Пластичность мозга. Потрясающие факты о том, как мысли способны менять структуру и функции нашего мозга

Я вместе с Черил нахожусь в лаборатории, где работает команда Пола Бач-и-Риты. Это один из самых выдающихся первооткрывателей в области изучения пластичности мозга. Черил полна надежд, связанных с проводимым сегодня экспериментом, и готова услышать всю правду о своем состоянии. Юрий Данилов, биофизик команды, проводит расчеты на основании данных, полученных при обследовании вестибулярной системы Черил. Юрий, родившийся в России, – невероятно умный человек. Он говорит с ярко выраженным акцентом: «Черил – пациентка, у которой утрачено от девяноста пяти до ста процентов вестибулярной системы».

Случай Черил по любым обычным меркам можно считать безнадежным. Особенно исходя из убеждения, что мозг представляет собой группу специализированных обрабатывающих модулей, генетически запрограммированных на выполнение конкретных функций, которые формировались и совершенствовались на протяжении миллионов лет эволюции. Тогда при повреждении одного из модулей его замена невозможна. С точки зрения этого подхода, узнав о том, что вестибулярная система Черил повреждена, можно было бы сказать, что у нее такие же шансы на восстановление чувства равновесия, как упование слепого с серьезным повреждением глаз на то, что он будет видеть снова.

Однако сегодня это пессимистическое утверждение может быть оспорено.

На Черил надевают конструкцию, напоминающую строительную каску, с отверстиями в боковой части. Внутри этой конструкции находится аппарат, называемый акселерометр. Черил облизывает тонкую пластиковую ленту, на которой закреплены электроды, и помещает ее на язык. Акселерометр в «каске» посылает сигналы на ленту, а оба приспособления подключены к стоящему рядом компьютеру. Черил смеется над тем, как она выглядит в этом шлеме, «потому что – говорит она, – если я не буду смеяться, то заплачу».

Этот шлем – один из причудливых приборов, изготовленных в лаборатории Пола Бач-и-Риты. Он должен временно заменить Черил ее вестибулярный аппарат и посылать сигналы, связанные с равновесием тела, в ее мозг с языка. Эта «каска» способна избавить Черил от того кошмара, в котором ей приходится жить. В 1997 году, после стандартной экстирпации матки, у Черил (ей в то время было тридцать девять лет) развилась послеоперационная инфекция. Больной назначили лечение антибиотиками, а точнее – гентамицином. Известно, что в избыточном количестве гентамицин может оказывать отравляющее действие на структуры внутреннего уха и вызывать потерю слуха (чего с Черил не произошло), звон в ушах (который у Черил был) и разрушение системы равновесия. Однако гентамицин отличается невысокой ценой и эффективностью действия, поэтому его продолжают выписывать, хотя, как правило, только на короткий срок. Черил говорит, что ей этот препарат давали сверх всякой меры. В результате этого она вошла в состав немногочисленной группы пострадавших от применения гентамицина, которые между собой называют себя «вобблерами»[2].

Однажды наступил тот страшный день, когда Черил неожиданно поняла, что вообще не может сохранить равновесие – не в силах встать, не упав при этом. Если она поворачивала голову, то вся комната начинала двигаться. Черил не могла даже понять, что именно движется – она сама или окружающие ее стены. В конце концов ей удалось подняться на ноги, держась за стену, и дотянуться до телефона, чтобы позвонить своему доктору.

Когда она приехала в больницу, врачи провели различные тесты, позволяющие оценить работу ее вестибулярного аппарата. Они заливали ей в уши ледяную и теплую воду, а затем наклоняли ее над столом. Когда Черил попросили встать с закрытыми глазами, она упала на пол. Один из эскулапов сказал ей: «У вас отсутствует вестибулярная функция». Тесты показали, что у нее сохранилось примерно 2 процента вестибулярной функции.

Черил рассказывает: «Он был таким безразличным. Он сказал: «Похоже, мы наблюдаем побочный эффект приема гентамицина». В тот момент у нее сдали нервы: «Почему же никто меня не предупредил заранее?» «И это состояние необратимо», – вместо ответа подытожил врач. Черчил продолжает вспоминать: «Я была совершенно одна. К доктору меня привезла мама, но она ушла, чтобы найти машину, и ждала меня на улице. Когда я вышла, мама спросила: «Все будет в порядке?» Я посмотрела на нее и сказала: «Это необратимо… я никогда не смогу от этого избавиться».

Из-за нарушения связи между вестибулярным аппаратом и зрительной системой глаза Черил не могут нормально следить за движущейся целью. «Все, что я вижу, дрожит, как в плохом любительском видео, – говорит она. – Словно все, на что я смотрю, сделано из желе, которое покачивается при каждом моем шаге».

Хотя Черил не может следить глазами за движущимися объектами, зрение остается единственным источником информации, сообщающим ей о том, что она находится в вертикальном положении. Наши глаза помогают нам осознать наше положение в пространстве благодаря фиксации на горизонтальных линиях. Когда гаснет свет, Черил сразу же падает на пол. Однако зрение не может служить для нее надежным помощником, потому что любое возникающее перед ней движение, скажем, человек, протягивающий ей руку, – усиливает ощущение дисбаланса. Даже зигзагообразный рисунок на ковре несет в себе угрозу, так как инициирует вспышку ложных сообщений, заставляющих ее думать, что она стоит криво, хотя, на самом деле, это не так.

Помимо всего прочего, Черил страдает от умственного переутомления, поскольку ей постоянно приходится быть настороже. Из-за ее недуга сохранение вертикального положения требует от нервной системы Черил больших затрат сил: за счет таких ментальных функций как память и способность считать и делать умозаключения.

