При такой интерпретации ряд экспериментальных открытий с легкостью находит объяснение. Например, в начале 1960-х годов Дэвид Хьюбел и Торстен Визель[49] показали, что перемежающиеся полосы в зрительной коре млекопитающих принимают сигналы либо от левого глаза, либо от правого. В норме каждый глаз контролирует по равной доле территории. Но если на раннем этапе развития одному глазу перекрыть зрение, более мощные входные сигналы от другого начинают захватывать большую площадь. Иными словами, ретинотопические карты в зрительной коре под влиянием опыта могут кардинально меняться: входные сигналы от сильного глаза удерживаются и усиливаются, тогда как входные сигналы от закрытого глаза слабеют и в конечном счете угасают7. В подобных экспериментах демонстрируются два момента. Во-первых, эти карты не являются чисто врожденными. Во-вторых, удержать территорию возможно только при постоянной активности. А по мере ослабления входных сигналов нейроны меняют свои связи до тех пор, пока не найдут место, где происходит действие.
Эти открытия подсказывают нам, как помочь детям с косоглазием. Ребенок с врожденным расходящимся или сходящимся косоглазием в конце концов теряет зрение в меньше используемом глазу. Однако корень зла кроется не в самом глазу, а в зрительной коре. Поскольку один глаз доминирует, он побивает в конкуренции косящий глаз, забирая себе больше кортикальной территории в задней части мозга. В этом случае следует хирургически скорректировать косящий глаз, а затем закрыть плотной накладкой здоровый (рис. 8.7). Таким путем мы дадим слабому глазу шанс вернуть утраченную кортикальную территорию8. Как только баланс занимаемых каждым глазом территорий восстанавливается, накладку снимают, и оба глаза видят одинаково хорошо.
Рис. 8.7: (а) У совсем молодого животного принимающий слой первичной зрительной коры получает одинаковые сигналы от левого и правого глаза. (б) По мере взросления животного нейронные цепочки, образуемые обоими глазами, начинают занимать чередующиеся области. (в) Если перекрыть поступление света в оба глаза, нервные волокна, передающие информацию от левого и правого глаза, разделяться не будут. (г) Если перекрыт доступ света только в один глаз, входные сигналы от него постепенно сокращаются, тогда как входные сигналы от действующего глаза захватывают всё большую территорию
D. Eagleman and J. Downar, Brain and Behavior, Oxford University Press
Этот способ лечения основан на знании, что с самого рождения организма нейроны непрерывно конкурируют. Вспомним схему структурной организации тела гомункулуса. В главе 3 мы столкнулись с загадкой, откуда мозгу знать (не забываем, что он заключен в потемках под сводами черепа), как выглядит вверенное ему тело. Изменения в его строении наталкивают на вывод, что мозг рисует карту тела, опираясь на простые правила.
Иными словами, карта естественным образом получается из взаимодействия тела с миром, притом что прилежащие части тела отгораживают себе соседние представительства в мозге9. Данный процесс, как в случаях с наркодилерами и врожденным косоглазием, определяется конкуренцией. И по этой причине сразу после потери конечности (скажем, руки у адмирала Нельсона) соседние представительства занимают освободившееся пространство. Удержание кортикальной территории требует постоянного притока входных сигналов к отдельным нейронам: когда сила сигналов затухает, нейроны норовят переподключиться туда, где сигналы из внешнего мира не иссякают.
По этой же, кстати сказать, причине гомункулус имеет такой чудной вид. У него огромные пальцы рук, губы и гениталии при миниатюрных туловище и ногах (рис. 8.8). Это результат все той же конкуренции: в пальцах, губах и гениталиях густота рецепторов гораздо выше, чем в менее чувствительных частях тела, например в бедрах и туловище. Участки тела, от которых мозг получает львиную долю входящей информации, удостаиваются наибольшего кортикального представительства.
Рис. 8.8. Уродец гомункулус
Wikipedia
Таким образом, систему правильно представлять так: на низовом уровне процветает непрерывная конкуренция, и в результате на более высоких уровнях обрисовываются кортикальные владения (расширяющиеся, сжимающиеся, совместно используемые). И поскольку локальные войны бушуют на протяжении всей жизни организма, карты мозга беспрестанно перерисовываются. Все это происходит потому, что каждый нейрон вынужден отвечать на тот же вызов, что и городской наркоторговец: отыскать свободную нишу и всю жизнь напролет защищать ее от соседских посягательств. Нейроны воюют в мозге за кортикальную территорию не на жизнь, а на смерть: каждый нейрон на протяжении своего существования борется за ресурсы, чтобы гарантировать себе выживание. А за какие именно ресурсы конкурируют нейроны? С наркоторговцами в этом смысле все ясно: ими движет жажда денег. А каков эквивалент денег для нейронов?
* * *
В 1941 году молодая итальянка Рита Леви-Монтальчини бежала из родного Турина и поселилась в сельской глуши, скрываясь от немцев и итальянцев: она была еврейкой, и, когда ее страна заключила союз с нацистами, над девушкой нависла смертельная угроза. Нейробиолог по образованию, Рита устроила в своем убежище маленькую лабораторию и принялась изучать, как развиваются конечности у эмбрионов цыпленка. Исследования привели ее к открытию фактора роста нервной ткани, за что в 1986 году Рита Леви-Монтальчини получила Нобелевскую премию.
