Известно, что растут только те мышцы, которые мы тренируем. Как мы знаем, так же обстоит дело и с головным мозгом. И хотя при интенсивном его использовании увеличивается размер не всего головного мозга, а его отдельных участков, происходящие процессы очень похожи: нейроны — клетки серого вещества в нашем головном мозге — обрабатывают информацию в форме электрических импульсов. Через нервные волокна, на концах которых находятся так называемые синапсы, импульсы передаются от одной нервной клетки к другой.
Сегодня каждый школьник знает, как через синапс посредством особых химических веществ (медиаторов) электрический импульс (так называемый потенциал действия) передаётся от одной нервной клетки к другой. Для того чтобы воспринять химический сигнал медиатора от клетки, передающей нервный импульс, «принимающая» клетка имеет специальные рецепторы. В макромолекулах этих рецепторов в свою очередь открываются ионные каналы, по которым в клетку начинают поступать частицы с определённым зарядом — ионы.
Всё это очень интересно. Однако ещё интереснее то, чего в школе не проходят: значение этих процессов! Ибо импульс можно было бы передавать и без химического переноса, непосредственно от нейрона к нейрону. Это гораздо быстрее и намного эффективнее, так как потребовало бы меньших затрат драгоценной энергии.
Зачем же нужны синапсы? Это вопрос не праздный, так как головной мозг человека, ваш головной мозг, содержит около 100 миллиардов нервных клеток, из которых каждая имеет до 10 тысяч соединений с другими нервными клетками. Количество этих соединений — синапсов — в вашем головном мозге составляет, таким образом, примерно миллион миллиардов! Можно просто отметить для себя — очень-очень много!
Перенос нервных импульсов через синапс происходит за счёт того, что при поступлении импульса (слева) маленькие пузырьки в утолщении на конце нервного волокна, содержащие медиаторы, соединяются со стенкой волокон (в середине), за счёт чего медиатор высвобождается и в свою очередь причаливает к рецепторам клетки, готовой принять импульс (справа).
Перед вами нервная клетка под электронным микроскопом. Отростки, которые вы видите, проводят к телу нервной клетки электрический импульс химическим путём.
А это фотография нейрона, сделанная с помощью оптического микроскопа.
Однако этот снимок не показывает, как нервная ткань выглядит в действительности. Почему? Попытку сфотографировать отдельный нейрон можно сравнить с желанием фотографа запечатлеть в густых непроходимых джунглях одно-единственное дерево. Он отступает на пару шагов, чтобы взять его в кадр… но перед лицом фотографа тут же смыкаются ветви и листья других деревьев. Нужное дерево исчезло, скрытое буйно разросшимися соседними растениями. То же самое происходит и в головном мозге. Там нет единичных нейронов, как на этой иллюстрации. Здесь в нейрон ввели флуоресцентный краситель, а затем подсветили специальной лампой. Поэтому все остальные соседние нейроны (и прежде всего 10 000 соединённых с ним волокон) на этом снимке не видны и не перекрывают изображение.
Следы памяти
Итак, почему природа создала синапсы? Нейробиология имеет чёткий ответ на этот вопрос: потому что синапсы постоянно изменяются в зависимости от того, используют их или нет. И хотя, в отличие от мускулов, которые зримо увеличиваются в результате интенсивных упражнений, рост головного мозга после длительного умственного тренинга увидеть нельзя, в нём тоже происходят заметные изменения. Синапсы становятся толще, если их нагружают; если ими не пользуются, они хиреют и в конце концов отмирают.
Синапсы изменяют свой размер, если им дают нагрузку. Слева представлен синапс, через который раньше передавалось мало электрических импульсов. Соответственно, размер его невелик. Через синапс справа проходило много импульсов, поэтому он заметно увеличился.
То, как синапсы постоянно появляются, перестраиваются, исчезают и возникают вновь, очень отчётливо показывают исследования головного мозга, проведённые в последние годы.
На рисунке ниже показано возникновение новых синапсов благодаря интенсивному приобретению новых знаний, начатому и продолженному в течение нескольких дней. Сначала мы видим обычное состояние синапсов до начала интенсивного обучения. Однако за несколько дней усиленного умственного труда в клетках мозга образовались новые синапсы (на них указывают чёрные стрелки), а уже имеющиеся исчезли (белые стрелки). Если мы учимся, то, начиная с девятого дня, образуется всё больше новых синапсов. Это особенно заметно на рисунках, выделенных пунктирной рамкой: здесь показано количество вновь появившихся синапсов на 12-й и 16-й день.
Благодаря умственной деятельности головной мозг изменяется постоянно.
Новые клетки в старом головном мозге
Долгое время в нейронауке считалось догмой, что человеческие нервные клетки уже при рождении полностью сформированы. Существовало твёрдое убеждение, что новые нервные клетки не образуются, зато ежедневно какое-то их количество отмирает. Меня это так беспокоило, что много лет назад я решил проверить широко распространённую «народную мудрость», гласившую, что каждый день отмирает примерно 10 000 нервных клеток. Если исходить из того, что всего нервных клеток около 100 миллиардов и что ежедневно отмирают 10 000 нервных клеток, то простой расчёт показывает, что при таких исходных данных человек в возрасте 70 лет утратил бы 1,3 % своих нервных клеток. Эта цифра меня полностью успокоила.
