Книга: Человек 2.0. Перезагрузка. Реальные истории о невероятных возможностях науки и человеческого организма
Назад: Глава 3 Человек с волшебным порошком
Дальше: Глава 5 Солдаты с шестым чувством
Часть II
ВОСПРИЯТИЕ
Глава 4
Женщина, которая видит ушами
Нейропластичность и обучающие таблетки
Последнее, что увидела 21-летняя Пэт Флетчер перед взрывом: стальной резервуар с химикатами, стоявший рядом с ней, вдруг вспучился. Она с тревогой осознала, что пластмассовый шланг у нее в руке внезапно стал чересчур горячим. Потом весь мир ослепительно-ярко вспыхнул — и засиял голубым: именно такого цвета были языки пламени, которые охватили ее тело.
Очнувшись, Пэт подумала, что ей всё это снится: темный мир без всяких отличительных черт, как если бы она заблудилась в сером дымном тумане. Это отчасти объяснялось успокаивающими и обезболивающими, которыми ее накачали, а также тем, что ее лицо было замотано толстым слоем бинтов. Но вскоре к ее койке подошел мрачный врач. И Пэт узнала, что дело не только в этом. Она пострадала при несчастном случае на производстве: Пэт работала на военном заводе, выпускавшем гранаты. Причиной инцидента стала реакция между двумя летучими веществами. Она лишилась одного глазного яблока. Второй глаз уцелел, но оставался постоянно закрытым. Доктор сказал Пэт, что ей еще повезло: она могла вообще не выжить. Но он добавил: она больше никогда не сможет видеть, никакой надежды нет.
Доктор ошибся — хотя на то, чтобы подтвердить эту ошибку, ушло почти три десятка лет. Через 25 лет после аварии, изменившей ее жизнь, общительная седовласая жительница Баффало (штат Нью-Йорк) бродила по Интернету с помощью софта, который превращает письменную информацию в звучащую, и вдруг наткнулась на программу, разработанную одним голландским инженером. Ее создатель утверждал, что эта программа (он назвал ее «vOICe», именно так записав английское слово, означающее «голос») способна преобразовывать пиксели изображений в звуки, тем самым позволяя слепым «видеть» окружающий мир. Пэт усомнилась в этом. Она лишь хмыкнула, когда послушала предлагавшийся образчик «звукового пейзажа», неразборчивую мешанину из десятков нот, имеющих различную высоту и громкость и раздающихся одновременно.
А потом Пэт перешла к «картинке», изображавшей длинную деревянную изгородь с воротами, и решила послушать ее у себя в кабинете через пару стереодинамиков, прибавив звук. У нее захватило дух. С ее «мысленным взором» что-то происходило — что-то такое, что коренным образом отличалось от простого «слушания».
«Я повернулась и почти увидела эти ворота, стоящие поперек моего кабинета. И я вскрикнула: Господи, это еще что? — вспоминает Пэт. — У меня просто мурашки побежали по коже».
Возникшее ощущение казалось столь невероятным, потому что Пэт могла точно сказать: этот звук раздается «где-то там», вне досягаемости ее трости, стукающейся в те или иные окружающие предметы, вне досягаемости поводка ее пса-поводыря, который помогает ей находить дорогу вперед, — вне досягаемости ее осязания. По этой динамической какофонии звуков Пэт каким-то образом сумела получить представление о пропорциях ворот, об их форме, о том, где располагаются просветы между досками. Мир слепого часто описывают как глубоко клаустрофобный, поскольку всё, что такой человек может узнать и воспринять насчет форм и предметов, которые его окружают, резко обрывается на той границе, до которой могут дотянуться его пальцы. Но мир Пэт внезапно расширился.
«Но как звук может всё это сделать?» — изумилась она.
«Картинка ощущалась как совершенно реальная, — говорит Пэт. — Ограда с воротами, а вот здесь темнота, как будто ворота открыты… Это был настоящий шок. Казалось, ты просто можешь пойти вдоль этого забора. Это меня очень, очень потрясло».
Пэт пошла в магазин и купила самую маленькую веб-камеру из всех, которые там продавались. Затем она прикрепила ее к бейсболке и подключила к ноутбуку. Включив эту систему, она вышла с ней в коридор своего дома и «осмотрелась».
«Я чуть на колени не упала от восторга, — признаётся она. — Я сразу могла определить, где стена, и потом я подошла к пластиковым жалюзи, дотронулась до них [оказалось, что они точно там же, где показывала система], я просто не могла поверить… Забываешь, как на самом деле выглядит мир».
Вскоре Пэт обнаружила, что может различать узоры на чашках: много лет она была лишена этой способности. С помощью своего нового зрения она блуждала по обоям в приемной своего дантиста. Она видела, как на деревьях шевелятся листья. Она видела лица, хотя они оставались расплывчатыми. Пэт заказала «шпионские очки» с камерой, спрятанной за крошечным отверстием, которое располагалось на уровне глаза, — и усовершенствовала свое приспособление. Она стала использовать эту систему каждый день. Выходя из дома, она по-прежнему брала с собой трость, но лишь на тот случай, если в электронном устройстве возникнут неполадки.
А потом, четыре года спустя, как-то днем произошло нечто еще более удивительное. Прежде, заглядывая в помещения или озираясь вокруг, она, по сути, словно бы смотрела на плоскую двухмерную фотографию. Она могла различить очертания дивана в гостиной или дерева на фоне неба, но она не в состоянии была ощутить глубину перспективы. А в тот день Пэт мыла посуду в раковине, сделала шаг назад, чтобы вытереть руки, и опустила взгляд вниз. Раковина всегда казалась ей просто квадратом. Но вдруг Пэт осознала, что новая система позволяет ей вновь обрести восприятие перспективы.
Пэт Флетчер поняла, что смотрит в глубину раковины.
* * *
То, что испытывала Пэт Флетчер, кажется чем-то невозможным — или, по крайней мере, каким-то изощренным трюком, который проделывает наше сознание. Ладно, пускай ее это убедило. Но это же не может быть реальностью: в конце концов, это совершенно противоречит общепринятым теоретическим положениям науки. Это совершенно противоречит здравому смыслу. Как можно «видеть» ушами? Как мозг, лишившись способности воспринимать перспективу, может спустя четыре года вновь обрести ее, причем словно бы совершенно внезапно, как если бы кто-то щелкнул выключателем?
Однако заверения Пэт Флетчер нашли подтверждение у некоторых ведущих ученых мира. Несколько лет назад наша отважная искательница технологических приключений (ей было тогда уже 58) приехала в Бостон, чтобы пройти тестирование в Гарвардской медицинской школе. Нацепив свое самодельное устройство, она улеглась на длинный стол, который плавно вдвинул ее в тесную трубу МРТ (магнитно-резонансного томографа) — прибора, способного, помимо всего прочего, отслеживать количество кислорода, потребляемого различными участками мозга. Врачи, проводившие обследование, попросили Пэт послушать ее «звуковые пейзажи»-
У Пэт Флетчер по-прежнему не было глазных яблок, с помощью которых она могла бы смотреть на мир. Но когда она стала слушать свои «звуковые пейзажи», у нее внезапно ожили те участки мозга, которые ассоциируются с обработкой визуальных сигналов зрячими людьми (именно эти зоны обычно активизируются, когда мы обращаем взгляд на какой-то пространственный объект). А когда Пэт слышала нормальные звуки (например, если находившийся рядом экспериментатор позвякивал ключами), ее слуховая кора продолжала возбуждаться обычным образом. Иными словами, ее мозг как-то мог различать нормальные звуки и «звуковые пейзажи» — и перенаправлять сигналы от этих пейзажей в нужную область (в ту, которая занимается обработкой зрительных стимулов), даже если оба вида аудиосигналов попадали в ее уши одновременно.
Судя по всему, это подтверждает и серия дополнительных экспериментов, которые провели исследователи. Пэт Флетчер уже больше тридцати лет была слепа, однако теперь могла — в каком-то смысле — «видеть» ушами (и при необходимости одновременно слышать ими). Ее мозг изменил свою «схему подключения».
* * *
На протяжении столетий наука предпринимает огромные усилия для того, чтобы восстанавливать утраченную или ослабевшую способность наших органов чувств воспринимать мир. При этом изобретаются самые разные средства — от тех, которые сегодня кажутся нам довольно обычными и простыми (слуховой аппарат, спрей для носа), до более изощренных (кохлеарные [улитковые] импланты, улучшающие слух, лазерная кератопластика, улучшающая зрение). В конце концов, наши пять чувств (зрение, слух, осязание, обоняние, вкус) — это наши двери в окружающий мир, наша связь с другими людьми.
Десятилетиями ученые концентрировались на улучшении или каком-никаком ремонте внешней природной аппаратуры восприятия: наших глаз, ушей, носа, вкусовых сосочков — иначе говоря, физических частей нашего тела, которые напрямую взаимодействуют с окружающим миром, впитывая сенсорную информацию.
Однако недавние достижения науки и техники предлагают человеку целый спектр новых устройств (подобных прибору Пэт, который дает «звуковой пейзаж»), коренным образом меняющих сами наши представления о том, как мозг обрабатывает те данные, которые мы получаем от окружающей нас среды. Можно даже предположить, что ученые, пытавшиеся улучшить человеческую способность воспринимать мир, десятилетиями упускали главное.
«Мы видим мозгом, а не глазами, — заявил покойный ныне нейрофизиолог Пол Бах-и-Рита, один из пионеров сенсорного замещения. (Этот его тезис получил очень широкую известность.) — Вы можете лишиться сетчатки, однако не потеряете при этом способность видеть, если ваш мозг не поврежден».
Головной мозг — вероятно, самая сложная в мире машина распознавания узоров и закономерностей. Сегодня мы начинаем понимать, что если мозгу предоставить достаточное время на «переориентацию», то он сумеет отлично осмысливать необычные и новые закономерности в сигналах, поступающих от органов чувств, гораздо лучше, чем ученым казалось раньше. Исследователи начинают обнаруживать: чтобы восстановить нечто очень похожее на зрение, нет необходимости имитировать именно тот характер электрических импульсов, которые человеческий глаз посылает в мозг. Чтобы глухой обрел слух, нет необходимости разбираться в ритме и характере импульсов, которые улитка нашей слуховой системы использует для расшифровки звуковых волн, попадающих во внутреннее ухо. В таких случаях не обязательно нужно чинить сломанные внешние части или заменять их идентичными, чтобы человек обрел ту или иную утраченную функцию.
Чтобы восстановить «зрение» пациентов или их способность воспринимать звуки, инженерам требуется лишь создать прибор, который преобразует сенсорную информацию [т. е. информацию, поступающую от органов чувств] в сигналы, которые могут передаваться в мозг определенным образом: сам характер этой передачи не должен меняться. Если дать мозгу достаточно времени, чтобы попрактиковаться, связи и биологические пути в нем начнут менять свою «схему подключения,»: при этом они могут постепенно научиться расшифровывать сенсорную информацию, поступающую от самых разных «средств доставки». Устройство, которое использует Пэт Флетчер, являет собой лишь один пример такого подхода: сейчас появился целый новый класс технологий, использующих замечательную пластичность человеческого мозга. До недавних пор ученые полагали, что мозг во многом лишается этой пластичности после завершения определенных критических периодов детства своего носителя.
* * *
Летом 2002 г. Пэт Флетчер упаковала две большие спортивные сумки (одну с одеждой, другую — с оборудованием для получения «звуковых пейзажей») и поехала на такси в аэропорт Баффало. Она уже несколько лет пользовалась программой «vOICe». У нее уже не было собаки-поводыря: она не считала, что ей нужно держать на поводке такого помощника, ведь больше она в нем не нуждалась. У нее была трость и «звуковые пейзажи» — и она была вполне готова к выходу в свет.
