Как мы учимся. Почему мозг учится лучше, чем любая машина… пока

В процессе самоорганизации физической системы, будь то лава или пчелиный воск, часто образуются шестиугольники. Нервная система не исключение: в области энторинальной коры – встроенного навигатора мозга – нейроны самоорганизуются в «клетки решетки», накладывающие на физическое пространство воображаемую сеть треугольников и шестиугольников. Как только крыса, исследующая просторное помещение, оказывается в вершине одного из таких треугольников, срабатывает соответствующий нейрон. Клетки решетки появляются уже через день после того, как крысята начинают самостоятельно перемещаться; таким образом, можно утверждать, что чувство пространства основано на почти врожденной системе навигации.

Иллюстрация 11

Синаптическая пластичность позволяет мозгу частично реорганизовываться в случае обширных повреждений. Пациентка А. Г. (вверху) родилась только с одним полушарием: правое прекратило развиваться на седьмой неделе гестации. В нормальном мозге (внизу) первичные зрительные области левого полушария реагируют только на правую половину зрительного поля (на диске показана голубым и зеленым). Однако у А. Г. небольшие области левого полушария подверглись перестройке и начали реагировать на левую половину зрительного поля (обозначена белыми стрелками). Благодаря этому А. Г. способна различать слабый свет и движение в левой части зрительного поля, в отличие от взрослого, у которого правое полушарие было удалено в ходе хирургической операции. Тем не менее подобная реорганизация возможна только в очень узких пределах: в первичной зрительной коре генетический детерминизм превалирует над нейропластичностью.

Иллюстрация 12

Образование состоит в перепрофилировании древних нейронных цепей на новые функции. В частности, области, присутствующие в мозге с младенчества и репрезентирующие числа (показаны зеленым), впоследствии используются для вычислений в уме (показаны синим). Эти же отделы задействуют и профессиональные математики (показаны красным). Данные нейронные сети изначально реагируют на конкретное количество предметов, но позже переориентируются на более абстрактные понятия.

Иллюстрация 13

Овладение математикой практически не зависит от сенсорного опыта. Даже слепой может стать выдающимся математиком. Примечательно, что во время вычислений у слепых и зрячих математиков активны одни и те же зоны теменной, височной и лобной долей. Единственное различие состоит в том, что первые задействуют еще и зрительную кору.

Иллюстрация 14

Формирование навыка чтения предполагает переориентацию сети корковых областей, задействованных в обработке зрительной информации и устной речи. Цветом выделены участки, изменяющие свою активность в процессе овладения чтением: чем выше скорость чтения, тем интенсивнее они реагируют на написанное слово. Умение читать и писать оказывает двоякое воздействие на мозг: оно обусловливает специализацию зрительных областей на буквах, особенно в так называемой «области зрительной формы слова» в левом полушарии, и активирует нейронные сети, отвечающие за устную речь, через зрение.

Иллюстрация 15

Функциональная МРТ позволяет отследить формирование навыка чтения у детей. Как только ребенок научается читать, зрительная область его левого полушария начинает активно реагировать на цепочки букв. В процессе овладения чтением происходит переориентация ряда областей, которые приматы используют для распознавания лиц, предметов и мест.

Иллюстрация 16

Система сигнализации и активации может оказывать существенное влияние на научение. Такие нейромодуляторы, как серотонин, ацетилхолин и дофамин, сигналы которых распространяются на большую часть коры, подсказывают нам, когда необходимо сосредоточиться, и заставляют мозг учиться. В одном из экспериментов на крысах (внизу) звук частотой 9 килогерц сопровождался электрической стимуляцией базального ядра Мейнерта, провоцирующей высвобождение ацетилхолина. Через несколько дней на эту частоту, а также близкие к ней частоты реагировала вся слуховая кора (активные области показаны голубым).

Иллюстрация 17

Обратная связь – третий столп научения. Обнаруживая и исправляя ошибки, мозг учится приспосабливать свои модели к окружающей среде. Сигналами ошибки обмениваются практически все отделы. В рамках одного из экспериментов мозг учится обнаруживать нарушения в последовательности звуков. Сперва испытуемый несколько раз прослушивает короткую мелодию из пяти нот. Когда последовательность меняется без предупреждения, реакция удивления (показана красным) сигнализирует об ошибке и позволяет другим областям мозга скорректировать свои прогнозы. Если слуховые области реагируют на локальные нарушения ожиданий (вверху), то обширная сеть, включающая префронтальную кору, – на глобальное изменение мелодии (внизу).

Иллюстрация 18