BDNF — волшебный эликсир мозга
Исследования Леви-Монтальчини привели к открытию целого ряда подобных факторов роста нервов, один из которых привлек внимание Мерцениха. Это был нейротрофический фактор мозга, или BDNF.
BDNF играет важную роль в подкреплении изменений, происходящих в мозге в критический период. По утверждению Мерцениха, это происходит четырьмя разными способами.
Когда мы выполняем какое-либо действие, требующее одновременной активации определенных нейронов, они выделяют BDNF. Этот фактор роста укрепляет связи между данными нейронами и помогает соединять их вместе, чтобы обеспечить их совместную активацию в будущем. BDNF также способствует росту тонкой жировой оболочки вокруг каждого нейрона, которая ускоряет передачу электрических сигналов.
В течение сенситивного периода BDNF активирует базальное ядро — ту часть нашего мозга, которая позволяет нам фокусировать внимание и поддерживает его в активированном состоянии на протяжении всего критического периода . Базальное ядро помогает нам не только концентрировать внимание, но и запоминать то, что мы переживаем, помогает дифференциации мозговой карты. Вот как об этом говорит Мерцених: «Словно в нашем мозге есть учитель, который говорит: „Вот это действительно важно — это вы должны знать, чтобы сдать экзамен под названием жизнь“». Мерцених называет базальное ядро и систему внимания «модулирующей системой управления пластичностью» — нейрохимической системой, которая при активации переводит мозг в состояние предельной пластичности.
Четвертая и последняя функция BDNF: он заканчивает укрепление ключевых связей — помогает завершить критический период. После установления основных нейронных связей возникает потребность в стабильности системы и, соответственно, меньшем уровне пластичности. Когда BDNF выделяется в достаточных количествах, он отключает базальное ядро и заканчивает волшебную эпоху обучения, не требующего усилий. В дальнейшем базальное ядро может быть активировано только при появлении чего-то важного, необычного или нового, или в том случае, когда мы делаем усилие для концентрации внимания.
«Перевозбуждение» нейронов
Работа Мерцениха по изучению критического периода и BDNF помогла ему разработать теорию, объясняющую, каким образом множество разных проблем может стать частью такого феномена, как аутизм. Он утверждает, что в течение критического периода некоторые ситуации перевозбуждают нейроны детей, генетически предрасположенных к аутизму. Это приводит к масштабному, преждевременному выделению BDNF . Вместо закрепления важных связей происходит закрепление всех связей. Выделяется такое большое количество BDNF, что это приводит к преждевременному завершению критического периода, сопровождающемуся усвоением всех этих связей, и ребенок остается с множеством недифференцированных карт мозга. Поэтому когда он слышит звук одной частоты, у него начинается активация всей слуховой коры. Судя по всему, именно это происходило с Лорали, которая закрывала руками свои уши, когда слышала музыку.
Другие дети-аутисты гиперчувствительны к прикосновениям и могут чувствовать боль даже тогда, когда к их коже прикасаются ярлыки одежды. Теория Мерцениха также объясняет высокую частоту случаев эпилепсии аутистов: из-за низкой дифференциации карт мозга и установления множества связей в нем активация нескольких нейронов может привести к активации всего мозга. Это также объясняет причины большего размера мозга у детей-аутистов[46]— BDNF увеличивает жировую оболочку вокруг нейронов.
Учитывая роль BDNF в развитии аутизма и расстройств речи, Мерцениху предстояло понять, что служит причиной «перевозбуждения» молодых нейронов и выделения больших количеств этого белка.
Анализируя данные ряда исследований, он пришел к выводу, что на рост числа аутистов может влиять фактор окружающей среды. В ходе одного из этих исследований были обследованы дети, которые жили в домах, расположенных рядом с шумным аэропортом во Франкфурте в Германии. Полученные результаты показали, что чем ближе к аэропорту жили дети, тем ниже был уровень их интеллекта. Похожее исследование было проведено в Чикаго среди детей из высотных многоквартирных домов, построенных рядом со скоростной автомагистралью Дэна Райана. Ученые выяснили, что более низкий уровень интеллекта наблюдается у детей, живущих на этажах, которые были ближе к дороге. Мерцених начал размышлять о роли фактора окружающей среды, который может влиять на всех, но причиняет больший вред детям, имеющим генетическую предрасположенность к заболеванию аутизмом, — о постоянном фоновом шуме от машин, который иногда называют белым шумом. В спектре белого шума представлено множество частот, поэтому он оказывает сильное стимулирующее воздействие на слуховую зону коры головного мозга.
