Как исследователи могут убедиться, что изменения в коре головного мозга вызваны именно обучением? Можно, например, научить людей жонглировать. В этом продуманном и изящном в своей простоте эксперименте мозг испытуемых сканировали до и после обучения жонглированию[71]. Через три месяца тренировок добровольцы могли жонглировать целую минуту, не роняя предметы, — и в их мозге наблюдались явные изменения. Структурная магнитно-резонансная томография (МРТ)[72], проведенная для анализа анатомической структуры мозга, выявила точечное увеличение объема серого вещества в средней части височной доли — в той области, которая анализирует скорость и направление движущихся объектов. Отмечалось также увеличение зоны, отвечающей за перцептивно-моторную координацию и зрительное внимание (все эти навыки необходимы профессиональному жонглеру). Еще через три месяца, после перерыва в тренировках, большинство добровольцев разучились жонглировать, а увеличившиеся участки коры в их мозге вернулись в прежнее состояние. Всего за шесть месяцев этот эксперимент показал, что тренировки вызывают временные, но вполне реальные структурные изменения в мозге! В отличие от случаев с простым перераспределением функций соматосенсорной и моторной коры, этот тип обучения действительно увеличивает объем некоторых областей мозга[73]. Эксперимент с жонглированием не позволяет выявить сами механизмы увеличения зон мозга, но вполне возможно, что отдельные участки могут расти в объеме — даже в отсутствие новых нейронов — в том случае, если существующие клетки становятся больше. Например, клетка может увеличиваться за счет разрастания сети нейронных отростков или появления большего числа синапсов. Но нет никаких сомнений в том, что тренировки могут влиять на структуру и функции мозга самыми разными способами.
К сожалению, невероятная пластичность мозга в некоторых случаях приводит к нежелательным последствиям. Например, 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[74]. Имеющиеся данные позволяют предположить, что фантомные боли вызывает именно это функциональное вторжение зоны нижней части лица в зону руки (и ее дальнейшая активность)[75]. Но несмотря на то, что фантомные боли — довольно распространенное явление, лишь немногие люди в момент прикосновения к какой-то части своего тела ощущают, что что-то коснулось их несуществующей конечности[76]. Этот факт предполагает наличие каких-то дополнительных механизмов. Другие исследования указывают на то, что фантомную боль провоцируют остаточные связи от отсутствующей конечности[77] и что свою роль в этом явлении играет изменение возбудимости спинного мозга[78]. Как бы то ни было, существует немало примеров, когда зона коры, отвечающая за ту или иную часть тела, увеличивается за счет соседней зоны.
Быть может, у такой реорганизации ограниченных ресурсов коры есть функциональные последствия? Вернемся к лондонским таксистам. Важно отметить, что увеличение задней части их гиппокампа происходит за счет передней части[79]. Общий объем гиппокампа и у таксистов, и у контрольной группы был одинаковым; различалось только соотношение частей. Считается, что задняя часть гиппокампа хранит пространственное отображение окружающей среды, и ее расширение позволяет «вместить» более подробную мысленную карту. А вот уменьшение передней части гиппокампа может объяснить некоторые функциональные нарушения, которые наблюдаются у таксистов. Как правило, они хуже, чем люди других профессий, запоминают новые зрительные и пространственные образы. Например, когда им предлагали скопировать сложную линию, они с трудом воспроизводили ее в задании на проверку памяти — в тесте, определяющем способность запоминать расположение видимых объектов в пространстве[80].
Недавнее исследование, в котором группу будущих таксистов изучали на протяжении четырех лет, убедительно доказало, что тренировки вызывают изменения в гиппокампе. После нескольких лет обучения у водителей, успешно сдавших экзамен, отмечалось увеличение задней части гиппокампа, и они хуже справлялись с решением зрительных и пространственных задач. А вот те, кто провалил экзамен или не закончил обучение, не отличались по этим показателям от контрольной группы. Именно обучение вызывает структурные изменения в гиппокампе, которые могут иметь непредвиденные последствия, такие как нарушения в формировании зрительной и пространственной памяти.
Важно помнить, что это не всегда плохо — это просто реакция мозга на требования внешней среды. Как насчет лондонских таксистов, вышедших на пенсию? Задняя часть гиппокампа у них меньше, а зрительная и пространственная память лучше, чем у тех, кто еще работает[81]. Когда требования к нейронным цепям, связанным с пространственной навигацией, снижаются, мозг, по всей видимости, возвращается к исходному состоянию, которое наблюдается в контрольной группе. Это еще раз подтверждает, что наш мозг постоянно меняется.
