Как странная девочка влюбилась в мозг. Наука нейропластичности и обогащения

Из бродвейских звезд – в лабораторные крысы

 

Задолго до того, как мне захотелось стать ученым, я мечтала быть звездой Бродвея. Мой отец, инженер-электрик и самый страстный в мире поклонник мюзикла, водил нас на все постановки, с которыми бродвейские труппы приезжали к нам на гастроли в Сан-Франциско. От моего родного города Саннивейла (штат Калифорния) до Сан-Франциско был всего час езды. Я видела Юла Бреннера (ему тогда было лет 85, наверное) в мюзикле «Король и я», Рекса Харрисона (лет в 98, кажется) в «Моей прекрасной леди» и Ричарда Бёртона (тоже достаточно старого, но, все же, не древнего) в «Камелоте». Я провела детство за просмотром фильмов с Ширли Темпл и всей музыкальной классики Голливуда. Отец брал меня и моего брата на «Звуки музыки» в те времена, когда этот спектакль ставился в театре ежегодно. Мы видели его, должно быть, раз двадцать. Я воображала себя чем-то средним между Жюли Эндрюс, Ширли Джонс и Ширли Темпл. В мечтах я нередко выступала на сцене, своим восхитительным пением и невероятной отвагой спасала ситуацию и получала в награду прекрасного принца – все одним махом.

Однако, несмотря на любовь отца ко всему бродвейскому, он явно ждал, что я буду заниматься в жизни чем-то серьезным. Мои родители – американцы японского происхождения в третьем поколении. Мой прадед приехал в США в 1910 году и основал крупнейшую на Западном побережье японскую языковую школу, так что от всех детей в нашей семье ожидали многого. Не то чтобы эти надежды когда-либо озвучивались – в этом не было необходимости. Просто всем было очевидно: мне следует упорно учиться и делать достойную профессиональную карьеру, которой моя семья могла бы гордиться. Если говорить серьезно, то я видела для себя только три варианта: стать врачом, юристом или заняться какой-нибудь наукой – причем чем солиднее будет звучать название науки, тем лучше. Я не пыталась бороться с ожиданиями родных – они представлялись мне разумными.

Довольно рано – а именно, в шестом классе средней школы, – я начала интересоваться наукой, которая стала для меня делом всей жизни. В том году наш учитель по естествознанию, мистер Коннор, рассказывал нам о костях человеческого тела. Потом была «контрольная работа»: мы должны были сунуть руку в темный ящик и распознать кость на ощупь. Я обожала этим заниматься! Никакого страха – мне все это ужасно нравилось. Я испытала еще больший восторг, когда дело дошло до первых вскрытий морских свинок и лягушек. Несмотря на отвратительный запах, я четко понимала, что должна узнать больше. Как все эти органы так компактно и красиво уместились в маленьком тельце морской свинки? Почему они работают так слаженно? Если так выглядят внутренности морской свинки, то как построен изнутри человек? Процесс биологического вскрытия захватил мое воображение с того мгновения, когда я впервые вдохнула удушающие пары формальдегида.

Кроме того, ученый, который зарождался во мне, был заворожен самым популярным на тот момент лакомством – конфетами Pop Rocks. И если моим одноклассникам хватало ощущения сладкого взрыва во рту, то мне хотелось понять, в чем причина этих взрывов? Какие еще необычайные сенсорные/химические ощущения можно получить во рту, если сочетать конфеты с другими вещами – такими как пенистая газировка, горячий чай или ледяная вода. К несчастью, моя мама считала, что при подобных экспериментах можно подавиться и умереть, так что очень скоро я вынуждена была с ними покончить.

Другой мой учитель, мистер Троподи, с нежной заботой знакомил меня с красотой и логикой тригонометрии на курсе продвинутой математики. Я обожала элегантность математических уравнений: если решать их правильно, они открывают дверь в первозданный мир, уравновешенный по обе стороны знака равенства. У меня уже тогда было ощущение, что знание математики – ключ к тому, чем мне хочется заниматься (хотя в старших классах я еще слабо представляла себе, чем именно). И я упорно работала, чтобы стать первой в классе по этому предмету. Мистер Троподи с мелодичным итальянским акцентом повторял нам снова и снова, что мы, выбравшие углубленный курс математики, «лучшие из лучших». Я воспринимала эти слова одновременно как поощрение к дальнейшим усилиям, как серьезную ответственность и как обязанность в полной мере использовать свои математические способности. Я была серьезным и старательным ребенком, а в скором времени мне предстояло стать еще более серьезным подростком.

