Понимают ли младенцы мир с рождения?

Первый сын Ребекки Сакс, Артур, впервые попал в трубу машины МРТ для построения скана мозга, когда ему был всего месяц. Сакс, специалист по когнитологии из Массачусетского технологического института, отправилась туда вместе с ним. Ей было неудобно лежать на животе, расположив лицо рядом с подгузником ребёнка, но она гладила и успокаивала его, пока вокруг них крутился магнит в три тесла. Артур не выказал беспокойства и заснул.

Всем родителям интересно, что происходит в голове младенца, но мало у кого есть возможность выяснить это. К тому времени, как Сакс забеременела, она уже много лет работала с коллегами над разработкой схемы для получения изображений активности мозга у младенцев. Но её предполагаемая дата родов в сентябре 2013 придала проекту импульс, необходимый для его завершения.

За последние лет 20 исследователи использовали функциональную МРТ для исследования работы мозга детей и взрослых. Но фМРТ, словно дагерротип XIX века, требует полной неподвижности объекта сканирования, или же картинка будет размазанной. Бодрствующий младенец – это нервный комок движений, и их нельзя, уговорами или посулами, заставить лежать неподвижно. Небольшое количество фМРТ-исследований, существующих на сегодняшний день, проделано на основе снимков мозга спящих младенцев, которым играли музыку.

Но Сакс хотела выяснить, как младенцы видят мир при бодрствовании. Ей нужно было получить изображение мозга Артура, смотрящего на видеоклипы. Со взрослыми испытуемыми это легко. Нужно это было для того, чтобы подобраться к более серьёзному вопросу: работает ли мозг младенцев как миниатюрная копия взрослого мозга, или же они принципиально различны? «У меня есть фундаментальный вопрос развития мозга, и у меня есть младенец с развивающимся мозгом,- говорит она. – Две самых важных вещи в моей жизни временно слились внутри машины для МРТ».

Сакс провела декретный отпуск, зависая с Артуром внутри машины. «Иногда ему это не нравилось, иногда он засыпал, или капризничал, или обделывался,- говорит она. – Редко удаётся получить хорошие данные по младенческому мозгу». Между сессиями Сакс с коллегами исследовали данные, подстраивали эксперименты, искали закономерности в работе мозга Артура. Когда им удалось получить первый полезный результат, Артуру было 4 месяца, и Сакс «прыгала до потолка от радости».

Недавняя работа, появившаяся в Nature Communications – это кульминация более чем двухлетней работы с изображениями работы мозга Артура и восьмерых других младенцев. В работе учёные нашли неожиданные сходства, с которыми мозг младенцев и взрослых откликается на визуальную стимуляцию, а также и несколько интригующих различий. Это исследование – первый шаг на пути, который, как надеется Сакс, станет широкомасштабной попыткой разобраться в самых ранних стадиях развития разума.

* * *

фМРТ – возможно, наиболее полезный инструмент, за исключением вскрытия черепа, который имеется у учёных. Он зависит от изменений потоков крови в наиболее активных областях мозга, которые создают сигнал, обнаруживаемый машиной. У техники есть и критики, ведь эта система измеряет активность мозга не напрямую, и простые и чёткие картинки зависят от статистической манипуляции, происходящей за кулисами процесса. Тем не менее, фМРТ открыла новые возможности, и дала учёным, как говорит Сакс, «движущуюся карту мозга». Учёным открылось в мельчайших деталях, как разные части мозга занимаются постановкой своей активности в зависимости от того, что человек делает, ощущает или думает.

Разные области коры головного мозга также выполняют разные задачи. Нэнси Кэнвайзер [Nancy Kanwisher], нейробиолог из MIT и бывший научный руководитель Сакс, открыла область КГМ «веретенообразную лицевую область», отзывающуюся на изображения лиц сильнее, чем на другие визуальные стимуляции. В её лаборатории также работали над открытием парагиппокампальной извилины, отзывающуюся на изображения мест. Будучи аспирантом и работая в лаборатории Кэнвайзер, Сакс обнаружила область мозга, предназначенную для работы с моделью психики человека (пониманием чужого сознания) – то есть, для обработки мыслей, связанных с мышлением других людей. С тех пор несколько лабораторий уже нашли регионы мозга, занимающиеся разбором социальных ситуаций и принятием решений.

Сакс, быстро говорящую и лучащуюся интеллектом, более всего волнуют философские и фундаментальные вопросы о мозге. С её точки зрения, следующий очевидный вопрос: как появилась организация мозга? «Когда вы видите богатые и абстрактные функции, выполняемые мозгом – мораль, модель психического состояния – сразу же задаётесь вопросом, как это всё там появилось?» – говорит она.