Мрачная тень террористических атак 11 сентября еще висела над Соединенными Штатами, и в аэропорту металлодетектор, проверявший сумку с ее оборудованием, разразился тревожным звоном. Путешественницу тут же обступила толпа встревоженных охранников. Это задержало ее на полчаса с лишним.
«Они сами понимали, что я слепая, — говорит Пэт. — Но когда они увидели все эти провода, которые подключены к аккумуляторам в моей черной сумке с приборами, сразу очень занервничали. Я включила компьютер и показала им, как эта штука работает. Тогда они успокоились».
Пэт направлялась в Аризону на конференцию, посвященную «исследованиям сознания», где особый упор делался на новую область под названием «сенсорное замещение».
Там она узнала об устройствах, трансформирующих зрительные образы в электрические импульсы, подаваемые на язык: как ни удивительно, такие приборы («камеры для языка»), судя по всему, действительно работали. Она узнала о возможности создания прибора, который будет преобразовывать звуки в электрические импульсы, подаваемые на поверхность кожи, тем самым помогая страдающим острой глухотой вновь обрести слух. Но для других участников мероприятия мало какие технологии могли соперничать с самой Пэт Флетчер. Она оказалась в своей стихии. Она стала настоящей звездой.
На конференции Пэт выступила вместе с Петером Мейером, застенчивым голландским инженером, некогда разработавшим программу, которую она использовала в своем устройстве. Для нее это знакомство было вполне равнозначно встрече с Генри Фордом или Томасом Эдисоном. Да и для программиста эта встреча стала особенной. Мейер, худощавый человек с широким лбом, шапкой каштановых волос, мягкими карими глазами и скромной улыбкой, почти десять лет на досуге занимался такими штуками у себя в гостиной, прежде чем изобрел нечто работающее. Среди всех, с кем он встречался лично, Пэт оказалась первым слепым человеком, который настолько регулярно носил прибор, использующий его программу. Результаты восхитили его не меньше, чем ее.
В перерывах между заседаниями они бродили по кампусу близ конференц-центра и беседовали. Петер задавал ей массу вопросов: ему хотелось понять, как усовершенствовать прибор. И ему хотелось понять, как ей самой живется с этим устройством, что она при этом испытывает. Дня через два они уже общались непринужденно, словно давние друзья. Когда организаторы повезли всех в музей, расположенный в пустыне, эти двое улизнули с экскурсии и долго стояли посреди жаркой песчаной равнины, глядя на горизонт.
Пэт всегда любила природу. Когда она потеряла зрение, едва ли не тяжелее всего для нее стала мысль, что больше она не сможет совершать походы.
«Я и до туалета-то с трудом добираюсь, как же я, черт побери, могу подняться по какой-нибудь горной тропе? — вспоминает она свои мысли в эти первые опустошающие дни. — Как я смогу смотреть с берега на океан, на то, как штормовые тучи воюют друг с другом? Всё это ушло, понимаете? Как я смогу в полном одиночестве сесть в лодку и отправиться на рыбалку? Ничего этого теперь не могло быть».
После несчастного случая ей довелось «увидеть» не так уж много природы. И вот теперь они стояли посреди пустыни, и Петер попросил Пэт «взглянуть» вверх. Она «разглядела» в небе светлую полоску и спросила у него, что это такое.
— След от самолета, — ответил он.
— А это что за штуки вон там, вдали? — поинтересовалась Пэт. Она различала множество заостренных треугольников, расположенных на разной высоте и выделяющихся на белизне песка.
— Вы их видите?! — воскликнул Мейер с недоверием. Он поразился, что она может воспринимать такие отдаленные объекты и при этом понимать, что они находятся далеко.
— Ну да.
— Это горы, — объяснил он.
Тут Пэт обнаружила, что по щекам у нее текут слезы: она пришла в такой восторг, что начала плакать. Пэт лучше различала близкие предметы: она видела форму больших
кактусов, их «руки» и даже вертикальные выступы и впадины, идущие вдоль растения (хотя колючек она разглядеть не могла). Горы с такого большого расстояния представлялись ей просто треугольниками, которые выстроились на разных высотах и частично закрывали друг друга. Но этого было достаточно.
«Обожаю горы, — признаётся она. — Это одна из моих самых-самых любимых вещей в мире. И вот я стояла там и понимала, что теперь опять могу видеть горную гряду. Меня прямо переполняют эмоции, когда я вижу то, что больше никогда не надеялась увидеть. Я не могла поверить, что я это вижу».
Вероятно, лишь тогда Мейер, этот вежливый, славящийся своей скромностью инженер из Эйндховена, в полной мере осознал, какое мощное эмоциональное воздействие оказывает его творение, которое он назвал «vOICe», поскольку по-английски три буквы в середине читаются точно так же, как фраза «Oh I see» [«О, я вижу»]. Двое молча стояли и впитывали красоту этого момента.
* * *
Вначале Мейер особо не рассчитывал по-настоящему менять жизнь людей. Идея создания устройства для преобразования картинки в звук пришла ему в голову, еще когда он был студентом-физиком: ему хотелось найти интересный способ использовать новые технологии. Ни о какой нейрофизиологии он тогда не думал. Он просто хотел сделать какую-то полезную штуку. И ему пришло в голову, что это будет круто — соорудить (как он это называл) «обратный спектрограф», который поможет людям (таким, как Пэт) судить об изображении с помощью слуха.
В данном случае спектрограммы — это графики, которые служат визуальным представлением звуков. По горизонтальной оси (Х) откладывается время, по вертикальной (Y) — частота (то, что мы воспринимаем как высоту тона). Если слева направо провести пальцем по спектрограмме звука, можно легко проследить за подъемами и спадами, складывающимися из точек, нанесенных над осью Х, и получить неплохое представление о повышениях и понижениях тона соответствующих звуков во времени. Чем дальше вы сдвигаетесь по горизонтальной оси, тем больше времени проходит. Чем выше точка, тем выше тон звука, который она изображает. Амплитуда этих звуковых колебаний (т. е. громкость звука) передается различными оттенками серого: чем гуще цвет, тем громче звук. На большинстве спектрограмм множество точек громоздятся одна над другой: так передаются все ноты, звучащие одновременно в каждый конкретный момент. Подобная система часто применяется при анализе речи: возможно, вы видели их в каких-нибудь шпионских триллерах, где плохие парни изучают перехваченные телефонные разговоры в поисках голосового «автографа» удравшего героя.
Идея Мейера состояла в том, чтобы создать прибор (декодер), способный проделывать нечто противоположное — обращать видимые точки (пиксели картинки) в звуки. Первая модель-прототип оказалась весьма громоздкой. Самодельное устройство, которое Пэт много лет спустя, попав на конференцию, сняла с головы, чтобы показать ему, работало лучше, чем он мог себе представить, когда начинал эту работу (правда, тогда и соответствующие технологии были не столь развиты). Миниатюрная шпионская камера, установленная между линзами темных очков Пэт, снимала окружающее и в цифровой форме передавала эту информацию компьютерной программе, расшифровывавшей эти данные, словно письмена на Розеттском камне. Затем алгоритм Мейера превращал каждый пиксель картинки в ноту нужной высоты и громкости.
Картинка разбивалась на вертикальные столбцы. Чем выше пиксель располагался в столбце, тем выше была нота, испускаемая приборами Мейера. Яркость пикселя передавалась громкостью звука. Ритм «стереоразвертывания» и получавшиеся при его анализе звуки передавали изменение горизонтальной характеристики картинки по мере того, как камера воспринимала это изображение. Получалась, в сущности, смесь повышающихся и понижающихся нот разной громкости, — серия звуковых волн, которые возникали по мере того, как система сканировала изображение, кодируя его очертания как колебания высоты тона. Это было не что вроде струйного принтера, выплевывающего крошечные окрашенные точки, из которых складывается картинка, только «vOICe» действовал гораздо быстрее и «выплевывал» не чернильные точки, а звуковые волны. Главной особенностью прибора было постоянство результатов, которые он выдавал: определенные формы всегда транслировались в виде определенных звуков, а определенные «узоры» изменения высоты тона кодировали определенные очертания. Казалось, со временем мозг способен научиться ассоциировать эти звуковые «узоры» с соответствующими контурами в окружающем мире, а определенные звуки — с формами предметов.
Позже Мейер выяснил: устройство так хорошо работает еще и благодаря тому, что человеческое ухо может одновременно различать неожиданно огромное число нот различной высоты — от 30 до более чем 100 (в зависимости от «картинки»). В каждый временной интервал устройство Мейера проигрывало весь столбец пикселей, одновременно выдавая множество нот различной высоты и громкости. С огромной скоростью сканируя изображение слева направо, система могла передавать колоссальный объем информации за очень короткий промежуток времени. Примечательно, что мозг оказался способен не только различать все отдельные тона в этом колоссальном разнообразии (при том, что состав этой звуковой смеси к тому же очень быстро менялся), но и почти мгновенно анализировать их, сравнивая с уже выученными звуковыми «узорами» таким образом, что Пэт могла сразу же понимать, на что она «смотрит» — на ворота, жалюзи или разукрашенную кофейную чашку.
Для Мейера это был очень долгий проект: он много лет трудился над ним в своей однокомнатной квартире вечерами и в выходные. К тому времени, когда инженер наконец завершил это дело, уже наступило начало 90-х. Он работал тогда в отделе научных исследований и разработок компании Philips — голландского технологического монстра. Мейер специализировался там на создании компьютерных моделей новых видов микросхем, но все-таки он показал свое изобретение начальству. Начальство помогло Мейеру запатентовать его детище и убедило написать об этой штуке статью.
«Тут же у многих пробудился интерес, мне посыпались вопросы со всего мира, все хотели получить копию статьи, это было потрясающе, сотни людей просили прислать им оттиск, — вспоминает Мейер. — Но прошло какое-то время, а у нас по-прежнему был только один переносной прототип, который мало что позволял сделать. Мы могли раздавать людям демонстрационные устройства, но мы не могли по-настоящему научить людей ими пользоваться».
Более того, когда Мейер связался с обществами слепых, к его идее отнеслись равнодушно-скептически. Первоначально его изобретение с интересом восприняли в научных кругах, но когда он обратился к тем, кто мог бы использовать прибор на практике, никто из этих людей, казалось, толком не понимал, зачем он принес им эту штуку. Тогда Мейер выложил описание своего устройства в Сеть и призвал слепых, а также университетских исследователей бесплатно скачивать его программу и экспериментировать с ней самостоятельно.
Иными словами, он словно поджидал, пока именно такой человек, как Пэт Флетчер, узнает о его схеме и выведет ее на новый уровень развития.
* * *
Не только Мейер и его коллеги ждали, когда на горизонте появится кто-то вроде Пэт Флетчер. В бостонском Медицинском центре Бет Израэль-Диконесс весьма элегантный гарвардский нейрофизиолог испанского происхождения по имени Альваро Паскаль-Леоне получил доступ к оборудованию для сканирования мозга (общей стоимостью в миллионы долларов), проводя исследования в рамках целой программы, направленной на изучение пластичности человеческого мозга и именно таких людей, как Флетчер: тех, чей опыт выходит за пределы привычного нам здравого смысла, тех, кто может научить нас кое-чему новому насчет того, как работает мозг.
Но проблема с обследованием столь необычных испытуемых в том, что их не так-то легко найти.