Как это работает

Пока Юрий готовит компьютер к работе, я прошу позволения опробовать аппарат. Я надеваю на голову «шлем» и помещаю в рот пластиковое приспособление с электродами, называемое языковым дисплеем. Оно плоское и не толще пластинки жевательной резинки.

Акселерометр, или рецептор, размещенный в каске, определяет движение в двух плоскостях. Когда я киваю головой, это движение переносится на карту на экране компьютера, которая позволяет команде ученых контролировать процесс. Аналогичная карта проецируется на 144 электрода, имплантированных в пластиковую полоску на моем языке. Если я наклоняюсь вперед, то под действием электрического тока на передней части моего языка возникает легкое покалывание, напоминающее ощущение от пузырьков шампанского, которое сообщает мне о том, что я наклонился вперед. А на экране компьютера я могу видеть положение своей головы. Если я откидываюсь назад, то чувствую, как «пузырьки шампанского» перемещаются к задней части языка. То же самое происходит, когда я склоняюсь в ту или иную сторону. После этого я закрываю глаза и пытаюсь определить свое положение в пространстве с помощью языка. Вскоре я забываю о том, что сенсорная информация[3] поступает с моего языка, и начинаю понимать, в каком положении нахожусь.

Черил забирает у меня аппарат; она сохраняет равновесие, опираясь на стол.

«Давайте начнем», – говорит Юрий, поворачивая ручки настройки приборов.

Черил надевает аппарат и закрывает глаза. Она отодвигается от стола, продолжая прикасаться к нему двумя пальцами. Она не падает, хотя единственным показателем движения ее тела служат «пузырьки шампанского» на ее языке. Она отрывает пальцы от стола. Она больше не качается. Она начинает плакать: теперь она освоилась с надетым на нее аппаратом и чувствует себя в безопасности. Как только она надела шлем, не покидающее ее ощущение неустойчивости исчезло – впервые за пять лет. На сегодняшний день ее цель – простоять прямо без поддержки двадцать минут, не снимая аппарата и стараясь сохранить равновесие. Любому человеку – не говоря уже о вобблере – для выполнения такой задачи требуются обучение и навыки… навыки караульного, несущего службу у Букингемского дворца.

Черил выглядит спокойной. Она слегка меняет положение тела. Толчки прекратились, а скрывающиеся внутри нее таинственные демоны, постоянно пихающие ее, как будто отступили. Ее мозг расшифровывает сигналы, поступающие от искусственного вестибулярного аппарата. Для Черил такие моменты покоя – настоящее чудо, а точнее, нейропластическое чудо.

В норме покалывающие ощущения на языке передаются в соответствующую языку сенсорную область коры (тонкий слой клеток на поверхности мозга), где происходит обработка поступающих сигналов. А в данном случае каким-то непостижимым образом сигналы, идущие от языка, находят совершенно новый путь к той области мозга, которая обрабатывает информацию о равновесии.

«Сейчас, – говорит Бач-и-Рита, – перед нами стоит следующая задача: сделать этот прибор настолько маленьким, чтобы его можно было спрятать во рту, как фиксатор зубного протеза. Тогда эта женщина и любой другой человек с подобной проблемой смогут вернуться к нормальной жизни».

«Это важно не только для тех людей, которые пострадали от гентамицина, – продолжает он. – Вчера в The New York Times была опубликована статья о падениях среди пожилых людей. Они боятся упасть больше, чем быть ограбленными. По статистике, каждому третьему пожилому человеку суждено однажды упасть и покалечиться. И понятно, что люди в возрасте, страшась этого, не выходят из дома, страдают от недостатка физической активности и становятся все более слабыми физически. Но я считаю, что отчасти эта проблема связана с тем, что вестибулярное чувство – так же, как слух, вкус, зрение и другие чувства, – начинает ослабевать с годами. Наше устройство поможет им».

«Пора», – говорит Юрий, отключая аппарат.

Второе нейропластическое чудо

Теперь мы наблюдаем второе нейропластическое чудо. Черил вынимает пластиковую ленту изо рта и снимает с головы «шлем». Она широко улыбается… и остается стоять без поддержки с закрытыми глазами! Не падает даже без аппарата! Затем она открывает глаза, по-прежнему не притрагиваясь к столу, и отрывает одну ногу от пола, балансируя на другой ноге.

«Я люблю этого парня», – говорит она, после чего подходит к Бач-и-Рите и обнимает его. Она присоединяется ко мне. Ее переполняют эмоции, поэтому мне тоже достается ее объятие.

«Я чувствую себя надежно и уверенно. Мне не нужно думать, что делают мои мышцы. Я могу подумать о других вещах». Она возвращается к Юрию и целует его.

«Я должен объяснить, в чем заключается это чудо, – говорит Юрий, который считает себя скептиком, ориентирующимся на объективные данные. – У Черил практически нет естественных рецепторов равновесия. В течение последних двадцати минут мы обеспечили ее искусственными рецепторами. Но настоящее чудо – это то, что происходит сейчас, когда мы отключили ее от приборов, и у нее больше нет ни искусственного, ни естественного вестибулярного аппарата. Мы пробудили в ней какую-то иную силу».

