Революция в голове. Как новые нервные клетки омолаживают мозг: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Обучение означает накопление опыта и, как следствие, способность прогнозировать. Джефф Хокинс, изобретатель электронной записной книжки Palm Pilot, вовремя вышел из дела и вернулся к исследованиям мозга, пока управление не перехватила Apple с ее карманными устройствами. Он сформулировал общее определение функции мозга в своей великолепной книге «Об интеллекте» (On Intelligence): по его словам, мозг – это запоминающее устройство плюс способность прогнозировать.

Если мы учимся, в будущем у нас что-то получается лучше. Что именно здесь значит «лучше», не всегда легко понять, но, обучаясь, мы как минимум не хотим повторять одни и те же ошибки. Это подразумевает способность сделать надежный прогноз того, что может произойти в жизни в следующий момент. Нам нужно постоянно учиться на опыте. Прогнозы и ожидания здесь не обязательно должны быть осознанными, отчасти их вполне можно понимать метафорически. В любом случае подробности пока неизвестны. Но основная идея очень понятна. Обучаясь, мы приспосабливаемся к обстоятельствам. Это пластичность, с которой мы познакомились в четвертой главе.

Для мозга обучение означает нечто большее, чем переключение нескольких битов с 0 на 1 или обратно. С нейробиологической точки зрения обучение почти равнозначно пластичности. Этот процесс подразумевает структурные изменения в мозге. Они происходят преимущественно на уровне контактов между нейронами, синапсов. Но отростки нервных клеток тоже пластичны и могут изменять сеть связей. Нейрогенез взрослых – это редкий частный случай, когда в сети не только появляются новые или укрепляются имеющиеся связи, но и возникают новые узлы.

В этой главе мы будем заниматься исключительно функцией новых нервных клеток в гиппокампе (отчасти потому, что о нейронах гиппокампа нам известно больше всего). О функции новых нервных клеток в обонятельной луковице мы, напротив, знаем очень мало, а в полосатом теле – вообще ничего. Какова же их роль в деятельности мозга в других зонах нейрогенеза, которых так много у некоторых животных, можно только предполагать. С другой стороны, значение нейрогенеза взрослых в гиппокампе неоспоримо. У нас есть основания сосредоточиться на этой зоне – вратах памяти.

В других областях еще многое предстоит выяснить, и можно не сомневаться, что нейрогенез взрослых в целом принесет много неожиданностей. А мы для начала займемся неожиданностями в гиппокампе.

Первая попытка объяснить функцию новых нервных клеток

Первый выстрел в вопросе о том, для чего могут быть нужны новые нейроны в гиппокампе, опять сделала Лиз Гульд. Ее совместная работа с коллегой Трейси Шорс из Принстонского университета, куда Гульд к тому времени перешла, была опубликована в 2000 году и вначале вызвала большое смятение.

Чтобы узнать, что делают новые нервные клетки, нужно нейтрализовать их действие и посмотреть, что останется от обучения и памяти. Вряд ли кто-то предполагал, что новые нейроны – это память сама по себе. Для этого клеток было слишком мало, а их расположение на входе в гиппокамп казалось не очень подходящим. Но что тогда? Все усложнялось тем, что исследованиями зубчатой извилины не то чтобы совсем пренебрегали, но внимания им уделяли значительно меньше по сравнению с другими участками гиппокампа, в первую очередь с CA1.

Дискуссию вызвало не только то, что Гульд и Шорс использовали метод с довольно сильными побочными эффектами, с помощью весьма жесткого химиотерапевтического средства блокировав в гиппокампе крыс деятельность стволовых клеток и тем самым нейрогенез взрослых. Помимо этого, в качестве функции для исследования они выбрали выработку условного мигательного рефлекса. Иными словами, исследовательницы применили не что иное, как основной научный метод бихевиоризма: в процессе выработки условного рефлекса индивид учится связывать между собой два стимула таким образом, что впоследствии одного из них достаточно, чтобы наступила реакция, которую исходно вызывал только другой. Для этого использовали мигательный рефлекс. Крысы слышали звук, сразу за ним следовал короткий порыв сквозняка, из-за чего крыса моргала. Через некоторое время, чтобы крыса моргнула, стало достаточно одного звука. В принципе, то же самое происходит, если вы научились жмуриться при одной только угрозе удара в литавры, а не тогда, когда это уже действительно произошло.

