В ходе последнего и наиболее впечатляющего эксперимента Мерцених и его команда доказали, что размещение карт происходит не на анатомической основе. Они взяли небольшой участок кожи с одного пальца и хирургическим путем пересадили его вместе с нервом, по прежнему подсоединенным к своей карте мозга, на соседний палец. Теперь стимуляция этого участка кожи и его нерва происходила всегда, когда палец, на который они были пересажаны, двигался или ощущал прикосновение в процессе повседневного использования. В соответствии с моделью жесткого программирования сигналы должны были по-прежнему посылаться с кожи по нерву на карту мозга для того пальца, с которого она была взята. Вместо этого при стимулировании данного участка кожи реагировала карта нового пальца. Карта пересаженного участка кожи мигрировала из карты пальца, на котором он находился первоначально, в карту нового пальца, потому что стимуляция участка кожи и нового пальца происходила одновременно.
Итак, всего за несколько лет Мерцених сумел выяснить, что мозг взрослого человека пластичен, убедить в этом скептиков из научного сообщества и доказать, что опыт меняет мозг. Но он так и не разгадал главную загадку: как картам удается осуществлять самоорганизацию по топографическому принципу и функционировать с максимальной пользой для человека.
Топографическая организаций карты
Когда мы говорим, что карта мозга организована топографически, мы имеем в виду, что она организована таким же образом, как все тело. Например, наш средний палец расположен между указательным и безымянным. То же самое можно сказать о проекционных зонах мозга: карта для среднего пальца находится между картами для указательного и безымянного пальца. Топографическая организация карты обеспечивает высокую эффективность работы мозга: поскольку те проекционные зоны, которые обычно работают вместе, располагаются на карте близко друг к другу, сигналам не приходится «странствовать» по всему мозгу.
Мерцениху предстояло ответить на вопрос: как подобный топографический порядок возникает на карте мозга?[41] Полученный им и его коллегами ответ был поистине гениальным. Топографический порядок появляется из-за того, что многие из наших повседневных видов деятельности предполагают повторение последовательных операций в определенном порядке[42]. Например, когда мы подбираем предмет размером с яблоко или бейсбольный мяч, мы, как правило, сначала сжимаем его большим и указательным пальцами, а затем обхватываем остальными пальцами, последовательно один за другим. Поскольку большой и указательный пальцы обычно дотрагиваются до предмета практически одновременно, карты для каждого из этих пальцев формируются близко друг к другу. (Нейроны, активирующиеся вместе, связываются друг с другом.) Когда мы продолжаем обхватывать предмет рукой, следующим к нему прикасается средний палец, поэтому его карта располагается рядом с картой указательного пальца и дальше от большого пальца. Итак, мы имеем типичную последовательность хватательного движения — первым большой палец, вторым указательный, третьим средний, — которая повторяется тысячи раз. Подобное повторение ведет к формированию карты мозга, где проекционная зона большого пальца находится рядом с зоной указательного пальца, которая, в свою очередь, располагается рядом с зоной среднего и т. д. Сигналы, поступающие в разное время, например, от большого пальца и мизинца, имеют карты мозга, более отдаленные друг от друга, потому что нейроны, активирующиеся раздельно, не связываются между собой.
Многие, если не все, карты мозга работают по принципу пространственного объединения событий, происходящих одновременно. Мы уже рассказывали, что карта слуховой коры работает как пианино, картируя области для звуковых сигналов с низким тоном в одном конце и с высоким тоном — в другом. Почему именно в таком порядке? Потому что в природе низкие частоты обычно объединяются друг с другом. Когда мы общаемся с человеком с низким голосом, то слышим, главным образом, звуки с низкой частотой, поэтому они группируются вместе.
Количество переходит в качество
Появление в лаборатории Мерцениха Билла Дженкинса положило начало новому этапу исследований, которые должны были помочь Мерцениху применить свои открытия на практике. Дженкинса, получившего образование в области поведенческой психологии[43], больше всего интересовало понимание того, как происходит наше обучение. Он предложил учить животных новым навыкам и наблюдать за тем, как обучение будет влиять на их нейроны и карты мозга.
