Как мы учимся. Почему мозг учится лучше, чем любая машина… пока - Станислас Деан

Другая группа исследователей применила несколько иную стратегию: они активировали исходную группу нейронов и одновременно ослабляли синапсы, которые их связывали. На протяжении нескольких дней мышь не проявляла ни малейших воспоминаний о первоначальной травме112.

Следуя той же логике, французский исследователь Карим Бенченан успешно внедрил новое воспоминание в мозг спящей мыши113. Всякий раз, когда животное засыпает, нейроны в его гиппокампе самопроизвольно реактивируют воспоминания о предыдущем дне – особенно о местах, где оно побывало (более подробно мы поговорим об этом явлении в главе 10). Решив воспользоваться этим обстоятельством, Бенченан подождал, когда мозг спящей мыши реактивирует нейроны, связанные с определенной локацией в клетке, а затем сделал ей инъекцию дофамина, нейротрансмиттера удовольствия. И – о чудо! – как только мышь проснулась, она со всех лап побежала к этому месту! Таким образом, изначально нейтральная локация за ночь приобрела совершенно иное значение – столь же притягательное, как сладость Прованса или место, где мы впервые влюбились.

Другие эксперименты на животных позволили ученым имитировать воздействие школьного обучения на мозг. Что происходит, когда обезьяна осваивает буквы, цифры или новый инструмент?114 Японский исследователь Ацуси Ирики показал: обезьяна может научиться пользоваться граблями и с их помощью доставать пищу, до которой нельзя дотянуться рукой. После нескольких тысяч попыток животное ни в чем не уступало опытному крупье в казино: ему требовалось всего несколько десятых долей секунды, чтобы сгрести угощение одним движением запястья. Обезьяна даже сообразила, как с помощью грабель среднего размера притянуть к себе вторые, более длинные грабли и добраться до пищи, расположенной гораздо дальше от клетки! Данный тип научения – овладение инструментом – вызвал целый каскад изменений в мозге. Прежде всего увеличилось потребление энергии в передней теменной области – зоне, которую люди используют, чтобы контролировать движения рук, писать, хватать предметы, пользоваться молотком или плоскогубцами. Это сопровождалось экспрессией новых генов, усилением синаптических связей и активным ветвлением дендритных и аксонных деревьев. Все это привело к 23-процентному утолщению коры. Кардинальным изменениям подверглись целые пучки связей: аксоны нейронов, расположенных на достаточном удалении, на стыке с височной корой выросли на несколько миллиметров и захватили часть передней теменной области, которая ранее не имела контактов с этими клетками.

Изменения, перечисленные выше, – отличная иллюстрация проявлений нейропластичности во времени и пространстве. Повторим основные моменты. Итак, в нашем мозге активируется группа нейронов, кодирующих событие или понятие, которое мы хотим запомнить. Как же сохраняется эта информация? У нас есть синапс, микроскопическая точка контакта между двумя нейронами. Его сила увеличивается, когда два нейрона возбуждаются в короткой последовательности друг за другом – это знаменитое правило Хебба: нейроны, которые срабатывают вместе, связываются друг с другом. Синапс, ставший сильнее, подобен фабрике, которая увеличивает свою производительность: он набирает больше нейротрансмиттеров на пресинаптической стороне и больше рецепторных молекул на постсинаптической стороне. Разумеется, чтобы вместить их все, он увеличивается в размерах.

По мере того как нейрон учится, меняется и его форма. В том месте дендрита, где располагается синапс, образуется грибовидная структура под названием «дендритный шипик». При необходимости появляется второй синапс, дублирующий первый. Другие синапсы, которые образует тот же нейрон, тоже усиливаются115.