Идея о том, что данный рефлекс связан с гиппокампом, вначале озадачила даже специалистов. Но это действительно так: при очень коротком промежутке между звуком и сквозняком связь устанавливается с использованием этой области. Значит, чтобы произошло обучение, нужен работающий гиппокамп. При более длинном промежутке дело уже обходится без него.

Однако результаты самого опыта были весьма недвусмысленными. В отсутствие нейрогенеза связь между звуком и мигательным рефлексом не устанавливалась. В случае более длительного интервала, когда обучение не зависело от деятельности гиппокампа, оно успешно протекало и без нейрогенеза взрослых.

В целом эта парадигма вызывает определенные трудности для интуитивного понимания, но она хорошо исследована и непротиворечива. С другой стороны, в доказательстве использовалась очень абстрактная и при этом, можно сказать, примитивная форма обучения. С помощью эксперимента удалось показать, что нейрогенез взрослых в гиппокампе, возможно, для обучения необходим. Но конкретный пример, вид этого процесса не мог служить сильным аргументом. Центральный посыл статьи состоял в том, что для обучения с использованием гиппокампа нужны новые нейроны, и этот результат приняли с радостью; но выучен здесь был бихевиористский условный рефлекс моргания. Это не самый типичный пример гиппокампального обучения.

Общественность рассчитывала на большее, особенно учитывая ожидания, которые породили данные о канарейках. Люди не могли понять, каково реальное значение этого узкоспециализированного результата, а других доказательств пока не было. Но, к счастью, они не заставили себя ждать.

Как и в этом первом опыте, основная идея всех последующих экспериментов состояла в том, чтобы избирательно подавить у подопытных животных нейрогенез взрослых, по возможности не вызывая каких-либо побочных эффектов, которые тоже могли бы повлиять на их способность к обучению. Ученые предполагали, что функция новых клеток довольно тонкая. Поэтому стресс повредил бы эксперименту.

В методе Лиз Гульд использовался цитотоксин, который не давал стволовым клеткам производить новые нейроны и вызывал не так уж мало побочных эффектов. В позднейших опытах для этого применяли сфокусированное облучение, которое также встречается в лечении рака, и сложные генетические методы. Мы сами успешно использовали химиотерапевтическое средство, с помощью которого обычно лечат опухоли мозга. Пациенты переносят его так хорошо, что его можно вводить в амбулаторном режиме. Поэтому мы могли предполагать, что побочные эффекты в опытах будут минимальными.

В конце концов из всей массы исследований и широкого спектра методов выстроилась довольно сложная, но в основе своей непротиворечивая картина, которая уже далеко не ограничивается мигательным рефлексом и затмила собой даже разучивание песен у канареек.

Условный рефлекс страха

Представьте, что вы едете в лифте с группой мужчин. Они пьют пиво, они только что вернулись из леса с двухнедельного тренинга выживания и первый раз после этого собираются в душ. Вдруг раздается скрежет, и лифт застревает. Вас освобождают лишь через три часа. Понятно, что в ближайшие дни и недели вы будете избегать этого лифта, а от любого скрежета или от запаха пива и грязных футболок у вас будет учащаться пульс. Так очень быстро сформировалась связь между контекстом «этот лифт», «запах пива» и «пот» и страхом застрять. Это называется «условный рефлекс страха».

Следующий большой шаг к ответу на вопрос о функции новых нейронов был сделан с помощью опыта на основе условного рефлекса страха. Здесь мышь помещали в новую обстановку (условный лифт), где она получала хоть и не очень болезненный, но неприятный удар электрическим током – аналог застрявшего лифта. На следующий день мышь сжималась и замирала сразу, как только ее снова сажали в ту же самую клетку. Животное вновь оказывалось в условиях клетки, и этого было достаточно, чтобы воспоминание о неприятном ударе тока вызывало страх. Таким же образом лифт вызывает неприятное воспоминание о том, как вы застряли в нем с потными любителями активного отдыха. Интересно, что деятельность гиппокампа при этом обеспечивает только ассоциацию с лифтом, а не со звуком или запахом. Другие ассоциации формирует миндалевидное тело, находящееся за пределами гиппокампа.

Несложно представить условный рефлекс страха как очень простую, но вполне удачную модель переработки травматичного опыта. Здесь тоже достаточно малого, чтобы снова вызвать к жизни старые реакции. Собственно, исследователям удалось показать, что такое выучивание контекста обусловлено деятельностью гиппокампа, и для этого действительно нужны новые нервные клетки.