«Маленькие дети растут в окружающих условиях, которые становятся все более шумными, — говорит он. — Их всегда окружает шум». Сегодня белый шум присутствует везде, поступая от вентиляторов, установленных в электронной технике, кондиционеров, нагревателей и автомобильных двигателей. Мерцених решил найти ответ на вопрос: как этот шум может влиять на развивающийся мозг.
Для проверки предложенной им гипотезы группа Мерцениха подвергала детенышей крыс воздействию импульсов белого шума на протяжении критического периода и выявила у них разрушение коры головного мозга.
«Каждый раз, когда вы подвергаетесь воздействию импульса, — говорит Мерцених, — у вас возбуждается все слуховая кора — каждый нейрон». Активация такого большого числа нейронов вызывает массивное выделение BDNF. А это, в соответствии с моделью Мерцениха, приводит к преждевременному завершению критического периода. Животные остаются с недифференцированными картами мозга и действующими без всякого разбора нейронами, которые может активировать любая частота.
Мерцених обнаружил, что у детенышей крыс, так же как и у детей-аутистов, была предрасположенность к эпилепсии, и даже воздействие на них нормальной речи вызывало эпилептический припадок. (Люди, страдающие эпилепсией, отмечают, что световые вспышки, используемые на рок-концертах, вызывают у них судорожные припадки. Вспышки представляют собой импульсы излучения белого цвета и также состоят из множества частот.) Теперь у Мерцениха была «животная модель» для изучения аутизма.
* * *
На этом этапе перед Мерценихом встал вопрос: можно ли что-то сделать, чтобы привести в норму недифференцированные карты мозга после окончания критического периода. Если бы ему и его команде это удалось, то они подарили бы надежду детям, страдающим аутизмом.
Используя белый шум, они сначала дифференцировали слуховые карты крыс. Затем, после возникновения нарушений, они упорядочивали и заново дифференцировали карты с помощью очень простых звуков, повторяемых по одному за раз. Им действительно удалось благодаря тренировкам вернуть карты в нормальное состояние. «Именно это, — говорит Мерцених, — мы пытаемся сделать в случае с детьми-аутистами». Сегодня он разрабатывает модифицированный вариант Fast ForWord, предназначенный для преодоления аутизма.
Очередная панацея?
А есть ли возможность возобновления пластичности, характерной для критического периода, позволяющая взрослым людям учить языки так, как это делают дети — просто слушая их? Мерцених уже доказал, что нейропластичность продолжает существовать во взрослом состоянии, и что, приложив усилия — за счет концентрации внимания, мы можем перепрограммировать наш мозг. Но теперь он спрашивал себя, можно ли продлить сенситивный период обучения?
Обучение в сенситивный период дается легко, потому что в это время базальное ядро всегда активировано. Мерцених и его молодой коллега Майкл Килгард провели эксперимент, в ходе которого они искусственным образом активировали базальное ядро взрослых крыс и давали им обучающие задания, выполнение которых не требовало от них концентрации внимания и не завершалось вознаграждением.
Они имплантировали микроэлектроды в базальное ядро и применяли стимуляцию электрическими импульсами для поддержания ядра в активированном состоянии. Затем они воздействовали на крыс звуком с частотой 9 Гц, чтобы посмотреть, могут ли они без усилий формировать соответствующую этому звуку зону мозга, как это происходит у детенышей крыс во время критического периода. Через неделю Килгард и Мерцених увидели массивно расширенную проекционную зону этой конкретной звуковой частоты. Таким образом, они нашли способ искусственного возобновления сенситивного периода у взрослых людей.
Затем они использовали эту же самую методику, стремясь заставить мозг ускорить время обработки информации. Обычно слуховые нейроны взрослых крыс могли реагировать только на звуки с максимальной частотой 12 импульсов в секунду. Однако благодаря стимулированию базального ядра удалось «научить» нейроны реагировать на более быстрые входные сигналы.