К тому моменту единственной отдушиной для моей внутренней тяги к бродвейскому жанру были походы в кино. Спрашивая у родителей разрешения посмотреть «Лихорадку субботнего вечера» в одиночестве, я сказала, что это музыкальный фильм, но предусмотрительно забыла упомянуть, что у него есть возрастные ограничения (мне было всего 12 лет). Когда они поняли, что именно я увидела, то, естественно, не обрадовались. Позже я увлеклась фильмами вроде «Грязных танцев». Я воображала, как без труда держу зал в напряжении, летая в объятиях Джонни Кастла (в исполнении Патрика Суэйзи), хотя в последний раз занималась танцами еще в дошкольные времена на уроках ритмики.

В старших классах многое изменилось. Сияющие огни Бродвея померкли, и я превратилась в упорную, увлеченную и целеустремленную ученицу. В науке я чувствовала себя как дома. Мысленно вижу себя-старшеклассницу: плечи ссутулены, лицо серьезно, в руках стопка тяжеленных книг, я пробираюсь по школьным коридорам, стараясь не привлекать к себе внимания. Да, я по-прежнему переживала свои бродвейские фантазии всякий раз, когда смотрела по телевизору любимые музыкальные фильмы, но теперь я держала мечты взаперти, в укромном уголке, а реальной жизнью единолично распоряжалась прилежная девочка. Я была полностью погружена в учебу, стремилась получать только самые высокие оценки и планировала поступить в лучший колледж. У меня просто не оставалось времени, чтобы задуматься о своих легкомысленных интересах и увлечениях, – и уж тем более я не могла позволить им существовать рядом с моей преданностью естественным наукам и математике.

Кроме того, я была болезненно стеснительна. В школе мне не хватало смелости даже подружиться с мальчиком, не говоря уже о свиданиях. Четыре года (с 9 по 12 класс) я играла в теннис в школьной команде. Но как, спрашивается, я могла не играть? Моя мама была увлеченной и активной теннисисткой-любительницей, она позаботилась о том, чтобы я круглый год играла в теннис и каждое лето ездила в теннисный лагерь. Считалось, что теннис полезен для «общего развития», но на самом деле я отчаянно нуждалась совершенно в другом: мне нужен был лагерь, где учили бы разговаривать с мальчиками. К сожалению, с таким лагерем мне не повезло, и все старшие классы я ни разу не сходила на свидание и даже на вечеринку. В общем, если бы в США устраивали конкурс на лучшую «Даму без кавалера», то среди скучных поклонниц науки я без труда заняла бы первое место. Я бы просто снесла конкуренток.

Помните стереотипы о придурковатых, странных и одиноких ученых-ботаниках? Это все было обо мне!

 

Открытие мозга

 

Мое увлечение естественными науками, хорошие оценки и усердие в учебе не помогли мне завоевать сердца парней, но все же они дали мне кое-что… кое-что хорошее. Хотя тогда я еще не определилась, какой именно наукой хочу заниматься, но точно знала, где именно хочу изучать эту науку. В Университете Калифорнии в Беркли – традиционной Alma Mater моей семьи. Конечно, иногда у меня мелькала мысль, что хорошо бы уехать куда-нибудь подальше и пожить самостоятельно. Была даже идея поступить в женский колледж свободных искусств Уэллсли, расположенный на другом конце страны. Но, откровенно говоря, я всегда была влюблена в прекрасный кампус университета в Беркли, в причудливую и мощную энергетику этого города. Я твердо знала: эта школа мне подходит. Я подала документы в университет, была принята и чувствовала себя счастливейшей девушкой в мире. Быстро собрав вещи, я с нетерпением ждала новых приключений.

 

 

Оказалось, что моя научная страсть совсем рядом и ждать встречи с ней осталось недолго. Эта встреча состоялась на специальном углубленном семинарском курсе для новичков. Курс назывался «Мозг и его потенциал» – на него я записалась на первом же семестре в Беркли. Занятия вела известный нейробиолог профессор Мариан Даймонд. В нашей группе было всего пятнадцать студентов, что позволяло поддерживать близкий контакт с преподавателем.