Когда ученые использовали аппарат впервые, Черил держала его на голове в течение всего лишь одной минуты. Было замечено, что после того как она его сняла, «остаточный эффект» длился примерно двадцать секунд, то есть треть того времени, в течение которого на ее голове был надет «шлем». Затем Черил не снимала шлем две минуты, и остаточный эффект продолжался около сорока секунд. В дальнейшем ученые увеличили время действия аппарата до двадцати минут, ожидая, что продолжительность остаточного эффекта составит около семи минут. Однако вместо этого он длился втрое дольше периода работы с аппаратом – целый час. По словам Бач-и-Риты, сегодня они проводят эксперименты, чтобы определить, могут ли дополнительные двадцать минут использования аппарата обеспечить обучающий эффект, позволяющий еще больше продлить остаточный эффект.

Черил начинает дурачиться и хвастаться: «Я снова могу ходить как нормальная женщина. Возможно, для большинства людей это не так уж важно, но для меня очень много значит то, что теперь мне не нужно ходить, широко расставив ноги».

Она забирается на стул и спрыгивает с него. Она наклоняется и поднимает вещи с пола, чтобы продемонстрировать, что может спокойно выпрямиться. «Последний раз, после использования аппарата, я в период остаточного эффекта могла прыгать со скакалкой».

«Удивительно то, – говорит Юрий, – что она не только получает возможность контролировать положение своего тела. Спустя некоторое время после работы в шлеме она способна действовать практически как обычный человек. Балансировать на бревне. Управлять машиной. Речь идет о восстановлении вестибулярной функции. Двигая головой, она научилась не упускать из вида цель – значит, связь между зрительной и вестибулярной системами также восстанавливается».

Я поднимаю глаза и вижу, как Черил танцует с Бач-и-Ритой. Она ведет в этом танце.

Но благодаря чему Черил вновь может танцевать и возвращается к нормальному функционированию без аппарата? Бач-и-Рита считает, что это объясняется рядом причин. Поврежденная вестибулярная система Черил дезорганизована и «насыщена помехами», система посылает случайные сигналы. Эти «шумы», поступающие из поврежденной ткани, блокируют сигналы, идущие от здоровой ткани. Аппарат же помогает усилить последние. Бач-и-Рита думает, что аппарат, кроме того, позволяет вовлечь в процесс передачи сигналов другие нейронные проводящие пути, и это происходит благодаря нейропластичности.

Система мозга включает множество нейронных проводящих путей (цепочек соединенных друг с другом нейронов, работающих совместно). При блокировании определенных ключевых проводящих путей мозг использует обходные, более старые пути. «Я представляю это следующим образом, – говорит Бач-и-Рита. – Если вы едете отсюда в Милуоки и узнаете, что главный мост вышел из строя, то сначала это вызывает у вас оцепенение. Затем вы решаете воспользоваться старыми второстепенными дорогами, пролегающими по сельской местности. В дальнейшем, когда вы осваиваете этот маршрут, вы находите еще более короткие пути, чтобы доехать до нужного вам места, и начинаете добираться туда быстрее». Эти «второстепенные» нейронные проводящие пути «демаскируются» и при постоянном использовании стабилизируются. Такое «раскрытие», как правило, считают одним из основных путей самореорганизации пластичного мозга.

Тот факт, что в случае Черил длительность действия остаточного эффекта постепенно увеличивается, указывает на укрепление демаскированного нейронного проводящего пути. Бач-и-Рита надеется, что при помощи тренировок Черил сможет и дальше расширять срок этого действия.

Через несколько дней Бач-и-Рита получает электронное послание от Черил, в котором она сообщает о том, сколько на сей раз действовал остаточный эффект: «Общее время сохранения остаточного эффекта составило 3 часа 20 минут…». А дальше она добавляет: «В моей голове снова начинается дрожание – как обычно… Я с трудом подбираю слова… У меня головокружение. Я устала, измучена… Я подавлена».

Увы, пока ситуация напоминает печальную историю Золушки: очень трудно возвращаться в прежнее состояние после того, как чувствовал себя нормальным человеком. Когда это происходит, Черил кажется, что она умирает, затем воскресает к жизни и умирает снова. С другой стороны, время действия остаточного эффекта после двадцатиминутной процедуры, равное трем часам двадцати минутам, в десять раз превышает время использования аппарата. Черил – первый вобблер, который прошел подобное лечение, и даже если длительность действия остаточного эффекта не увеличится, у нее теперь есть возможность использовать аппарат четыре раза в день и вести нормальную жизнь. Однако есть все основания ожидать большего, так как с каждым сеансом продолжительность остаточного эффекта растет. Если так будет продолжаться…

…Это действительно продолжалось. В течение следующего года Черил старалась использовать аппарат как можно чаще. Длительность действия остаточного эффекта возросла до нескольких часов, затем дней, а впоследствии четырех месяцев. Сегодня она вообще не пользуется аппаратом и больше не считает себя вобблером.

В 1969 году ведущий европейский научный журнал, Nature, опубликовал небольшую статью, которая казалась научно-фантастической. Ее автор, Пол Бач-и-Рита, был известным ученым-теоретиком и одновременно врачом, занимавшимся реабилитацией больных – а подобное сочетание встречается достаточно редко. В статье описывался аппарат, который давал слепым от рождения людям возможность видеть. У всех участников эксперимента была повреждена сетчатка глаза, и всех их считали полностью неизлечимыми.

О статье в журнале Nature писали The New York Times, Newsweek и Life, однако вскоре сам аппарат и его изобретатель оказались преданными забвению, возможно, из-за того, что описанное в статье казалось совершенно невероятным.

Статья сопровождалась фотографией странного вида аппарата: на ней можно было увидеть большое зубоврачебное кресло старого образца с вибрирующей спинкой, сплетение проводов и громоздкие компьютеры. Вся эта конструкция, сделанная из выброшенных на свалку деталей и электронных приборов производства 1960-х годов, весила четыреста фунтов (около 150 кг).

