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

Парковочная аналогия

Сью Беккер из Канады пришла к совершенно аналогичному выводу и выразила всю идею через легко запоминающуюся аналогию. Если угодно, ее можно было бы представить в лос-анджелесской формулировке и в мюнстерской версии. Сью Беккер выбрала североамериканский вариант: допустим, вам приходится каждый день ездить на работу на машине, и вы всегда оставляете ее на гигантской парковке вашей фирмы. Каждый день вам нужно запоминать, где вы припарковались. Свое знание об этой парковке вам ежедневно приходится дополнять единственной, но важнейшей деталью, а именно где вы сегодня оставили автомобиль. Для этого не нужно забывать (или перезаписывать), где вы парковались вчера, – эта информация не имеет никакого значения. Помните ли вы, где оставляли машину 27 июля прошлого года, не поможет вам снова найти ее сегодня вечером.

Вряд ли вы решите эту задачу, если запомните, что остановились возле желтого автомобиля. Желтый автомобиль к вечеру может уехать, кроме того, на этой парковке таких машин может быть много. Лучше сделать вот что: мысленно нанести в правильное место на карте парковки, которую вы уже давно запечатлели в уме, новый крестик, и опять же в уме и совершенно бессознательно добавить временнýю отметку.

Илл. 24. Аналогия между функцией новых нейронов, которые образуются в гиппокампе взрослого, и парковкой показывает, что новые нервные клетки используются для гибкой актуализации имеющегося знания. Точно так же на парковке приходится заново искать место и опять запоминать, где именно вы поставили машину, причем для этого не нужно с нуля заучивать «всю парковку» или забывать, где автомобиль стоял вчера

Легко понять, как здесь сходятся различные гипотезы о функции новых нейронов. Речь о том, чтобы гибко вносить новую информацию в воспоминания и представления. Для этого нужно определить и знать, что в ситуации изменилось, а также представлять себе контекст. Новую информацию нужно связать с контекстом и гарантировать, чтобы она распознавалась как новая – до следующего дня, когда поступят другие сведения о другом свободном месте на громадной парковке, которое не следует путать со старым.

А мюнстерская версия? Все то же, только с велосипедами на вокзале…

Новые нейроны в водном лабиринте

Мы с моим коллегой Александром Гарте немного злились, что великолепная парковочная аналогия пришла в голову Сью Беккер, а не нам. Но мы сказали себе, что, если эта идея верна – а мы со всей ясностью осознавали ее очевидность, потому что этот вывод откровенно напрашивался из совместных работ с Лауренцем Вискоттом, – то отсутствие новых нейронов должно также проявляться в испытаниях, которые были бы ближе к жизни, чем мигательный рефлекс, условный рефлекс страха и диковатые эксперименты с сенсорным экраном на мышах, где те в качестве пальца используют нос (с помощью последних подтвердили гипотезу сепарации паттернов).

Однако, к сожалению, различные исследования показали, что результаты, которые мыши и крысы демонстрируют в водном лабиринте Морриса, не слишком зависят от того, исключены ли новые нейроны из процесса или включены в него. Существует линия мышей, у которых не хватает определенного гена – по прихоти природы у этих животных он отвечает исключительно за деление стволовых клеток в гиппокампе. Этих мышей вдоль и поперек исследовали в различных тестах, включая тест Морриса. Было ясно: для обучения «как такового», в какой бы степени оно ни было обусловлено функциями гиппокампа, новые клетки не нужны. Но мы предположили, что эти тесты, возможно, не подходят для тех аспектов обучения, за которые отвечают новые нервные клетки. Поэтому, исходя из своих теоретических рассуждений, мы использовали вариант водного лабиринта, в котором можно измерить гибкость в обучении. Мышей учат находить платформу в бассейне, затем, на следующий день, коварно перемещают ее в другое место, а животным ничего не говорят. Разумное поведение с их стороны – сначала посмотреть в старом месте, а потом быстро пуститься на поиски, используя при этом знания из первого тура. Мы обнаружили, что мыши без новых нервных клеток прекрасно обучались в первом раунде, хотя, может быть, и немного медленнее, чем животные, у которых шел нейрогенез взрослых. Но затем они гораздо дольше искали платформу на старом месте, прежде чем приняться за обучение вновь. Они залипли на старой информации, были менее гибкими^{52}. Это хорошо сочеталось с нашей гипотезой.

