми, кто их не слышал.
Глубокое когнитивное и перцептивное влияние раннего сенсорного опыта касается всех детей, а не только тех, кто находился в отделении интенсивной терапии. Другой пример относится к детям, рожденным с катарактой (мутным пятном), затмевающей зрение в одном или обоих глазах. Если ребенок родился с такими пятнами, его глаза и зрительные карты мозга, такие как V1, лишены возможности получать структурированные зрительные сигналы. Исследования на людях и на животных показали, что эта депривация вносит хаос в строение карты V1 и других зрительных карт мозга. В результате карты формируются на основании размытых или односторонних сигналов, которые они все же могут получать. Если катаракту удалить хирургическим путем в течение нескольких недель после рождения, у ребенка высокий шанс иметь более или менее нормальное зрение во взрослом возрасте[138]. Но каждая неделя отсрочки операции снижает вероятность восстановления нормального зрения. Взрослые люди, имевшие катаракту в раннем возрасте, обычно хуже различают мелкие детали, улавливают некоторые сложные движения и распознают лица[139]. Эти трудности связаны не с тем, что происходит у них в глазах, а с тем, что уже произошло в их мозге.
Примеры такого рода показывают, насколько чувствительными являются карты мозга в отношении внешних факторов в первые дни жизни человека. Даже кажущиеся незначительными нарушения в этот период могут иметь долгосрочные последствия для карт мозга и сенсорного восприятия. Очень может быть, что вам такая чувствительность кажется странной или даже бессмысленной. Учитывая, что наши гены и эволюционные факторы формируют строение нашего тела самыми разными способами, удивительно и даже обидно, что мы в такой степени зависимы от каких-то звуков, зрительных образов и ощущений. Однако на самом деле эта странная чувствительность одновременно является нашей дополнительной способностью, поскольку дает каждому существу возможность адаптироваться к окружающей среде специфическим и адекватным образом.
В эволюционном контексте живые существа адаптируются к окружающей среде по той причине, что гены, которые помогают выживать и размножаться в конкретной среде, с большей вероятностью передадутся потомкам. Такой тип адаптации реализуется на протяжении поколений. Но я говорю о другом типе адаптации, которая происходит уникальным образом для каждого отдельного мозга на протяжении дней, недель или месяцев. В утробе матери и в первые яркие и бурные дни вскоре после рождения мозг собирает информацию о мире, в котором человеку предстоит жить. На основании этой информации карты мозга реконструируются и перестраиваются, перенаправляя ограниченные нейронные ресурсы на обработку специфических зрительных, звуковых и тактильных сигналов, которые человек получает, в ущерб обработке сигналов, которых нет. В общем и целом такая адаптация является значительной инвестицией. В мире природы окружающая среда сравнительно стабильна на протяжении коротких отрезков времени. С высокой вероятностью мы умрем в такой же среде, в которой родились. Учитывая все возможные состояния среды, в которой нам предстоит жить, имеет смысл инвестировать и подготавливаться к жизни в той среде, которую мы почувствовали в младенчестве. И только когда это общее правило не работает, как в случае детей, начинающих жизнь в отделениях интенсивной терапии или с временной слепотой от катаракты, эта форма адаптации оборачивается против нас.