Фактор роста нервов стал первым из открытых в семействе химических соединений, называемых нейротропинами, которые поддерживают жизнеспособность нейронов10. Эти белки, выделяемые клетками — мишенями нейронов, и есть валюта, за которую конкурируют нейроны и синапсы. Нейротропины стимулируют нейроны создавать и стабилизировать связи. Нейроны-счастливчики, успешно добывающие факторы роста, благоденствуют. Нейроны-неудачники повсюду протягивают свои отростки и, если их попытки безуспешны, в конце концов умирают.
Помимо поисков вознаграждения в виде нейротропинов у нейронов имеется еще одна забота — избегать опасного воздействия токсичных факторов. Например, синаптотоксины уничтожают существующие синапсы11, и аксоны наперегонки стараются избежать их кары сохранением активности: стоит ей упасть ниже порогового уровня — и конец, их песенка спета12.
Таким путем многослойный язык притягивающих и отталкивающих молекул обеспечивает нейронам обратную связь, опираясь на которую они определяют, стоит ли сохранять свои позиции и расширяться или же надо ужаться, отправляться в другие места, а то и самоустраниться во имя общего блага.
* * *
Параллельно с факторами на уровне отдельных нейронов еще одно свойство более высокого порядка определяет, будет ли вся система гибко-подвижной или закоснелой. Существуют два типа нейронов: одни передают сигналы, стимулирующие соседние нейроны (возбуждающие), другие — сигналы, которые соседей расхолаживают (тормозящие). Нейроны двух типов переплетаются в нейронных сетях, их совокупное действие определяет степень гибкости системы. Если торможения слишком много, нейроны не могут адекватно конкурировать и изменений в системе больше не будет. Если торможения слишком мало, конкуренция становится чрезмерно сильной и победитель не может проявиться. Хорошо откалиброванная, гибкая система требует баланса между торможением и возбуждением; нейроны могут соревноваться достаточно, не слишком мало и не слишком много. Если конкуренция ослабевает, система застывает. Если конкуренция свирепствует, победители не выявляются и, соответственно, не могут верховодить.
В качестве метафоры сравним Северную Корею и Венесуэлу. В Северной Корее режим настолько жестко подавляет любую инициативу, что народ не может сделать ничего, что не было бы сначала одобрено правительством. В Венесуэле, наоборот, режим столь мягкий, что наркокартели, мафия и представители преступного мира обнаглели до предела. В обоих случаях о процветании и речи нет: в Северной Корее — из-за чрезмерного подавления, в Венесуэле — из-за чрезмерного попустительства. В масштабах всего мира наиболее преуспевающие страны поддерживают тонкий баланс между чрезмерной уступчивостью и чрезмерной жесткостью. В этом смысле очень полезны двухпартийные системы, и в нашем контексте мы рассмотрим консервативную и либеральную идеи как аналогию двух конкурирующих типов нейропередачи — возбуждающей и тормозящей. В реальности одна из партий обычно доминирует, но очень слабо. Президент представляет одну партию, а большинство в конгрессе обычно принадлежит другой. Хотя принято сетовать на проистекающие от двухпартийной политики нескончаемые дебаты, она идеальна для осуществления полезных перемен. И напротив, тотальное господство одной партии ведет к захвату системы, что в историческом плане оборачивается для народа неисчислимыми бедами13. Магию положительного баланса как в мозге, так и в правительствах рождают взаимоуравновешивающие силы: только таким путем можно поддерживать комбинированную, сбалансированную и готовую к переменам систему.
Как мы видели выше, перемены в мозге могут случаться очень быстро — за какой-нибудь час. Каким образом ему удается так быстро производить столь крупные трансформации?
Помните испытуемых с плотно завязанными глазами, зрительная кора которых уже через час начинала реагировать на тактильные ощущения (см. главу 3)? Чтобы новые синапсы от осязательной и слуховой областей проросли в первичную зрительную кору, часа слишком мало, да и экспериментальные наблюдения указывают на изначальное присутствие этих связей в мозге14. В самом деле, многие нейронные соединения уже существуют, но настолько подавлены (ингибированы), что их присутствие не несет никаких функций. Если их активировать, они подадут голос15.
Для аналогии представьте, что ваш круг знакомых понес тяжелые потери. На недавней вечеринке вспыхнула безобразная ссора (ваши гости распоясались не меньше вас), и вы насмерть переругались со всеми самыми близкими друзьями. Привычный приток общения внезапно обмелел, что побудило вас откликнуться на сигналы от менее близких приятелей, никогда прежде не имевших шанса полностью завладеть вашим вниманием. Раньше их голоса тонули в гомоне тесных отношений с закадычными друзьями, а теперь вы слышите этих отдаленных знакомцев и начинаете заполнять ими вакуум своей социальной жизни, культивируя и усиливая слабые дружеские связи.