Наш креативный мозг. Как человек и мир творят друг друг

После зачатия оплодотворенная яйцеклетка развивается в матке, превращаясь в ребенка. До сих пор не прекращается дискуссия о том, определяется ли то или иное из наших свойств задатками или средою. Только задатки выражаются, например, в интуитивном поведении новорождённого младенца. Если бы мы не могли интуитивно находить сосок материнской груди и сосать, нас вообще не было бы на свете.

Интуиция также играет роль при возникновении чувства страха. Для нас намного выгоднее испытывать страх перед змеей, чем пугаться цветка. У обезьян, которые никогда не видели змею, были найдены клетки мозга, которые резко «вспыхивают» – то есть становятся электрически активными и обмениваются информацией с другими клетками мозга, – если обезьяна встречает змею. Этот страх усвоен приматами в процессе эволюции. И мы получили многое в своем поведении, включая кирпичики для наших моральных норм (см. главу IV.7), генетически в ходе эволюционного развития.

Решающим является то, что наш мозг с самого начала развивается главным образом благодаря интенсивному взаимодействию между задатками и средой. В период развития мозга наш генетический фон интенсивно взаимодействует с внешней средой. Окружение нервной клетки формируется миллиардами нервных клеток вокруг, химическими веществами, выделяемыми этими клетками, гормонами плода, гормонами и питательными веществами матери и химическими веществами, которые проникают из внешней среды и попадают в плаценту. Наше индустриальное общество оказывает постоянное влияние на плод в матке, например через химикалии в тонкой пыли, порожденной автомобилями и промышленностью, которая проникает в плаценту, влияет на развитие мозга и тем самым увеличивает риск аутизма. Информация, приходящая через органы чувств, также влияет на развитие мозга в течение всего периода внутриутробного развития. Следы чеснока в околоплодных водах позднее скажутся на вкусе ребенка; музыка, которую слышит ребенок во второй половине беременности, он будет помнить еще в течение месяцев после появления на свет.

Наличие генных взаимодействий с внешней средой явствует, например, из наблюдений, что чувствительность мозга ребенка к факторам окружающей среды находится в зависимости от генетического фона. Если женщина курит во время беременности, а в генетическом фоне ребенка имеется два варианта дофаминовых рецепторов, то опасность синдрома дефицита внимания и гиперактивности (ADHD) возрастает в 9 раз в сравнении с отсутствием этих генетических вариантов.

MRI-скан мозга однояйцевых близнецов. Между P и стрелкой у ребенка в верхнем ряду 3 мозговые извилины, а у ребенка в нижнем ряду – 4 (Steinmetz H., Herzog A., Huang Y., Hacklander T. Discordant Brain-Surface Anatomy in Monozygotic Twins // The New England Journal of Medicine. 1994. № 331. P. 951–952). Паттерн мозговых извилин и борозд формируется главным образом в течение трех последних месяцев беременности. Таким образом, причина этих негенетических различий должна возникать именно в этот период.

Дородовой стресс беременной женщины позднее может привести у ребенка к проблемам в поведении и темпераменте, аутизму, ADHD, депрессии и страхам. Стрессовые события во время беременности, такие как болезни, финансовые трудности, насилие со стороны партнера, могут иметь длительное влияние на развитие мозга ребенка. В возрасте 7 лет детей иследовали при помощи диффузионной тензорной магнитно-резонансной томографии (MRI-DTI), методики, позволяющей видеть сканы соединений между структурами мозга. Стрессовые события во время беременности коррелировали у детей со структурными изменениями в связях между миндалевидным телом и префронтальной корой. Из-за этого дети впоследствии будут иначе реагировать на стрессы и страх.