Слепой от рождения человек (!) – никогда не имевший зрительного опыта – садился в кресло, стоящее позади большой камеры, которая по размерам напоминала камеры, используемые в то время на телевидении. Слепой «сканировал» находящееся перед ним пространство, поворачивая рукоятки, приводящие в движение камеру. Камера посылала преобразованное в электрические сигналы изображение на обрабатывающий их компьютер. Затем электрические сигналы передавались на четыреста вибрирующих стимуляторов (генераторов стимулирующих импульсов), расположенных рядами на металлической пластине, прикрепленной к внутренней стороне спинки кресла. Эти стимуляторы соприкасались с кожей слепого пациента. Они действовали как элементы изображения: вибрировали, отображая темные части пространства, а передавая более светлые тона и детали, оставались неподвижными. Это устройство, которое назвали «тактильно-зрительным аппаратом», позволяло слепым людям читать, распознавать лица и тени, а также различать, какие объекты находятся ближе к ним, а какие дальше. Оно давало им возможность открыть для себя перспективное видение и наблюдать за тем, как объекты меняют форму в зависимости от угла зрения. Шесть участников эксперимента научились распознавать такие объекты, как телефон, даже тогда, когда он был частично загорожен вазой. Они даже были способны узнавать по фотографии Твигги – анорексичную супермодель, невероятно популярную в те годы.

Все участники эксперимента, испытавшие на себе тот громоздкий тактильно-зрительный аппарат, переживали удивительный опыт нового восприятия, трансформируя тактильные ощущения в зрительные образы и обретая тем самым возможность видеть людей и предметы.

После непродолжительной тренировки слепые участники эксперимента начинали воспринимать находящееся перед ними пространство как трехмерное, несмотря на то что информация поступала с двухмерного блока стимуляторов на их спинах. Если кто-то бросал в сторону камеры мяч, участник эксперимента автоматически отпрыгивал назад, чтобы увернуться от него. Когда пластину с вибрирующими стимуляторами перемещали со спины на живот испытуемого, достоверность восприятия информации о происходящем перед камерой оставалась прежней. Когда их щекотали рядом со стимуляторами, они не путали щекочущие прикосновения с визуальными стимулами. Сознательноеперцептивное[4] переживание возникало не на поверхности кожи, оно воспринималось как объективное – происходящее в окружающем мире. И эти переживания имели комплексный характер. После определенного периода тренировок участники эксперимента могли поворачивать камеру и говорить, к примеру, следующее: «Это Бетти; сегодня ее волосы распущены, и она без очков; у нее открыт рот, и она двигает правой рукой от левой стороны головы к затылку». Правда, зрительное разрешение часто было слабым, но, как сказал бы Бач-и-Рита, зрение необязательно должно быть идеальным, чтобы быть зрением. «Когда мы идем по улице, окутанной туманом, и видим очертания здания, – спрашивает он, – разве мы воспринимаем его искаженным из-за недостаточного разрешения? Когда мы видим предмет в черно-белом варианте, мы все-таки прекрасно различаем его, несмотря на отсутствие цвета?»

Слишком необычно, чтобы быть правдой

Этот ныне забытый аппарат стал одним из первых и самых смелых устройств, показавших возможности нейропластичности: возможность с успехом использовать одну из наших сенсорных систем[5] для замещения другой. Однако полученные результаты тогда сочли неправдоподобными и проигнорировали, поскольку ученые были уверены, что структура мозга неизменна и наши сенсорные системы (а точнее, пути, по которым полученные извне сигналы поступают в наши умы) жестко запрограммированы. У такого подхода и сегодня есть множество сторонников. Это направление называется «локализационизм». Он тесно связан с представлением о том, что мозг похож на сложный механизм, состоящий из частей, каждая из которых выполняет строго определенную функцию и находится в генетически предопределенном или запрограммированном локализованном участке коры головного мозга – отсюда и название. Мозг, который запрограммирован и в котором каждая психологическая или физиологическая функция реализуется в строго определенном месте, не предполагает никакой пластичности.

Мысль о сходстве мозга с механизмом вдохновляет и направляет науки о нервной системе с тех пор, как эта мысль была впервые высказана в семнадцатом веке и пришла на смену более мистическим представлениям о душе и теле. Под впечатлением от открытий Галилея (1564–1642), утверждавшего, что планеты – неодушевленные тела, приводимые в движение механическими силами, ученые пришли к убеждению, что вся природа функционирует как большие космические часы, подчиняющиеся законам физики, и начали объяснять все (даже живые структуры – включая органы нашего тела) механистически. Идея о том, что вся природа подобна огромному механизму, вытеснила введенное греками и просуществовавшее две тысячи лет представление о том, что природа – огромный живой организм{1}, а органы человеческого тела слишком сложны, чтобы уподоблять их неодушевленным машинам. Тем не менее первым важным достижением новой «механистической биологии» стало блистательное и оригинальное открытие Уильяма Гарвея (1578–1657). Гарвей, изучавший анатомию в итальянском городе Падуе, где читал лекции Галилей, выяснил, как происходит циркуляция крови в теле человека, и продемонстрировал, что наше сердце работает по принципу насоса, который, как известно, представляет собой простейшее техническое устройство. Вскоре многим ученым стало казаться, что для того чтобы быть научным, объяснение должно носить механистический характер – а именно подчиняться механистическим законам движения.