В рамках одного из экспериментов они составили карту сенсорной области коры головного мозга обезьяны. Затем они научили ее прикасаться кончиком пальца к вращающемуся диску, оказывая на него в течение десяти секунд именно то давление, которое было необходимо для получения вознаграждения в виде кусочка банана. От обезьяны требовалось большое внимание, чтобы научиться прикасаться к диску очень легко и точно оценивать длительность прикосновения. После нескольких тысяч попыток Мерцених и Дженкинс повторно картировали мозг обезьяны и увидели, что после успешного прохождения обучения область карты кончика ее пальца увеличилась. Эксперимент показал, что при наличии у животного мотивации к обучению его мозг гибко реагирует на происходящие изменения.
В ходе эксперимента стало очевидно, что процесс состоит из двух этапов. Сначала, когда обезьяна изучает новый навык, происходит расширение проекционной зоны кончика пальца. Однако через некоторое время повышается эффективность отдельных нейронов, и при этом число нейронов, необходимых для выполнения задания, сокращается.
Когда ребенок впервые учится играть гаммы на фортепьяно, то для того, чтобы сыграть каждую ноту, он использует всю верхнюю часть тела — кисть, руку, плечо. Даже мускулы его лица напряжены от старания. Постоянно упражняясь, начинающий пианист перестает включать в процесс ненужные мышцы и вскоре при исполнении одной ноты начинает пользоваться только соответствующим пальцем. У него формируется «более легкое прикосновение», а с появлением опыта он обретает «изящество» и умение расслабляться во время исполнения. Происходит переход от использования огромного числа нейронов к использованию меньшего числа тех нейронов, которые подходят для выполнения именно этой задачи. Подобное более эффективное использование нейронов появляется тогда, когда мы в совершенстве овладеваем каким-либо навыком, что объясняет, почему в процессе тренировки или добавления нового навыка пространство соответствующей карты мозга расширяется не до бесконечности.
Мерцених и Дженкинс также доказали, что в процессе обучения отдельные нейроны становятся более селективными. Каждый нейрон на карте мозга для чувства прикосновения имеет свое «рецептивное поле», или сегмент на поверхности кожи, который «отчитывается» перед ним. По мере того, как обезьяны учились трогать диск, рецептивные поля отдельных нейронов становились меньше, в результате чего эти нейроны активировались только тогда, когда небольшие участки кончиков пальцев прикасались к диску. Таким образом, при увеличении размера проекционной зоны каждый нейрон в ней начинает отвечать за меньший участок поверхности кожи, что позволяет животному более тонко различать прикосновения. Одним словом, карта становится более точной.
Кроме того, Мерцених и Дженкинс выяснили, что по мере обучения нейронов и повышения их эффективности у них появляется способность и к более быстрой обработке информации. Это означает, что скорость нашего мышления тоже может меняться. Скорость мысли крайне важна для нашего выживания. События нередко происходят очень быстро, и если мозг обрабатывает информацию медленно, то он может упустить что-то важное. В ходе одного из экспериментов Мерцених и Дженкинс учили обезьян различать звуки за все более и более короткие промежутки времени. В ответ на звуки обученные нейроны активировались быстрее[44], обрабатывали их за более короткое время и затрачивали меньше времени на «отдых» между моментами активации. Появление более быстрых нейронов обеспечивает увеличение скорости мышления, что немаловажно, так как скорость мысли — значимая составляющая ума. Тесты для оценки коэффициента интеллектуальности (IQ) определяют не только вашу способность найти правильный ответ на вопрос, но и то, сколько времени вам для этого требуется.
Ученые обнаружили еще один интересный факт. При обучении животного какому-либо навыку нейроны не только становятся более быстрыми, но и из-за увеличения скорости их активации возрастает ясность передаваемых ими сигналов. У более быстрых нейронов повышается способность к одновременной активации — что делает их лучшими командными игроками, — установлению связей и формированию групп нейронов, испускающих более ясные и сильные сигналы. Это очень важный момент, так как сильный сигнал оказывает большее влияние на мозг. Когда мы хотим запомнить что-то из услышанного, то должны слышать это ясно и четко, причем ясность здесь определяется отчетливостью первоначального сигнала.