Эта работа открывает возможности для более эффективного обучения в старшем возрасте. Базальное ядро молено активировать с помощью электрода, микроинъекций химических веществ или лекарственных препаратов. Трудно ожидать, что у людей не вызовет интереса технология, которая позволит без особых усилий овладевать знаниями в области науки, истории или профессии благодаря лишь короткому ознакомлению с ними. Представьте себе иммигрантов, приезжающих в незнакомую страну, которые получают возможность с легкостью выучить новый язык за несколько месяцев. Представьте, как может измениться жизнь пожилых людей, которых уволили с работы, если они смогут приобрести новый навык с той же быстротой, какая была у них в детские годы. Подобные методики, вне всякого сомнения, могли бы использовать учащиеся средней школы и студенты университетов в своей учебе и при подготовке к сложным вступительным экзаменам. (Уже сегодня многие студенты, не страдающие синдромом дефицита внимания, используют стимуляторы в процессе учебы.) Правда, подобные агрессивные вмешательства могут оказывать непредвиденное, вредное влияние на мозг — не говоря уже о нашей способности к самодисциплине — но, возможно, их стоит использовать в случаях острой медицинской необходимости, для действительно больных людей. Активирование базального ядра поможет пациентам с повреждениями мозга, трудностями концентрации внимания — больным, которым не удается заново освоить такие утраченные функции, как чтение, письмо или ходьба.
Как избежать маразма
Мерцених создал еще одну компанию — Point Science, главное предназначение которой — помочь людям сохранить пластичность мозга с приближением старости и увеличить продолжительность их психической жизни. Мерцениху 61 год, но он не возражает, когда его называют пожилым человеком. «Я люблю пожилых людей, — говорит он. — Я всегда их любил. Возможно, самым любимым для меня человеком был мой дедушка по отцовской линии, который входит в число трех или четырех самых умных и интересных людей, которых я встречал в своей жизни». Дедушка Мерцениха приехал в Америку из Германии на одном из последних клиперов, когда ему было девять лет. Он был самоучкой, что не помешало ему стать архитектором и строительным подрядчиком. Он дожил до 79 лет в те времена, когда средняя продолжительность жизни приближалась к 40 годам.
«Установлено, что когда будут умирать те, кому сегодня шестьдесят пять, средняя продолжительность жизни намного превысит восемьдесят лет. Однако с вероятностью в 47 % можно сказать, что к тому времени, когда вам исполнится 85 лет, вы будете страдать болезнью Альцгеймера, — смеется он. — Получается, что мы сами создали эту причудливую ситуацию, при которой мы сохраняем людям жизнь достаточно долго только для того, чтобы в среднем половина из них оказалась за бортом жизни задолго до смерти. Нам нужно сделать что-то с продолжительностью их психической жизни, увеличить ее и согласовать с продолжительностью жизни тела».
Мерцених считает, что наше нежелание заниматься интенсивным обучением с наступлением старости приводит к «истощению» систем мозга , которые модулируют, регулируют и контролируют его пластичность. В ответ он разработал упражнения для мозга, предназначенные для предотвращения возрастного когнитивного спада — типичного ухудшения памяти, мышления и скорости обработки информации.
Способ борьбы с психическим спадом, предлагаемый Мерценихом, расходится с представлениями большинства специалистов по неврологии. Десятки тысяч работ, посвященных физическим и химическим изменениям, происходящим в стареющем мозге, описывают процессы, которые возникают по мере отмирания нейронов. На рынке можно найти множество лекарственных препаратов, предназначенных для блокирования этих процессов и повышения уровня снижающихся химических веществ в мозге. Однако Мерцених уверен, что все эти лекарства, объемы продаж которых составляют миллиарды долларов, обеспечивают улучшение только на четыре-шесть месяцев.
«В этом подходе есть что-то неправильное, — говорит он. — Он полностью упускает из вида то, что необходимо для сохранения нормальных навыков и способностей … Словно те навыки и способности, которые приобретаются в юном возрасте, обречены на ослабление по мере старения мозга». Он утверждает, что подход большинства научного сообщества не предполагает истинного понимания того, что необходимо для формирования нового навыка в мозге, не говоря уже о его сохранении.
«Считается, — говорит Мерцених, — будто если вы будете манипулировать уровнями нужного медиатора… произойдет восстановление памяти, познание снова будет приносить вам пользу, а вы снова начнете двигаться как газель».