Никогда не забуду наш первый семинар.

Начну с того, что профессор Даймонд выглядела как ученая рок-звезда в белом лабораторном халате поверх шелковой блузки и строгой юбки. Это была высокая спортивная женщина с горделивой осанкой и пышными светлыми волосами. Прическа делала ее зрительно еще выше.

На столе перед доктором Даймонд стояла большая шляпная картонка в цветочек. Поприветствовав нас, профессор надела смотровые перчатки, открыла картонку и медленно, очень осторожно вынула оттуда НАСТОЯЩИЙ ЗАКОНСЕРВИРОВАННЫЙ ЧЕЛОВЕЧЕСКИЙ МОЗГ.

Именно тогда я впервые в жизни увидела это чудо – и была совершенно околдована.

Доктор Даймонд сообщила нам, что держит в руках самый сложный объект, известный человечеству. Именно от него зависит, как и что мы видим, слышим, ощущаем вокруг себя, какой чувствуем вкус и запах. Мозг определяет, как мы воспринимаем окружающий мир. Он влияет на личность человека и позволяет ему в мгновение ока переходить от плача к смеху или наоборот.

Помню, как она держала мозг в руках. Прежде он был для кого-то самой жизнью, и по тому, как бережно профессор обращалась с драгоценным препаратом, было ясно: она с огромным уважением и даже благоговением относится к этому факту.

Цвет у мозга был светло-бежевым – позже я узнала, что этим оттенком он обязан химикатам, используемым для консервации. Верхняя часть мозга казалась плотной массой толстых неровных трубок. Мозг целиком имел овальную форму и чуть сужался к одному концу. Когда профессор повернула мозг боком к аудитории, я смогла разглядеть, что он имеет более сложную структуру, а его передняя часть короче задней. То, что мозг разделен на две половины, было очевидно с самого начала, – но теперь оказалось, что правая и левая его половины тоже, в свою очередь, разделены на части, или доли.

Как и положено хорошему преподавателю, доктор Даймонд сделала совершенно очевидным то, что поначалу казалось нам непостижимо сложным: она рассказала, что эта большая и сложная масса биологической ткани на самом деле состоит всего из двух типов клеток – нейронов и клеток нейроглии. Нейроны – рабочие лошадки мозга. Каждый из них состоит из тела клетки (или «центра управления»), «входных» структур, именуемых дендритами и внешне напоминающих древесные ветви (они получают информацию, поступающую в тело клетки) и тонкую структуру вывода, которая называется аксон и тоже может иметь множество ветвей. От всех прочих клеток человеческого организма нейроны отличаются тем, что умеют обмениваться сигналами. Они делают это при помощи коротких импульсов электрической активности, называемых потенциалами действия, или пиковыми потенциалами. Передача сигнала от аксона одного нейрона дендриту второго происходит в особой коммуникационной точке между ними – синапсе. Именно электрическая «болтовня» мозга, то есть передача информации от аксона к дендриту, составляет основу всего, что делает мозг.

 

 

МОЗГ И ВСЕ ЕГО ЧАСТИ

 

 

Когда-то нейробиологи считали, что в разных частях мозга «размещаются» его определенные функции. Теперь мы знаем, что это верно лишь отчасти. Хотя конкретные области мозга действительно имеют свои функции (я перечислю их ниже), важно помнить, что все части мозга соединены между собой. Эти соединения похожи на запутанную сеть.

• Лобная доля. В этой передней секции мозга размещается префронтальная кора (ПФК) – считается, что именно здесь живет личность. Без этой важнейшей части мозга невозможны планирование и внимание, кратковременная память, принятие решений и управление социальным поведением. Самую заднюю границу лобной доли образует первичная двигательная кора – область, которая позволяет нам управлять движениями тела.

• Теменная доля. Играет важную роль в визуально-пространственных функциях, работает с лобной долей, помогая ей принимать решения. В самой передней части теменной доли располагается часть коры, которая обеспечивает нам телесные ощущения (она больше известна как первичная осязательная кора).

• Затылочная доля. Часть мозга, которая «отвечает» за зрение.