Поэтому, как только Паскаль-Леоне прочел о приборе Мейера в одном научном журнале, он решил заехать в Нидерланды во время ближайшего же отпуска, который он планировал провести в родной Испании. В августе 2001 г. Мейер показал свое изобретение гарвардскому специалисту — в своей скромной домашней мастерской. Он закрыл глаза Паскаля-Леоне повязкой, надел на него наушники и позволил ему самому ощутить, что это такое — звуковые пейзажи.
«Это было совершенно поразительно. Я мог воспринимать очень, очень простые вещи — во всяком случае, примерно понимать, что означают звуки, которые их описывают, — рассказывает Паскаль-Леоне. — Но что касается более сложных образов, ситуаций и предметов, то [когда в наушниках играли соответствующие им звуковые пейзажи] я понятия не имел, что же я такое слушаю. Я чувствовал ужасную дезориентацию, и все эти звуки не имели для меня абсолютно никакого смысла».
А потом Мейер обмолвился, что в Баффало живет жизнерадостная и энергичная женщина, которая несколько лет назад обнаружила его программу, бродя по Сети, и которая научилась полноценно пользоваться ею в реальном мире. Эта женщина, объявил Мейер своему гостю, уверяет, что может «видеть» ушами. Не хотел бы Паскаль-Леоне с ней пообщаться?
Паскаль-Леоне вспоминает, как ответил: «Да вы шутите!». И добавляет: «Меня как громом ударило».
Десятилетиями среди ученых шли бурные дискуссии о способности взрослого человеческого мозга меняться. Мало кто сомневался, что на ранних стадиях развития мозг может кардинальным образом менять свою «схему подключения». Однако большинство специалистов полагали, что этот промежуток времени не так уж велик и что после краткого «критического периода» (когда люди и животные еще не достигли зрелости) связи в мозгу «затвердевают», подобно глине в печи для обжига, и затем остаются неизменными.
Однако Паскаль-Леоне принадлежал к небольшой группе ученых-бунтарей, которые полагали, что это представление — чересчур упрощенное. И хотя случай Пэт Флетчер казался довольно-таки экстремальным, нейрофизиолог уже успел немало повидать в своей практике, чтобы не отметать его с порога. Он рассуждал так: если Мейер прав, перед нами яркий и убедительный пример того, что даже взрослый мозг в состоянии менять свою «схему подключения». Этот пример решительным образом изменит научные представления.
Однажды днем в доме Пэт Флетчер (она по-прежнему жила в Баффало) раздался телефонный звонок. С тех пор она постоянно рассказывает об этом всем знакомым с огромным удовольствием. «В Гарвардском университете захотели, чтобы я к ним приехала! — восклицает она. — Не верится, правда?»
* * *
Чтобы разобраться, почему утверждения Пэт показались ученым такими необычными, полезно сначала попробовать понять те работы, которые убедили многих нейрофизиологов, что подобные вещи невозможны.
Главные свидетельства в пользу такого мнения дала серия экспериментов, которые Дэвид Хьюбел и Торстен Визель в 60-е-70-е годы проводили на зрительной коре головного мозга кошек и обезьян. Эти опыты стали настоящим прорывом в науке и чрезвычайно расширили наше понимание того, каким именно образом мозг позволяет нам воспринимать окружающий мир (в конце концов экспериментаторов наградят за них Нобелевской премией). Если вы внимательно изучали эти работы (как, несомненно, делал Паскаль-Леоне и все нейрофизиологи его поколения), вы вряд ли сумели бы с легкостью объяснить необычайные способности Пэт Флетчер.
Канадский ученый Дэвид Хьюбел познакомился со шведом Торстеном Визелем в конце 50-х в Университете Джонса Хопкинса. Два молодых исследователя были всего на десяток лет старше, чем Пэт Флетчер в момент потери зрения. Эти постдоки находились на старте своей карьеры. И у них имелись немалые амбиции.
Вместе они обосновались в тесной грязноватой комнатушке без окон, расположенной в подвале знаменитого глазного института при университете. Они решили разгадать тайну, которая так долго терзала ученых. Что, собственно, происходит в мозгу, когда мы «видим» предметы, формы и очертания? Тогда как раз настало очень благоприятное время для того, чтобы задаться таким вопросом. Специалисты по изучению головного мозга как раз начали использовать новую методику под названием «регистрация отдельных единиц», которая породила настоящую революцию в науке. Да и сам Хьюбел, упражняясь на токарном станке с различными материалами, успел придумать новый способ изготовления вольфрамовых электродов, оказавшихся настолько эффективными для записи мозговых сигналов, что многие другие ученые с готовностью переняли его методику. Именно магия «регистрации отдельных единиц» позволила ученым впервые в истории получить возможность в реальном времени отслеживать деятельность наиболее фундаментальной единицы мозга — индивидуальных нервных клеток (нейронов).
У каждого из нас около 100 млрд нейронов. Они отделены друг от друга миниатюрными структурами, которые называются синапсами. Нейроны общаются друг с другом, передавая по синапсам электрохимические сигналы. Ответвления нейрона, которые идут от ядра этой клетки к синапсу и передают эти сигналы, называются аксонами. Те отростки, которые принимают сигналы от синапса и доставляют их в тело нервной клетки, называются дендритами. Если сигналы, передаваемые аксонами одного нейрона дендритам второго нейрона, окажутся достаточно сильными, они заставят второй нейрон давать электрические импульсы. При этом второй нейрон по собственным аксонам передает собственные электрохимические послания — тем нейронам, с которыми он соединен. А это, в свою очередь, повышает вероятность того, что эти нейроны тоже будут активизироваться. Но есть и другие типы синапсов, которые выступают в роли «ингибиторов», мешая связанным с ним нейронам посылать импульсы.
Такая активизация нейронов, одновременная или последовательная, часто именуется «симфонией»: замечательно согласованная игра множества инструментов создает целое, которое гораздо значительнее, чем просто сумма частей. (Впервые я встретил эту метафору в книге Мигеля Николелиса, работающего в Университете Дьюка.) Именно эта симфония позволяет нам думать, ощущать, двигаться.
И видеть. Сидя в своем безоконном балтиморском подвале, Хьюбел и Визель надеялись вслушаться в эту симфонию и ее отдельные партии так, как никто до них не вслушивался. Для этого они подвергли подопытную кошку общему наркозу и ввели длинные тонкие микроэлектроды непосредственно в серое вещество ее мозга. Эти электроды улавливали звук активизации индивидуальных кошачьих нейронов и затем передавали его вовне — на усилитель, из которого раздавался отчетливый щелчок всякий раз, когда нейрон испускал электрический импульс. Эти звуковые сигналы можно было представлять и визуально — в виде вспышек на экране или графиков. Такой метод позволил молодым ученым отслеживать частоту и продолжительность каждого импульса.
Территория, которую Хьюбел и Визель планировали исследовать, располагалась в самом верхнем слое нейронов, непосредственно под черепной коробкой и тонкой защитной пленкой: в областях, где, как уже было известно, в мозгу располагаются центры, ведающие первичной обработкой зрительной информации. Они находятся в задней части головы, в коре головного мозга — ткани толщиной 2–4 мм, богатой нейронами и играющей ключевую роль не только для нашей способности двигаться, ощущать и реагировать на окружающее, но и почти для каждого типа высокоуровневой обработки информации — процессов, которые отличают нас от наших эволюционных предков-рептилий.
Нейрофизиологи успешно выясняли крупномасштабную структуру коры на протяжении сотни лет — в частности, изучая повреждения-лезии у жертв инсульта и искусственно создавая такие повреждения в мозгу подопытных животных. (Если инсульт убивает клетки в определенной области коры и их гибель явно ассоциируется с потерей определенной функции, например речи, можно заключить, что погибшие клетки мозга играли какую-то роль в выполнении данной функции.)
Но подробности происходящего на микроуровне (то, как отдельные нейроны взаимодействуют друг с другом, и то, какова в реальности функциональная организация этой многомиллиардной армии рабочих клеток мозга) по большей части оставались тайной. Это была совершенно неизведанная страна, открытая для изысканий двух амбициозных молодых ученых.
В ту пору Хьюбелу и Визелю казалось, что дни слишком длинны. Изнурительная работа часто приносила им одни разочарования. Нередко они так уставали, что Визель начинал обращаться к Хьюбелу по-шведски (для них это служило сигналом, что пора бы закругляться). По меньшей мере один раз Хьюбел вернулся домой, когда его семья уже садилась завтракать. Но примерно через месяц после начала исследований эти усилия начали приносить свои плоды. Двое ученых зажимали голову подопытной кошки в прочном каркасе-держателе, который не повредило бы и землетрясение. Целая паутина проводов вела к электродам, измеряющим активность нейронов. Эта проводка, удерживаемая каркасом, позволяла записывать, как определенные нейроны зрительной коры животного реагируют, когда ученые с помощью специального устройства проецируют различные узоры и формы непосредственно на поверхность сетчатки анестезированного зверя.
Цель исследователей состояла в том, чтобы найти единичный стимул, который способен вызвать активизацию определенного нейрона зрительной коры. Хьюбел и Визель пробовали «показывать» кошкам темные пятна на светлом фоне и светлые пятна на темном фоне. Они всячески варьировали параметры фона и размеры пятен. В конце концов они принялись размахивать руками и плясать перед кошками, — и, чтобы немного развеять собственное мрачное настроение, стали демонстрировать им изображения сексуальных красоток из журнальной рекламы. Ничего не происходило. Нейрон, на который они нацелились, продолжал спать.
Так продолжалось несколько дней. И вот однажды, после очередной серии экспериментов, продолжавшейся четыре часа, исследователи решили опробовать новый стеклянный слайд с изображением черного пятнышка, — и их нейрон «застрочил как пулемет», позже вспоминал Хьюбел. Сам звук, соответствующий активизации нейрона, не имел никакого отношения к этому пятну. После того как вставили слайд, его край стал отбрасывать слабую, но четкую тень на кошачью сетчатку — тень темной прямой линии на заднем плане. Ученые осознали: нейрон, который они исследуют, заранее настроен на то, чтобы наиболее бурно реагировать именно на появление такой линии.
Вскоре исследователи пришли к выводу, что некоторые нейроны порождают наиболее интенсивные импульсы, реагируя на линии, которые проходят под определенным углом, тогда как некоторые их собратья, судя по всему, активизируются, когда встречают наклонные линии, движущиеся в определенном направлении. Иными словами, получалось, что различным нейронам мозг поручает различные задания, которые сводятся к тому, чтобы реагировать на определенные внешние стимулы и транслировать их. Удалось выяснить, что у нейронов имеются «поля восприятия», и во многих случаях оказывалось, что если стимул находится в центре такого поля, то нейрон сразу активизируется на всю катушку. Стимулы, расположенные на периферии поля восприятия, вызывали более медленную подачу импульсов. А всё, что находилось вне этого поля, вообще не вызывало реакцию данного нейрона: он продолжал дремать.
Как обнаружили Хьюбел и Визель, именно согласованная подача импульсов индивидуальными нейронами помогает нам выстраивать сложные («составные») изображения перед нашим мысленным взором. Эти нейроны тоже, по сути, расположены «столбцами», и зрительный анализ происходит как весьма упорядоченная последовательность действий: электрические сигналы передаются от одной нервной клетки к другой, причем каждая нервная клетка отвечает (пусть и не целиком) за распознавание определенных видов деталей в этой картинке.
Послание-сигнал, которое глаз отправляет в мозг, давно считалось «тайным шифром, ключ к которому имеется лишь у мозга: только он способен интерпретировать это послание, — отметит профессор Давид Оттосон из Каролинского института, объявляя в 1981 г. о вручении Нобелевской премии этим двум исследователям. — Хьюбел и Визель сумели расшифровать этот код».
