Встраивание навыков в структуру мозга

Нейробиологи нередко проникают в тайны мозга, изучая людей, которые добились выдающихся результатов в той или иной области. С этой целью я поехал на встречу с Остином Набером, десятилетним мальчиком, обладавшим уникальными способностями: ему принадлежал мировой рекорд среди детей по капстекингу (скоростной сборке и разборке пирамид из специальных пластиковых стаканчиков).

Быстрыми, точными движениями, за которыми глаз не успевает следить, Остин превращает стопку вложенных друг в друга стаканчиков в симметричную фигуру из трех отдельных пирамид. Затем, действуя обеими руками, он перестраивает эти пирамиды в две маленькие стопки, после чего сооружает из них одну высокую пирамиду, которая снова преобразуется в первоначальную стопку стаканчиков.

Он проделывает это за пять секунд. Моя лучшая попытка заняла сорок три секунды.

ЭЛЕКТРОЭНЦЕФАЛОГРАММА

ЭЭГ, или электроэнцефалограмма, позволяет оценить общую электрическую активность, отражающую активность нейронов. Маленькие электроды, помещенные на кожу головы, регистрируют электроэнцефалограмму – так называются усредненные электрические сигналы, которые создаются в результате обмена информацией между нейронами.

Первую электроэнцефалограмму записал немецкий физиолог и психиатр Ганс Бергер в 1924 г., а 1930-х и 1940-х гг. исследователи выделили несколько разных типов ритмов: дельта-ритм (менее 4 Гц), который наблюдается во время сна, тета-ритм (4–7 Гц), ассоциирующийся со сном, с глубокой релаксацией и визуализацией, а также альфа-ритм (8–13 Гц), регистрируемый в спокойном и расслабленном состоянии, и бета-ритм (13–38 Гц), наблюдающийся при активном размышлении и решении задач. С тех пор было идентифицировано еще несколько важных ритмов, в том числе гамма-ритм (39–100 Гц), который указывает на напряженную умственную деятельность, такую как логические рассуждения и планирование.

Активность мозга – это смесь всех этих ритмов, однако в зависимости от нашего состояния и действий одни из них проявляются сильнее, чем другие.

Десятилетний Остин Набер – чемпион мира по капстекингу среди детей. Он выполняет особую последовательность движений, за несколько секунд составляя и разбирая пирамиды из стаканчиков.

Наблюдая за действиями Остина, вы можете подумать, что его мозг перенапрягается, сжигая огромное количество энергии, чтобы с такой скоростью координировать такие точные действия. Решив это проверить, я измерил активность его мозга – и моего тоже – во время очного состязания по капстекингу. Под надзором доктора Хосе Луиса Контерос-Видаля на наши с Остином головы надели шапочки с электродами, предназначенные для измерения электрической активности массы нейронов внутри черепной коробки. Электроэнцефалограммы (ЭЭГ) позволяли сравнить усилия, которые прилагает мозг каждого из нас для выполнения задачи. Таким образом мы получали общее представление о том, что происходит у нас в головах.

Сначала Остин показал мне, как он это делает. Чтобы не потерпеть разгромное поражение от десятилетнего мальчика, я двадцать минут тренировался, после чего начался официальный поединок.

Мои усилия ни к чему не привели. Остин выиграл. Я едва преодолел восьмую часть пути, когда он победоносно завершил последнюю фигуру из стаканчиков.

Поражение было ожидаемым, но что показала ЭЭГ? Если Остин справляется с задачей в восемь раз быстрее меня, то логично предположить, что он тратит на это гораздо больше энергии, чем я. Но такое предположение не учитывает основное правило, которым руководствуется мозг, приобретая новые навыки. Как показала ЭЭГ, именно мой мозг, а не Остина, работал на повышенных оборотах, тратя огромное количество энергии на выполнение этой сложной, новой для меня задачи. Моя электроэнцефалограмма показала высокую амплитуду бета-ритма, который ассоциируется с логическим мышлением. У Остина, наоборот, наблюдалась высокая амплитуда альфа-ритма, хотя это состояние характерно для отдыхающего мозга. Несмотря на скорость и сложность действий Остина, его мозг оставался спокоен.

Сознательное мышление сжигает энергию. На нижнем снимке показаны карты активности ЭЭГ в моем мозгу (слева) и мозгу Остина (справа). Цвет указывает на амплитуду активности.

Талант Остина и скорость его действий являются конечным результатом физических изменений в его мозгу. За годы тренировок там сформировался особый рисунок физических связей. Искусство капстекинга отпечаталось в структуре нейронов. В результате на манипуляции со стаканчиками Остин теперь тратит меньше времени. Мой мозг, наоборот, всей своей мощью набрасывается на проблему. Я использую когнитивные программы общего назначения, а Остин превратил свое умение в специализированную когнитивную аппаратную часть.

Когда мы осваиваем новые навыки, они становятся физической структурой, опускаясь ниже уровня сознания. Некоторые люди называют это мышечной памятью, однако навыки хранятся вовсе не в мышцах; процедура капстекинга организуется в густых джунглях связей в мозгу Остина.

Освоенные навыки вписываются в микроструктуру мозга.

За годы занятий капстекингом изменилась мелкая структура нейронных сетей в мозгу Остина. Процедурная память – это долговременная память, в которой хранятся автоматические действия, такие как езда на велосипеде или завязывание шнурков. Для Остина капстекинг переместился в процедурную память, которая отпечатана в микроскопической структуре его мозга, и в результате его действия стали быстрыми и эффективными с точки зрения энергозатрат. Во время тренировок сигналы постоянно проходили по одним и тем же нейронным сетям, усиливая синапсы и таким образом встраивая навык в физическую структуру. Остин достиг такого совершенства, что мог с завязанными глазами безошибочно собирать и разбирать пирамиды из стаканчиков.

В моем случае при манипуляции стаканчиками мозг использовал медленные, потребляющие много энергии области, такие как префронтальная кора, теменная кора и мозжечок, – все они больше не нужны Остину для выполнения процедуры. На первых этапах обучения важная роль принадлежит мозжечку, который координирует последовательность движений, добиваясь точности и согласованности.

По мере того как навык фиксируется в структуре мозга, он опускается ниже уровня сознательного контроля. На этом этапе мы уже способны выполнять действие автоматически, не думая о нем, то есть без сознательного понимания. В некоторых случаях структуры, связанные с тем или иным навыком, становятся настолько глубокими, что образуются не только в головном мозге, но и в спинном. Подобное явление наблюдалось у кошек, у которых была удалена бо́льшая часть мозга, но они тем не менее могли нормально ходить в «беличьем колесе»: сложные программы, используемые при ходьбе, хранятся на нижнем уровне нервной системы.