• Височная доля. Часть мозга, задействованная в обеспечении слуха, зрения и памяти.

• Гиппокамп. Эта область, расположенная глубоко внутри височной доли, необходима для формирования долговременных воспоминаний. Она задействована также в «создании» настроения и воображения.

• Мозжечковая миндалина. Также расположена глубоко внутри височной доли – непосредственно перед гиппокампом. Она необходима для обработки эмоций – таких как страх, гнев, влечение и т. п. Когда мы сталкиваемся с этими эмоциями у других людей, реагирует на них тоже мозжечковая миндалина.

• Полосатое тело. Эту область лучше всего видно из центрального разреза мозга. Она задействована в двигательной функции и играет важную роль в формировании привычек (и в том, почему с ними так трудно бороться!). Кроме того, полосатое тело «отвечает» за развитие болезненных пристрастий (аддикций).

 

 

А какова роль клеток нейроглии? «Глия» означает «клей». Свое название глия получила потому, что ученые в XIX веке ошибочно считали: эти клетки имеют какое-то отношение к обеспечению целостности мозга. Действительно, некоторые клетки нейроглии выполняют в мозгу роль своеобразного каркаса. Но сегодня мы знаем, что на самом деле нейроглия обеспечивает широкий спектр поддерживающих функций для нейронов. Клетки нейроглии поставляют нейронам питательные вещества и кислород. Они формируют на нейронах особое покрытие – миелин, необходимый для нормальной синаптической передачи. Они нападают на микробы и служат санитарной командой, удаляя из мозга останки мертвых нейронов. Очень интересные новые данные свидетельствуют, что клетки нейроглии, возможно, играют важную роль в определенных когнитивных функциях, включая память. Многие уверены: в мозгу в 10–50 раз больше клеток глии, нежели нейронов, но новые исследования не подтверждают этой статистики. Современные данные скорее позволяют предположить, что соотношение тех и других клеток близко к 1:1.

Затем профессор Даймонд сказала, что теоретически, имея по ведру нейронов и клеток глии, можно построить мозг. Мозг вообще. Главная загадка – как именно следует собирать эти клетки в единую конструкцию, чтобы она работала так же красиво и элегантно – так же идеально и неидеально, так же правильно и некорректно, как настоящий мозг. В тот день я узнала, что специализация профессора Даймонд – изучение мозговых связей и нейроанатомия, то есть наука о том, как устроен мозг.

Но что полностью ошеломило меня, как начинающего ученого, в тот первый день занятий – это описание пластичности мозга. Разумеется, наш мозг не сделан из пластика, речь идет о том, что он обладает принципиальной способностью меняться (подобно куску пластилина) в результате опыта. Причем под изменениями профессор подразумевала формирование новых связей. Я до сих пор помню аналогию, которую она привела: если учиться по-настоящему упорно, то мозг может болеть просто оттого, что аксоны и дендриты в нем растут и стремятся образовать новые связи.

Мы тогда этого не знали, но профессор Даймонд (как одна из очень немногих в то время женщин в науке) принимала участие в исследовании, которое стартовало в начале 1960-х годов, и позже стало классическим: ученые пытались разобраться, насколько наш мозг пластичен и способен к изменениям. Было известно, что мозг может меняться и быстро растет с младенчества до взрослого состояния. Но считалось, что, достигнув зрелости, мозг застывает, как каменный, и полностью теряет способность к росту и изменению.

Доктор Даймонд и ее коллеги в Университете Калифорнии в Беркли поставили эту точку зрения под сомнение и провели масштабный эксперимент. В своем знаменитом исследовании они задались вопросом: что произойдет с мозгом взрослой крысы, если вырастить ее в том, что ученые назвали «обогащенной средой». Животных предлагалось выращивать в своего рода крысином Диснейленде, где было много ярких игрушек, приятелей для игр (других крыс) и больших пространств. Ученые пытались опровергнуть идею о том, что взрослый человеческий мозг – это навсегда фиксированная система. Итак, чтобы доказать обратное, Даймонд и ее команда изменили среду обитания крыс и стали наблюдать: влияет ли это на физическую структуру их мозга. Если бы им удалось обнаружить свидетельства таких изменений у крыс, это означало бы, что при определенных условиях человеческий мозг тоже способен расти, адаптироваться и меняться.