Но Хьюбел и Визель по-прежнему хотели понять, как развиваются эти зрительные клетки. Как нейрон приобретает способность откликаться на диагональную линию или вертикальный край? Почему некоторые нейроны чувствительны к движению? И как эти нейроны работают вместе, порождая в нашем мозгу картинку и становясь частью более длинной цепи обработки зрительных сигналов?
Два ученых предположили, что важнейшую роль здесь играет опыт. У детей, родившихся с катарактой (дефектом хрусталика, блокирующим свет), проблемы со зрением часто продолжаются и после того, как катаракта удалена хирургическим путем. Однако если удалить ее пожилому пациенту, подобные проблемы исчезают. Как объяснить такое несоответствие?
Хьюбел и Визель стали изучать его, создав аналогичную ситуацию у подопытных котят — плотно зашивая им один глаз, а второму позволяя развиваться нормально. Затем они повторили эксперимент со взрослыми кошками. Если зрелым животным открывали зашитый глаз, их зрение полностью восстанавливалось. Но у котят этот глаз оставался слепым даже после того, как он переставал быть зашитым. Казалось, Хьюбел и Визель получили неопровержимое доказательство: имеются (как они это назвали) «критические периоды», в течение которых мозг развивается и может программироваться. Это был очень вдохновляющий эксперимент, но он порождал больше вопросов, чем ответов. Как, собственно, действуют эти критические периоды? Можно ли повернуть этот процесс вспять? И каковы биологические предпосылки таких изменений, происходящих в мозгу?
В последние годы нейрофизиологи получили возможность в реальном времени наблюдать за формированием нейронных цепочек в мозгу молодых животных и ответить на некоторые из этих вопросов. Один из самых изящных экспериментов в этой области провела Холлис Клайн, нейрофизиолог из Института Скриппса (в 2015–2016 гг. она являлась президентом Нейрофизиологического общества). В середине 90-х годов Клайн использовала так называемую двухфотонную микроскопию для того, чтобы заглянуть в мозг головастика и с помощью этого метода, дающего беспрецедентный уровень разрешения, воочию увидеть, как нейроны формируют свои первоначальные связи в развивающемся мозгу.
Благодаря высокому разрешению микроскопа исследовательница увидела гораздо более динамичную и изящную картину, чем та, которую описывали предыдущие наблюдатели. В мозгу головастика ответвления различных нейронов, стремясь друг к другу, то вырастали, то втягивались: это напоминало движения длинных тонких пальцев, ищущих контакта. Как правило, контакт между отростками разных нейронов оказывался мимолетным, как случайное столкновение: соприкоснувшись, отростки быстро отстранялись и затем уже связывались с отростками других нервных клеток. Но время от времени происходило нечто такое, что заставляло два ответвления сойтись в полупостоянном объятии. Эта магическая связь происходила лишь в тех случаях, когда оба ответвления были присоединены к телам клеток, испускающим импульс в момент контакта. Так Клайн уловила мгновения, когда рождаются синапсы — эти микроскопические связи между нервными клетками.
Ученые давно подозревали, что явление, которое наблюдала Клайн, в принципе возможно, однако подтверждения начали поступать лишь в последние десятилетия. В 1949 г. канадский психолог Дональд Хебб предположил, что мозг, по сути, представляет собой мощный детектор совпадений — и что физические законы, согласно которым возникают и укрепляются связи между нейронами, отражают и фиксируют эти совпадения. А следовательно, когда два нейрона порождают импульс почти одновременно, в мозгу происходит нечто такое, что укрепляет их физическую связь: в результате эти нейроны в будущем смогут легче активировать друг друга. Вместе с тем, когда два нейрона дают импульсы, разделенные сравнительно большим интервалом времени, их связи слабеют. Этот процесс часто именуется «хеббовским обучением».
Вероятно, наиболее ярко этот принцип сформулировала в начале 70-х Карла Шац, молодая исследовательница, работавшая тогда в лаборатории Торстена Визеля и Дэвида Хьюбела, а сегодня она — один из ведущих стэнфордских специалистов по «пластичности мозга».
«Клетки вместе импульс дали — связь друг с другом завязали, — срифмовала Шац, которая помогла доказать это, измеряя увеличение электрического потенциала между двумя связанными нейронами. — Если импульс дали врозь — единенье сорвалось».
В человеческом эмбрионе многие из первоначальных связей между нейронами образуются именно по такому принципу. Спонтанные электрические импульсы образуют в мозгу случайные узоры, и юные ветреные нейроны весело скачут, сталкиваются друг с другом, изучают свое окружение и вовсю завязывают отношения. На этой начальной стадии большинство нейронов образуют гораздо больше связей, чем им нужно: в дальнейшем они будут поддерживать значительно меньшее их количество. В ходе последующего развития эти связи будут либо укрепляться всякий раз, когда нейроны, между которыми возникла связь, снова дадут импульс почти одновременно, либо постепенно ослабевать. В конце концов лишние связи отпадут: природа отсечет их, как садовник обрезает ненужные ветки живой изгороди (не зря такой процесс исчезновения связей между нейронами именуется «прореживанием» [прунингом]).
Со временем возникновение связей между индивидуальными нейронами и отсечение ненужных связей формируют мозговые сети, компоненты которых тесно взаимосвязаны и образуют суперэффективную инфраструктуру — например, наших систем восприятия зрительной или слуховой информации.
Эксперименты Хьюбела и Визеля с зашитым кошачьим глазом позволяли предположить, что в некоторых областях мозга этот механизм образования сетей действует лишь на протяжении ограниченного отрезка времени — в течение так называемых критических периодов. Казалось, после их завершения «окно возможностей» закрывается, и меняться уже поздно. Глина затвердела. Сети сформировались. Маршруты в мозгу прочерчены.
Вероятно, еще примечательнее другое открытие Хьюбела и Визеля: зона коры головного мозга котят, обычно используемая тем глазом, который им теперь зашили, не пропадает зря. Связи, передающие сенсорную информацию от того глаза, который поневоле становится доминирующим, простираются шире, захватывая ту область коры, которую они прежде не использовали. Мозг всегда действует эффективно, словно бы руководствуясь правилом «если не используешь — потеряешь,».
Эти наблюдения очень повлияли на десятилетия дальнейшего прогресса науки о мозге и на то, как исследователи изучали процессы развития этого органа. Идея о том, что у мозга есть критические периоды развития, в течение которых он даже уже после рождения человека обладает высокой пластичностью (и что после завершения этих периодов уже мало что можно изменить), сказалась далеко не только на представлениях о развитии зрения.
За какие-то несколько лет научная элита с готовностью приняла не только открытия Хьюбела и Визеля, касающиеся критических периодов в развитии зрительной системы. Многие зашли гораздо дальше, сделав вывод, что почти все (а возможно, вообще все без исключения) механизмы пластичности, существующие в коре головного мозга, с годами перестают работать. В конце концов, это вроде бы многое объясняло. К примеру, почему взрослым гораздо труднее, чем детям, освоить иностранный язык, научившись безупречному произношению; почему, старея, мы «коснеем в своих привычках»; почему наши дети гораздо больше нашего склонны исследовать, учиться, спрашивать.
Вскоре целый ряд непроверенных гипотез обрел силу устоявшихся представлений. Среди медицинской элиты многие всерьез полагали, что организм жертв инсульта никогда не сможет вновь восстановить утраченные функции, поскольку инсульт разрушает огромные участки нейронной территории, а мозг (как тогда считалось) во взрослые годы уже не способен «переписывать» себя, чтобы выстраивать пути в обход отмерших зон. Педагоги заявляли, что страдающие дислексией и другими проблемами с обучением никогда не смогут полностью преодолеть их, ведь мозг у них просто имеет такую «схему подключения» — и ее уже не изменить. Конечно же, таким специалистам показалась бы абсурдной сама мысль о том, что человек вроде Пэт Флетчер, потерявший зрение уже во взрослом состоянии, в конце концов научится «видеть» ушами.
Но почти сразу же после того, как эксперименты Хьюбела и Визеля стали достоянием научной общественности, начали появляться свидетельства того, что могут быть и кое-какие исключения из данного правила — и вообще, что положение дел может оказаться несколько сложнее, чем это представлялось вначале. Потребовались десятилетия на то, чтобы опровергнуть эту укоренившуюся догму: похоже, это окончательно удалось сделать лишь на рубеже тысячелетий. Зато сегодня являются общепризнанными противоположные представления: организм жертвы инсульта все-таки может вновь обрести утраченные функции, а дети-дислексики все-таки могут научиться читать. И вероятно, Пэт Флетчер действительно может видеть ушами. Потому что, хотя Хьюбел и Визель многое поняли правильно, мозг все-таки сохраняет значительную долю своей пластичности даже во взрослые годы.
Чтобы изменить мозг, нам просто требовалось лучше разобраться в том, как он работает.
* * *
Итак, вскоре после экспериментов Хьюбела и Визеля стали появляться намеки на то, что всё не так просто, как кажется. Среди первых таких намеков один из самых важных удалось получить благодаря использованию устройства, которое, подобно машинке Пэт Флетчер, задействовало природную аппаратуру человеческого уха как ворота, ведущие в области мозга, которые занимаются переработкой сенсорной информации. Это устройство — кохлеарный имплант.
Один из пионеров этих исследований, человек, которого многие потом назовут «отцом нейропластики» (и чьи труды оказали огромное влияние на Альваро Паскаля-Леоне, нового друга Пэт), как ни странно, начинал свою работу всего в нескольких сотнях футов от мрачных коридоров, где когда-то начинали грызть гранит науки Хьюбел и Визель: в нейрофизиологических корпусах балтиморского Университета Джонса Хопкинса.
Его звали Майкл Мерценич, и поначалу он вовсе не собирался опровергать устоявшиеся представления. Когда он перебрался в Балтимор для работы над кандидатской (лет через пять после того, как Хьюбел и Визель покинули свою балтиморскую лабораторию и уехали в Гарвард), он всерьез намеревался следовать традиционному пути.
Однако позже Мерценич провел ряд экспериментов, которые очень пошатнули его мировоззрение. Уже будучи пост доком в Висконсинском университете в Мэдисоне, он вместе с коллегами изучал странное явление, которое иногда наблюдается после повреждения крупных нервов, передающих сигналы между головным мозгом и кожей. В отличие от центральной нервной системы, периферические нервы (в частности, те, что передают сигналы от кожи кистей рук) способны к регенерации после того, как их перережут. Однако при этом сигналы, поступающие к кисти по такому заново отросшему нерву, иногда оказываются «перепутаны,»: к примеру, если дотронуться до среднего пальца, который перенес повреждения нервов и затем восстановился, у вас может возникнуть ощущение, что вы прикоснулись к большому пальцу. Казалось, если это случилось один раз, то в дальнейшем так будет всегда.
Чтобы лучше понять происходящее, Мерценич и его команда с помощью специальных электродов регистрировали активность индивидуальных нейронов (эту технологию ученый освоил в Университете Джонса Хопкинса), чтобы составить карту той области коры, которая отвечает за обработку осязательной информации в мозгу нормальных мартышек-подростков. Затем перерезался периферический нерв, доставлявший сигналы от кисти руки обезьяны к данной области мозга — соматосенсорной коре. Собственно, в определенном месте разрезался целый пучок нервных волокон, идущих от трех пальцев руки и от ладони вверх по спинному мозгу к мозгу головному.
Затем Мерценич и его группа сшивали этот пучок волокон обратно, но так, чтобы разрезанные концы нервов не совсем соприкасались. Это позволяло нервам регенерировать и вновь соединяться друг с другом, но в произвольном порядке. Исследователи предположили, что после этого они смогут разобраться в том процессе, который порождает искажения в осязательном восприятии, возникающие после того, как нервы, идущие от этой части руки, оказываются «перекрещены».
