Детский мозг
Исследования детского мозга помогают нам избавиться от наивного штампа: мы всегда были убеждены в том, что мозг — высокофункциональная система, содержащая огромное количество нейронов. Кстати, в лобной доле двухлетнего ребенка содержится почти в два раза больше синапсов — соединений между нейронами, — чем у взрослого в 20-летнем возрасте. И вместе с тем рабочая память у двухлетнего малыша функционирует гораздо хуже. На третьем году жизни плотность синапсов постепенно начинает снижаться и примерно к 12 годам достигает уровня взрослого человека[63]. После раннего перепроизводства количество нейронов, медиаторов и синапсов начинает стремительно уменьшаться.
В первые три месяца жизни ребенка в нервных волокнах, соединяющих два мозговых полушария, ежедневно гибнет 900 тысяч аксонов[64]. Почему объем рабочей памяти увеличивается, когда нейроны исчезают, объяснить сложно. Возможно, структура нервных сетей организована так, что некоторые важные связи усиливаются, а второстепенные ослабевают.
В детском возрасте происходит еще один важный процесс — миелинизация. Межклеточные соединения покрыты веществом, которое называется миелином; оно играет роль проводника сигналов. Миелинизация — процесс образования миелина вокруг аксонов ряда нервных волокон — обычно полностью завершается к концу второго года жизни ребенка. Основная функция миелина — вещества, образующего миелиновую оболочку нервных волокон, — быстрое проведение нервного импульса по аксонам, которые он окружает. Слой миелина постепенно уплотняется, именно этот процесс и называется миелинизацией. Миелинизация в основном приходится на первые два года жизни, однако, как теперь стало известно, процесс продолжается вплоть до двадцатилетнего возраста. Магнитно-резонансное сканирование также выявило связь между миелинизацией нервных волокон, соединяющих кору теменной и лобной долей, и развитием рабочей памяти[65]. Но почему этот феномен улучшает рабочую память, до конца не ясно. Возможно, это результат более интенсивного «общения» между нейронами. Другое объяснение — миелин увеличивает прочность связей, то есть повышает вероятность того, что импульс, посланный из теменной доли, достигнет лобной доли.
Таким образом, параллельно с развитием рабочей памяти в мозге происходит несколько процессов: усиление одних нейронных связей и ослабление других, значительная потеря соединений между различными областями мозга и миелинизация нервных волокон. Возможно, современные методы изучения человеческого мозга слишком примитивны, чтобы ответить на вопрос о пределах рабочей памяти. Может быть, надо искать объяснение, например, в характере синаптических связей между отдельными нейронами. Скептики считают, что сканировать мозг с помощью позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) или функциональной магнитно-резонансной томографии (ФМРТ) — все равно что измерять температуру компьютера: конечно, можно определить, насколько она повышается у работающего и понижается у выключенного компьютера, но это нисколько не помогает разобраться в устройстве и функциях компьютера.
Компьютерная имитация мозговой активности
Возможно, в будущем мы сможем сочетать методы с высокой разрешающей способностью, такие как электрофизиология с использованием тонких игл, когда обнаруживается активность отдельных нейронов, с методами сканирования, позволяющими одновременно измерить активность нескольких областей мозга, и таким образом интегрировать макроскопическую и микроскопическую информацию. Возможно также, наши знания о нейронах и их связях в будущем достигнут столь высокого уровня, что удастся создавать компьютерные модели мозга. С помощью этих моделей можно будет проверить различные гипотезы о поведении нейронов.
Моя исследовательская группа как раз участвует в подобном совместном проекте вместе с Еспером Тегнером, Фредриком Эдином и Юлианом Маковеану — разработчиками компьютерных моделей памяти[66]. Наша цель — расшифровать механизмы, которые увеличивают объем рабочей памяти, а также проследить за изменениями мозговой активности в детском возрасте.
В наших исследованиях мы использовали сеть из нескольких сот нейронов, что соответствует поверхности лобной доли площадью примерно около квадратного миллиметра. Затем мы смоделировали сеть, которая по своему строению имитировала работу мозга обезьян, когда они сохраняли информацию в рабочей памяти. Теперь эта микросеть могла сохранять информацию в рабочей памяти. Точно так же, как у обезьян, эта информация сохранялась за счет непрерывной активности клеток: в тот период, когда информация сохраняется, происходит вторичная активизация, и таким образом, информация запоминается.