Прорывом здесь было конкретное указание на «контексты», которые в дальнейшем сыграли важную роль. Но в опытах был и некоторый изъян. Запоминание контекста – это определенно нечто более значимое, чем мигательный рефлекс, но контекст здесь был в основе своей отрицательным. Отсюда и близость к травматизации. Нетрудно предположить, что все то же может быть верно и для позитивной ситуации, но доказано это не было. Тем не менее с помощью условного рефлекса страха мы смогли выяснить массу подробностей о том, каким образом новые нейроны участвуют в обучении, обусловленном деятельностью гиппокампа.

Путь указывают компьютерные модели

И все же некоторые исследователи, и я в том числе, чувствовали, что по-настоящему выяснить, зачем нужны новые нервные клетки, таким образом невозможно. Мы считали, что ключом к пониманию нейрогенеза взрослых должна быть функция зубчатой извилины. Новые клетки – зернистые, они встраиваются в ее сеть. Структура связей в зубчатой извилине хорошо известна, поэтому можно было ставить очень конкретные вопросы о том, как эта сеть изменится, если добавить пару новых нейронов.

Для этого можно смоделировать зубчатую извилину на компьютере и проверить, что будет, если изменить в этой модели количество клеток. Сложность с подобными компьютерными моделями в том, что результат, конечно, очень сильно зависит от их устройства: настолько, что некоторые утверждают, будто с их помощью можно доказать все, что угодно, и они показывают лишь, в чем именно были предвзяты их создатели. Разумеется, в этом есть доля истины, но в конечном счете отсюда следует только то, что такая модель требует очень тщательного рассмотрения с учетом решений, которые она предлагает, и что лучше всего сравнить между собой несколько моделей.

Так и произошло, потому что разные группы ученых испробовали этот подход параллельно и с совершенно разными идеями.

Самые обширные исследования на эту тему провел Брэд Аймон, который работал с Фредом Гейджем. Его модель была самой сложной и очень далеко продвинула науку вперед^{50}. Однако, как ни странно, его прогнозы оказались совсем недалеки от того, что на основании гораздо более простых моделей предположили мы с моим коллегой Лауренцем Вискоттом или канадская исследовательница Сью Беккер. В конечном итоге это сильно успокаивало: гипотеза была в достаточной степени независима от модели, на основе которой ее развивали.

Брэд Аймон видит в новых клетках возможность снабдить информацию своего рода временнóй отметкой, в результате чего они помогают соответствующим образом регистрировать вещи, связанные друг с другом по времени. Это тоже контекстуализация, в данном случае в первую очередь временнáя. И хотя в случае условного рефлекса страха исходно речь шла о пространственном обусловливании (клетка, лифт и т. д.), конечно же, важно, как именно нахождение в данном контексте связано с неприятным опытом во времени. Только так может сформироваться условный рефлекс.

Здесь напрашивалось очень интересное обобщение. Дело в том, что уже некоторое время существовала теория, согласно которой важная функция гиппокампа состоит в так называемой сепарации паттернов (pattern separation), то есть в способности воспринимать различные, но похожие между собой и близкие во времени раздражители отдельно. Это та же временнáя отметка, но в другом обличье, и здесь был сделан существенный шаг вперед.

Последовала целая череда работ, где удалось более или менее хорошо показать, что новые нервные клетки действительно способны улучшить деятельность зубчатой извилины в плане сепарации паттернов. Модели Аймона выдержали испытание экспериментом, гипотеза, полученная на компьютере, подтвердилась.

Мы с Лауренцем Вискоттом придумали значительно более простую модель сети гиппокампа^{51}. Согласно нашему предположению, функция новых клеток должна быть настолько базовой, что она проявилась бы даже в существенно редуцированных моделях. Так оно и было. Наша модель показала, что гиппокампальная сеть с новыми нейронами, сталкиваясь с новыми условиями, делает меньше ошибок, чем в отсутствие новых клеток. Если хорошенько подумать, это не так уж далеко от идеи сепарации паттернов, но у нас на уме был несколько иной аспект: мы думали о гибкости. Новые нейроны могли бы быть решением главной проблемы сетей: как они обращаются с новой информацией? Наша модель подтвердила, что нужно совсем немного новых клеток, и сеть будет менее склонна к ошибкам, когда от нее требуется гибкая реакция.