В момент появления на свет мозг ребенка уже совершенно индивидуален. Это происходит благодаря взаимодействию между генетическим фоном, факторами среды, воздействующими на развитие мозга в матке, локальной самоорганизации в областях мозга и случайностям, играющим здесь большую роль. Это означает также, что у каждого человека будут свои таланты и ограничения и что каждый будет вести себя по-своему, иначе реагировать на внешний мир, по-иному испытывать удовольствие. Так возникает громадное разнообразие индивидов, как всегда было в процессе эволюции и всегда будет впредь. Поэтому нам следует лучше принимать различия между людьми, как это всегда провозглашал буддизм и как призвал папа Франциск в Рождественском послании 2013 года, впрочем, без ссылок на эволюцию.

4. Изучение близнецов

Изучение близнецов показывает, что генетические факторы играют немалую роль в развитии мозга. При исследовании сравнивают идентичных близнецов, у которых идентичны 100 % генов, с неидентичными близнецами, у которых общими являются 50 % генов. Из изучения близнецов следует, например, что наше ощущение счастья задано генетически на 40 %, а наш взрослый IQ – более чем на 80 %.

Из изучения близнецов следует также, что количество серого вещества (нервные клетки мозга и контакты) и белого вещества (нервная ткань) от 82 до 90 % определяется наследственностью. Но для объема различных областей мозга наследственный фактор очень разнится и составляет от 17 до 88 %.

Исследования близнецов показали, что толщина префронтальной коры на 80 % определяется генетическим влиянием, но они выявили также и то, что толщина коры париетальных (теменных) ассоциативных областей более чем на 80 % формируется под влиянием окружения. Степень влияния окружения, таким образом, сильно варьируется в различных областях мозга. В предположениях относительно исследования близнецов в настоящее время нужно, пожалуй, кое-что изменить. Так, всегда думали, что однояйцевые близнецы должны быть генетически идентичны. Но исследования с помощью Нидерландского регистра близнецов показали, что и после оплодотворения, в матке, также могут возникать генетические различия (ил. 5)

Конечно, структура нашего мозга и наше поведение определяются не только генетикой. Основанием для различий в характере идентичных близнецов могут быть различия в их мозге, заметные с первого взгляда. Развитие мозга, выраженное в паттерне извилин и борозд, уже во время беременности должно находиться под сильным влиянием негенетических факторов, например несколько иной окружающей среды в матке и локальных процессов самоорганизации. В этих процессах клетки мозга конкурируют за лучшую организацию связей (см. ниже). После рождения обучение также играет роль в возникновении структурных и функциональных различий в мозге, как это следует, например, из профессиональных различий музыкантов и шоферов такси (см. главу XV.2).

Сиамские близнецы Эбби и Бриттани Хенсел. «We are totally different persons!» [«Мы совершенно разные люди!»].

Каждый мозг уникален. Впечатляющая иллюстрация этого – американские сиамские близнецы Эбби и Бриттани Хенсел. У них один и тот же генетический фон, общее тело; с момента зачатия они находились в одной и той же среде и испытывали одни и те же влияния. У каждой из них по одной руке и одной ноге, и поэтому они должны были тесно сотрудничать между собой, чтобы научиться управлять автомобилем. Когда им исполнилось 16 лет и они уже могли получить водительские права, возникла дискуссия, должны ли они получить общие водительские права, или каждая из них в отдельности. Из исследования их мозга стало ясно, какое необходимо было принять решение: это два мозга и две личности, следовательно, права должны быть выданы каждой из них отдельно. В конце небольшого фильма об их жизни они говорят: «Мы две совершенно разные личности!» И родители однояйцевых близнецов рассказывают, что уже в возрасте двух месяцев близнецы хотя и похожи друг на друга, но ведут себя по-разному и у них разный характер.

II. Развитие и организация нашего мозга

1. Мозг как самоорганизующаяся система

Все люди созданы равными.