Но показывает ли эта модель, как увеличить объем памяти? Какие процессы способствуют улучшению памяти? Мы хотели подтвердить или опровергнуть две основных гипотезы. Первая гипотеза — рабочая память улучшается за счет усиления связей между нейронами. Согласно второй гипотезе, объем памяти зависит от скорости, с которой нейроны обмениваются импульсами. То есть чем выше скорость, тем лучше память. Скорее всего, увеличение скорости соединений зависит от процесса миелинизации, и лично я в это охотно верю, поскольку магнитно-резонансное сканирование ранее показало, что миелинизация нервных волокон в определенных областях мозга позитивно влияет на рабочую память.
Для проверки обеих гипотез были созданы две модели нейронных сетей — «детская» и «взрослая». Затем мы измерили активность нейронов в процессе запоминания информации в рабочей памяти. Мы также измерили активность мозга у детей и у взрослых методом функциональной магнитно-резонансной томографии, чтобы понять, какая из гипотез больше соответствует действительности.
Выяснилось, что первая гипотеза имеет больше прав на существование. Сеть с более прочными синаптическими связями оказалась более стабильной, и мнемоническая деятельность продолжалась даже при наличии помех. Наши эксперименты с использованием функциональной магнитно-резонансной томографии подтвердили эти выводы. К моему разочарованию оказалось, что моя любимая гипотеза — об изменении активности мозга за счет скорости передачи импульсов — не подтвердилась.
В начале книги я высказал предположение, что сама природа ограничила наши познавательные возможности, и мы, обладая интеллектом каменного века, сегодня имеем дело с мощным информационным потоком. Оказалось, что ограничен именно объем рабочей памяти, это и есть регулятор. Пытаясь найти конкретную область мозга, где расположено это препятствие, мы обнаружили, что регуляторы рабочей памяти рассредоточены не по всей коре головного мозга, а находятся в определенных ключевых областях теменной и лобной долей.
Затем мы сделали следующий шаг, чтобы найти механизмы, ограничивающие объемы этих областей мозга. Мы хотели выяснить, какие нейрофизиологические процессы происходят на этих участках и как они связаны с ограниченным объемом памяти. И хотя мы продвинулись на научном фронте, многие вопросы пока так и остались открытыми. Компьютерное моделирование позволяет предположить, что, возможно, объем памяти каким-то образом зависит от прочности синаптических связей.
В следующей главе мы опять поговорим об информационном потоке и некоторых ситуациях, которые требуют умственного напряжения. Например, когда мы должны выполнить работу, несмотря на помехи. Или когда мы пытаемся выполнить несколько действий одновременно. Мы уже убедились в том, что объем рабочей памяти — ключевой фактор, когда речь идет о выполнении ряда интеллектуальных задач. А теперь попробуем разобраться: каковы механизмы помехоустойчивости? Существует ли зависимость между нашей способностью игнорировать помехи и делать одновременно несколько дел? Почему нам иногда так трудно сосредоточиться или выполнить несколько задач одновременно?
6. Объем мозга и интеллект
Сверхамбициозность и нетерпение — эти качества вынуждают нас применять давние и хорошо известные приемы. Очень часто мы стремимся закончить дела побыстрее — и хватаемся за все одновременно. Мы пытаемся сделать как можно больше дел в кратчайшие сроки. Существует целая серия анекдотов об ученом и писателе Георге Клейне из Каролинского института и его методах сэкономить время. Бреясь, он учит греческий, а когда плавает в бассейне, вдоль бортика ходит его ассистент и записывает за ним его высказывания. Сидя за рулем, Клейн диктует электронные письма, а во время обеда читает.
Часть задач, таких как, например, одновременно бриться и завтракать, трудно выполнить из-за ограничений моторики. Другие задачи, такие как вести машину и параллельно смотреть на карту, вызывают сложности потому, что мы воспринимаем информацию только из одного источника и сосредотачиваем взгляд только на одном предмете. Многие разноплановые задачи трудно выполнить одновременно по причине того, что они плохо синхронизируются. В любом случае, одновременное выполнение разных задач является серьезным испытанием для рабочей памяти.