Удивительно, что именно повседневный опыт может менять базовую организацию нашего мозга, причем значительно и ощутимо. Этот биологический феномен изящен и прост. Мы видим прекрасную симметрию: мозг определяет наше восприятие окружающего мира, а перцептивный опыт влияет на соответствующие структуры и функциональные возможности самого мозга.
Мозг мгновенно перестраивается, когда вы берете в руки инструментЭлисон Барт
ВЫ ВОЗВРАЩАЕТЕСЬ ДОМОЙ после субботних дел и заезжаете в гараж, стараясь свернуть в нужный момент, чтобы не задеть мусорные баки с одной стороны дорожки и велосипеды с другой. Затем останавливаетесь так, чтобы дверь гаража, закрываясь, не повредила автомобиль. Как вам удается точно чувствовать габариты своей машины? В вождении автомобиля есть один удивительный момент: когда вы садитесь за руль, ваше ощущение тела расширяется до внешних границ машины. Вы чувствуете, как близко можно подъехать к бордюру, чтобы его не задеть; понимаете, как далеко можно сдать назад, не врезавшись в препятствие; оцениваете положение автомобиля на дороге, мельком взглянув на разметку. Возникает ощущение, будто ваше тело увеличилось в сорок раз и оканчивается колесами и бампером.
Интересно, что, как только вы отстегиваете ремень безопасности и выходите из машины, ощущение тела (или соматическое чувство) мгновенно возвращается в границы вашей кожи. Такое быстрое расширение и сжатие границ тела связано с поразительной пластичностью мозга. Пластичность — базовое свойство мозга, и ученые исследуют конкретные механизмы, с помощью которых отдельные нейронные пути в соматосенсорной коре ослабляются, усиливаются или маскируются, что позволяет нам ощущать и делать чрезвычайно сложные вещи. В этом эссе я покажу, что отображение нашего тела в мозге пластично и что изменения происходят непрерывно, в процессе наших повседневных занятий. Это особенно важно для нас как для вида, использующего орудия труда и инструменты. Каждый раз, когда мы берем в руки предмет и ловко пользуемся им, мы расширяем представление о своем теле, включая в него этот предмет и тем самым получая возможность обращаться с ним по своему усмотрению.
Младенец должен научиться понимать, где начинается и где заканчивается его тело; он дотрагивается до разных предметов, двигает руками и ногами, наблюдая за ними. Карта поверхности тела формируется в нашем мозге в период эмбрионального развития в виде встроенного в сознание грубого наброска, а затем уточняется в процессе обретения опыта. Термин «соматосенсорная карта» отражает то обстоятельство, что организация тактильной информации на поверхности мозга примерно соответствует расположению частей тела: проекция большого пальца соседствует с проекциями других пальцев руки и с проекцией ладони, а проекция ладони граничит с проекцией локтя и так далее. Размеры участков мозга, отведенных разным частям тела, могут не соответствовать реальным пропорциям этих частей тела (например, проекции пальцев и губ занимают несоизмеримо большую область по сравнению с областью коленей или плеч), но их взаимное расположение в целом сохраняется.
Растущие дети часто неуклюжи; на определенном этапе они с трудом адаптируются к изменениям формы и размера тела — ноги оказываются длиннее, чем кажется, и дети спотыкаются и падают. Ребенок может забраться к родителям на колени и с удивлением обнаружить, что уже не умещается там. Соматосенсорные карты, расположенные в неокортексе («новых» областях коры), должны постоянно «перезагружаться», чтобы адекватно представлять меняющиеся формы тела. К счастью, для этого предусмотрены специальные механизмы.
Соматосенсорные карты обладают одним важным свойством: они могут изменяться под воздействием опыта. Чрезмерная стимуляция некоторых частей тела, например пальцев скрипача, который репетирует по шесть часов в день, может привести к относительному увеличению области коры, где хранится проекция этих пальцев[82]. В случае изменения размеров тела — например, когда человек поправляется или худеет — соматосенсорные карты тоже должны корректироваться. Каждая беременная женщина хоть раз пыталась протиснуться через толпу, прежде чем понимала, что ее тело гораздо больше, чем ей казалось. После этого ей приходилось корректировать свои представления, чтобы лучше координировать движения в пространстве. Подобная пластичность соматосенсорных проекций, обусловленная рутинным опытом, постоянно проявляется в повседневной жизни, а не только в лабораторных условиях.