Эволюционировал ли мозг таким образом, чтобы выделить отдельные области для самых важных для нашего выживания вещей? Или же «мы рождаемся с удивительным многофункциональным инструментарием, способным научиться той организации мира, что ему предоставлена?» Приходим ли мы в этот мир с врождёнными чертежами, по которым в мозге появляются специальные области, к примеру, для распознавания лица, или же мы вырабатываем такие специальные области через месяцы или годы после того, как видим вокруг себя множество лиц? «Основное строение человеческого мозга может быть схожим у всех людей, потому что для всех людей и мир примерно одинаков», — говорит она. Или же эти основы могут присутствовать с самого рождения.

* * *

Райли Лебланк [Riley LeBlanc] выплёвывает свою соску и начинает орать. Ей пять месяцев, на голове у неё копна волнистых каштановых волос, и она суетится в своих пелёнках, в то время, как Хезер Косаковски [Heather Kosakowski], управляющий лаборатории Сакс, укачивая Райли, стоит рядом с громадной машиной для МРТ на первом этаже здания департамента исследований мозга и когнитивистики в MIT. Лори Фоуси [Lori Fauci], мать Райли, сидящая на лежаке сканера, достаёт из заднего кармана ещё одну пустышку для ребёнка.

Здесь всё сделано так, чтобы успокоить Райли. Комната подсвечивается неярко, из динамиков раздаются колыбельные в виде позвякивающих версий популярных песен для игрушечного пианино (в данный момент это Guns N’ Roses, «Sweet Child o’ Mine»).

Совсем не игрушечное пианино, но зато хорошее исполнение

На лежаке сканера находится специально разработанная радиочастотная катушка – лежанка и шлем детского размера – которая должна работать как антенна для радиосигналов во время сканирования. МРТ-машина запрограммирована так, чтобы выдавать меньше шума, чем обычно, чтобы не повредить деликатный слух младенца.

После нескольких фальстартов Райли готова полежать в катушке без суеты. Её мать располагается, лёжа на животе, так, чтобы её руки и лицо были рядом с Райли и могли её успокаивать. Козаковски задвигает мать с ребёнком в сканер и переходит в соседнюю комнаду, а Лайни Херрера [Lyne? Herrera], ещё одна лаборантка, остаётся в комнате с МРТ и руками даёт Козаковски знать, открыты ли у Райли глаза и смотрит ли она в зеркало над головой, в котором отображаются изображения, проецируемые с задней части машины.

Цель команды – набрать 10 минут данных с каждого младенца, без движения смотрящего видео. Для этого обычно хватает данных, набранных за два часа работы. «Чем чаще младенец приезжает к нам, тем больше вероятность набрать 10 минут», — говорит Козаковски. Это уже восьмой визит Райли.

Когда Херрера подаёт сигнал о том, что Райли проснулась, Козаковски запускает сканер и запускает набор видеоклипов, поскольку дети с большей вероятностью будут смотреть на двигающиеся изображения, чем на неподвижные. Через некоторое время Херрера сжимает пальцы, обозначая, что глаза у Райли опять закрылись. «Иногда мне кажется, что у нас младенцам спится лучше всего», — смеётся Козаковски.

Изучение младенцев всегда требовало творческого подхода. «Это была интересная задача, — говорит Чарльз Нельсон, нейробиолог-когнитивист из Гарвардской медицинской школы и Бостонского детского госпиталя, изучающий развитие детей,- поскольку вы имеете дело с невербальным, ограниченным в высказываниях организмом с дефицитом внимания, и пытаетесь выяснить, что происходит у него в голове». Иногда технологии для изучения младенцев совпадают с технологиями для изучения животных-приматов, или детей с ограниченными возможностями, неспособными разговаривать. «У нас есть целый набор скрытых методов, позволяющих заглянуть внутрь обезьяны, младенца или ребёнка с проблемами в развитии», — говорит Нельсон.

Проще всего наблюдать за его поведением и отмечать направления его взгляда, либо через внешнее наблюдение, либо через технологии для отслеживания движений глаз. Можно измерять активность мозга. К примеру, для электроэнцефалографии нужно всего лишь присоединить к голове младенца шлем с электродами и проводами, и можно снимать флуктуации мозговых волн. В новой технологии, спектроскопии в ближней инфракрасной области (БИК-спектроскопия; англ. near infrared spectroscopy, NIRS), через мягкий и тонкий череп младенца проходит свет, помогающий определить изменения в кровотоке мозга.

Оба метода отслеживают изменения активности мозга, но БИК-спектроскопия достигает только верхних слоёв, а ЭЭГ не показывает, какие именно области мозга активируются. «Чтобы изучать детальную пространственную организацию и добираться до глубоких участков мозга, приходится использовать фМРТ», — говорит Бен Дин, первый автор исследования, сейчас работающий в Рокфеллеровском университете.

При помощи других методов исследователи обнаружили намёки на то, что младенцы по-разному реагируют на визуальные стимулы разных категорий, в частности, на лица. Лица – «заметная часть окружения», — говорит Мишель де Хаан [Michelle de Haan], нейробиолог, специализирующаяся на вопросах развития мозга в Университетском колледже Лондона. В первые несколько недель жизни глаза младенца лучше всего фокусируются на объектах, находящихся на расстоянии лица кормящей матери. Некоторые исследователи считают, что у младенцев есть врождённый механизм, направляющий их глаза на лица.

