Недавно в издательстве «Питер» вышла книга нейробиолога Кайи Норденген (Kaja Nordengen) «Мозг всемогущий. Путеводитель по самому незаменимому органу нашего тела». XX2 ВЕК публикует отрывок из четвёртой главы — «GPS-системы мозга». Текст предоставлен издательским домом «Питер».
Довольная крыса бегает по большому вольеру и ищет шоколад, который через равные расстояния разложил учёный. На голове у крысы надето нечто, напоминающее шлем с проводами. Провода на шлеме каждый раз регистрируют, как «особая» нервная клетка в мозге крысы возбуждается. Эта клетка находится в височной доле. На первый взгляд кажется, что эта клетка возбуждается абсолютно случайным образом, но постепенно, пока крыса радостно бегает в поисках шоколада, начинает вырисовываться шаблон сетки — не координатной сетки с долготой и широтой, как на обычных географических картах, а геометрически идеального шестиугольника, образованного линиями между узлами координатной сетки, при пересечении которых включается один и тот же нейрон. Все шесть сторон одинаковой длины, и расстояние от центра шестиугольника до центров всех его сторон абсолютно одинаково. Разработчики компьютерных игр уже довольно давно поняли, что шестиугольная сетка гораздо лучше подходит для создания виртуальных вселенных, чем обычная прямоугольная. Как теперь оказалось, мозг предложил это на много миллионов лет раньше разработчиков. А как же иначе.
Решётка в мозге
Это сенсационное открытие сделали норвежские исследователи мозга. Мэй-Бритт и Эдвард Мозеры руководили группой исследователей, которая в 2005 году обнаружила клетки, разбивающие пространство на шестиугольные фрагменты. Они назвали их нейронами решётки. Позже эти учёные показали, что мы способны ориентироваться в пространстве благодаря многим, многим таким сеткам с разным «масштабом», каждая из которых имеет свои задачи и свой размер ячеек. Есть крупные ячейки для более крупных областей, где детали менее важны, а есть мелкие ячейки для областей поменьше, где важно хорошее разрешение. Нейроны решётки были обнаружены в задней части коры больших полушарий, в височной доле, около гиппокампа. На одном конце этой зоны хранятся решётки с ячейками маленького размера, а на другом — очень большого. Однако возрастание размера ячеек происходит не хаотично, он увеличивается постепенно, с шагом, равным квадратному корню из двух.
Вы находитесь здесь
Раньше для определения своего местонахождения люди пользовались бумажными картами. Некоторые и сейчас ими пользуются. До появления GPS в мобильном телефоне приходилось вертеть карту и так и эдак, чтобы сориентироваться. Люди искали чёткие ориентиры, например горы или церковь, чтобы понять, где они. Как удобно было бы тогда иметь красную точку, как на туристических картах, с надписью «Вы находитесь здесь». А в вашем мозге в действительности такие точки есть.
Меньше чем через десять лет после открытия нейронов решётки Мэй-Бритт и Эдвард Мозеры получили Нобелевскую премию по медицине вместе с британцем Джоном О’Кифом: Мозеры за открытие нейронов решётки, О’Киф — за открытие нейронов места. Нейроны места — это и есть ваша красная точка. Крысы О’Кифа бегали в примерно таких же шлемах, какие были у крыс Мозеров, но их шлемы регистрировали активность нейронов в гиппокампе, а не за его пределами, в задней части коры. О’Киф обнаружил нейроны, которые активировались, только когда крысы были в определённых местах своего вольера, и никогда — в других.
Во время операции по удалению гиппокампа (с обеих сторон) и части коры уже известный нам пациент Г. М. лишился нейронов места и нейронов решётки. И вполне логично не только то, что после операции он не узнал медицинский персонал больницы, но также и то, что он не смог найти дорогу в туалет. Нейроны места и ориентирование в пространстве тесно связаны с памятью. Действительность такова, что большинство наших воспоминаний связаны с тем местом, где с нами случилось некое событие. Основываясь на исследованиях мозга крыс, мы можем сказать, что нейроны места не просто реагируют на определённое место, но и формируют некую карту, которая активируется, когда мы попадаем в то же место. Нейроны места, связанные с коробкой с игрушками в вашей бывшей детской комнате, скорее всего, пошлют вам явные сигналы, когда вы будете вспоминать, как играли с ней, пусть сейчас, когда вы это вспоминаете, вы находитесь в совершенно другом месте. То есть мысленно вы рядом с этой коробкой игрушек, когда вспоминаете о ней.
