В эмоциональных ситуациях высвобождаются определенные нейромедиаторы (такие как дофамин и норадреналин) и гормоны (такие как адреналин и кортикостерон). Одни высвобождаются и действуют в мозге, другие высвобождаются в теле и проделывают путь к мозгу. Связанные с эмоциями химические сигналы могут увеличить синаптическую и собственную пластичность нейронов, укрепляя некоторые воспоминания. Важно, что это происходит не только в первый раз, когда формируется воспоминание. Всякий раз, когда оно извлекается из памяти, оно вновь вызывает эмоциональный отклик, и значит, эти химические процессы еще сильнее укрепляют (и искажают) память.
Является ли хранилище памяти в мозге бесконечным ресурсом, или место в нем может закончиться? Может ли тренировка одного конкретного навыка помешать нам овладеть другим, или наши возможности для самосовершенствования безграничны? К сожалению, есть основания полагать, что ресурсы памяти ограничены.
Чтобы стать лицензированным лондонским таксистом, нужно совершить настоящий подвиг обучения. К экзамену требуется выучить 25 000 лондонских улиц, а также отели, рестораны, достопримечательности и оптимальные маршруты между ними. Этот массив информации называется “Знание” – с заглавной буквы. Даже после нескольких лет подготовки многие водители проваливают экзамен и должны либо сдавать его снова, либо отказаться от своих планов. Взбудоражившее ученых исследование Элеанор Магуайр и ее коллег показало, что в среднем, по сравнению с аналогичной по возрасту и образованию контрольной группой, у лицензированного лондонского таксиста увеличен один отдел мозга – задняя часть гиппокампа[110]. Этот отдел, как считается, играет особую роль в обработке пространственной информации. Этот результат может означать, что интенсивные тренировки перед экзаменом увеличивают заднюю часть гиппокампа, который содержит детальную мысленную карту города. А может быть, люди, которым повезло иметь увеличенную заднюю часть гиппокампа, лучше осваивают навыки пространственной ориентации, проще овладевают “Знанием” и сдают экзамен.
Недавно ученые провели сканирование мозга будущих лондонских таксистов до и после интенсивной подготовки к экзамену. Оказалось, что у таксистов, которые успешно сдали экзамен, значительно увеличилась задняя часть гиппокампа, а у тех, кто провалил экзамен, она осталась неизменной, как и у контрольной группы того же возраста[111]. Таким образом, именно овладение “Знанием”, похоже, вызывает увеличение задней части гиппокампа.
Увеличение задних отделов гиппокампа во время пространственного обучения происходит за счет прилегающей части мозга – передних отделов гиппокампа, которые не включены в обработку пространственной информации, а занимаются формированием новых образных воспоминаний. Это объясняет, почему лондонские таксисты в среднем показывают худшие результаты тестирования зрительной памяти, чем люди из контрольной группы или водители, не сдавшие экзамен. Получается, что как минимум некоторые мнемические и когнитивные ресурсы мозга ограничены и могут быть отведены для определенной задачи путем интенсивных тренировок. Только выйдя на пенсию, лондонские таксисты постепенно возвращаются к контрольному состоянию с меньшей задней и большей передней частью гиппокампа, их визуальная память улучшается, а память о лабиринте лондонских улиц тускнеет[112].
Лондонских таксистов считают крайне удачной выборкой для исследования изменений мозга в результате обучения по двум причинам. Во-первых, освоение “Знания” – трудная задача, не требующая при этом особенно высокого интеллекта. Средний коэффициент интеллекта лондонских таксистов примерно такой же, как у остального населения Великобритании. Во-вторых, в отличие от тренировок в спорте или музыке, которые начинаются в детстве, когда мозг активно развивается, освоение “Знания” начинается только во взрослом возрасте, когда мозг таксистов уже созрел.
Результаты исследований лондонских таксистов ставят вопрос: наблюдается ли увеличение отдела мозга (и соответствующее уменьшение соседнего отдела) в итоге любого обучения или связано лишь с этим экзаменом? В Германии студенты-медики в конце второго года обучения должны сдать трудный экзамен, так называемый “Физикум”, который проверяет их знания по химии, физике, анатомии и биологии. Студенты готовятся к нему в течение трех месяцев каждый день. Арне Май и его коллеги просканировали мозг студентов-медиков и сравнили с контрольной группой до начала трехмесячной подготовки, в день экзамена и три месяца спустя. За период обучения у студентов-медиков по сравнению с контрольной группой увеличивается объем трех отделов мозга: задней теменной доли, боковой теменной доли и знакомых нам задних отделов гиппокампа. Увеличение этих областей мозга сохраняется и три месяца спустя. Как и в случае с лондонскими таксистами, наблюдается также уменьшение прилегающего участка – затылочной теменной доли[113], и это предполагает, что соревнование за место в мозге в результате интенсивного обучения во взрослом возрасте – обычное явление. К сожалению, мы не знаем, возникают ли у студентов-медиков какие-то специфические когнитивные нарушения в связи с уменьшением этого отдела мозга.
