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

Выше я писал о фундаментальной роли природы в формировании нашего мозга – взаимосвязи генов и самоорганизации. В этой главе мы обсудим влияние другого, не менее важного фактора – окружающей среды. Ранняя организация мозга не остается неизменной навсегда: опыт совершенствует и обогащает ее. Но как научение меняет нейронные связи в мозге ребенка? Чтобы это выяснить, вернемся на столетие назад, к революционным открытиям великого испанского анатома Сантьяго Рамона-и-Кахаля (1852–1934).

Кахаль – один из героев нейробиологии. Вооружившись микроскопом, этот гениальный ученый и художник составил первую карту микроорганизации мозга и создал реалистичные, но упрощенные рисунки нейронных сетей – настоящие шедевры, которые входят в число ключевых работ в сфере научных иллюстраций. Но главное – он смог перейти от наблюдений к интерпретации, от анатомии к функции. Хотя микроскоп показывал только посмертную анатомию нейронов и их связей, Кахаль сумел сделать смелые и точные выводы о том, как они функционируют.

Величайшее открытие Кахаля, за которое он был удостоен Нобелевской премии в 1906 году, вкратце можно сформулировать так: мозг состоит из отдельных нервных клеток (нейронов), а не из единой сети, ретикулума, как считалось ранее. Кроме того, Кахаль установил, что в отличие от большинства других клеток – например, более или менее круглых и компактных эритроцитов – нейроны принимают невероятно сложные формы. Так, типичный нейрон имеет множество дендритов. Дендриты одного нейрона называются «дендритным деревом». Оно состоит из нескольких тысяч ветвей, каждая из которых больше предыдущей (по-гречески «дендрон» означает «дерево»). Вместе популяции нейронов образуют сложную паутину переплетенных отростков.

Столь сложное строение не обескуражило нашего испанского нейробиолога. В рисунки, сыгравшие важную роль в истории нейробиологии и изображавшие детальную анатомию коры и гиппокампа, Кахаль добавил нечто чрезвычайно простое, но в высшей степени наглядное и имеющее большое теоретическое значение: стрелки! Стрелки Кахаля указывают направление, в котором движутся нервные импульсы: от дендритов к телу нейрона и, наконец, вдоль аксона. Это было смелое предположение, но верное. Кахаль догадался, что форма нейронов отражает их функцию: с помощью дендритного дерева нейрон собирает информацию от других клеток, после чего компилирует ее в своем теле, чтобы отправить дальше только одно сообщение. Это сообщение – так называемый потенциал действия, пиковый потенциал, или спайк, – затем передается по аксону, длинной плющевидной лиане, которая тянется к тысячам других нейронов, иногда расположенных на расстоянии нескольких сантиметров от самого тела клетки.

Другое чрезвычайно важное открытие Кахаля – это синапсы. Хотя Кахаль был уверен, что каждый нейрон – это отдельная клетка, микроскоп показал, что в определенных точках эти клетки вступают в контакт друг с другом. Сегодня мы называем эти места синапсами. (Открытие принадлежит Кахалю, однако само название придумал в 1897 году другой ученый – великий британский физиолог Чарльз Шеррингтон [1857–1952].) Каждый синапс представляет собой место встречи двух нейронов – точнее, место, где аксон одного нейрона встречается с дендритом другого нейрона. Аксон пресинаптического нейрона продолжает расти, пока не встретится с дендритом второго, постсинаптического нейрона и не подсоединится к нему.

Нейроны, синапсы и микросети, которые они образуют, – материальная часть пластичности мозга: они изменяются всякий раз, когда мы учимся. Каждый нейрон представляет собой отдельную клетку с «дендритным деревом» (вверху слева), которое собирает информацию от других нейронов, и аксоном (внизу слева), который посылает сообщения другим нейронам. В микроскоп также хорошо видны дендритные шипики – похожие на грибы мембранные выросты, образующие синапсы – места контакта между двумя нейронами. Когда мы учимся, все эти элементы могут меняться: наличие, количество и сила синапсов; размер дендритных шипиков; количество дендритных ветвей и аксонов; даже количество слоев миелина, который изолирует аксоны и определяет скорость передачи информации.