Предопределенность зрения и пластичность мозга

Наше зрение, как и все остальные чувства, податливо и изменчиво в зависимости от опыта. Взять хотя бы те случаи, когда у людей, лишенных одного чувства, происходит компенсаторное усиление других – например, у слепых обостряются осязание и слух. С помощью современных методов нейробиологи убедительно доказали, что нейронные контуры мозга и впрямь физически изменяются: сенсорные центры перестраиваются в поисках эффективного баланса между возможностями доступных нейронных ресурсов и требованиями, предъявляемыми к ним поступающими сенсорными впечатлениями. Исследования этого феномена показывают, что некоторые сенсорные зоны имеют природную склонность к определенным функциям, но столь же четко они демонстрируют и пластичность развивающегося мозга.

Возьмите крысу, слепую от рождения, скажем, из-за повреждения обеих сетчаток. Когда она подрастает, вы учите ее проходить лабиринт. Затем вы легонько повреждаете ей зрительную кору. Вы снова запускаете крысу в лабиринт и сравниваете время его прохождения до операции и после. В принципе, повреждение зрительной коры не должно влиять на способность слепой крысы проходить лабиринт. Но классический экспериментальный вывод, сделанный Карлом Лешли и его коллегами несколько десятилетий тому назад, заключается в том, что крыса справляется с заданием хуже: по-видимому, ее зрительная кора вкладывается в процесс, хотя мы и не знаем, как именно.

Примерно тогда же медики сообщили о двух видах слепоты, обусловленной проблемами развития. В первом варианте пациент, у которого один глаз с рождения был слеп из-за катаракты или редкого заболевания век, после устранения этой анатомической проблемы все равно оставался слеп или почти слеп на этот глаз – что-то не давало его нервным путям подключиться должным образом. Второй вариант затрагивал детей с врожденным косоглазием: когда они вырастали, один из глаз очень часто переставал работать – так называемый «ленивый глаз», по-научному – амблиопия. Глаз не слепнет по-настоящему – его сетчатка функционирует, – но человек им не видит.

Пионеры в исследовании зрения Дэвид Хьюбел и Торстен Визель, открывшие принципы обработки изображений в зрительной коре (и получившие за это Нобелевскую премию), в экспериментах с животными прояснили неврологическую основу амблиопии. Синапсы, связывающие клетки сетчатки с центральной нервной системой, в течение критического периода в начале жизни довольно податливы. Если корковые нейроны получают много информации от одного глаза, а от другого не получают, то аксоны, представляющие первый глаз, захватывают все синаптические пространства на корковых нейронах. Второй глаз при этом остается функциональным, но без связей с нейронами коры.

В нормальных обстоятельствах изображения из обоих глаз почти идеально регистрируются, и одно и то же место в визуальной сцене стимулирует одну группу корковых нейронов. Но когда Хьюбел и Визель искусственно «скашивали» глаза молодым животным с помощью призмы, смещавшей видимый образ, изображения из двух глаз не сходились должным образом в одной и той же мозговой точке назначения. При косоглазии человек видит два отдельных и противоречивых образа. Мозг вынужден выбрать один глаз. Связи второго при этом подавляются – сначала временно, потом постоянно, и глаз становится функционально слепым.

Другой хитрый эксперимент демонстрирует иного рода реорганизацию кортикальных реакций. На зрительной коре разложена «карта» сетчатки – конечно, она искажена волнистостью поверхности коры, тем не менее несложно убедиться, что соседние точки на сетчатке проецируются на соседние точки на зрительной коре, организуя на ней своеобразную карту визуальной сцены. Чарльз Гилберт из Университета Рокфеллера с помощью лазера безболезненно прожег малюсенькое отверстие в сетчатке обезьяны, затем сделал запись со зрительной коры, чтобы посмотреть, как отреагировала кортикальная карта. Поначалу в ней была дырка, соответствующая отверстию в сетчатке. Но через некоторое время соседние участки коры надвинулись и заняли освободившееся пространство: соседние участки сетчатки теперь сообщались с корковыми нейронами, которые в норме реагировали бы на поврежденный участок.