Илл. 25. Мыши проходят тесты обучения на компьютере. Сенсорный экран реагирует на касание кончиком носа. В том числе такое испытание подтвердило, что новые нейроны важны для когнитивной гибкости и переосмысления информации

Когда нейрогенез взрослых простимулировали физической активностью или пребыванием в обогащенной среде, гибкость тоже повысилась^{53}. Это сочеталось с гипотезой еще лучше.

Больше всего поведенческих экспериментов, посвященных функции новых нейронов и вопросу, как обучение способствует нейрогенезу взрослых, провела Нора Абру и ее коллеги из Бордо. С годами сформировалась очень впечатляющая и сложная картина, подробностей в которой гораздо больше, чем мы можем рассмотреть здесь. Например, Нора Абру прицельно исключала новые нейроны из процесса обучения точно в определенные моменты времени^{54}. При этом она также установила, что значение имеют не только сохраняющиеся новые нейроны, но и то, что другие клетки уничтожаются, – предполагается, что они могли бы сформировать противоречивые ассоциации. Однако самое главное, что у Норы Абру тоже вырисовывается все более конкретное представление о значении пластичности, которую обеспечивают новые нервные клетки, и что взаимосвязь здесь обоюдная. Иными словами, нейрогенез взрослых способствует когнитивной деятельности, которая, в свою очередь, влияет на нейрогенез взрослых.

Среди публикаций Норы Абру есть работа, темой которой заявлена гибкость и где из несколько иных предположений она пришла к тем же выводам, что и мы. Затем, наконец, в 2014 году Майкл Дрю и его коллеги с помощью аппарата с сенсорным экраном, который позволяет продемонстрировать сепарацию паттернов у грызунов, показали, что новые нейроны и здесь участвуют в переучивании и обучении заново. Итак, гипотезы действительно сходятся в одну точку^{55}.

Новые нейроны помогают забывать

Большое удивление и некоторое смятение вызвала сенсационная работа Пола Франкленда и его коллег из Торонто. Франкленд показал, что выученное знание без новых нервных клеток не может быть забыто{56}. Для этого он в первую очередь опять же использовал условный рефлекс страха определенного рода, но в сложных, хорошо продуманных вариантах. Если отключить формирование новых нервных клеток после обучения, неприятная ассоциация сохранялась дольше, чем при наличии нейрогенеза взрослых.

На мой взгляд, это не так уж далеко от «нашей» гибкости обучения. В этой модели тоже показан дефицит пластичности в отсутствие новых клеток. Но Франкленд сделал акцент на другом интересном моменте. Поскольку нейрогенез столь активно протекает в начале жизни и так сильно сокращается после подросткового возраста, он установил связь с так называемой инфантильной амнезией. Под ней подразумевают тот факт, что, хотя за первые три-четыре года жизни мы узнаем невероятно много, мы также очень многое из этого безвозвратно забываем. Ни у кого из нас нет собственных воспоминаний о своей жизни до третьего или даже четвертого дня рождения.

Интересно, что нечто подобное постулировал уже Джозеф Альтман, хотя и для более позднего жизненного периода. Он размышлял о том, что, возможно, новые нервные клетки нужны конкретно для омоложения и обновления мозга. Их нет при повреждениях, когда могла бы потребоваться регенерация. Но, как порою с прискорбием узнают родители подростков, они физиологически присутствуют в ходе полового созревания. Речь здесь идет не о забывании, но о гибкой реорганизации. Ирмгард Амрайн и Ганс Петер Липп из Цюрихского университета решительно выступили в поддержку этой гипотезы о переходном возрасте и хорошо проработали ее^{57}. Конечно, половое созревание и инфантильная амнезия – это не одно и то же, и годы, разделяющие их, имеют определенное значение, но не исключено, что в действительности за фундаментальной и весьма схожей в обоих случаях реорганизацией гиппокампа с участием новых нервных клеток можно увидеть связующий их общий механизм.

Дилемма стабильности-пластичности

Как же все это подытожить? Я считаю, что новые нервные клетки в гиппокампе нужны затем, чтобы гибко интегрировать новую информацию в имеющийся контекст. Они обеспечивают возможность приспосабливаться к новизне и сложности и повышают адаптивность. Тот, у кого много новых нервных клеток, лучше справляется в жизни, полной переживаний и новых испытаний.