Но когда Мерценич и его команда построили карту той же области мозга семь месяцев спустя, они изумились. При сращивании нервы и в самом деле перепутались, однако мозг создал новый порядок передачи сигналов. Он перекроил свою карту, чтобы учесть эти перекрещенные нервы, породив целое лоскутное одеяло сигналов, которого не было прежде. И он проделал это в возрасте, далеко выходящем за пределы того «критического периода», который многие исследователи принимали как данность. Короче говоря, мозг сделал нечто такое, что многие сочли бы попросту невозможным.
После этого, по словам Мерценича, он «осознал, что мозг пластичен и что он меняет сам себя». -
Но Мерценич начал понимать, насколько пластичен может быть мозг (и насколько далеко могут простираться последствия этого открытия), лишь года через два, уже после того, как он, закончив постдоковскую работу в Висконсинском университете, перешел в Калифорнийский университет в Сан-Франциско (КУСФ), став ассистентом на факультете отоларингологии и физиологии и сосредоточившись на исследовании уха. Вскоре он познакомился с хирургом Рабином Майкельсоном, которому хотелось соорудить прибор, способный помочь глухим вновь обрести слух, используя подход, который тогда пробовали применить и другие: этот подход был нацелен на то, чтобы сконструировать устройство, которое позже назовут кохлеарным имплантом. Хирург поинтересовался у Мерценича, не желает ли он ему помочь.
«Это был очень смелый искатель приключений, — позже вспоминал Мерценич. — Он нашел в Лос-Анджелесе инженера, чтобы тот помог ему сконструировать такой прибор и имплантировать его некоторым пациентам. Но у них не хватало знаний, чтобы усовершенствовать это устройство».
Мерценич решил, что подход Майкельсона — достаточно многообещающий, и подключился к этой работе. Природа наделила человеческое ухо способностью улавливать (с помощью крошечных структур, напоминающих волоски) вибрации, из которых и состоит звук, превращать их в электрические импульсы и по слуховому нерву передавать эти импульсы в мозг для обработки. Процесс первичного восприятия звука происходит в костной области уха, напоминающей по форме раковину и именующейся улиткой (слово «кохлеарный» в переводе с греческого как раз и означает «улиточный»): это врата, ведущие в ту зону мозга, которая занимается обработкой аудиосигналов.
Вместо того чтобы просто усиливать поступающие звуки (таков традиционный метод, применяемый в традиционных слуховых аппаратах), кохлеарные импланты используют пучки длинных нитеобразных электродов, которые напрямую стимулируют (попросту говоря, бьют током) слуховой нерв в определенном ритме, имитирующем череду электрических импульсов, которую порождают в слуховом нерве нормально функционирующие уши. Вначале Мерценич предположил, что для разработки хорошего кохлеарного импланта нужно постараться как можно точнее воспроизводить эту картину электрических импульсов, создаваемую движениями волоскообразных волокон в нормально работающем человеческом ухе.
Но это оказалось не так просто. Требовалось, чтобы устройство долгое время работало надежно и стабильно: его электроника должна была выдержать десятки лет непрерывной эксплуатации. При этом очень важны были и соображения безопасности: хирург должен был иметь возможность вставить прибор в нежный орган слуха человека, не повредив этот орган. Но главной проблемой стало именно то, что сам рисунок электрических импульсов, создаваемых в улитке и транслируемых по слуховому нерву в мозг (тем самым передавая звук), оказался чересчур сложным и детализированным, чтобы его можно было уловить с помощью существовавших тогда технологий. Великие амбиции Мерценича и его соратников по этой работе быстро потерпели крах: исследователям удавалось лишь приблизительно воспроизвести «изящные, утонченные узоры импульсов, которые дает неповрежденное внутреннее ухо».
«Это как играть на пианино локтем, — позже сказал мне Мерценич. — Невозможно по-настоящему контролировать детали и нюансы. Такой прибор кодирует информацию сравнительно грубым образом,».
Мерценич и его группа имплантировали пациентам первые модели своего устройства, и эти пациенты вскоре стали приходить к Мерценичу на плановые осмотры — быстро подтвердив худшие опасения исследователей.
«Они заявили, что это „жуткая дрянь“, — вспоминает ученый. — Они слышали приглушенные и перепутанные звуки, совершенно не поддающиеся интерпретации. Просто акустический мусор,».
Вместе со своей командой Мерценич попробовал несколько различных подходов, пытаясь усовершенствовать прибор. Однако ни тренировка пациентов, ни легкие изменения конструкции устройства, ни дальнейшие эксперименты не давали существенной разницы.
И все-таки они упорно продолжали экспериментировать. Им приходилось это делать: команда Мерценича уже имплантировала свои приборы многим людям — с немалыми усилиями и затратами. К тому же этим пациентам пока явно не светило ничего лучшего. Они страдали острой глухотой и были обречены существовать в невидимом конусе тишины, окруженном людьми, которые болтают, шутят, смеются. Они были исключены из этого мира. И они тоже не очень-то хотели, чтобы эксперименты прекращались. Поэтому они не собирались отказываться даже от столь несовершенных приборов. Так что импланты им не вынимали.
И очень хорошо, что не вынимали. Потому что через несколько месяцев стало происходить нечто поразительное.
Мерценич вспоминает первых пациентов, которые вначале отзывались о ситуации очень мрачно и были не особенно довольны прибором, но вдруг пришли на очередной плановый осмотр, так и лучась энтузиазмом:
— Теперь я начинаю всё понимать! Вот это да!
Да, что-то явно происходило: тесты это подтвердили.
«За двух-трехнедельный период у них происходит это удивительное прояснение того, что они слышат, — вспоминает Мерценич. — Внезапно они показывают понимание [звуков] на сравнительно высоком уровне. Это было потрясающе».
А ведь приборы совершенно не изменились. Мерценич осознал, что изменился сам мозг пациентов. В то время Мерценич занимался не только проектом с кохлеарными имплантами: в своей лаборатории он активно изучал нейропластичность у обезьян. Но его все равно очень впечатлили эти результаты.
«Оказалось, что мозг способен взять информацию в виде этих грубых сигналов и превратить ее в новую форму понятной речи, — отмечает ученый. — Эти устройства работали лучше, чем мы себе воображали. Я просто не думал, что мозг может изменяться так масштабно».
Более того, вскоре Мерценич узнал, что исследователи из других групп, создающих кохлеарные импланты, получают сходные результаты, хотя эти его конкуренты использовали совершенно иные схемы кодирования и картины электрической активности.
Казалось, важнее всего не детали этой картины сигналов, идущих в мозг, а постоянство соответствия таких картин реальным данным о мире. Как мы уже упоминали, мозг — это, в сущности, очень сложная машина для распознавания узоров и закономерностей. Он динамичен и все время меняется, и он способен научиться ассоциировать определенные всплески электрических стимулов с определенными звуками и словами, предназначенными для представления каких-то идей окружающего мира. Мозг умеет проделывать это, даже когда подобные всплески и их сочетания гораздо грубее тех, которые порождаются природной аппаратурой нашего уха и вообще коренным образом отличаются от них. Хеббовское правило ассоциативного обучения (согласно которому те нейроны, которые вместе дают импульс, в конце концов завяжут между собой связь) оказалось гораздо более действенным и стойким, чем мог предположить даже сам Мерценич.
— Вы приделывали новый вход к естественной звуковой системе, ждали полгода — и мозг делал вид, что ему все равно, — замечает Мерценич. — Это было что-то невероятное.
* * *
Жарким летом 2006 г. Пэт Флетчер приехала в лабораторию Альваро Паскаля-Леоне на свои первые тестирования. Команда Паскаля-Леоне разместила ее в гостинице возле Медицинского центра Бет Израэль — Диконесс (предоставляющей ночлег и завтрак): именно в Центре исследователи намеревались проводить тесты.
Они пригласили и еще одного слепого испытуемого — Адама Шейбла (вместе с его женой Денизой). Пэт с Адамом уже общались через онлайновую площадку, специально созданную Мейером для того, чтобы знакомить друг с другом пользователей «vOICe», но здесь они впервые встретились лично. Пэт, Дениза и Адам каждое утро собирались в общей столовой своей уютной гостинички и обменивались историями, перед тем как отправиться на очередное тестирование.
За этим столом Адам рассказал Пэт, какой радостью для него стала возможность впервые «увидеть» лицо и волосы жены, как он любит просто «смотреть» на нее. Адам жил во Флориде, не так далеко от того места, где много лет назад с Пэт произошел несчастный случай. Адам описывал, как впервые, встав на морском берегу, смог «созерцать» величественный сторожевой корабль, скользящий по чистым водам залива. Пэт легко могла себе представить эту картину. Она помнила парусные яхты и то, как их паруса трепещут на ветру: в свое время она видела это, еще будучи зрячей. Она их обожала.
Пэт понимающе закивала, когда Адам поведал ей, как впервые различил бугорки на чипсах. Она невольно засмеялась, когда он описал, как странно и удивительно для него было увидеть пар, поднимающийся над кофейной чашкой.
«Я об этом не задумывалась, ведь я привыкла видеть пар над кофе! — замечает она. — А представьте, что вы никогда прежде этого не видели».
Но кое-что явно грызло и мучило Адама. Окружающие часто говорили ему (как говорили и самой Пэт): мол, вы никак не можете видеть, это исключено. Пэт знала, каково это — когда ты что-то видишь. Она это помнила. И она совершенно не сомневалась: то восприятие, которое она обрела, — самое настоящее зрение. У Адама всё было иначе. В отличие от нее, он родился слепым. Как он мог удостовериться, что испытываемые им ощущения — это действительно то самое «зрение», о котором он всю жизнь слышал?
Паскаль-Леоне и его команда придумали целую серию изощренных экспериментов для того, чтобы проводить их в лаборатории с испытуемыми. Они заверили Адама, что к концу этой серии они смогут ответить на его вопрос — по крайней мере, частично. Собственно говоря, Паскаль-Леоне уже догадывался об ответе: в каком-то смысле те опыты, к которым он намеревался привлечь Пэт и Адама, должны были стать просто очередным подтверждением внушительного — и постоянно растущего — массива фактов и гипотез.
Уроженец испанской Валенсии, Паскаль-Леоне получил в Германии степень кандидата медицинских наук и доктора философии и изучал неврологию в Университете Миннесоты, прежде чем перейти в один из американских Национальных институтов здравоохранения, расположенный в городе Бетесда (штат Мэриленд).
Еще до того, как начать работу в NIH, Паскаль-Леоне с большим интересом следил за исследованиями Майка Мерценича. Энергичный растрепанный калифорниец был очень занят еще со времен своих первых опытов на обезьянах и пробных кохлеарных имплантов. Более того, именно он в дальнейшем провел серию экспериментов на мартышках, которые Паскаль-Леоне очень хотел вывести на следующую стадию — подвергнуть тем же исследованиям людей. Эти эксперименты Мерценича очень повлияли на мировоззрение Паскаля-Леоне.
Во время своего годичного отпуска для научной работы, предоставленного Калифорнийским университетом, Мерценич вместе с Джоном Каасом из Университета Вандербильта разработал методику довольно радикального эксперимента, призванного показать, до какой степени «жесткой» становится схема подключения головного мозга после того, как критические периоды уже позади. В ходе этих опытов исследователи снова применили микроэлектроды для того, чтобы построить детальную карту той области соматосенсорной коры обезьяны, которая, как им представлялось, регистрирует нервные импульсы, поступающие от различных участков кисти руки.