Вслед за Гарвеем французский философ Рене Декарт (1596–1650) писал, что мозг и нервная система человека также функционируют наподобие насоса. По его мнению, наши нервы представляют собой трубки, идущие от конечностей к мозгу и обратно. Декарт стал первым человеком, сформулировавшим теорию рефлексов, согласно которой при прикосновении к коже человека легкие воздухообразные частицы устремляются по нервным трубкам к мозгу и механически «отражаются», возвращаясь к мышцам и приводя их в действие. Как бы примитивно это ни звучало, Декарт был не так уж далек от истины. Вскоре ученые усовершенствовали нарисованную им картину, заявив, что по нервам двигаются не воздухообразные частицы, а электрический ток. Идея Декарта о сходстве мозга со сложным техническим устройством достигла своей кульминационной точки в современном представлении о мозге как о компьютере и в локализационизме. Мозг начали рассматривать как механизм{2}, состоящий из частей, каждая из которых расположена в заранее определенном месте и выполняет одну функцию, в результате чего при повреждении одной из этих частей заменить ее невозможно; в конце концов, машины не умеют отращивать новые части.

Идея локализационизма также была применена к органам чувств. Возникло представление о том, что каждое из наших чувств – зрение, слух, вкус, осязание, обоняние, равновесие – имеет специальные сенсорные клетки, специализирующиеся на обнаружении одной из разнообразных форм окружающей нас энергии{3}. При стимуляции эти сенсорные клетки посылают электрический сигнал по соответствующему нерву в определенный участок мозга, где происходит обработка ощущения. Ученые считали, что деятельность этих участков настолько специализированна, что один участок не может выполнять работу другого.

Четыре фута десять дюймов

Бач-и-Рита – один из тех, кто отверг эти представления. Он выяснил, что наши сенсорные системы обладают пластичной природой и что в случае повреждения одной из них другая иногда может взять на себя выполнение ее функций. Бач-и-Рита назвал этот процесс «сенсорным замещением» и разработал способы приведения его в действии, а также устройства, дающие нам «сверхчувства». Открыв возможность адаптации нервной системы к видению с помощью камеры, а не сетчатки глаза, Бач-и-Рита подарил слепым людям величайшую надежду на появление ретинальных имплантатов, которые можно ввести в глаз хирургическим путем.

Бач-и-Рита – уникальный специалист в целом ряде областей: медицине, психофармакологии, нейрофизиологии глаза, психофизиологии зрения и биоинженерной технике. Он следует своим идеям независимо от того, куда это может привести. Он говорит на пяти языках. Бач-и-Рита длительное время жил в Италии, Германии, Франции, Мексике, Швеции и в разных частях Соединенных Штатов. Он работал в лабораториях ведущих ученых и лауреатов Нобелевской премии, но он никогда не идет на поводу у чужого мнения. Он не участвует в политических играх ради карьеры. Став врачом, он в определенный момент перестал заниматься медициной и переключился на базовые исследования. Этот человек задавал вопросы, на первый взгляд, противоречащие здравому смыслу. Например, такие: «Необходимы ли для зрения глаза, уши для слуха, язык для вкуса, нос для обоняния?» А затем, когда ему исполнилось сорок четыре года, он снова вернулся к медицине и поступил в резидентуру[6] по одной из наиболее скучных специальностей – реабилитационная медицина. Его целью стало превращение интеллектуального болота в науку за счет применения в действии того, что он узнал о пластичности мозга.

Бач-и-Рита – крайне непритязательный человек. Он питает пристрастие к пятидолларовым костюмам и носит одежду из магазинов Армии спасения в тех случаях, когда это проходит не замеченным для его жены. Он ездит на ржавой машине, купленной двенадцать лет назад, а его жена – на новом автомобиле «Passat». Голову Бач-и-Риты украшает копна волнистых седых волос; его кожа имеет смуглый оттенок человека из средиземноморского региона, в жилах которого течет кровь испанцев и евреев; он говорит тихо и быстро и выглядит намного моложе своих шестидесяти девяти лет. Он производит впечатление рассудочного человека, но при этом с мальчишеским пылом относится к своей жене Эстер (она, родившаяся в Мексике, является потомком индейцев майя).

Он привык быть аутсайдером. Он вырос в Бронксе; при поступлении в среднюю школу его рост составлял четыре фута десять дюймов из-за таинственной болезни, которая задержала его рост на восемь лет; и ему дважды ставили предварительный диагноз «лейкемия». Более крупные сверстники избивали его практически ежедневно, и за годы учебы у него сформировался невероятно высокий болевой порог. В двенадцать лет у Бач-и-Риты произошел разрыв аппендикса, и врачи диагностировали у него редкую форму хронического аппендицита. А затем… он вырос на восемь дюймов и впервые победил в драке.

Мы едем по городу Мэдисон в Висконсине, где Бач-и-Рита живет во время своих приездов из Мексики. Он полностью лишен претенциозности и за время наших многочасовых разговоров позволяет себе всего лишь одно замечание, которое при большом желании можно было бы назвать самодовольным.

«Я могу соединить что угодно с чем угодно», – произносит он с улыбкой.

Мы видим благодаря нашему мозгу, а не глазам

«Мы видим благодаря нашему мозгу, а не глазам»,[7] – говорит Бач-и-Рита.

Это утверждение противоречит здравому смыслу и основанному на нем представлению, что мы видим глазами, слышим ушами, ощущаем вкус с помощью языка, различаем запахи с помощью носа и осязаем через кожу. Вряд ли найдется человек, который подвергнет сомнению эти факты. Однако, по мнению Бач-и-Риты, наши глаза всего лишь чувствуют изменения световой энергии; а воспринимает их – т. е. видит – наш мозг.