    Впервые сформулировал Томас Джефферсон в Декларации независимости (1776) и позже несколько иначе выразил Бенджамин Франклин

Вопреки внушению, исходящему из этих известных слов, каждый мозг различен также и потому, что развивается и функционирует как самоорганизующаяся система. Под этим подразумевается, что в хаотической системе структуры возникают спонтанно. Самоорганизация происходит в комплексных системах, и принципы этого можно видеть повсюду: в муравейниках, в бизнесе, во Вселенной. Самоорганизация может приводить даже к тому, что популяция начинает функционировать как единство, сверхорганизм (см. главу XVII.1).

Хороший пример самоорганизации – стаи скворцов. Сначала они группами слетаются с мест кормежки в место сбора. Затем взлетают, устраивая невероятное акробатическое воздушное шоу, чтобы сразу же с диким шумом разлететься по деревьям, где они останутся на ночь. В полете они должны сохранять дистанцию друг от друга. Кроме того, их рой почти непрозрачный, притом что они летят не слишком плотно один к другому. Так каждый из них находится под защитой соседа, и в то же время все они могут издали видеть хищных птиц. Это возможно только благодаря очень быстрой переработке информации и способности ею обмениваться. Важный характерный признак самоорганизации заключается в отсутствии скворца-вожака, который делал бы стаю целеустремленной структурой.

Огромная стая скворцов. Пример самоорганизации. Фото: Jouke Altenburg

Также и предпринимательство начинает видеть преимущества самоорганизации: девизом его становится больше горизонтальной и меньше вертикальной организации. Сотрудники насколько возможно организуют работу сами, без понукания сверху. Планирование, управление, включая относящееся к делу взаимное согласование, выполнение и оценка результата работы не зависят от центрального руководства, но опираются на собственную инициативу. Сейчас уже существуют успешные предприятия, работающие без менеджеров. Локально нести ответственность – это прекрасно. Но если работаешь в большом международном предприятии с многочисленными филиалами во многих странах, тогда, конечно, необходимо центральное руководство. Но оно должно было бы ограничиваться крупными стратегическими решениями. Наш мозг понял это миллионы лет назад.

Наш мозг слишком сложен, чтобы развиваться исключительно на основе генетической информации или функционировать на основе контроля только из одной его области. Мозг развивается как комплексная самоорганизующаяся система, и так он продолжает функционировать в течение всей нашей жизни. Это означает, что в период развития поиск наилучших решений для формирования сложной нейронной сети происходит насколько возможно локально. В мозге присутствуют важнейшие ингредиенты для самоорганизации:

(I) Сеть клеток мозга чрезвычайно сложна.

(II) Между участками мозга возможна молниеносная коммуникация.

(III) На основании опыта возникают изменения в локальных сетях, таким образом происходит обучение.

(IV) Наивозможно большее число процессов делегируется на нижний уровень, так что в нашем мозге на локальном уровне многое регулируется и решается автоматически и, следовательно, бессознательно.

(V) Нет центра, который непрерывно, в деталях, наблюдает и регулирует все локальные процессы.

Недостаток этой локальной организации состоит в том, что мозг не имеет постоянного детального обзора ни того, что разыгрывается в различных его областях, ни того, каковы там функциональные связи. Поэтому мозг может быть не осведомлен о проблемах в функционировании определенных систем. В случае деменции или нарушений психики пациенты часто не имеют представления о своем заболевании. Они иногда думают, что у них все прекрасно функционирует и что проблемы не с ними, а с их окружением. Мы называем это анозогнозией.

Если мозг функционирует хорошо и если с необходимостью возникает новая или чрезвычайная ситуация, когда все системы мозга должны реагировать скоординированно, «высшая» система мозга – префронтальная кора – берет на себя принятие стратегических решений. Тогда могут быть задействованы все системы ради одной цели: выжить. Когда же эта ситуация миновала, различные функции снова делегируются на локальный уровень.