Затем они перерезали периферический нерв, соединяющий ладонь с биологическими путями, по которым сигналы от нее поступают в мозг. На сей раз они не стали сшивать его обратно. Они словно оборвали телефонный провод: полностью прекратилась вся коммуникация между данной частью руки и данной частью мозга (предназначенной для обработки тактильной информации, поступающей от этой части руки).
Через несколько месяцев Мерценич и Каас вновь построили карту той же области мозга, чтобы выяснить, не изменилось ли там что-нибудь. Как мы уже знаем, Хьюбел и Визель к тому времени уже показали, что неиспользуемая область зрительной коры котенка может «переподключать» себя, чтобы выполнять иную функцию, когда один глаз перестает применяться, но они утверждали, что это происходит лишь в критические периоды развития животного. Обезьяна под названием «трехполосая дурукули» [совинолицая мартышка], которую они изучали, уже существенно вышла за границы того возраста, когда, по мнению большинства тогдашних нейрофизиологов, эти критические периоды завершаются. Поэтому существовала общепринятая догма: область соматосенсорной коры, обрабатывающая сигналы от данного нерва, после его перерезания должна стать «спящей», неиспользуемой, мертвой. Однако при этом повторном картировании мозга Мерценич обнаружил нечто совсем иное.
Когда Мерценич и Каас прикасались к участкам руки, прилегающим к тем, которые они несколько месяцев назад сознательно лишили нервной коммуникации с мозгом, те части соматосенсорной коры, которым вроде бы полагалось спать, так и вспыхивали активностью. Ошибки быть не могло: получалось, что мозг, который вроде бы должен был давно закостенеть в жесткой и определенной схеме подключения, каким-то образом сумел снова трансформироваться. Активные участки рук колонизировали покинутые нейронные области.
Как такое могло быть? Результаты, казалось, совершенно противоречат тем работам, за которые Хьюбел и Визель получили Нобелевскую премию. И от этих результатов почти не глядя отмахнулось большинство работающих в данной области. Но Мерценич продолжал распутывать эту нить. Теперь ему захотелось выяснить: может быть, дело просто в том, что со временем мозг набирается соответствующего опыта — и этого достаточно, чтобы изменить объем «мозгового пространства», отводимого на выполнение определенного вида задач?
Чтобы установить это, Мерценич снова построил карту соматосенсорной коры — тех ее областей, которые ассоциируются с отдельными пальцами рук мартышки. Однако на сей раз не стали разрезать нерв: постдок по имени Уильям Дженкинс провел три месяца, тренируя подопытных обезьян, чтобы те научились справляться с заданием, которое требовало от них развития целого набора необычайно сложных и тонких навыков. Команде исследователей хотелось увидеть, не отразится ли на структуре мозга и этот процесс. Задание было и правда очень непростое. Мартышек учили поддерживать контакт с вращающимся диском, используя подушечки двух пальцев, однако проделывать это деликатно: чтобы пальцы оставались неподвижными и чтобы диск не увлекал их за собой. Для этого требуется очень точно подобрать давление, которое вы будете оказывать на диск.
Обучая мартышек этому трюку, Дженкинс обеспечил их очень высокой мотивацией. Если обезьяна не справлялась с заданием, ей приходилось ждать окончания сеанса тренировок, чтобы ее покормили. Если же задание удавалось выполнить как полагается, счастливицу ждала неслыханно щедрая награда в виде пищевых шариков со вкусом банана — до 600 шариков на протяжении 24-часового периода.
Тренажер, придуманный Дженкинсом, можно было закреплять перед обезьяньей клеткой. Он состоял из круглого алюминиевого «пирога» диаметром 13 см, причем на его поверхности имелись как выступы, так и впадины. Через прутья каждой клетки пропускали электричество: сила тока была незначительной, и обезьяньи пальцы ее не ощущали. Цепь замыкалась всякий раз, когда мартышка прикасалась к металлу диска. А это, в свою очередь, приводило к выбросу пищевого шарика в специальный наклонный желоб, расположенный слева от клетки. Мартышки-начинающие обычно выгребали эту добычу двумя пальцами. А вот закаленные бойцы научились слизывать шарики языком, чтобы не отводить пальцы от диска, а значит, довести скорость поступления корма до максимальной.
По мере того как животные всё лучше справлялись с заданием, Дженкинс усложнял его: так, он увеличил интервал, в течение которого мартышка должна непрерывно прикасаться к диску, до целых 15 с, ускорил вращение «пирога» до одного оборота в секунду и, наконец, отодвинул крутящееся устройство так далеко от клетки, что дотянуться до него удавалось лишь кончиками одного-двух самых длинных пальцев. При этом по-прежнему требовалось прикладывать к диску именно такую силу, которая будет поддерживать ток в цепи, однако не станет ни замедлять диск, ни позволять пальцам обезьяны двигаться вслед за ним.
После сотни с лишним дней обучения подопытных мартышек Мерценич с Дженкинсом наконец были готовы начать выяснять, изменила ли эта новая «квалификация» обезьян структуру коры их головного мозга. Результаты оказались весьма впечатляющими. Область соматосенсорной коры, отводимая на восприятие осязательных импульсов от пальцев, используемых для легких прикосновений к диску, увеличилась на 400 % [т. е. в пять раз]. Мозг мартышек изменил свою схему подключения лишь на основе практики, мотивом для которой стало желание довести до максимальной интенсивности поток банановых шариков.
Паскаль-Леоне прочел об этом эксперименте Мерценича с мартышками, еще будучи молодым ординатором-неврологом. С тех пор он часто размышлял о том, нельзя ли вызвать похожее явление и у людей. И в конце концов у него родилась оригинальная идея: почему бы не поизучать слепых, которые учатся читать шрифт Брайля?
Подобно мартышкам с вращающимся диском [пусть это не прозвучит оскорбительно], читатели брайлевского шрифта используют подушечки отдельных пальцев для того, чтобы выполнять задание, требующее весьма тонкой настройки осязания. Чтобы считывать колонки выпуклых точек, представляющих в алфавите Брайля буквы, эти люди выработали в себе способность, которую Паскаль-Леоне назвал «страшноватой!»: умение с огромной скоростью проводить пальцем по брайлевским ячейкам, распознавая при этом до шести точек в каждой ячейке. Если нажимать подушечкой пальца слишком сильно, быстрота чтения снизится до черепашьего шага.
А если нажимать слишком слабо, невозможно будет определить, сколько точек в каждой ячейке. Вместо этого читатели брайлевских текстов, участвовавшие в эксперименте, много раз молниеносно проводили пальцем по точкам, пока не расшифровывали закодированное в них послание, — и затем двигались дальше, к еще не прочитанному тексту.
«Меня интересовала не сама их слепота, а тот факт, что незрячие люди обучаются читать шрифт Брайля, — объясняет Паскаль-Леоне. — Какого рода изменения происходят при этом в их мозгу?»
Конечно, при этом Паскаль-Леоне не мог вести запись активности единичных нейронов. Испытуемые-люди, даже добровольцы, обычно почему-то не очень хотят, чтобы им распилили череп и вставили в мозг электроды. Так что вместо этого он воспользовался методикой, которая подразумевала подачу слабого электрического разряда на подушечку «читающего пальца» каждого испытуемого. К коже черепа объекта эксперимента прикрепляли целый набор электродов, которые должны были затем определять, где в соматосенсорной коре активизируются нейроны.
Когда Паскаль-Леоне подвел итог этого исследования, он обнаружил, что палец, с помощью которого слепой предпочитает сканировать шрифт Брайля (у разных людей он может быть разным), и в самом деле получает куда более значительную долю коры для обработки поступающих с него осязательных сигналов, чем тот же самый палец у людей, которые не читают шрифт Брайля. Мало того: точно так же, как было показано в эксперименте с мартышками, Паскаль-Леоне продемонстрировал, что это происходит за счет ресурсов коры, прежде служивших для интерпретации осязательных сигналов от пальцев, которые соседствуют с читающим.
Затем Паскаль-Леоне переключился на моторную (двигательную) кору [строгое название — двигательная область коры головного мозга] и показал: обретение точности движений, необходимой для эффективного чтения брайлевского шрифта, приводит к аналогичному процессу «колонизации» читающим пальцем той области мозга, которая отвечает за контроль движения этого пальца.
Эта пара экспериментов стала настоящим прорывом в науке: впервые удалось показать, что подобного рода пластичность мозга проявляется и у взрослого человека. Но именно один из опытов, ставший их логическим продолжением, породил действительно мощное волнение среди ученых и заложил основы для той линии научных исследований, которая в конце концов и приведет к путешествию Пэт Флетчер в Бостон.
Спустя несколько месяцев после этих первоначальных экспериментов один из коллег Паскаля-Леоне по имени Норихиро Садато захотел получить более обширную картину того, каким образом вся моторная кора (та часть мозга, которая контролирует движение) меняется по мере улучшения эффективности брайлевского чтения. Для этого Садато воспользовался иной технологией сканирования мозга — позитронно-эмиссионной томографией (ПЭТ): она дает более «глобальную» картину мозга. Поначалу исследователь не интересовался зонами мозга, находящимися за пределами двигательной области коры. Но выбранный им метод все равно давал своего рода моментальный снимок всего, что происходит к коре.
Паскаль-Леоне отлично помнит тот день, когда Садато ворвался к нему с результатами этих опытов.
— Какие тебе сначала новости — хорошие или плохие? — с порога спросил Садато.
— Всегда начинай с хороших, — посоветовал Паскаль-Леоне.
По словам Садато, хорошие новости заключались в том, что путем анализа данных двигательной области коры он сумел получить убедительные подтверждения той гипотезы, которую они и выбрали для проверки в рамках этих исследований.
Однако плохие новости, сообщил японец, состоят в том, что «тебе это наверняка будет совершенно неинтересно».
Когда Садато показал ему снимки мозга, полученные методом ПЭТ, Паскаль-Леоне понял, почему его коллега высказал такое предположение. Моторная область коры действительно оказалась активнее. Однако то же самое происходило и со зрительной областью коры: каким-то неведомым образом сигналы, поступавшие от пальцев, добирались до задней части мозга, до области, которая, как полагали прежде, способна получать такие активационные сигналы лишь от глаз. Слепые, читавшие шрифт Брайля, обрабатывали считываемые слова в той же зоне, в какой обрабатывают читаемый текст зрячие люди, пользующиеся для чтения глазами. Казалось, в каком-то смысле эти слепые испытуемые «видят» пальцами.
«Я посмотрел на эту картинку и воскликнул: Господи, что это? Это правда? Это не выдумка? — вспоминает Паскаль-Леоне. — Так что отсюда выросло много необычайно любопытных экспериментов и изысканий».
И в самом деле: к тому времени, как в 2006 г. Пэт Флетчер перешагнула порог паскалевской лаборатории, ученый сумел распутать значительную часть этой нити и совершить ряд довольно-таки поразительных открытий. В 2000 г. Паскаль-Леоне узнал о 63-летней женщине с врожденной слепотой, годами по 4–6 ч в день читавшей тексты, набранные шрифтом Брайля: она работала в Испании брайлевским корректором. В результате такой практики эффективность ее чтения стала крайне высокой: слепая женщина читала брайлевский текст быстрее, чем большинство зрячих людей читают обычную газету.