Это не означает, что было восстановлено зрение поврежденного участка сетчатки. Если у вас поражена сетчатка, вы никогда ничего не увидите разрушенным участком – там у вас теперь слепое пятно. Но даже если мозг никак не сможет компенсировать дырку в сетчатке, область вокруг нее станет «владеть» большим числом корковых нейронов, чем раньше. Можно сказать, природа таким образом предотвращает кортикальную праздность: вечное бездействие участка коры, переставшего получать сигналы из естественного источника, – непозволительная роскошь, так что со временем он начинает функционально обеспечивать неповрежденные связи.

Яркое свидетельство пластичности мозга было получено в ходе сканирования мозговой активности слепых от рождения людей. Когда слепые добровольцы, находясь в сканере, использовали свои пальцы для чтения шрифта Брайля, первичная зрительная кора мозга, которая обычно занимается обработкой визуальных сигналов, была активна. Каким-то образом обработка тактильной информации заняла неиспользованный зрительный центр.

Еще один поразительный пример – скрипачи. Во время игры на скрипке вы совершаете размашистые движения одной рукой, водя смычком по струнам, и серию очень тонких движений другой рукой, нажимая на струны в четко заданных точках грифа – очень быстро, если вы хороший скрипач, и удивительно быстро, если вы звезда. Незаурядная задача на скорость и точность! Профессиональные скрипачи практикуют эти движения ежедневно по много часов. И это отражается на физическом расположении связей у них в мозге. Движения пальцев контролируются определенной областью мозга, и у скрипачей она расширяется – за счет соседней мозговой ткани со своими функциями. Но это справедливо только для руки, работающей с грифом. Та же самая область на другой стороне мозга, контролирующая руку со смычком, не расширяется, ведь движения этой руки относительно грубые.

Противоположная ситуация – депривация вместо чрезмерного использования – тоже изучалась в лаборатории. Кошки, выросшие в темноте, утратили способность правильно объединять изображения с двух глаз. Других кошек растили в таких условиях, что видели они только вертикальные или горизонтальные полосы: в первичной зрительной коре у них оказалось аномально большое количество нейронов, настроенных на вертикали и горизонтали соответственно. Еще одна компания кошек росла в темной комнате, освещаемой очень короткими световыми вспышками: такие животные могли видеть, но не воспринимали движение, так как их сетчатка не успевала регистрировать перемещения объектов во время вспышек и в их коре не было нейронов, избирательно реагирующих на движение в разных направлениях.

Все это указывает на податливость формирующихся сенсорных систем. Но что, если человек вырастет вообще без зрения? Нейропсихолог Дональд Хебб предсказал, что зрению в значительной степени можно научиться. Сложные восприятия формируются через опыт, путем ассоциации, и, по его мнению, происходить это должно в раннем возрасте, пока мозг не утратил способность формировать новые нужные сборки. В основе своей его идея была верна: многое действительно зависит от визуального опыта. Однако вывод о том, что это происходит в юном возрасте, представляется верным лишь отчасти.

Доказательства получены в экспериментах со слепыми от рождения людьми, которым позже подарили зрение. Паван Синха из Массачусетского технологического института во время визита на родину узнал, что в деревнях Индии живут около 300 тысяч детей с плотной врожденной катарактой. У этих детей хрусталик глаза замещен мутной фиброзной тканью. Катаракта пропускает свет и позволяет отличать его от тьмы, но о том, чтобы разглядывать детали, говорить не приходится. Блестяще сочетав науку с гуманизмом, Синха организовал программу по поиску и транспортировке этих детей в Нью-Дели, где хирурги в современной больнице заменили им хрусталики на искусственные аналоги (ту же операцию по удалению катаракты делают и многим пожилым людям).

Команда Синхи проверяла зрение маленьких пациентов перед операцией, сразу после нее и спустя месяцы или годы. После удаления катаракты зрение детей восстановилось не быстро. Поначалу мир казался им туманным и расплывчатым. Но со временем они начали прозревать, а через несколько месяцев уже могли различать детали, а не просто отличать свет от темноты. Многие теперь могли ходить без белой трости, кататься на велосипеде по людной улице, узнавать друзей и родственников, посещать школу и заниматься другими видами деятельности, свойственными зрячим людям.