Каковы же были результаты содержания крыс в Диснейленде? По сравнению с крысами, выращенными в «обедненной» среде – без игрушек и почти без товарищей для игр, – крысы из Диснейленда обладали мозгом, который был физически больше. Даймонд показала, что в обогащенной среде ветви дендритов (тех самых входных структур нейронов, которые похожи на ветви деревьев) растут и расширяются, позволяя клеткам получать и обрабатывать больше информации. Более того, она показала, что в таком мозгу больше не только дендритных ветвей, но и соединений-синапсов, больше кровеносных сосудов (это означает лучший доступ к кислороду и питательным веществам) и полезных для мозга химических веществ – таких как нейротрансмиттер ацетилхолин и другие факторы роста.

 

Профессор Даймонд объяснила, что различия в размерах мозга крыс были непосредственным отражением окружающей среды. Иными словами, размер и функционирование мозга – крысиного или человеческого – очень чувствительные параметры, реагирующие на все аспекты любой заданной среды – физической, психологической, эмоциональной и когнитивной. Именно это – постоянное взаимодействие между мозгом и средой в сочетании со способностью мозга отзываться на это изменением своей анатомической структуры и физиологии – имеют в виду нейробиологи, говоря о «пластичности мозга». Стимулируйте мозг новыми заданиями, общением с новыми людьми – и он отреагирует созданием новых связей. А это, в свою очередь, вызовет увеличение размеров. Но если вы лишите свой мозг новых стимулов или заставите его скучать, день за днем занимаясь одним и тем же монотонным делом, – то связи, которые у вас уже есть, зачахнут, а мозг просто съежится.

Итак, мозг постоянно отзывается на то, как человек взаимодействует с окружающей средой. Чем разнообразнее и сложнее ваше взаимодействие с миром, тем больше нейронных связей образуется в мозгу. И наоборот, чем беднее окружающая вас среда и ваш опыт, тем меньше будет нейронных связей. В крысах, выращенных в Диснейленде, не было ничего особенного: вообще, все крысы в эксперименте обладали одинаковой способностью реагировать на раздражители. Играете ли вы на пианино? Если да, то часть мозга, которая отвечает за двигательные функции кистей рук, у вас изменилась по сравнению с теми, кто не играет на пианино. Вы рисуете? Играете в теннис? А может быть, в боулинг? Все это изменяет мозг. Сегодня мы понимаем: даже повседневные вещи, которые мы узнаем (не важно, что это: имя официанта, который принимает у вас заказ в кафе, или название фильма, который хочется посмотреть), обучают наш мозг. Они вынуждают мозг производить микроизменения в собственной структуре.

Пожалуй, для первого дня поразительной информации было слишком много, чтобы мы могли надежно ее усвоить. То первое занятие на курсе «Мозг и его потенциал» изменило мою жизнь. Я вошла в аудиторию любопытной, полной энтузиазма первокурсницей, жаждущей впитать в себя все-все-все, а вышла… любопытной, полной энтузиазма первокурсницей с новой целью и смыслом жизни. Теперь я твердо знала, чем хочу заниматься дальше: изучить ту неоднородную массу ткани, которую только что видела в руках профессора, и открыть хотя бы некоторые ее секреты, чтобы понять, каково это – быть человеком. Так я решила стать нейробиологом.

 

* * *

 

В течение следующих лет я изучила немало самых разных курсов доктора Даймонд, включая сверхпопулярную «Топографическую анатомию человека» и более продвинутый курс «Нейроанатомии». Вероятно, вы не представляете, сколько страсти, энтузиазма, ясности (плюс немного магии) необходимо, чтобы сделать занятие по анатомии интересным. Курс топографической анатомии человека – это необходимость заучивать наизусть все «детали» нашего тела, от костей до мышц (включая соединения костей), а также все без исключения внутренние органы и связи между ними. В теле человека более 7500 частей. Можете себе представить, какая громадная задача – заучить их все наизусть! Если бы преподаватель представлял студентам всю эту анатомическую информацию скучным списком, то изучение анатомии напоминало бы чтение бухгалтерского отчета или изучение свежих поправок к налоговому кодексу – сухо, скучно и тоскливо! Но профессор Даймонд раскрывала перед нами панораму человеческого тела так, будто это было лучшее наше приключение, путешествие в другую вселенную – знакомую и неизвестную. Она умела переводить любую информацию на личный уровень. Например, говорила, что знакомство с анатомией многому научит нас, расскажет о том, что мы за люди. Раз уж мы собираемся пользоваться собственным телом и мозгом до конца жизни, разве не разумно знать, с чем, собственно, мы работаем?