Но однажды она пожаловалась на головокружение, потеряла сознание, и ее спешно доставили в больницу. Когда пациентка наконец пришла в себя, врачи сообщили, что ей необычайно повезло: как выяснилось, она перенесла два инсульта, но эти инсульты чудесным образом нанесли повреждения (т. е., попросту говоря, убили нейроны) только в левой и правой части зрительной зоны коры — в тех областях мозга, которые, как уверяли медики, ей все равно не нужны, поскольку она слепа. Но когда женщина попыталась снова читать брайлевские тексты, она обнаружила, что больше не в состоянии расшифровывать их. Она могла кое-как ощупью распознавать буквы — скажем, идентифицировав точку и затем дедуктивным методом вычислив, какую букву представляет ячейка, где эта точка содержится. Но прежней беглости чтения она лишилась.
Для Паскаля-Леоне (который встретился с этой женщиной, провел ряд сканирований ее мозга и совместно с коллегами опубликовал статью, где разбирал данный случай) эта история, судя по всему, послужила подтверждением гипотезы, согласно которой активизация зрительной коры при чтении Брайля отнюдь не носит случайного характера. Несколько лет спустя Паскаль-Леоне получил возможность просканировать мозг турецкого художника Эсрефа Армагана (), тоже родившегося слепым. Когда Эсреф был еще ребенком, его семья, владевшая небольшой лавочкой, каждый день выставляла слепого мальчика на улицу, чтобы он не сшибал товары. Армаган научился развлекать себя, рисуя на песке узоры и ощупывая пальцами получающиеся картинки. Рисунки очень восхищали прохожих, которые часто хвалили мальчика и поощряли его продолжать это занятие. Благодаря неустанной практике Армаган рисовал всё более сложные изображения.
К тому времени, когда Армаган стал взрослым, он уже разработал собственную узнаваемую технику. Он использовал остро отточенный карандаш или брайлевскую иглу, чтобы выдавливать наброски на бумаге или холсте, а другой рукой вел по листу вслед за этим инструментом, чтобы отслеживать, в каком месте создаваемого рисунка он находится. Примечательно, что он научился выдавать подробно прорисованное зрительное представление предмета после того, как всего несколько мгновений щупал его руками. К тому же он запоминал, где находятся линии этого абриса, и затем заполнял нужные области нужными цветами: это позволило ему писать картины маслом. Получались очень красивые полотна, настолько яркие и реалистичные, что художник вскоре завоевал признание во всем мире. Как слепой от рождения человек смог стать таким одаренным мастером визуального жанра?
В 2007 г. Паскаль-Леоне вместе с Амиром Амеди, постдоком, руководившим его лабораторией сканирования, получил возможность просканировать мозг Армагана, когда художник приехал в США представить свои работы в нью-йоркском Музее современного искусства. В лаборатории Амеди передал Армагану набор предметов и попросил нарисовать их. Среди предметов была статуэтка мужчины, сидящего на скамье и держащего в руке яблоко. Армаган сумел изобразить статуэтку после того, как ощупывал ее всего несколько секунд, причем он нарисовал ее с разных ракурсов — спереди, сверху, сбоку. Для нейрофизиологов отсюда следовали далеко идущие выводы.
«Осязание сильно отличается от зрения, — объясняет Амеди. — Понятие перспективы здесь не имеет такого значения. Для того, кто ощупывает одинаковые предметы, они имеют один и тот же воспринимаемый размер, даже если расположены на разном расстоянии от вас. Однако без всякого визуального опыта он [Армаган] сумел развить в себе способность мысленно создавать трехмерное представление объекта у себя в мозгу и затем манипулировать этим представлением так, чтобы иметь возможность нарисовать предмет с любого ракурса, с любого угла. Он проделывал это с огромной точностью и быстротой: даже зрячему было бы трудно так рисовать. Прямо скажем, он меня просто поразил».
Затем Амеди и Паскаль-Леоне стали сканировать мозг Армагана, пока художник лежал в магнитно-резонансном томографе и рисовал на листе бумаги, который положили ему на живот. Похоже, в процессе рисования, представляя объект с разных ракурсов и давая ему жизнь на бумаге, Армаган видел предмет своим «мысленным взором» и мысленно манипулировал им. Он тоже полагался на зрительные области своего мозга, которые, как показало сканирование, при этом очень сильно активизировались.
«Чтобы проделывать всё это, он задействует те же нейронные схемы и маршруты, которые отвечают за визуальное восприятие у зрячих. Да, порядок работы в рамках этих схем у него немного иной, но сами схемы — те же, — говорит Паскаль-Леоне. — Что это — зрение? Он не “видит” в привычном нам смысле этого слова. Но если посмотреть на характер мозговой активности, вы скажете, что в основе своей это, в общем, то же самое».
* * *
К тому времени, как Пэт и. Адам вошли в лабораторию, чтобы пройти тестирование, Паскаль-Леоне и Амеди уже очень долго обсуждали, что же они надеются изучить в ходе этих опытов. Паскаль-Леоне считал, что одна из самых необычайных и странных особенностей Пэт Флетчер — то, что она (во всяком случае, по ее собственным словам) может одновременно и «видеть», и «слышать», используя ухо для получения сенсорной информации, необходимой для того, чтобы испытывать оба типа ощущений. И действительно: в тот день Пэт с готовностью продемонстрировала в лаборатории свою способность обнаруживать, где находится дверь, или «озираться по сторонам», одновременно ведя непринужденную беседу.
«Меня это чрезвычайно поразило, — отмечает Паскаль-Леоне. — Из этого могло бы следовать, в частности, что существуют совершенно, совершенно разные нейронные субстраты, которые обрабатывают эти потоки информации, хотя оба потока поступают через уши. И мы решили проверить такую гипотезу».,
Как и следовало ожидать, когда исследователи воспроизвели для Пэт обычные звуки (например, свистки), возбудились те зоны мозга, которые обычно и ассоциируются с обработкой аудиосигналов. Но когда для нее воспроизвели «звуковые пейзажи», активизировалась и зрительная область ее коры. Когда же экспериментаторы нарочно запутали эти пейзажи так, чтобы они представляли собой бессмысленный набор звуков, затылочная доля мозга [где расположена, в частности, зрительная область коры] оставалась неактивной, и Пэт сообщила, что ничего не видит.
Каким-то образом мозг Пэт умел отличать такие пейзажи от других звуков и направлять информацию, поступающую от звуковых пейзажей, в ту область мозга, которую ассоциируют с визуальным распознаванием объектов.
Этот день очень запомнился и Паскалю-Леоне, и Амеди: они даже несколько лет спустя дивились тем способностям, которые продемонстрировала им Пэт. Но когда она сама вспоминает этот день, то говорит, что ярче всего в ее памяти запечатлелись не опыты в лаборатории, а поход в торговый центр, предпринятый Пэт и ее спутниками после завершения экспериментов.
Проводя тестирование в лаборатории, Амеди в общем-то не готов был подтвердить, что испытываемое Адамом и Пэт действительно являет собой «зрение»: такая гипотеза вызывала у него дискомфорт. «Я ученый, и мне нужно быть поосторожнее, — замечает он сегодня. — Я не могу сказать, что это зрение. Но нет никаких сомнений: они и в самом деле задействуют ту же систему. Вот мы ему [Адаму] и сказали, что у него активизируется визуальная система».
Для Адама Шейбла этого оказалось вполне достаточно. Пэт до сих пор отлично помнит, как с помощью своей системы «vOICe» наблюдала: он «практически плясал от восторга», радостно проносясь мимо магазинов торгового центра. Ведь гарвардские ученые подтвердили его собственные ощущения.
«Он был так рад, что они подтвердили: да, он обладает зрением, — говорит Пэт. — Было очень здорово наблюдать за ним, слышать счастье в его голосе, слышать, как он снова и снова повторяет их выводы, и понимать, как важно для человека, который всю жизнь был слепым, получить реальное подтверждение того, что он может видеть. Для меня это стало одним из главных впечатлений в жизни».
* * *
Как же объяснить расхождение между «критическими периодами» Хьюбела — Визеля и тем, что испытывает Пэт? Как примирить между собой результаты экспериментов с котенком, который навсегда остается слеп на один глаз даже после того, как этот глаз перестал быть зашитым, и куда более обнадеживающую работу Майка Мерценича с его пациентами, которые с помощью кохлеарных имплантов смогли вновь научиться слышать?
На протяжении последнего десятилетия биохимики начали получать кое-какие ответы, которые, быть может, помогут нам разрешить все эти противоречия и которые предлагают более тонкое и детальное представление о тех закономерностях, управляющих критическими периодами и нейропластичностью.
В конце концов, невозможно же отрицать, что все мы способны учиться в течение всей жизни. При этом никто не станет отрицать и то, что мозг ребенка более «гибок» и более открыт к изучению нового, чем мозг взрослого. Во всяком случае, с этим явно согласятся все, кто во взрослые годы пытался изучать иностранный язык и никак не мог вытравить из своей речи характерный для своего родного языка акцент. Вот почему мы часто говорим, что мозг у пятилетних детей, как губка: мы поражаемся их способности впитывать информацию.
И в самом деле, почти сразу же после того, как Хьюбел и Визель впервые продемонстрировали существование этих критических периодов, ученые начали искать пути для того, чтобы, подобно хакерам, «взломать» систему и сделать так, чтобы мозг взрослого человека вновь обрел ту пластичность, которую мы наблюдаем у детей. Некоторые даже предположили: если мы сумеем понять, почему критические периоды начинаются и завершаются («открываются» и «закрываются»), то сможем усовершенствовать процесс обучения и даже изобрести «обучающие таблетки».
С самого начала все решили, что главное здесь — добавить что-то такое в мозг: например, что-нибудь вроде стволовых клеток или факторов роста, о которых мы рассказывали в предыдущей главе. Может быть, залог успеха — регенерация? Ведь Стивен Бадилак и Гордана Вуньяк-Новакович добились того, чтобы заново росли клетки мышц и хрящей. Возможно, и с мозгом удастся проделать нечто подобное? Однако в последние годы ученые стали осознавать: для того, чтобы заново «начать» («открыть») критические периоды, важнее всего отнюдь не внести что-то дополнительное. Как ни странно, секрет здесь, судя по всему, кроется в умении что-то убрать.
Как мы уже знаем, нейрофизиологи долго считали непреложной догмой идею о том, что нейроны, которые дают импульс вместе, формируют друг с другом связь. Однако существует множество факторов, которые способны повышать или понижать вероятность активизации нейрона и, по-видимому, его связывания с соседями: во всяком случае, так полагает гарвардский нейробиолог Такао Хенш.
Хенш и некоторые его коллеги в последнее время обнаруживают: по мере старения нашего организма происходят биохимические процессы, создающие молекулярные «тормоза» для пластичности, резко уменьшая способность нейронов образовывать новые связи с соседями. Но эти молекулярные тормоза не препятствуют формированию вообще всех новых связей. Они лишь ослабляют воздействие веществ, которые, оказавшись в мозгу ребенка или одного из головастиков-альбиносов, так поразивших исследователей (мы уже кое-что рассказывали тут о подобных головастиках), либо способствуют более легкой активации нейронов, либо подталкивают нейроны к тому, чтобы более разнузданно завязывать новые отношения друг с другом.
С поведенческой точки зрения наш энтузиазм при виде новой модели грузовика или волшебного замка принцессы угасает с годами просто из-за того, что эти вещи больше не кажутся нам такими невиданными и необычными, какими они могут представляться трехлетнему ребенку. Но верно и то, что утрата детского энтузиазма отражается во вполне реальных структурных изменениях мозга.
«У ребенка эти системы естественным образом работают на более высоких оборотах, сталкиваясь практически с любыми впечатлениями, потому что дети заинтересованы в том, чтобы узнать, как работает мир, — поясняет Хенш. — Но по мере взросления эта новизна стирается — вероятно, нам всё это становится скучнее. На биохимическом уровне наши системы всё труднее вовлекаются во взаимодействия!».