Для Бач-и-Риты неважно, каким образом ощущение попадает в мозг. «Когда слепой человек пользуется тростью, он двигает ею взад и вперед, и только одна точка, а именно, конец трости, служит для него источником информации, поступающей через кожные рецепторы на руке. Тем не менее это движение тростью позволяет ему разобраться, где находится дверной проем или стул. Затем слепой использует эту информацию для того, чтобы подойти к стулу и сесть на него. Хотя он получает сигналы лишь через рецепторы на руке (именно там происходит его «взаимодействие» с тростью) в результате он воспринимает не давление трости на руку, а облик комнаты: стулья, стены, трехмерное пространство. Реальная рецепторная поверхность на руке становится всего лишь ретранслятором информации, портом передачи данных. В ходе этого процесса рецепторная поверхность утрачивает свою тождественность».

Бач-и-Рита определил, что кожа и ее тактильные рецепторы могут заменить сетчатку глаза{4}, потому что как кожа, так и сетчатка представляют собой двухмерные поверхности, покрытые сенсорными рецепторами, которые в результате обеспечивают формирование трехмерной «картинки».

Однако одно дело найти новый порт передачи данных или способ передачи ощущений в мозг. И совсем другое – расшифровка этих кожных ощущений мозгом и их преобразование в картину реальности. Чтобы сделать это, мозг должен научиться чему-то новому, а тот участок головного мозга, который связан с обработкой осязательной информации, должен адаптироваться к новым сигналам. Эта способность к адаптации и предполагает, что мозг пластичен, т. е. способен реорганизовать свою сенсорно-перцептивную систему.

И снова о локализационизме

Если мозг способен к самореорганизации, то теория локализационизма не дает о нем правильного представления. Однако даже Бач-и-Рита прежде был ее сторонником. Впервые о локализационизме заговорили всерьез в 1861 году, когда хирург Поль Брока́ занялся лечением пациента, перенесшего инсульт. Больной потерял способность говорить и мог произносить только одно слово. Что бы его ни спрашивали, он отвечал: «Тэн, тэн». Когда пациент умер, Брока́ анатомировал его мозг и обнаружил поврежденную ткань в левой лобной доле. Скептики выражали сомнение в том, что речь может быть локализована в одном участке мозга, пока Брока не продемонстрировал им поврежденную ткань, а потом сообщил о других пациентах, утративших способность говорить и имевших повреждения в том же самом месте. Специалисты дали этому участку название «область Брока» и предположили, что именно этот участок координирует движения мышц губ и языка. Вскоре другой врач, Карл Ве́рнике, связал повреждения в еще одном участке головного мозга с другой проблемой: неспособностью понимать язык. Вернике предположил, что поврежденный участок отвечает за ментальную репрезентацию слов и понимание речи. Этот участок известен как «область Ве́рнике».

В течение последующих ста лет происходило лишь подтверждение положений теории локализационизма на основе новых данных исследований, позволявших уточнить карту мозга.

К сожалению, в дальнейшем ученые начали преувеличивать силу доказательств, свидетельствующих в пользу привычной теории. Это подкреплялось наблюдениями, указывающими на связь повреждений конкретного участка мозга с потерей определенных психологических или физиологических функций. Получалось, что каждая функция мозга имеет только определенное локализованное место. Идея была выражена в короткой фразе: «одна функция – один локализованный участок».

Первые ласточки

Для идеи пластичности начался век обскурантизма, и любые исключения из теории «одна функция – один локализованный участок» научная общественность игнорировала. Еще в 1868 году Жюль Котар провел обследование детей, страдавших выраженным заболеванием мозга, при котором левое полушарие (включая область Брока) «чахнет». Однако он обнаружил следующее. Несмотря ни на что, эти дети по-прежнему могли нормально разговаривать! Это означало, что хотя речь действительно обрабатывается в левом полушарии, мозг обладает пластичностью, достаточной для того, чтобы в случае необходимости провести самореорганизацию. В 1876 году Отто Солтманн провел эксперимент, в ходе которого удалил щенкам и кроликам двигательную зону коры головного мозга (часть мозга, отвечающую за движение) и обнаружил, что после операции у подопытных животных сохранилась способность двигаться! Эти первые ласточки – первые свидетельства о пластичности мозга были погребены под волной энтузиазма, связанного с теорией… локализационизма.

Бач-и-Рита начал сомневаться в идеях локализационизма в начале 1960-х годов, когда жил в Германии. В то время он присоединился к команде ученых, которые изучали работу зрения, измеряя с помощью электродов электрический импульс, поступающий из области обработки зрительной информации в головном мозге кошки. Члены команды были полностью уверены в том, что при показе кошке какого-либо изображения электрод, помещенный в области обработки зрительной информации, должен показать на энцефалограмме электрический всплеск, указывающий на обработку этого изображения. Так и произошло. Однако когда кто-то случайно дотронулся до кошачьей лапы, область зрительного восприятия снова активировалась, и это указывало на то, что данная область также обрабатывает информацию от прикосновения. Кроме того, ученые выяснили, что зрительная зона активируется и в том случае, когда кошка слышит звуки.

Именно тогда Бач-и-Рита пришел к мысли о том, что идея «одна функция – один локализованный участок» может быть неверной. «Зрительная» область мозга кошки принимала во внимание как минимум еще две функции – осязание и слух. Он предположил, что преобладающая часть мозга выполняет «полисенсорные» функции, так как сенсорные области мозга способны обрабатывать сигналы от нескольких органов чувств.