Наш преподаватель мастерски смешивала занятную информацию о происхождении того или иного анатомического термина или малоизвестного анатомического факта с более фундаментальными знаниями. Таким образом даже самый крохотный факт становился важным и значимым в наших глазах.

К примеру, она могла спросить:

– Слово uterus (матка) на латыни значит «истерия». Вы согласны?

или:

– Знаете ли вы, какой орган в теле человека самый крупный? Это кожа! Заботьтесь о ней!

или:

– Посмотрите, как интересно следить за психологическим восприятием волос и причесок! Мы могли бы организовать целый курс на эту тему!

 

Каждым замечанием на своих лекциях она придавала анатомии личностный характер, оживляла эту сухую науку. Помню, в середине семестра, когда я посещала курс топографической анатомии человека, я попала на концерт танцевальной группы Элвина Эйли – она впервые выступала в Целлербах-холле на территории нашего университета. Тогда я увидела их знаменитый номер «Откровения» и была очарована танцем. Но не только: мы как раз изучали суставы и мышц ног, так что я могла оценить все движения на сцене на совершенно ином, анатомическом уровне. Фигуры и движения танцоров стали для меня лучшим доказательством красоты и совершенства человеческого тела.

Доктор Даймонд вдохновляла нас. При взгляде на нее было совершенно очевидно, что она любит и ценит все, о чем рассказывает, и искренне хочет внушить нам такую же любовь к своему предмету, ко всему огромному массиву информации. Она любила не только свою науку, но и студентов, и всегда готова была отвечать на наши вопросы. Чтобы познакомиться хотя бы с некоторыми из 150 студентов своего курса, она время от времени вытягивала случайные имена из шляпы и угощала двоих студентов обедом – просто чтобы поболтать с ними за едой. Когда я занималась на ее курсе, профессор приглашала всех приходить в любой день с утра пораньше на теннисный корт в северной части кампуса и играть с ней в теннис. Звучит как идеальный вариант для хорошего теннисиста, но не для девочки-ботаника из Саннивейла. Тогда я позволила своей стеснительности взять верх. Ни разу за все годы учебы в Беркли я не набралась храбрости, чтобы поиграть с Даймонд. Со студенческих времен для меня это самый серьезный повод для сожалений из категории «зря не сделала».

Педагогическое волшебство профессора Даймонд уже тогда начинало действовать на меня. Помню, одну лабораторную работу: на нескольких столах были разложены различные органы, а мы должны были подробно рассмотреть их. Меня особенно заинтересовала плотная печень с небольшим кусочком желчевыводящего протока. Я быстро разобралась в образце и нашла на нем все, что нам рассказывали о печени на лекции. Затем к столу подошел другой студент и спросил, что мы должны здесь увидеть. Я объяснила ему все, что сама обнаружила на образце печени, и он, кажется, быстро все понял. Следующие полчаса я провела рядом с печенью, объясняя всем, кто подходил, особенности этого органа. В тот день я стала экспертом по анатомии печени. Мне кажется, помимо всего прочего, в тот день я стала учителем и усвоила ценный урок, который пригодился мне в дальнейшем: лучший способ глубоко изучить предмет – это учить ему других. Я и сегодня пользуюсь этим принципом.

 

 

Разумеется, курс топографической анатомии человека профессора Даймонд произвел сильное впечатление не только на меня и понравился не мне одной. В последний день занятий несколько студентов принесли цветы и буквально осыпали ими профессора! Я тоже была там, кричала и радовалась вместе с ними. Мы отмечали завершение великолепного курса, и единственное, о чем я жалела, – что сама не додумалась принести цветы.

 

 

Послушайте моего профессора!

В наш цифровой век вы тоже можете увидеть некоторые из лекций профессора Даймонд. Просто задайте Marian Diamond в поиске на YouTube. Найдите и послушайте!