«Однако, — подчеркивает Хенш, — это не значит, будто такая пластичность совсем угасает». Когда мы глубоко погружены в какое-то занятие (например, в какую-нибудь из видеоигр для «тренировки мозга»), те области мозга, которые регулируют внимание и концентрацию, могут затопить другие участки мозга особыми веществами (нейромодуляторами), которые повышают вероятность активации нейронов, находящихся на этих участках. Иными словами, нейромодуляторы переводят эти нейроны в режим повышенной готовности — готовности откликнуться на импульсы, которые будут подавать окрестные нейроны. Безграничный энтузиазм Пэт Флетчер и ее глубокая сосредоточенность, все эти долгие часы практического освоения системы «vOICe», несомненно, мобилизовали многие из доступных ее организму нейромодуляторов. Со временем в ее мозгу сформировались новые связи. Это стало триумфом ее любознательности, концентрации, силы воли.
Однако выясняется, что, по мере того как мы становимся старше, наш организм начинает вырабатывать соединения, а иногда и строить физические структуры, подавляющие эффект этих модуляторов. Они могут убаюкать некоторые популяции нейронов, введя их в состояние летаргии или просто незаинтересованности. Пережившие инсульт могут научиться восстанавливать утраченные функции. Пэт Флетчер может научиться видеть ушами. Но это битва против заведомо более сильного противника — против встроенной в зрелый организм склонности защищать уже существующую инфраструктуру, которая годами медленно и целенаправленно складывалась и которая очень дорого обошлась организму.
Один из поворотных моментов, побудивших исследователей заподозрить всё это, наступил в начале 2000-х, когда итальянский биолог Ламберто Маффеи. решил воспользоваться в нейрофизиологии некоторыми идеями и подходами регенеративной медицины.
Ученые уже несколько столетий недоумевали, почему наш организм умеет регенерировать периферические нервы тела, однако не может заново отращивать аксоны, способные передавать электрические импульсы к конечностям — от головного мозга по позвоночнику (т. е. по спинному мозгу). То, что эту тайну никак не удавалось разгадать, обрекало тысячи пострадавших от повреждений спинного мозга (например, актера Кристофера Рива) на жизнь в инвалидном кресле.
В 90-е годы и в начале 2000-х некоторые ведущие специалисты по регенеративной медицине начали приближаться к ответу по крайней мере на один из вопросов, касающихся этой проблемы. Как выясняется, при взрослении организм вырабатывает белки под названием ХСПГ (хондроитинсульфатпротеогликаны), которые затрудняют рост зрелых аксонов. У здоровых взрослых эти молекулы играют важную роль — сигнализируют, что организм созрел и ему следует перестать меняться, что необходимая структура уже заняла свое место и теперь ее следует защищать, чтобы она сохраняла сложившийся вид.
Эти молекулы имеют важное значение и для защиты организма в случае повреждений.
Но когда эти аксоны оказываются перерезаны (как произошло с Кристофером Ривом, когда в 1995 г. он упал со скачущей лошади), присутствие ХСПГ становится опасной помехой. Может быть, если бы ученые нашли способ разрушать эти соединения, аксоны начали бы расти снова? Создав ряд ферментов, которые способствуют разложению ХСПГ, ученые провели эксперименты на парализованных крысах и сумели показать, что организм этих крыс действительно начинает отращивать аксоны заново.
Маффеи задумался: может быть, такой же механизм задействован и в головном мозге? В конце концов, клетки мозга, вовлеченные в зрительное и слуховое восприятие (и вообще во все когнитивные функции [относящиеся к познанию и восприятию мира]), тоже полагаются на аксоны в своей работе. Маффеи проделал такой же эксперимент, который Хьюбел с Визелем ставили на котятах: он плотно зашил подопытной крысе один глаз, а второму глазу позволил развиваться нормально. Как и в случае котят Хьюбела и Визеля, зрение этой крысы оставалось существенно поврежденным даже после того, как экспериментатор снял швы.
А потом Маффеи слегка модифицировал идеи некоторых своих коллег, занимавшихся регенеративной медициной. Он ввел фермент бактериального происхождения, разрушающий молекулы ХСПГ, непосредственно в зрительную область коры головного мозга крысы. Произошло нечто удивительное: ослепший глаз крысы начал обретать зрение. Маффеи снова дал начало критическому периоду. Он убрал тормоза и увеличил пластичность мозга.
Хенш объясняет: в зрительной области коры хондроитинсульфатпротеогликаны образуют (как он это называет) «перинейронные сети» (ПНС). Они облегают нейроны, словно «перчатка» или «пленка для заворачивания продуктов», мешая их отросткам сталкиваться с дендритами других нейронов и формировать новые связи. Разрушив этот защитный слой, Маффеи освободил клетки мозга: теперь они снова могли связываться друг с другом.
Другие группы исследователей сумели выявить другие виды молекулярных тормозов. Со временем миелиновые оболочки (липидный слой, окружающий аксоны) могут обрастать белками, словно днище корабля моллюсками: это препятствует выбрасыванию новых отростков и завязыванию контактов. Когда йельские ученые создали породу мышей с особыми мутациями, которые не позволяли их организму вырабатывать один из типов белков (так называемый рецептор Ного), у этих мышей не завершался критический период даже после того, как они окончательно взрослели.
У себя в лаборатории Хенш начал проверять, нельзя ли как-то манипулировать генами, кодирующими такие белки, для того чтобы увеличивать и уменьшать нейропластичность. Иными словами, он еще больше приблизился к демонстрации того, каким образом можно было бы создать «обучающую таблетку». Примечательно, что в 2013 г. Хенш показал это, давая взрослым добровольцам депакот — препарат, который обычно использовался для лечения «проблем с настроением» и эпилепсии. После приема вещества испытуемые должны были выполнять на компьютере определенные задания. Всего за две недели исследователь сумел резко увеличить их способность освоить умение, которое обычно можно приобрести только в детстве: умение опознать ту или иную ноту, не слыша перед этим другую ноту, с которой ее можно было бы сравнить. Этот талант именуется абсолютным слухом.
«Насколько мне известно, это первый случай, когда во взрослом состоянии удалось усовершенствовать музыкальный слух или приобрести абсолютный, — отмечает ученый. — А уж за две недели это явно никому раньше не удавалось. Такие манипуляции открывают возможности перемен. Но вам тоже нужно потрудиться, чтобы перемена действительно произошла».
«Биологическая наука дошла до того этапа, на котором мы уже не должны отчаиваться, не должны смиряться с тем, что мы утратили пластичность навсегда, — отмечает он. — Даже во взрослом состоянии ее можно регулировать в очень широком диапазоне. Причем способность закрывать критические периоды представляется такой же важной, как и способность открывать их. Так что нахождение способов временно снимать эти тормоза приобретает очень большое значение».
Даже без этих химических вмешательств мозг сохраняет способность меняться. Мы уже видели, что действие этих «тормозов» можно преодолевать с помощью достаточного количества повторений и достаточно долгой практики — подобно тому, как можно отбить кусок штукатурки, если достаточно много раз ударить по стене молотком.
Но те пациенты, которым Мерценич вживил кохлеарные импланты, все-таки должны были много раз бить этим молотком. Им приходилось ждать несколько месяцев, прежде чем их мозг сумеет выковать новые нейронные пути и научиться расшифровывать узоры электрических сигналов, которые теперь служат представлением звуков. Пэт Флетчер сумела сравнительно быстро адаптироваться к своей машинке, порождающей звуковые пейзажи, потому что некоторые из ее старых зрительных путей сохранились с тех времен, когда она еще обладала зрением (она прожила зрячей двадцать с лишним лет). Но ее мозгу все равно потребовалось еще несколько месяцев на то, чтобы научиться складывать из этих сигналов трехмерную картинку.
Случай Пэт Флетчер «является замечательным примером того, что нам никогда не следует сдаваться лишь из-за своего возраста, — подчеркивает Хенш. — Ее часть мозга, обычно обрабатывающая зрительные сигналы, лишилась этой возможности, но затем Пэт разрешила своему организму пронизать эту область другими связями. Этот факт дает основания предполагать, что даже взрослый мозг может приобрести значительную пластичность, если подобрать подходящие нейронные условия».
По мнению Хенша, когда-нибудь мы, быть может, сумеем найти способ искусственно ускорять этот процесс и использовать эти методы для ускорения и «открывания вновь» любого количества различных процессов обучения. Например, обретения способности научиться говорить на иностранном языке без акцента. Или способности впитывать информацию как губка. Или способности «переписать» свой мозг и научиться видеть ушами, как Пэт Флетчер. Или полной реабилитации для взрослых людей, перенесших инсульт.
* * *
За годы, прошедшие со времени первых экспериментов с Пэт Флетчер, неутомимый Амир Амеди, протеже Паскаля-Леоне, успел открыть собственную лабораторию в иерусалимском Еврейском университете. Он провел аналогичные опыты с десятками слепых. Кроме того, он расширил сферу своих изысканий и обнаружил: та область мозга, которая обрабатывает сигналы, касающиеся формы предметов, по-видимому, как-то связана и с обработкой цвета. А еще он разработал и представил новое устройство для сенсорного замещения, порождающее (как он это называет) «музыку глаз»: оно позволяет слепым «видеть» цвета по их соответствию определенным музыкальным инструментам. Со временем мозг учится ассоциировать эти различные тембры с различными цветами.
Сейчас Амеди размышляет над следующим шагом, вполне логично вытекающим из предыдущих: как можно было бы использовать эту область мозга для улучшения воспринимающих качеств обычных людей. Амеди любит воображать себе какого-нибудь Джеймса Бонда, носящего наушники и миниатюрное устройство, подключенное к системе «vOICe», которая, в свою очередь, подсоединена не к обычной камере, а к инфракрасному или [другому] тепловому сенсору.
«Я называю эту схему „Только для ваших ушей“, — говорит Амеди. — Мы могли бы начать использовать сенсорное замещение для улучшения и дополнения характеристик восприятия, а не только для замены утраченных чувств».
Представьте, как Бонд проникает в здание и пробирается по коридору к логову главаря преступной сети. При помощи обычного зрения Бонд способен осматривать коридор перед собой — не появятся ли на линии его взгляда охранники или кто-нибудь еще, кто готов на него напасть. При этом Агент 007 может использовать систему «vOICe», чтобы смотреть сквозь стены в поисках «тепловых автографов» плохих парней, которые могут за ними скрываться. Теперь им не удастся застать его врасплох. Он даже может палить по ним прямо сквозь стены — еще до того, как они его увидят.
Амеди лишь начинает проводить исследования, призванные выяснить, какие области мозга могут быть задействованы для обработки этой информации. Но возможности уже сейчас открываются поистине интригующие. И ведь это еще только начало. Как выясняется, пластичность мозга не только помогает организму залечивать повреждения. Похоже, она еще и сказывается на нашей способности защищать себя в опасных ситуациях, хоть это и звучит неправдоподобно. Иными словами, та мудрость, которая каким-то образом хранится в нашем подсознании в виде синаптических связей, имеющих различную силу и формируемых под влиянием опыта (впечатлений, переживаний и т. п.), помогает нам избегать всевозможных бед. А значит, эта пластичность, быть может, объясняет не только загадку эффективности машинки «vOICe», которую использует Пэт, но и то, что все мы наверняка испытывали, однако из-за мимолетности и необъяснимости этого явления часто считаем просто плодом нашего воображения. Как мы увидим, не исключено, что пластичность мозга могла бы помочь нам раскрыть одну из главных загадок всего, что переживает человек. Речь идет об интуиции.