Некоторые коллеги в своих интерпретациях концентрируются на других моментах, и можно, конечно, вести прекрасные споры о том, где на самом деле кроется суть. Это дело хорошее, оно способствует развитию дальнейших исследований, если все происходит цивилизованно и в лучшем смысле слова академично. Или можно попытаться дать еще более абстрактное толкование, которое лежало бы в основе различных взглядов. Шаг в этом направлении был сделан, когда стали подчеркивать значение новых клеток для сепарации паттернов, но можно пойти еще глубже.

Каждая нейронная сеть, которой постоянно приходится обучаться, вынуждена решать фундаментальную дилемму стабильности-пластичности. Под этим понимают следующую проблему: сеть с высокой пластичностью легко и много учится, но выученный материал трудно сохранить, потому что поверх него сразу записывается следующая новая информация. С другой стороны, сеть с высокой стабильностью лучше всего способна хранить выученный материал и обращаться к нему, но практически не может усвоить ничего нового. Таким образом, всегда нужно искать сбалансированный срединный путь, где максимальный возможный уровень стабильности будет сочетаться с необходимой степенью пластичности (или наоборот, необходимая степень стабильности – с максимальным возможным уровнем пластичности).

Нейрогенез взрослых создает для этого идеальные условия. Старая сеть может оставаться стабильной, тогда как новые узлы обеспечивают дополнительную пластичность, но не за счет старых связей. Все это точно дозируется и регулируется таким образом, чтобы обеспечивать пластичность по потребности. Потребность же определяется поведением индивида.

Но почему нейрогенез взрослых – это исключительный случай, а не распространенная стратегия для решения описанной дилеммы? Может быть, дело в особом устройстве сети в зубчатой извилине, может быть – в эволюционных случайностях. Это нам неизвестно. Когда речь идет об эволюции свойств, вопрос, почему так, а не иначе, не имеет смысла. Эволюция не может спросить себя об этом, значит, к сожалению, не можем и мы.

9

Что меняет нейрогенез взрослых

Решение написать эту книгу выросло не только из восхищения новыми нейронами как таковыми, но и благодаря оптимистичному взгляду на тему старения мозга, которая сама по себе дает мало оснований для надежды. Иными словами, меня побудила к этому радость, вызванная во всех отношениях позитивным развитием области. Знание о том, что структура мозга в процессе деятельности и тренировок может приспосабливаться даже на уровне нейронов, окрыляет. Это не единственный возможный подход к исследованиям когнитивного старения и нейродегенеративных заболеваний. Извлечь из него пользу – задача вовсе не тривиальная. Таким образом, эта книга призвана не только рассказать захватывающую историю о том, как нейрогенез взрослых поставил изучение мозга с ног на голову. Речь идет также о принципиально ином взгляде на деятельность мозга и, например, на проявления нейродегенеративных заболеваний, чем тот, что был принят долгое время. Это взгляд с позиций пластичного мозга, который всю жизнь находится во взаимодействии с окружающей средой и ее задачами и подстраивается под них.

Этот новый взгляд складывается из общей картины того, как данная научная область развивалась в последние 20–30 лет. Открытие стволовых клеток мозга и нейрогенеза взрослых еще раз в корне изменило исследования пластичности мозга. В результате нейрогенез взрослых быстро стал популярной темой. Разумеется, это вызывает некоторые проблемы.

Дело в том, что это воздействие новых нейронов на наше представление о старении мозга носит скорее символический характер. В повседневной практике мозг по-прежнему плохо регенерирует. А простое знание о стволовых клетках и пластичности еще ничего не дало множеству пожилых людей, которые чувствуют на себе безжалостное действие времени, а также больным деменцией.

И все же главная мысль этой книги – идея об индивидуальном, уникальном пути развития мозга, которое в форме нейрогенеза взрослых (наряду с другими проявлениями пластичности) длится всю жизнь. Наш мозг – это не компьютер, до мельчайших деталей смонтированный по жесткой схеме. В известных пределах он продолжает развиваться, пока мы живы. Даже немногочисленные новые нервные клетки участвуют в этом подстраивании структуры мозга до глубокой старости. В конце жизни наш мозг отличается от того, каким он был в начале. Не только потому, что память заполнилась и уже частично очистилась, но и потому, что его структура меняется в зависимости от выученного и пережитого нами. Воспоминания – это не что-то эфемерное, бестелесное, не «дух в машине» (как сказал Гилберт Райл[38]), они содержатся в изменениях структуры нашего мозга.

[38] Райл Гилберт (1900–1976) – английский философ, представитель оксфордской школы «обыденного языка» (лингвистическая философия). – Примеч. ред.