Скорее всего, увеличение одних и уменьшение других отделов мозга при подготовке к экзамену у студентов длится не так долго, как у таксистов после сдачи экзамена. Так предположила Элеанор Магуайр с коллегами, сосредоточившись не на студентах, а на врачах, которые должны усваивать и применять большие объемы информации в течение долгих лет практики. В отличие от таксистов, врачи демонстрируют высокие результаты тестов на интеллект, поэтому их сравнили с контрольной группой, имеющей такой же IQ, но не проходившей интенсивного обучения в университете или где-то еще. При сравнении оказалось, что у врачей не были увеличены ни задние отделы гиппокампа, ни какие-либо другие отделы мозга[114]. Эти результаты позволяют предположить, что получения большого массива информации за годы практики недостаточно для того, чтобы произвести долговременные изменения в структуре отделов мозга.
Еще один остроумный способ отследить быстрые изменения мозга у взрослых в результате обучения – это сканировать мозг до и после обучения жонглированию. Исследователи разделили две группы одинакового состава по возрасту и полу на жонглеров и нежонглеров и провели сканирование мозга до тренировок. Группе жонглеров дали три месяца на обучение жонглированию тремя мячиками, чтобы они могли удерживать их в воздухе в течение минуты. После овладения этим навыком мозг жонглеров снова сканировали и обнаружили увеличение двух отделов – средней височной извилины (в обоих полушариях) и задней части внутритеменной борозды (только в левом полушарии), по сравнению с группой нежонглеров. Увеличение этих отделов вполне объяснимо, поскольку первый участвует в отслеживании скорости и направлений движущихся объектов, а второй занимается вниманием и сенсомоторной координацией. После перерыва в тренировках на несколько месяцев большинство людей из группы жонглеров больше не могли жонглировать с первой попытки, а увеличение отделов мозга частично нивелировалось[115]. Вероятно, это похоже на то, что произошло с врачами. Они короткое время усиленно занимались, чтобы сдать экзамен, но большинству было бы трудно снова его сдать в разгар карьеры, не освежив знания. Увеличение и уменьшение отделов мозга при запоминании, как в случае имплицитной сенсомоторной памяти при жонглировании, так и эксплицитной памяти для запоминания лондонских улиц или для сдачи экзамена “Физикум”, длится только то время, пока эти знания активно используются.
Чтобы увеличился отдел мозга, необходимо значительное количество клеточного вещества. Учитывая наши знания о синаптической пластичности, увеличение отделов мозга в значительной степени должно быть связано как с увеличением существующих синапсов, так и с появлением новых, вместе с дендритами и аксонами, на которых они формируются. Также возможно, что в этих отделах возникают совершенно новые клетки. Благодаря клеточному делению в мозге постоянно появляются глиальные клетки, это тоже может вносить вклад в рост отделов мозга[116]. В некоторых очень ограниченных частях мозга, таких как зубчатая извилина гиппокампа – часть системы мозга, отвечающей за память на факты и события, – новые нейроны формируются и после рождения. Хотя мы точно знаем, что новые нейроны продолжают возникать в мозге даже взрослых птиц и грызунов, все еще ведутся горячие споры насчет того, появляются ли новые нейроны в мозге взрослого человека или это происходит только на раннем этапе жизни[117].
Увеличение отдела мозга при запоминании – это крайний случай, возникающий только при продолжительных тренировках. В большинстве ситуаций воспоминания сохраняются без явного изменения размера отделов мозга. Как вы сами можете предположить, если опыт добавляет нам новые или усиливает существующие синапсы, при этом удаляя или ослабляя другие в том же отделе мозга, общий объем этого отдела не изменится, даже если хранящиеся воспоминания меняют структуру нервной сети. Функциональная пластичность может возникать даже в отсутствие заметных изменений размера отделов мозга.
Хороший пример функциональной пластичности получен при исследовании профессиональных музыкантов. Когда музыкантам, играющим на струнных инструментах (гитаре или виолончели), провели сканирование мозга и сравнили результаты с контрольной группой, оказалось, что у них больше развиты участки мозга, имеющие отношение к осязанию левой руки, но при этом не изменились участки, относящиеся к правой руке. Важно, что структура извилин мозга у музыкантов и контрольной группы была идентична. У музыкантов не происходит увеличения или уменьшения отделов мозга. Только в одной зоне, называемой первичной соматосенсорной корой, больший объем отведен левой руке – в ущерб обработке информации, поступающей из других частей тела