Нейроны места были обнаружены у крыс. С точки зрения эволюции гиппокамп — древняя часть коры мозга, общая для людей и крыс. Чувство ориентации в пространстве одинаково важно и для тех, и для других, и поэтому нас не удивит, если это чувство у крыс окажется таким же сложным, как у людей. Хотя исследования чувства ориентации в пространстве у человека ещё ведутся, некоторые результаты уже получены. Нейроны решётки уже обнаружены у человека. И благодаря экспериментам с крысами мы знаем, в каком направлении продолжать изыскания.
Карта и компас
У меня всегда возникают проблемы с ориентированием в незнакомых местах, и я всегда охотно это признаю. В результате меня часто просто ведут, и я совсем не тренирую навыки ориентирования. Однако — крайне редко — я абсолютно уверена, в каком направлении нужно идти. После первого экзамена в университете мы с двумя подругами поехали в Будапешт. Тут-то и настал час испытаний для моих терпеливых подруг. Но заодно они получили возможность проявить педагогический талант. Я почувствовала себя так уверенно, что мне было до слёз обидно, что подруга считала, что нам нужно идти в прямо противоположном направлении. Несмотря на то, что опыт подсказывал, что права она, а я ошибаюсь. Из педагогических побуждений она пошла со мной в том направлении, в каком я хотела, указывая по пути на ориентиры и терпеливо разъясняя, почему я ошибаюсь. Наконец ей удалось отключить мой беспомощный навигатор, и, развернувшись на каблуках, мы пошли в обратном направлении, которое всё это время моя подруга считала правильным. Теперь уже не все мои нейроны направления головы вопили в знак протеста.
Во многом нейроны направления головы напоминают встроенный компас. Тем не менее они не скажут вам, где юг, север, восток и запад, так как связаны вовсе не с чувствительностью к магнитным полюсам Земли, а с вестибулярным аппаратом во внутреннем ухе.
Нейроны направления головы — это нервные клетки, которая активируются, когда ваша голова поворачивается, и неважно при этом, открыты у вас глаза, закрыты или вы стоите на руках. Однако если глаза закрыты долго, направление, на которое указывают нейроны направления головы, становится менее точным.
В исследованиях с крысами было замечено, что если многократно включать и выключать свет, тем самым дезориентируя крысу, вся система направления головы может «сломаться». Нейроны направления головы перестают посылать сигнал последовательно и начинают активироваться случайно — и по-разному от случая к случаю. Кто знает, может быть, это и произошло с моими нейронами направления головы?
Многое указывает на то, что нейроны направления головы связаны с памятью так же, как и нейроны места. Когда крысы спокойно лежат и спят, нейроны направления головы по-прежнему активны, особенно если крысы видят сны. На самом деле они так же активны, как и когда крысы бодрствуют и ходят по своей клетке.
Сюда, но не дальше
В задней части рядом с гиппокампом, между нейронами направления головы и нейронами решётки, расположена группа нейронов, которые рассказывают нам, где проходит граница. Нейроны границы испускают импульс, когда вы подошли к какой-то преграде, например к горе, стене или забору (в случае крысы это стенка клетки). Нейроны границы активируются у всех границ, которые, например, располагаются справа от вас, но только когда вы уже у самой границы. Если крысиный вольер расширить вправо, нейроны границы активируются не там, где раньше, а у новой границы. Нейроны границы рассказывают нейронам места и нейронам решётки, на какой области они могут сконцентрироваться.
Машина Фреда Флинстоуна
У героя мультсериала про каменный век Фреда Флинстоуна есть машина без двигателя, в которой и руль, и колеса сделаны из камней. Чтобы машина двигалась вперёд, Фреду приходится идти или бежать, в зависимости от того, какую скорость он хочет развить. Такую машину построили для своих крыс Мэй-Бритт и Эдвард Мозеры. Крысы должны были бежать, чтобы получить вознаграждение — кусочек шоколада на другом конце четырёхметровой конвейерной ленты. Когда животным позволяли мчаться к шоколадке во весь дух, они развивали скорость до 50 сантиметров в секунду. С помощью машины Флинстоуна, в которой находились крысы, Мозеры стали регулировать скорость до 7, 14, 21 или 28 сантиметров в секунду (см. рис. 16). Пока крысы бежали к вознаграждению, учёные измеряли активность сотен нейронов. Они обнаружили отдельные нейроны скорости — то есть нейроны, которые испускали импульс в зависимости от скорости, с которой бежали крысы. Нейрон скорости — это своеобразная клетка-спидометр, работающая вне зависимости от ориентиров или освещения. Когда крысы произвольно увеличивали скорость, не будучи ограничены в ней специально, нейроны скорости начинали посылать более мощные и ясные сигналы.
Нейроны направления головы рассказывают нейронам места, в каком направлении движется крыса, а нейроны скорости говорят, с какой скоростью она движется. Нейроны решётки знают, как воспользоваться этой информацией, и координатная сетка обновляется. Нейроны решётки формируют некую карту, а нейроны границы её ограничивают. Нейроны места предоставляют информацию о местонахождении. Все эти нейроны важны для способности ориентироваться. В совокупности эти клетки образуют навигационную систему — GPS-систему мозга со спидометром, компасом и отметками границ.
GPS-система мозга находится не только в височной доле
Итак, нейроны места находятся в гиппокампе, а нейроны решётки — в участке коры рядом с ним. Значит, два важнейших для пространственной ориентации типа нейронов расположены исключительно в височной доле. Насколько нам известно. А вот нейроны направления головы находятся не только рядом с гиппокампом, но и в некоторых других областях мозга, например в таламусе и в базальных ганглиях (см. рис. 1, 8 и 9).
Когда мы ориентируемся на местности, нам требуются не только встроенная карта, компас и спидометр. Ещё нам нужна зрительная кора, расположенная в затылочной доле каждого из полушарий. Нам также требуются эмоциональность и осознание своего движения, например, когда нога опускается на землю. С этим нам помогают и теменная доля, и мозжечок. Другими словами, когда мы движемся, наша способность ориентироваться зависит не только от ориентиров в пространстве, но и от посылаемых мозгу сигналов о том, где мы двигаемся, где расположены наши ноги и руки в тот или иной момент времени. Мозг зависит от совместной работы зрения и именно этой способности, позволяющей нам прокладывать путь и эффективно ориентироваться.
Обычно в теменной доле зрительные впечатления соединяются с информацией от других органов чувств. Крысам с повреждениями теменной доли всё ещё хорошо помогает ориентироваться мозжечок, но распознавание впечатлений от органов чувств заметно ухудшается. Таким крысам сложнее найти спрятанную еду и отыскать дорогу обратно к своей клетке. Не только крысы испытывают проблемы с определением направления при повреждении теменной доли. Людям, перенёсшим инсульт теменной доли, тоже бывает сложно определить, куда идти, — даже в знакомой местности.
Мужчины легче находят дорогу, чем женщины?
Нет. Результаты исследований в этой области сильно разнятся, поэтому с таким же успехом можно дать диаметрально противоположный ответ на этот вопрос. Единственное, что мы с уверенностью можем сказать, — у женщин и мужчин разные стратегии ориентирования. Дизайны исследований разные, поэтому колебания в результатах вполне естественны. В симуляторах ориентирования и в компьютерных играх, согласно данным исследований, мужчины показывают лучшие результаты. Это объясняется тем, что в среднем опыт компьютерных игр у мужчин больше, чем у женщин.
Судя по всему, женщины больше, чем мужчины, опираются на конкретные ориентиры, такие как возвышенности, шпили церквей и другие заметные элементы ландшафта. Мужчины в большей степени, чем женщины, пользуются направлениями сторон света.
Поэтому мужчины и женщины по-разному объясняют дорогу. Типичное объяснение женщины: «Поверните налево у супермаркета, а затем идите прямо, до поворота». В объяснении мужчины чаще фигурировали бы восток, запад, север и юг. Так как женщины больше пользуются топографическими ориентирами, многие исследования показывают, что женщинам проще, чем мужчинам, найти дорогу назад из незнакомого места.
Выводы из всех подобных исследований основываются на усреднённых данных. Конечно, существуют женщины с намного лучшими результатами, чем у среднестатистического мужчины, но также и женщины, чьи результаты намного ниже среднестатистических у женщин. Я сама не дотягиваю до среднестатистических данных. К сожалению, не могу списать всё на то, что я «такой родилась». Безусловно, в нас заложены какие-то способности при рождении, но, как известно, человеческий мозг пластичен. Ориентирование на местности можно улучшить тренировкой. А если вы всё время будете думать «У меня не получится», «Я заблужусь», «Один я не смогу прийти вовремя», то угодите в ловушку самоисполняющегося пророчества. Женщины склонны менее доверять своему чувству ориентации. Может быть, потому, что миф о превосходстве мужчин в этом плане так живуч? Уверенность в себе очень важна для достижения результата. Исследование, опубликованное в журнале Science в 2006 году, показало, что женщины, которым говорили, что у мужчин больше способностей к математике, хуже выполнили математические тесты, чем те женщины, которым сказали, что у мужчин и женщин равные способности.
Водители такси с натренированным мозгом
Можно ли натренировать гиппокамп? Исследователи мозга из Лондонского университета задались этим вопросом и нашли идеальных испытуемых в своём городе. Лондон — сплошной лабиринт из улиц. Он не имеет такого чёткого плана застройки, как Париж или Нью-Йорк. Во многих отношениях Лондон похож на Осло, только он намного, намного больше. Водитель такси в Лондоне должен помнить 25 000 улиц, а ещё тысячи туристических достопримечательностей и других важных мест. Чтобы ориентироваться в большом и сложном городе, нужно затратить от двух до четырёх лет обучения. И даже после этого процент ошибок на приёмном экзамене близится к 50.
Когда учёные из Лондонского университета просканировали мозг испытуемых — водителей такси и мозг испытуемых из контрольной группы того же возраста и коэффициента интеллекта, оказалось, что задняя часть гиппокампа у водителей намного больше. Однако увеличился ли он в результате тренировки или большой гиппокамп помогает стать водителем? Вероятнее всего первое, так как самый большой гиппокамп был у водителей такси с самым большим стажем, а у водителей с маленьким стажем он был поменьше. Дальнейшие доказательства были предоставлены через несколько лет. Та же группа учёных просканировала мозг людей, обучавшихся на таксистов, до и после курсов. У тех, кто по окончании обучения сдал экзамен, гиппокамп стал больше. Образовались новые нейронные связи — или, возможно, даже новые нейроны? Ведь гиппокамп — одна из немногих областей мозга, где могут образовываться новые нейроны. Это исследование — один из ярчайших примеров того, как опыт формирует наш мозг.
Как улучшить способность ориентироваться?
Водители такси в Лондоне должны держать карту города в голове и вычислять кратчайший маршрут между двумя точками. Если бы они вдруг всё позабыли и стали пользоваться навигатором, вряд ли учёные нашли бы у них увеличившийся гиппокамп.
Когда мы не просто следуем инструкциям навигатора, а используем топографические ориентиры для определения маршрута, то создаём в голове карту, а значит, наш мозг активно работает.
Когда вы идёте с работы той же дорогой, что и всегда, ваш мозг пассивен, а если вы выбираете новый путь — он становится активнее. Нейронные пути, которыми не пользуются, ослабевают. Если мы, например, идём исключительно прямо 200 метров, а затем поворачиваем направо, потому что GPS просит нас об этом, то не укрепляем нейронные связи в гиппокампе. Воспользовавшись навигатором в незнакомой местности, мы прибудем в пункт назначения, не запомнив никаких ориентиров по дороге. Мы неотрывно смотрели на экран смартфона и не заметили ни старой церкви, ни красивого парка. Так, пытаясь сэкономить время, мы частично остаёмся вне географического и культурного контекста, чего не случилось бы, если бы мы воспользовались обычной бумажной картой или напрягли извилины и сориентировались сами.
Японские учёные попросили три группы испытуемых проложить маршрут в одном и том же районе города. Задание необходимо было выполнить пешком. Первая группа использовала мобильный телефон с навигатором, вторая — обычную бумажную карту, а третьей просто на словах объяснили, куда идти, но не разрешили взять с собой никаких подручных средств. Результаты ничем особенным не поразили. Группа, использовавшая навигатор, впоследствии хуже всего воссоздавала пройденный путь и рисовала карту маршрута. Слегка удивляет, что эта группа шла самым длинным путём и делала большее количество остановок. Лучше всего справилась третья группа, которая не использовала карт, ни электронных, ни бумажных. Во многих случаях GPS-навигатор способен сэкономить время, но не забывайте, что у вас есть встроенный навигатор, который не так уж плох.
Если рядом нет никого, кто мог бы подсказать вам дорогу, лучше используйте бумажную или электронную карту, а не навигатор — тренируйтесь ориентироваться на местности.
Размер экрана GPS-навигатора слишком маленький, и не всегда видно одновременно, где мы сейчас и куда нам нужно. Нейробиолог Вероника Бобот утверждает, что частое использование GPS-навигатора делает мозг пассивным, атрофирует способность создавать мысленные карты и повышает риск развития деменции альцгеймерского типа. Пример водителей такси доказывает, что в результате активного использования гиппокамп увеличивается в размере. Исследования Бобот говорят о том, что применение GPS на самом деле может уменьшать размер гиппокампа. Болезнь Альцгеймера поражает нейроны гиппокампа на ранней стадии. Здоровый и тренированный гиппокамп, вероятно, сможет дольше противостоять болезни и отсрочить время появления серьёзных симптомов.
Мы должны радоваться тому, что не зависим от уровня зарядки мобильного и способны найти дорогу самостоятельно. GPS-система в мозге даёт нам возможность перемещаться в мире с помощью врождённого чувства направления. Оно необходимо, чтобы прокладывать маршрут по незнакомой местности, да и просто, чтобы ночью найти холодильник. Без чувства направления мы бесконечно бродили бы кругами, не в состоянии решить, какой путь выбрать.