С некоторых пор мы можем быть ещё спокойнее: в течение 1990-х годов появилось большое количество доказательств тому, что у мышей и крыс на протяжении всей жизни вырастают новые нервные клетки; ранее это было известно только о певчих птицах.
В середине 1990-х гг. в среде нейробиологов разгорелся ожесточённый спор о том, возникают ли новые нервные клетки у взрослых людей. Спор этот принёс плоды, так как породил целый ряд исследований, которые смогли прояснить суть дела: в коре головного мозга у взрослых людей новые нервные клетки не вырастают; зато в гиппокампе – отделе головного мозга, отвечающего за закрепление воспоминаний, когда они из кратковременной памяти переходят в долговременную, а также за создание эмоций и пространственную ориентацию — нервные клетки очень легко отмирают, но, с другой стороны, именно здесь растут новые нервные клетки (прямо сейчас, например, у вас!).
Почему же рост головного мозга происходит в самых разных его участках, если новые нейроны вырастают только в гиппокампе? Да потому что рост головного мозга и рост новых нейронов — не одно и то же. Участки коры головного мозга растут вследствие соответствующей тренировки, но дополнительные нейроны при этом не образуются — больше становятся уже существующие нейроны: места их соединений с другими нервными клетками становятся толще; увеличиваются и разветвления древоподобных отростков. Таким образом, рост участка коры головного мозга не означает, что возникли новые нейроны, а говорит о том, что изменились уже имеющиеся.
Совсем другие процессы происходят в гиппокампе. Там нервные клетки постоянно работают с полной нагрузкой и потому чаще всего отмирают, если добавляется дополнительная нагрузка (например, стресс). Взамен вырастают новые нервные клетки. Эксперименты с крысами, в частности, показали, что в гиппокампе каждый день образуется от 5000 до 10 000 нервных клеток. Относительно гиппокампа человека, к сожалению, до сих пор нет никаких цифр, однако вряд ли они окажутся меньше, чем у крысы.
Недавно учёные смогли доказать, что эти вновь образовавшиеся нервные клетки особенно легко обучаемы. Можно, конечно, сказать: «Ну и что, они же пока ничему и не научились, зато они молоды и свежи». Однако всё не так просто. Ни в коем случае нельзя утверждать, что вновь образованные нервные клетки сразу же включаются в работу, потому что для этого им надо успеть выстроиться в существующую сеть. Компьютер на моём рабочем столе тоже не станет работать быстрее, если я как попало вставлю пару микросхем. Дополнительные компоненты системы обработки данных можно использовать, только надлежащим образом соединив их с уже имеющимися. Точно так же обстоит дело и с вновь образующимися нервными клетками. Одно лишь наличие их в головном мозге ещё ничего не даёт, потому что новые клетки надо сначала объединить в сеть с уже существующими. Только тогда они могут внести вклад в работу всей системы.
Как показали последующие исследования, включение в существующие нейронные сети — это предпосылка к выживанию новообразованных нейронов. Если их не встроить, то через несколько недель они отмирают.
Как же происходит это встраивание? С помощью тщательно проведённых экспериментов удалось доказать, что включение вновь образовавшихся нервных клеток в сеть происходит благодаря именно тому виду деятельности, для которого они, собственно, и созданы: благодаря обучению. Однако для того чтобы новые нейроны успешно встроились в сеть, учиться надо отнюдь не чему-то простому: вновь образовавшиеся нервные клетки нуждаются в действительно серьёзной нагрузке, в сложных задачах. Исследования, проведённые с крысами, смогли доказать, что простые учебные задания не предотвращают отмирания вновь образовавшихся нервных клеток в гиппокампе, зато более сложные задания с успехом помогают этому процессу. То есть новые нервные клетки сразу после их «рождения» надо как следует нагружать, и только тогда они выживут!
Несколько лет назад стало известно, что у крыс новые нервные клетки вырастают в больших количествах, если животные имеют возможность двигаться, например, в беговом колесе. Это открытие важно и для людей. Пациенты часто спрашивают меня, что же можно сделать, чтобы и в пожилом возрасте сохранить умственную работоспособность. Ответ часто удивляет пациентов: «Забудьте о кроссвордах и судоку — лучше бегайте трусцой!» Ибо современные исследования головного мозга показывают: лучший вид джоггинга для головного мозга — просто-напросто обычный джоггинг. Однако когда новые нервные клетки сформированы, повторения имеющихся знаний недостаточно для того, чтобы сохранить им жизнь. Для этого необходимо обучать их чему-то действительно трудному.