И все же достичь идеального зрения им, похоже, так и удалось. Острота его оставалась ниже нормы даже после месяцев тренировок. Один пациент сказал, что он может читать заголовки в газетах, но не мелкий шрифт. Другие испытывали сложности со специфическими визуальными задачами, такими как распознавание двух перекрывающихся фигур по отдельности. Таким образом, зрение может быть восстановлено, но пластичность зрительной системы не безгранична.

Еще одним свидетельством тому служит работа особых областей нижней височной доли, реагирующих исключительно на лица в качестве визуального стимула, – так называемых «лицевых пятен» (веретенообразные лицевые зоны). Тот факт, что они стабильно обнаруживаются в одних и тех же местах у разных людей (или обезьян), говорит о том, что они заложены в мозге от природы. По мере того как индийские детишки учились видеть, их мозговая активность претерпевала изменения: сразу после удаления катаракты реакция на визуальные стимулы, включая изображения лиц, была беспорядочной, рассеянной по всей коре мозга, но вскоре она сменилась серией пятен, которые располагались на своих нормальных позициях. Это показывает, что мозг знал наперед, где должны быть лицевые пятна, и свидетельствует о некоторой предопределенности зрительных структур.

Наконец, в 2017 году Маргарет Ливингстон и другие специалисты из Гарвардской медицинской школы опубликовали результаты добротного и элегантного эксперимента на тему сенсорной нейронной пластичности. Они растили макак с самого рождения таким образом, что те ни разу не видели лиц. Ни человеческого, ни обезьяньего, ни любого другого лица. Об обезьянах заботились с любовью, но для общения с ними экспериментаторы всякий раз надевали сварочную маску.

Во всем остальном макаки росли в совершенно нормальном визуальном мире: они могли все видеть в своей клетке и в остальной комнате; могли видеть туловище экспериментатора, его руки и ноги; могли видеть детскую бутылочку, из которой их кормили. Они могли слышать обычные звуки обезьяньей стаи. Единственное, чего они не могли, – это видеть лица. Развивались макаки по большей части нормально, и, когда их ввели в стаю, они благополучно начали общаться с сородичами и успешно интегрировались в обезьянье общество.

Экспериментаторы проверяли мозговую активность макак, предъявляя им различные визуальные стимулы, в том числе и лица. Как вы могли догадаться, они выросли без лицевых пятен в мозге. Примечательно, что те зоны височной доли, которые в норме служили бы для распознавания лиц, вместо этого реагировали на изображения рук. В нормальной социальной среде наиболее важными визуальными объектами для примата являются лица. Лица сигнализируют о гневе, страхе, враждебности, любви и всей прочей эмоциональной информации, которая важна для выживания и процветания. По-видимому, вторая по важности деталь окружающей среды для примата – это руки: собственные руки обезьян и руки экспериментаторов, которые кормили их и растили.

Хоть их «лицевые» пятна и превратились в «ручные», замещение это оказалось в определенной мере пластичным. Примерно через шесть месяцев после того, как макакам наконец позволили видеть лица экспериментаторов и других обезьян, нейроны данных зон мозга постепенно восстановили восприимчивость к лицам. Очевидно, лица передают так много важной информации, что способны отвоевать те области мозга, что были прежде захвачены руками.

Все права на данный русскоязычный текст принадлежат нашему журналу. Если вам понравилось его читать и вы хотите поделиться информацией с друзьями и подписчиками – поделитесь фрагментом и поставьте активную ссылку на эту статью, мы будем рады. С уважением, Батрахоспермум.

Вас также могут заинтересовать статьи:
Жуткие образы, которые будоражат нейроны мозга Поддельные детеныши и материнское зрение львиц морских Как наука пробралась в серую зону сознания и получила оттуда ответ

Источник: batrachospermum.ru

Комментарии: