Мерцених сразу же начал активно использовать эту методику. Он хотел уточнить карту той области мозга, где происходит обработка ощущений от прикосновения к руке. Мерцених удалил кусочек черепа обезьяны над соответствующей сенсорной зоной коры, сделав «окно» в черепе размером один на два миллиметра, а затем установил микроэлектрод рядом с первым попавшимся сенсорным нейроном. После этого он постукивал по кисти обезьяны, пока не доходил до того участка — например, кончика пальца, — прикосновение к которому заставляло нейрон передавать электрический сигнал на микроэлектрод. Таким образом он записывал местоположение одного из нейронов, представляющих в сенсорной коре кончик пальца, отмечая первую точку на карте. Затем он устанавливал микроэлектрод рядом с другим нейроном и искал то место, прикосновение к которому «включало» этот нейрон. Он проделывал это до тех пор, пока не была составлена карта всей кисти. Для составления такой карты требуется огромное число перемещений микроэлектрода. Мерцених и его коллеги в ходе своих исследований провели тысячи подобных экспериментов.
Критические периоды бывают и у мозга
Примерно в это же время было сделано важное открытие, которое навсегда изменило работу Мерцениха. В 1960-е годы, когда Мерцених приступил к использованию микроэлектродов для изучения мозга, двое других ученых, тоже работавших в Институте Джонса Хопкинса под руководством Маунткастла, обнаружили, что у очень молодых животных мозг пластичен. Дэвид Хьюбел и Торстен Визел проводили микрокартирование зрительной зоны коры мозга с целью изучения процесса обработки визуальной информации. Они устанавливали микроэлектроды в зрительной зоне коры мозга котят и выяснили, что информация о линиях, ориентации и движениях визуально воспринимаемых объектов обрабатывается в разных частях коры. Они также открыли существование «критического периода» между третьей и восьмой неделями жизни, когда мозг новорожденных котят должен получать визуальную стимуляцию для нормального развития. В ходе одного из экспериментов Хьюбел и Визел зашили веко на одном глазу котенка на время периода раннего развития, чтобы этот глаз не получал визуальной стимуляции. Когда они освободили глаз котенка от швов, то обнаружили, что те зрительные области на карте мозга, которые обрабатывают информацию, поступающую от закрытого глаза, не получили никакого развития, в результате чего животное осталось слепым на этот глаз на всю жизнь. Стало очевидно, что есть некий критический период, когда мозг котят особенно пластичен, и его структура формируется под влиянием опыта.
Проанализировав карту мозга для слепого глаза, Хьюбел и Визел сделали еще одно неожиданное открытие, связанное с нейропластичностью. Та часть мозга, в которую не поступала информация от закрытого глаза, не бездействовала. Она начала обрабатывать визуальную информацию от открытого глаза, словно в мозгу не должны простаивать впустую никакие «корковые площади». То есть мозг опять нашел способ перестроить сам себя — что стало еще одним свидетельством его особой пластичности в критический период. За эту работу Хьюбел и Визел были удостоены Нобелевской премии. Однако, даже обнаружив существование пластичности мозга в раннем детском возрасте, исследователи не «переносили» эту пластичность на мозг взрослого человека.
Конрад Лоренц и Зигмунд Фрейд — в одной команде
Открытие критических периодов
[37]
стало одним из самых известных открытий второй половины двадцатого века в области биологии. Вскоре ученые доказали, что стимуляция извне необходима и для развития других систем мозга. Также стало ясно, что у каждой нейронной системы есть свой критический период, или временной интервал, в течение которого она отличается наибольшей пластичностью и восприимчивостью к факторам окружающей среды, а также демонстрирует быстрый рост. Например, сенситивный период для развития языковых навыков начинается в младенчестве и заканчивается в промежутке между восьмью годами и наступлением половой зрелости. После завершения этого критического периода способности человека к изучению языка (в том числе второго языка) становятся ограниченными. Интересно, что обработка информации, полученной при изучении родного языка (что, естественно, случается в сенситивный период) и второго языка после критического периода, происходит в разных областях мозга.
Представление о сенситивных периодах развил известный исследователь поведения животных — этолог Конрад Лоренц. Он заметил, что если в промежутке между пятнадцатью часами и тремя днями после рождения гусята в течение короткого периода времени будут общаться с человеком, то именно к нему, а не к матери они будут испытывать родственные чувства всю оставшуюся жизнь. Чтобы доказать это, он сам выращивал гусят, которые потом следовали за ним повсюду. Лоренц назвал этот процесс «импринтингом»
[38]
.
В действительности нечто похожее на такие критические периоды описывал и Зигмунд Фрейд. Он утверждал, что мы проходим стадии развития, представляющие собой особые периоды, в течение которых мы должны испытывать определенные переживания (получать определенный опыт), без которых не будем здоровыми людьми; по его мнению, эти периоды определяют наше развитие и формируют нас на всю оставшуюся жизнь.
Появление идеи о пластичности мозга в критический период изменило медицинскую практику. Благодаря открытию Хьюбела и Визела дети, родившиеся с катарактой, больше не были обречены на слепоту. Теперь в раннем детском возрасте, то есть в критический период, им давали направление на прохождение восстановительной хирургической операции, после которой их мозг мог получать световую информацию, необходимую для формирования важных связей. Так использование микроэлектродов доказало пластичность мозга, по крайней мере, в детские годы.
Как устроена нервная система
Мерцених задумался о пластичности мозга взрослого человека благодаря случаю. В 1968 году после защиты докторской диссертации он начал работать в качестве научного сотрудника у коллеги Пенфилда — Клинтона Вулси, исследователя из Мэдисона, штат Висконсин. Булей поручил Мерцениху курировать двух нейрохирургов — Рона Пола и Герберта Гудмана. Все вместе они решили провести научное наблюдение за тем, что происходит, если перерезан один из периферических нервов кисти руки и затем начинается его регенерация.
Нервную систему принято делить на центральную нервную систему (головной мозг и спинной мозг) и периферическую. Первая выступает в роли центра оперативного управления всей системой. Вторая — периферическая — доставляет сообщения от органов чувств в спинной и головной мозг и переносит команды из головного и спинного мозга к мышцам и железам. Ученым давно известно, что периферическая нервная система пластична; если вы перерезаете, скажем, нерв кисти руки, он способен «регенерировать», т. е. «вырасти» заново.