Что же это за трудные задания, которые, судя по всему, позволяют выжить новым нервным клеткам? Речь идёт даже не о том, чтобы воспроизводить выученное наизусть. Это слишком легко. Здесь необходимы задания, при которых надо выбирать линию поведения в определённых обстоятельствах, на основании постоянно поступающих данных различного рода и в соответствии со знаниями, приобретёнными в прошлом. Так мы осмысленно планируем будущее на базе прежнего опыта, ранее полученных представлений об окружающем мире и всего того, что мы воспринимаем в данный момент, к примеру, пищу или врага. Только тот, кто правильно планирует, достигнет верного результата.
Если немного поразмыслить, то станет ясно, что именно так мы, люди, поступаем каждый день: у нас есть наш опыт, мы ориентируемся в собственном окружении и справляемся с требованиями и перипетиями судьбы в нашей повседневной жизни. В частности, мы постоянно имеем дело с другими людьми; мы должны оценивать ситуацию, принимать решения и действовать и при этом постоянно сопоставлять свои действия с действиями других. Мы должны планировать и снова отбрасывать планы, заключать соглашения, придерживаться их и делать многое другое. Именно это — жизнь во всём её многообразии — поддерживает жизнь наших нервных клеток, которые только что народились. Короче говоря, вместо кроссвордов и судоку займитесь лучше вашим внуком. А если у вас внуков нет, возьмите одного взаймы.
Эти взаимные связи можно было выяснить ещё точнее (опять на примере экспериментов с крысами): с помощью радиоактивного облучения исследователи подавляли образование новых нервных клеток в гиппокампе. Животные, подвергнутые такому облучению, вполне осиливали простые процессы обучения, однако с более сложными они не справлялись. Учёная-нейробиолог Трейси Шорс (США), которая вместе с Элизабет Гоулд внесла большой вклад в описываемое здесь открытие, пишет:
«В целом базальные (базовые) способности к обучению у крыс, гиппокамп которых был искусственно лишён возможности воспроизводить новые нейроны, нарушены не были. Однако животные испытывали трудности с изучением новых связей. Например, так и не удалось сформировать у животных условный рефлекс, когда определённый звук раздаётся за полминуты до того, как произойдёт подача в клетку еды. Поэтому мы думаем, что новые нейроны необходимы для процессов обучения только тогда, когда они используются во вполне определённых ситуациях, требующих определённого умственного усилия. С биологической точки зрения этот вид специализации нервных клеток имеет большой смысл: для того чтобы обеспечивать базальные функции выживания, подопытным животным было достаточно малого количества "старых" клеток в гиппокампе, то есть в новых клетках они не нуждались; но как только ситуация потребовала от них воспринять дополнительные навыки, мозг животного испытал нехватку новых нейронов и в результате не справился с поставленной задачей. Вывод такой: как только в гиппокампе вызревают "свежие"клетки, мозг торопится использовать их для того, чтобы развивать и совершенствовать уже имеющиеся способности. На языке психологии это явление называется обучаемость».
Какое значение это имеет для человека? Что произойдёт, если у человека прервать процесс образования новых нервных клеток?
Пациенты с раковыми заболеваниями, которые проходят химиотерапию, получают сильнодействующие медикаменты, подавляющие образование новых клеток. Это препятствует росту опухоли, но, к сожалению, сдерживает и образование совершенно нормальных новых клеток. Это затрагивает не только волосы (которые при химиотерапии выпадают) или желудочно-кишечный тракт (который при химиотерапии часто страдает), но и гиппокамп. Не случайно, что пациенты, которые должны проходить химиотерапию, страдают когнитивными нарушениями. Они испытывают большие проблемы с памятью, снижение способности к сосредоточению, затруднения в подборе слов, трудности при обучении. При этом пациенты обладают простейшими навыками, которые позволяют им жить и выживать. Однако если речь идёт о сложных, новых для них задачах, когнитивный дефицит становится очевидным.
Вывод
Для того чтобы всегда оставаться на высоте и не терять высокой умственной работоспособности, как и обычные мускулы, мозг необходимо тренировать. Умственная тренировка — обучение новому — происходит сама собой, когда мы прилагаем умственные усилия. Это происходит каждый раз, когда мы активно действуем в окружающем мире.
В процессе обучения синапсы — соединения между нервными клетками — активно и быстро изменяются. Работоспособность головного мозга повышается. Вдобавок к этому в гиппокампе, который отвечает за запоминание новых сведений, нарождаются новые нервные клетки, выживающие только тогда, когда их по-настоящему нагружают. Ясно одно: насколько велика наша умственная работоспособность, зависит от того, сколько умственных усилий мы совершаем.
Именно поэтому в следующих главах речь пойдёт о молодых людях и их образовании. По единодушному мнению медиков, образование — самый важный фактор для здоровья человека. Это утверждение верно, когда речь идёт и об умственном, и о физическом здоровье. А поскольку они взаимосвязаны, то образование даёт двойной эффект. Более того, образование делает человека свободным, потому что образованная личность имеет возможность влиять на окружающий мир, а не наоборот.
Сегодня много говорят о том, что учиться человек может и должен на протяжении всей своей жизни. При этом в большинстве случаев упускают из виду, что надёжную основу для умственного развития нужно закладывать в детские и юношеские годы. Эта основа — хорошее образование.