Это возможно потому, что чувствительные рецепторы наших органов чувств преобразуют самую разную информацию о внешнем мире в паттерны электрических импульсов, которые передаются по нашим нервам. Эти паттерны представляют собой универсальный язык «общения» внутри мозга. Для самих нейронов не существует визуальных образов, звуков, запахов или ощущений. Бач-и-Рита понял, что участки мозга{5}, где происходит обработка этих электрических импульсов, гораздо менее специализированны, чем считали нейрофизиологи. Это представление нашло подтверждение, когда нейрофизиолог Вернон Маунткастл открыл, что зрительная, слуховая и осязательная зоны коры головного мозга имеют похожую шестислойную обрабатывающую структуру. Для Бач-и-Риты это означало, что любой участок коры должен обладать способностью к обработке любых посылаемых в него сигналов, и что, в конечном счете, модули нашего мозга более универсальны, чем принято было считать.

Следующие годы Бач-и-Рита посвятил изучению исключений из теории локализационизма{6}. Знание нескольких иностранных языков позволило ему познакомиться с ранними научными работами, не переведенными на английский, и заново открыть исследования, проводимые до того, как в мире науки окончательно воцарился локализационизм. Занимаясь своими изысканиями, он обнаружил работу Мари-Жан-Пьера Флоренса{7}, который еще в 1820-х годах утверждал, что мозг человека способен к самореорганизации. А еще он прочитал написанную на французском языке работу Поля Брока́, которую часто цитировали, но редко издавали в переводе, и выяснил, что даже Брока́, в отличие от своих последователей, не отвергал полностью идею пластичности мозга.

«Игрушка для взрослых»

Успешное применение разработанного им тактильно-зрительного аппарата еще больше вдохновило Бач-и-Риту на создание собственной картины работы человеческого мозга. В конце концов, чудом был не его аппарат, а мозг человека, который жил, менялся и адаптировался к новым видам искусственных сигналов. Бач-и-Рита предположил, что в процессе реорганизации тактильные (осязательные) сигналы (первоначально обрабатываемые в осязательной зоне коры головного мозга) перенаправляются в зрительную зону коры для дальнейшей обработки. Это означает, что нейронный путь претерпевает развитие: идет от кожи к зрительной зоне.

Сорок лет назад, когда господствовали другие взгляды, Бач-и-Рита начал свою акцию протеста. Он признавал достижения наук о мозге, но утверждал, что «большое количество свидетельств указывает на то, что мозг демонстрирует двигательную и сенсорную пластичность». Шесть журналов отказались печатать одну из его статей, и вовсе не потому, что в ней были представлены спорные данные, а из-за того, что автор осмелился включить в ее название слово «пластичность». После публикации статьи Бач-и-Риты в журнале Nature его любимый наставник Рагнар Гранит (получивший в 1965 году Нобелевскую премию в области физиологии за работу по изучению сетчатки глаза) пригласил своего ученика на чай. Гранит попросил жену выйти из комнаты и, похвалив работу Бач-и-Риты о мышцах глаза, спросил его – зачем он впустую тратит время на «эту игрушку для взрослых». Однако Бач-и-Рита не отступил: он начал публиковать доказательства пластичности мозга, написав ряд книг и несколько сотен статей, и приступил к разработке теории, позволяющей объяснить механизмы пластичности.

Устройства, предоставляющие людям «сверхчувства»

Хотя теперь Бач-и-Риту больше всего интересовало объяснение пластичности мозга, он продолжал изобретать устройства для сенсорного замещения. Он работал совместно с инженерами над уменьшением размеров тактильно-зрительного аппарата для слепых. Громоздкая и тяжелая пластина с вибрирующими стимуляторами, прикрепляемая к спине, была заменена тонкой пластиковой полоской, покрытой электродами, которая теперь приклеивалась на язык. Бач-и-Рита полагает, что язык идеальный «интерфейс между мозгом и аппаратом»; это прекрасный пункт входа в мозг, потому что наш язык очень чувствителен и на нем даже нет лишенного чувствительности слоя омертвевшей кожи. Размеры компьютера также значительно уменьшились, а камеру, которая когда-то была похожа по своим габаритам на чемодан, теперь можно было закрепить на оправе очков.

Бач-и-Рита трудится и над другими изобретениями, обеспечивающими сенсорное замещение. Агентство NASA выделило ему средства на разработку электронной «чувствующей» перчатки для астронавтов, работающих в открытом космосе. Используемая ранее перчатка была настолько толстой, что астронавтам было сложно ощущать маленькие предметы или совершать тонкие движения. Поэтому он поместил на внешнюю сторону перчатки электрические сенсоры, которые передавали сигналы на руку. Затем он воспользовался опытом разработки перчатки для астронавтов, и создал аналогичную для людей, страдающих проказой (заболевание калечит кожу и разрушает периферические нервы, приводя к потере чувствительности рук). Новая перчатка тоже имела сенсоры на внешней стороне и посылала сигналы на здоровый участок кожи, где нервы не были затронуты болезнью. Таким образом, здоровая кожа превращалась во входные ворота для ощущений в руках.

После этого Бач-и-Рита приступил к работе над перчаткой, позволяющей слепым людям читать с экрана компьютера, и даже занялся проектом по созданию…презерватива. Бач-и-Рита надеется, что его изобретение поможет больным с повреждениями спинного мозга (которые не могут чувствовать оргазм из-за полной утраты чувствительности полового члена) вернуть радости секса. Идея этого устройства основана на том, что сексуальное возбуждение, как и любое другое чувственное впечатление, формируется «в мозге», поэтому ощущения от сексуальных движений, собираемые сенсорами на презервативе, можно преобразовать в электрические импульсы, из которых мозг «построит» полноценное сексуальное возбуждение.