Таким образом, при пролонгированном научении меняется сама анатомия мозга. Благодаря последним достижениям в микроскопии – в частности, двухфотонным микроскопам, основанным на лазерах и квантовой физике, – можно непосредственно увидеть, как, подобно деревьям весной, растут синаптические и аксонные терминали. В совокупности дендритные и аксональные изменения могут быть весьма существенными – порядка нескольких миллиметров. В этом случае их можно обнаружить с помощью МРТ. Овладение навыками игры на музыкальном инструменте116, чтения117, жонглирования118, даже вождения такси в большом городе119 приводит к заметному утолщению коры и усилению связей, соединяющих ее различные области: «пропускная способность» магистралей мозга тем выше, чем чаще мы ими пользуемся.

Синапсы – это лучший пример научения, но отнюдь не единственный механизм изменений в мозге. Когда мы учимся, формирование новых синапсов заставляет нейроны отращивать дополнительные ветви как на аксонах, так и на дендритах. На приличном удалении от синапса аксоны окружают себя специальной оболочкой – миелином. Миелин похож на клейкую ленту, которая используется для изоляции электрических проводов. Чем больше используется аксон, тем больше слоев содержит эта оболочка и тем выше изоляция, что позволяет передавать информацию с большей скоростью.

Помимо нейронов, в игре под названием «научение» участвуют и другие клетки. В процессе научения трансформируется вся окружающая среда, включая глиальные клетки, которые питают и лечат нейроны. Меняется даже сеть вен и артерий, снабжающих их кислородом, глюкозой и питательными веществами. В конце концов модификациям подвергаются не только сами связи, но и поддерживающая их инфраструктура.

Некоторые исследователи не согласны с тем, что синапсы суть необходимые акторы всякого научения. Последние данные показывают, что клетки Пуркинье – особые нейроны, локализованные в мозжечке, – могут запоминать временные интервалы и что синапсы не играют в этом процессе никакой роли: данное явление, по-видимому, носит сугубо внутриклеточный характер120. Вполне возможно, что измерение времени, на котором специализируется мозжечок, сохраняется в памяти с помощью другого механизма, приобретенного нами в ходе эволюции и не основанного на синапсах. Предполагается, что каждый мозжечковый нейрон абсолютно самостоятельно может хранить несколько временных интервалов – вероятно, благодаря стабильным химическим изменениям в своей ДНК.

В рамках другого направления исследований ученые пытаются выяснить, какую роль играют синаптические и прочие изменения в наиболее сложных типах научения, на которые только способен человеческий мозг. Прежде всего речь идет, разумеется, о научении, основанном на «языке мышления» и быстрой рекомбинации существующих понятий. Как мы уже видели, традиционные модели искусственных нейронных сетей обеспечивают более или менее правдоподобное объяснение того, как миллионы изменяющихся синапсов позволяют нам распознавать числа, объекты или лица. Однако до сих пор не существует по-настоящему удовлетворительной модели того, каким именно образом синаптические изменения содействуют овладению речью или усвоению математических понятий. Переход от синапсов к символическим правилам, которые мы изучаем на уроках математики, до сих пор остается загадкой. Посему я призываю всех мыслить открыто: пока мы еще очень далеки от полного понимания биологических кодов, с помощью которых наш мозг хранит воспоминания.

Несомненно одно: когда мы учимся, в нашем мозге происходят масштабные биологические трансформации. Меняются не только каркасы из дендритов и аксонов всех задействованных нейронов, но и окружающие их глиальные клетки. Все эти преобразования требуют времени. Каждый учебный опыт влечет за собой целый каскад биологических изменений, которые могут занять несколько дней. Экспрессия многочисленных генов, отвечающих за пластичность, заставляет клетки вырабатывать белки и мембраны, необходимые для образования новых синапсов, дендритов и аксонов. Этот процесс чрезвычайно энергоемкий: мозг маленького ребенка потребляет до 50 процентов энергетического баланса организма. Глюкоза, кислород, витамины, железо, йод, жирные кислоты – без этих и многих других питательных веществ рост мозга невозможен. Мозг питается не только интеллектуальной стимуляцией. Чтобы создавать и разрушать несколько миллионов синапсов в секунду, ему требуется сбалансированное питание, кислород и физические упражнения121.