Есть доказательства, что младенцы дольше всего задерживают взгляд на лицах. Со временем и опытом реакция на лицо у младенца становится более специфической. К примеру, взрослым тяжело различать лица, расположенные вверх ногами, но у младенцев до 4 лет такой проблемы нет – они различают перевёрнутые лица так же хорошо, как неперевёрнутые. Но после 4 месяцев жизни они приобретают склонность к правильно расположенным лицам. В возрасте 6 месяцев у младенцев, увидевших лицо, появляется ЭКГ, схожая с ЭКГ рассматривающего лицо взрослого человека.

Белые и голубые цвета отмечают регионы мозга, реагирующие на обстановку. Жёлтые, оранжевые и красные – регионы, реагирующие на лица

Но, как говорит Дин, хотя исследование утверждает, что в мозге младенцев и может существовать определённая специализация для отдельных категорий, «у нас очень мало подробностей о том, откуда поступают эти сигналы».

Для текущей работы Сакс с коллегами получили данные о девяти из 17 младенцев, просканированных ими. И хотя лаборатория всё больше полагается на помощь третьих лиц, им очень помог «поток лабораторных младенцев», включая Артура, второго сына Сакс, Перси, сына её сестры и сына кандидата наук. Младенцам показывали фильмы с лицами, изображения природы, человеческие тела, игрушки, а также перемешанные изображения, у которых были перепутаны части. Сакс говорит, что те концентрировались на лицах, а не на обстановке, потому что в мозге взрослых людей эти две реакции чётко различаются и происходят в очень разных частях мозга.

Что интересно, эту же закономерность обнаружили и у младенцев. «Каждый регион, известный нам, с предпочтением реагирующий на лица или обстановку, так же реагирует и у младенцев от 4 до 6 месяцев», — говорит Сакс. Это показывает, что у коры «уже появляется специализация».

Рождаются ли дети с этими возможностями? «Нельзя строго утверждать, что всё у них врождённое», – говорит Дин. «Мы можем сказать, что развивается оно очень рано». Сакс отмечает, что эти реакции простираются за пределы зрительной зоны коры мозга. Также исследователи обнаружили различия в лобной части коры, отвечающей за эмоции, оценку и самоощущения. Увидеть, как у младенцев активируется лобная доля, это и правда здорово, – говорит она. – Считается, что эта часть развивается одной из последних.

При этом, хотя команда Сакс обнаружила, что сходные области мозга были активными и у младенцев, и у взрослых, она не нашла доказательство того, что у младенцев есть области, обрабатывающие только один определённый тип входных данных, типа лиц или обстановки. Нельсон, не работавший с этой командой, говорит, что из этого следует, что мозги младенцев «более универсальные». «Это указывает на фундаментальные различия между мозгом младенца и взрослого человека».

* * *

Удивительно, как похожа работа мозга младенцев и взрослых, учитывая то, как сильно они отличаются. На экране компьютера в соседней с МРТ комнатой в MIT я могу видеть изображения мозга Райли в тот момент, когда она спала. По сравнению со сканами мозга взрослых, в которых видно различные структуры, мозг Райли пугающе тёмный.

«Выглядит, будто бы плохая фотография, не так ли?» – говорит Козаковски. Она объясняет, что на этом этапе у младенцев недоразвита жировая изоляция нервных волокон, миелин, из которой состоит белое вещество. Мозолистое тело, хомут из нервных волокон, соединяющий два полушария мозга, едва просматривается.

В таком возрасте мозг ещё расширяется – кора головного мозга на первом году жизни раздувается на 88%. Клетки меняют организацию, быстро формируют новые связи, многие из которых исчезают уже в детстве и подростковом возрасте. На этом этапе мозг потрясающе гибкий: когда у детей случаются инсульты или судороги, требующие удаления целого полушария мозга, они удивительно хорошо восстанавливаются. Но и у этой гибкости есть ограничения; если с младенцами плохо обращаться, недостатки в обучении могут остаться у них на всю жизнь.

Изучение развития здорового мозга может помочь понять, почему этот процесс иногда искажается. К примеру, известно, что у многих детей и взрослых, страдающих аутизмом, есть трудности с социальными аспектами, к примеру, с интерпретацией лиц. Присутствуют ли эти проблемы на ранних стадиях развития мозга, или же они являются частью детского опыта, и вызываются недостатком внимания к лицам и социальным тонкостям?

Мы только начинаем понимать организацию мозга у младенцев. Для построения полной картины работы их мозга потребуется гораздо больше часов на сбор данных у гораздо большего количества детей. Но Сакс с коллегами показали, что такое изучение возможно провести, и это открывает новые области для науки. — Вполне возможно получить качественные данные с фМРТ у бодрствующих младенцев – если быть чрезвычайно терпеливым, – говорит Сакс. – Теперь попробуем понять, что мы сможем узнать благодаря этому.