Обогащение и обеднение среды

Существует реальная опасность, что термин «пластичность» изживает себя, так как он предполагает сходство или даже идентичность механизмов таких разных явлений, как посттравматическая нормализация, последствия недостаточного питания или гормонального дисбаланса и даже сам феномен памяти, которые на самом деле не имеют ничего общего. Тем не менее, если память с позиций бихевиоризма является специальным случаем последствий индивидуального опыта, то по аналогии действующие в мозгу механизмы памяти могут быть особым случаем пластичности нервной системы. Эта мысль лежала в основе экспериментального исследования, предпринятого в пятидесятые годы психологом Марком Розенцвейгом, биохимиком Эдом Беннетом и анатомом Мэриан Даймонд в Беркли (Калифорния) для изучения влияния разных условий содержания на строение мозга молодых крыс. Согласно первоначальному плану эксперимента (который с годами несколько изменялся в результате включения иных видов контроля), некоторых крыс содержали в условиях изоляции, в отдельных клетках, где они получали обильный корм, но не могли контактировать с другими особями и подвергались минимальному воздействию внешних раздражителей (постоянное слабое освещение, непрерывный слабый «белый шум» и т. п.). Крысы второй группы жили все вместе в больших клетках с разнообразными «игрушками» и в ранних экспериментах проходили тренировку для выполнения разнообразных заданий. Первую группу называли «обедненной», а вторую «обогащенной», хотя такое обозначение носит, разумеется, относительный характер. Сравнивая жизненные условия лабораторных животных с жизнью их диких сородичей, лучше было бы называть их «сравнительно обедненными» и «сильно обедненными».

Коллектив исследователей из Беркли показал, что через несколько недель после содержания крыс в описанных условиях их мозг различался по ряду характерных признаков. Обычно у животных «обогащенной» группы кора мозга была заметно толще, в отдельных ее областях увеличивалось количество синапсов и содержание многих ферментов, особенно участвующих в синтезе и расщеплении веществ, передающих сигнал через синапсы от одной нервной клетки к другой. Сейчас эти данные не вызывают удивления, но в свое время они вызвали большой интерес, отчасти потому, что были результатом новой для того времени комплексной программы с участием известного психолога и двух нейробиологов. Резонанс этого исследования был тем более значителен, что по крайней мере в тот период в американской нейробиологической традиции преобладало убеждение, что специфичность явно доминирует над пластичностью и что структуры мозга с трудом поддаются изменению факторами окружающей среды и приобретаемым опытом. В течение двух последующих десятилетий ученые совершенствовали методику исследования и показали, что относительно короткие периоды обогащения среды могут вызывать сходные сдвиги даже у взрослых животных; удалось также более точно оценить происходящие при этом анатомические изменения. Стало ясно, что условия жизни могут влиять на структуру и биохимию мозга [2].

Тем не менее проблема интерпретации результатов была решена не полностью, поскольку формы приобретаемого крысами опыта были чрезвычайно разнообразны, от совершенно очевидных до скрытых и трудно уловимых как на уровне поведения, так и на клеточном уровне. Может быть, наблюдавшиеся изменения были следствием более тесных контактов между особями «обогащенной» группы, влиявших на их гормональный статус? Или крысы «обедненной» группы испытывали сильнейший стресс в условиях изоляции? Действительно ли «обогащенные» животные больше получали в процессе обучения, чем «обедненные», и если так, то каким образом измерить это различие? Если нужно ответить на вопрос о причинах наблюдавшихся изменений, то нельзя планировать эксперимент, основанный исключительно на противопоставлении «обогащенности» и «обедненности», чтобы выяснить, какие аспекты сложной комбинации внешних факторов наиболее существенны для формирования изменений мозга. Несмотря на все усилия исследователей из Беркли найти объяснение наблюдавшимся явлениям, проблема остается нерешенной из-за явной ограниченности их подхода, поскольку речь идет о более специфических аспектах памяти, а не просто о диапазоне пластичности. Необходимо найти лучше поддающийся контролю и менее ограниченный способ модификации опыта.

Свет и темнота

Более специфичный методический подход состоит в ограничении сенсорных воздействий на животных в период развития. Вероятно, легче всего наблюдать влияние зрительных раздражителей, сравнивая, например, последствия выращивания животных на свету и в темноте или разных видов зрительной стимуляции. На этом основывался мой собственный первый окольный подход к исследованию памяти, описанный в главе 3, когда я пытался выяснить, что происходит в зрительной коре крыс при первом воздействии света. Из того же исходило большинство других исследователей, изучавших эти вопросы на протяжении двух последних десятилетий. Зрительная система — очень привлекательная модель, так как ею сравнительно легко манипулировать: выращивать животных в темноте или при слабом освещении гораздо проще, чем в условиях изоляции от звуков или запахов. Однако некоторые исследователи пытались ограничить или регулировать воздействие других раздражителей, в частности обонятельных, изменяя «запаховую среду» для развивающихся животных. Технически это труднее, зато, вероятно, более биологично при работе с такими животными, как мыши или крысы, которые гораздо больше полагаются на обоняние, чем на зрение.

Эксперименты такого типа чаще всего проводят физиологи, а не биохимики. Объектом обычно служат котята, так как кошки широко пользуются зрением, а рождаются с сильно недоразвитыми мозгом и зрительной системой. Примерно первые три недели жизни до и после открытия глаз составляют «критический период» для развития зрительных проводящих путей. В шестидесятых годах Ричард Хелд и его сотрудники показали, что при содержании котят в этот период в полной темноте их зрительная система должным образом не развивается; котята видят, но не способны координировать свои движения, пользуясь зрением, обходить препятствия или различать глубину. Полная темнота не обязательна: сходный эффект, хотя и не столь выраженный, можно получить, надев на растущего котенка большой бумажный воротник, не позволяющий ему видеть собственное тело [3].

Как выяснилось, наряду с этими глубокими дефектами поведения отмечаются и нарушения в организации мозговых структур. Колин Блейкмор, работавший в Кембридже (а потом в Оксфорде), впервые показал, что если котят выращивать в условиях, где единственным сложным зрительным стимулом будет рисунок из вертикальных белых и черных полос, то зрительная кора приобретет повышенную чувствительность к вертикальным линиям, но практически не будет реагировать на горизонтальные. Иными словами, под влиянием сенсорного опыта в период развития котят характер связей в их зрительной системе изменяется таким образом, что количество клеток, реагирующих на часто воздействующие стимулы (вертикальные полосы) возрастает, а доля клеток, чувствительных к редким стимулам (горизонтальным полосам) уменьшается. В последующих экспериментах было использовано то обстоятельство, что большинство нейронов зрительной коры получает и реагирует на сигналы от обоих глаз, правого и левого. Если же во время критического периода мозг будет получать сигналы только от одного глаза (другой можно, например, закрыть кусочком пластыря), нейроны зрительной коры перестроятся так, что станут отвечать практически только на сигналы от открытого глаза. Такой подход применили для демонстрации выраженной способности зрительной системы к так называемой самоорганизации, зависимой от активности. Имеется в виду то, что отбор синапсов, которые будут закреплены или, наоборот, разрушены в процессе формирования зрительной системы, частично определяется сенсорным опытом животного. Это относится не только к зрительной, но и к другим сенсорным системам. (Среди наиболее изученных клеток мозговой коры — нейроны, получающие сигналы от «усов» — чувствительных щетинок на морде многих млекопитающих, особенно мышей и крыс). Клетки мозга, способные изменять свои свойства в процессе приспособления к особенностям окружающей среды, явно демонстрируют нечто весьма похожее на память, как мы ее определили выше [4].