Такой подход не принимает в расчет то, что необходимо для сохранения острой памяти. Основная причина ухудшения памяти с возрастом заключается в том, что из-за снижения скорости обработки информации у нас возникают проблемы с фиксированием новых событий в наших нервных системах, что приводит к снижению точности, силы и остроты восприятия. Если вы неспособны что-то четко зафиксировать, то не сможете это хорошо запомнить.
Возьмем, к примеру, одну из наиболее распространенных проблем старения — затруднения при подборе слов. По мнению Мерцениха, эта проблема часто возникает из-за постепенной деградации системы внимания и базального ядра, которые отвечают за пластические изменения, происходящие в мозге. Деградация приводит к тому, что репрезентация устной речи происходит в виде «расплывчатых энграмм». То есть нейроны, расшифровывающие эти расплывчатые энграммы, активируются не так согласованно и быстро, как это необходимо для передачи сильного четкого сигнала. Поскольку нейроны, представляющие речь, передают расплывчатые сигналы всем последующим нейронами в цепи («неясные как на входе, так и на выходе»), у нас возникают проблемы и с запоминанием, поиском и использованием слов. Это похоже на ситуацию, наблюдаемую у детей с речевыми нарушениями, чей мозг так же «зашумлен».
Когда наш мозг «зашумлен», сигнал для формирования нового воспоминания не может соперничать с фоновой электрической деятельностью мозга, что создает «проблему сигнал — шум».
Мерцених утверждает, что система становится более зашумленной по двум причинам. Прежде всего из-за того, что «все со временем летит ко всем чертям». Однако главная причина заключается в том, что мозг не получает должной тренировки . Базальное ядро, вырабатывающее ацетилхолин, — который, как мы уже говорили, помогает мозгу «настраиваться» и формировать четкие воспоминания — вообще игнорируется. У человека с умеренными когнитивными нарушениями количество ацетилхолина, производимого базальным ядром, даже не поддается измерению.
«В детстве мы проходим период интенсивного обучения. Каждый день приносит что-то новое. Затем, начав трудовую деятельность, мы активно учимся и приобретаем новые навыки и способности. Продвигаясь все дальше и дальше по жизни, мы действуем как пользователи тех навыков и способностей, которые освоили».
С психологической точки зрения средний возраст должен быть для нас привлекательным временем, потому что, при всех других равных условиях, он может быть достаточно безмятежным периодом в сравнении с тем, что происходило раньше. Наше тело не меняется, как это было в подростковом возрасте; мы обретаем четкое представление о том, кто мы есть, и обладаем богатым жизненным опытом. Мы по-прежнему считаем себя активными людьми…
Проблема в том, что в зрелости мы редко беремся за задания, требующие большой концентрации внимания, редко пытаемся освоить новую сферу знаний или овладеть новыми навыками. Такие виды деятельности, как чтение газеты, работа по хорошо знакомой специальности и использование родного языка, связаны, главным образом, с повторным использованием освоенных навыков, а не с обучением. К тому времени, когда мы приближаемся к своему семидесятилетию, системы мозга, регулирующие его пластичность, могут прозябать без систематического использования уже лет пятьдесят.
Именно поэтому изучение нового языка в пожилом возрасте способствует улучшению и сохранению памяти в целом. Это занятие, требующее высокой концентрации внимания, активирует систему управления пластичностью и поддерживает ее в хорошей форме для сохранения четких воспоминаний любого типа. Очевидно, что программа Fast ForWord позволяет достичь общего улучшения мышления отчасти потому, что стимулирует систему управления пластичностью, поддерживая выделение в мозгу ацетилхолина и допамина. Здесь полезно все, что требует высокой концентрации внимания: обучение новым видам двигательной активности; решение сложных головоломок или смена рода деятельности, связанная с приобретением новых навыков. Мерцених — ярый сторонник изучения новых языков в пожилом возрасте: «Постепенно вы будете оттачивать все заново, и это принесет вам огромную пользу».
То же самое можно сказать о подвижности нашего тела. Если вы будете просто исполнять те танцы, которые выучили много лет назад, это не поможет вам сохранить двигательную кору мозга в должной форме. Чтобы ваш мозг продолжал жить, вы должны учиться чему-то действительно новому, требующему высокой сосредоточенности. Это позволит вам запасать новые воспоминания и обладать системой, способной с легкостью оценивать и хранить старые.