Бач-и-Рита продолжал разрабатывать устройства, предоставляющие людям «сверхчувства», такие как ночное видение и видение в инфракрасных лучах. Он разработал прибор для подразделений «Морских котиков», который помогает пловцам определять местонахождение своего тела под водой, и еще одно, успешно протестированное во Франции, которое сообщает хирургам точное положение скальпеля, посылая сигналы с прикрепленного к скальпелю электронного датчика на маленькое устройство, присоединенное к их языку.

Выздоровление немолодого отца Бач-и-Риты подтолкнуло его снова изменить свою карьеру. В возрасте сорока четырех лет он вернулся к занятиям медициной и закончил резидентуру по специальностям «неврология» и «реабилитационная медицина». Он понял, что для выздоровления пациентов их необходимо мотивировать, с помощью упражнений, максимально приближенных к действиям, выполняемым в реальной жизни (как это было с его отцом).

Бач-и-Рита вплотную занялся лечением последствий инсульта, сфокусировав свое внимание на «поздней реабилитации», оказании помощи людям в преодолении серьезных неврологических проблем спустя годы после их возникновения, а также на разработке компьютерных видеоигр, позволяющих обучить людей, перенесших инсульт, снова двигать руками. Кроме того, Пол начал использовать свои знания о пластичности мозга при разработке специальных упражнений для своих пациентов. Традиционный курс реабилитации, как правило, заканчивался через несколько недель, когда процесс улучшения состояния пациента как бы «останавливался», и у врачей пропадала мотивация для продолжения лечения. Однако Бач-и-Рита, основываясь на своих знаниях о восстановлении нервных путей, пришел к убеждению, что эти остановки носят временный характер и являются частью цикла обучения, основанного на пластичности мозга – за фазами обучения следуют периоды закрепления. Хотя очевидного прогресса на этапе закрепления{8} не наблюдается, в этот период происходят внутренние биологические изменения, в ходе которых новые навыки совершенствуются и приобретают автоматический характер.

Бач-и-Рита разработал программу для людей с повреждениями двигательных лицевых нервов. Больные были не способны приводить в действие мышцы лица и, таким образом, не могли закрыть глаза, четко говорить или выражать эмоции, что делало их похожими на роботов. Бач-и-Рита хирургическим путем присоединял один из «лишних» нервов, обычно идущий к языку, к лицевым мышцам пациента. Затем он разработал программу упражнений для мозга, которая обучает «языковой нерв» (а точнее, контролирующий его участок мозга) действовать в качестве лицевого нерва. Пациенты, занимавшиеся по этой программе, научились выражать обычные эмоции на своем лице, говорить и закрывать глаза – еще один пример способности Бач-и-Риты «соединять что угодно с чем угодно».

Сенсорные системы можно перепрограммировать

Через тридцать три года после публикации статьи Бач-и-Риты в журнале Nature ученые, использовавшие маленькую современную версию его тактильно-зрительного аппарата, провели сканирование мозга пациентов и подтвердили, что тактильные ощущения, получаемые ими через язык, действительно обрабатываются в зрительной зоне коры головного мозга.

Все обоснованные сомнения в том, что сенсорные системы можно перепрограммировать, были не так давно отметены в ходе одного из самых удивительных экспериментов в области пластичности мозга, проведенных в наше время. Этот эксперимент включал в себя перепрограммирование путей передачи не осязательной и зрительной информации, как это делал Бач-и-Рита, а слуховой и зрительной. Невролог Мриганка Сур хирургическим путем «перемонтировала» мозг новорожденного хорька в возрасте одного дня. Обычно зрительные нервы идут от глаз к зрительной зоне коры головного мозга, однако Сур перенаправила зрительные нервы хорька от зрительной зоны к слуховой и обнаружила, что после такой операции хорек может видеть. С помощью электродов, имплантированных в мозг животного, Сур доказала: когда оперированный хорек видит, нейроны в зрительной зоне его мозга начинают действовать и обрабатывать зрительную информацию. Слуховая кора, обладающая именно той пластичностью, о которой всегда говорил Бач-и-Рита, преобразовала сама себя и обрела структуру и функции зрительной коры. Хорьки, подвергшиеся этой операции, не имели остроту зрения 20/20: она составляла примерно треть от этого показателя, или 20/60 (не хуже, чем у некоторых людей, пользующихся очками).

Прежде подобные преобразования казались совершенно необъяснимыми. Общеизвестно, что «зрительная зона» (обрабатывающая зрительную информацию) находится у нас в затылочной доле мозга, а в височной доле – «слуховая зона» и т. п. Оказывается, все гораздо сложнее. Области мозга представляют собой пластичные устройства обработки информации, связанные друг с другом и способные воспринять самые разнообразные входящие сигналы.

Черил – не единственный человек, которому помог странный «шлем» Бач-и-Риты. Со времени нашего знакомства команда использовала аппарат для улучшения функции равновесия и хождения еще пятидесяти пациентов. У некоторых из них были такие же повреждения, как у Черил; другие пострадали от травмы мозга, инсульта или болезни Паркинсона.

Значение работы Пола Бач-и-Риты заключается в том, что среди представителей своего поколения ученых он стал первым, который не только пришел к пониманию пластичности мозга, но и применил свои знания на практике для того, чтобы облегчить страдания людей.

Когда у Черил заново развилось вестибулярное чувство – или в мозге слепых людей сформировались новые нейронные проводящие пути, позволяющие им распознавать предметы, перспективу или движение, – то все эти изменения были не загадочными исключениями, а подтверждениями правила: сенсорные зоны коры головного мозга пластичны и способны к адаптации. Когда мозг Черил научился реагировать на искусственный рецептор, заменивший поврежденный, не происходило ничего особенного.