В точке E (см. ил. 6) видна пирамидная клетка. Древообразная структура над телами клеток – дендриты. Сюда поступает и перерабатывается информация от тысяч других клеток. В каждом узелке на дендрите находится клеточный контакт, синапс. От тела клетки вниз отходит отросток, аксон. По аксону пирамидная клетка направляет свое решение о поступившей в нее информации тысячам других клеток. Подобно этому рисунку, Кахаль подправлял белой краской свои рисунки пером, оригиналы которых можно видеть в Институте Кахаля в Мадриде, Испания.

Кахаль – испанский врач и гистолог, он исследовал под микроскопом связи клеток головного мозга и тщательно их зарисовывал.

В восьмилетнем возрасте, как он сам писал, у него пробудилась страсть к рисованию. Он держал ее в тайне, потому что его родители считали это занятие пустой тратой времени. В школе он прятался в темный угол, потому что с большим успехом – по крайней мере среди соучеников – рисовал карикатуры на учителей. Его отец даже взял сына на один год из школы и отдал учиться на парикмахера, чтобы отвадить от рисования. В конце концов свою страсть к рисованию Кахаль смог прекрасно сочетать с изучением мозга.

Рисунки Кахаля невозможно повторить с помощью фотографии. Они представляют собой компиляции, где в правильную структуру сведены фрагменты многолетних исследований. Кахаль пользовался окрашиванием по улучшенному методу Гольджи, когда окрашивается только одна из тысячи клеток мозга, но, будучи окрашена, она видится полностью. Метод был разработан итальянским врачом Камилло Гольджи (1843–1926). За свои открытия Кахаль совместно с Гольджи в 1906 году получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине. Кахаль показал, что нервная система состоит из независимых нейронов, которые сообщаются между собой посредством специализированных синапсов. В своей нобелевской лекции и вплоть до своей кончины Гольджи оспаривал наблюдения Кахаля; он утверждал, что нервная система представляет собой непрерывную сеть, состоящую из сообщающихся клеток. Кахаль, однако, был прав: клетки нервной системы – независимые единицы. Его вывод в конечном счете сводился к тому, что превосходство человеческого мозга объясняется беспрецедентным количеством и богатством форм нервных клеток с короткими аксонами, образующих локальные сети в коре головного мозга.

2. Соревнование за лучшие контакты: нейрональный дарвинизм

Cells that fire together wire together[4 - Клетки, которые совместно возбуждаются, связываются друг с другом (англ.).].

    Доналд Хебб (1949)

Из-за невообразимо огромного числа клеток мозга и возникающих между ними контактов в ходе развития мозга важную роль играют принципы самоорганизации. Поэтому всякий мозг – даже при наличии одного и того же генетического фона – в ходе развития становится уникальным. В нем формируется сеть из миллиардов нейронов, каждый из которых посредством синапсов контактирует с другими нейронами, число которых может быть от 1000 до 100 000. Эта предельно сложная сеть не может быть генетически запрограммирована через синапсы. Генетический фон дает в общих чертах инструкции для структуры мозга и задает правила процесса локальной самоорганизации. Детали восполняются потом через локальное функционирование клеток мозга в процессе развития.

В процессе развития формируется избыточное количество клеток, волокон и контактов. Позднее возникает конкуренция, в ходе которой побеждают соединения, которые лучше функционируют. И опять-таки главную роль в развитии клетки мозга играет ее окружение. Сначала спонтанная электрическая активность в сети нервных клеток возникает локально. На более поздней стадии электрическая активность определяется информацией, поступающей от нашего тела и через наши органы чувств из внешнего мира, – той, что передается через спинной мозг, а также визуальной информацией – через зрение и звуковой – через слух.

Под влиянием электрической активности в процессе развития с большой точностью выстраиваются связи между областями и клетками мозга. Если клетки находятся в интенсивном электрическом контакте друг с другом, этот контакт закрепляется. При возникновении в контактах электрической активности выделяются химические передатчики, воздействующие на клетку, с которой произошел контакт. Клетки, которые возбуждаются друг от друга (то есть становятся электрически активными), формируют связи друг с другом. Если контакт слабый, он исчезнет, а затем исчезнут также причастные к нему клетки мозга. Впрочем, смерть клетки – это нормальный процесс в ходе развития мозга. Иными словами, survival of the fittest [выживает сильнейший]. Мы производим впятеро больше клеток мозга, чем то количество, которым в итоге располагаем; этот процесс называют нейродарвинизмом.

Впоследствии неоптимально функционирующие и излишние контакты обрезаются. В конечном счете остающиеся связи в мозге оцениваются более чем в миллион километров волокон – число настолько большое, что случайности при их формировании не могут не приводить к возникновению индивидуальных различий. Группы клеток мозга, во время развития соединяющиеся друг с другом, лишь приблизительно находят друг друга с помощью генетических программ, использующих химические передатчики; затем, когда начинают функционировать, они уже точно устанавливают свои связи. Активность клеток мозга влияет на формирование связей и, следовательно, на развитие мозга; связанные друг с другом структуры продолжают совместно функционировать также в процессах обучения, мышления и воспоминания.

Это не означает, что наш мозг железобетонный. Небольшие повреждения или нарушения в развитии могут многократно ремонтироваться, но степень восстановления зависит от серьезности нарушения и от возраста человека. Чем моложе мозг, тем больше его пластичность. Впоследствии пластичность на микроуровне все еще сохраняется.

3. Критические фазы развития: теперь или никогда

На базе генетического фона и в процессе нейронального дарвинизма у ребенка во время эмбрионального развития и после рождения формируются системы мозга. В качестве примера того, как проходит этот процесс, мы можем проследить формирование системы, посредством которой мы получаем возможность видеть (см. главу VII).

Нейроны (клетки мозга), которые создаются в самой сердцевине мозга, вокруг желудочков мозга, получают генетическое задание стать клетками определенного типа. Затем они ползут, подобно гусеницам пяденицы, по волокнам глиальных клеток в первичную зрительную кору (глава V.1) и там дифференцируются. Глиальные клетки раньше считали вспомогательными клетками для нейронов, но оказалось, что они играют весьма активную роль при развитии мозга и при передаче химических сигналов. Затем нейроны посредством химических сигналов привлекают волокна клеток из таламуса от латерального коленчатого тела (corpus geniculatum lateralis), которые здесь получают и обрабатывают информацию, поступающую от сетчатки глаза.

Когда контакты между выросшими волокнами и клетками коры сформированы, электрическая активность, возникающая благодаря зрению, необходима для созревания и поддержания характерной структуры зрительной коры. Система должна «научиться видеть» в течение очень чувствительного – критического – периода развития после рождения ребенка. Люди, родившиеся с непрозрачным хрусталиком (врожденная катаракта) и получившие новый хрусталик после этого критического периода развития, уже не могут научиться видеть. Если ребенок косит и для «ленивого глаза» не позаботились о необходимой активации клеток мозга в течение критического периода развития зрительной коры, то она уже не будет реагировать на информацию от «ленивого глаза». Поэтому у ребенка с косоглазием здоровый глаз временно закрывают повязкой, так что «ленивый глаз» оказывается вынужден посылать информацию в зрительную кору, и эта функция зрительной коры не утрачивается.

И наоборот: связи, если они однажды уже сформированы в течение критической фазы развития, остаются стабильными до конца жизни. Каждая область мозга – и внутри ее каждый вид клеток – имеет иную критическую фазу, в течение которой может иметь место нормальное развитие мозга. Области мозга, важные для нашей гендерной идентичности (то есть ощущения себя мужчиной или женщиной) и для нашей сексуальной ориентации, программируются еще до рождения (глава IV.1), а области мозга и системы, с помощью которых мы учимся говорить на родном языке, после рождения (главы VI.2, VI.3).

4. Химические вещества и развитие мозга: функциональная тератология

Медицина достигла такого развития, что уже не осталось почти ни одного здорового человека.

    Олдос Хаксли