Младенчество мозга: как распускается цветок нового разума

  • 29 декабря 2015
Проекция зарождающегося разума Правообладатель иллюстрации dHCP

Человеческий мозг начинает учиться, исследовать окружающий мир и приспосабливаться к нему еще в утробе матери. Многое об этом процессе мы можем узнать благодаря новому исследованию, проводящемуся в Лондоне. Корреспондент BBC Future побывал в святая святых эксперимента.

Комнатка, в которой я нахожусь, немного напоминает кабину космического корабля.

За несколькими мониторами – группа ученых, сосредоточенно настраивающих оборудование. Никто не говорит ни слова, лишь мощные моторы гудят вокруг нас.

Мы в неонатологическом отделении лондонской больницы Св. Томаса, однако наша одиссея впечатляет не меньше, чем космическая: мы наблюдаем за становлением человеческого разума.

Таланты новорожденного ребенка, издающего похожие на мяуканье звуки, легко недооценить. В помощь младенцу, покидающему уютную утробу матери, дается удивительный орган, позволяющий ему чувствовать, исследовать и учиться.

(Другие статьи сайта BBC Future на русском языке)

Мозг продолжает расти по мере того, как мы развиваем необходимые нам в жизни навыки – от способности улыбаться любимому человеку и расшифровывания звучания слов в языке до формирования собственной воли и идентичности.

Как же мы совершаем это удивительное путешествие? До недавнего времени нейробиологи знали крайне мало о младенчестве мозга.

Однако благодаря проекту "Развитие коннектома человека" у ученых появляется информация об этом важнейшем периоде человеческой жизни.

Правообладатель иллюстрации dHCP
Image caption Мозг новорожденного представляет собой густую сеть нейронных связей, картографирование которых – основная задача проекта "Развитие коннектома человека"

При помощи современных технологий они отслеживают развитие младенческого мозга – от последних месяцев в материнской утробе до появления на свет, а также в течение несколько последующих недель.

Получив разрешение от одного из главных исследователей проекта Дэвида Эдвардса, я пришел в лабораторию, чтобы составить собственное представление об их работе.

Этот проект стартовал в 2013 году при участии трех крупнейших исследовательских вузов Британии – Королевского колледжа Лондона, Имперского колледжа Лондона и Оксфордского университета.

"Коннектом" в его названии относится к сложным нейронным сетям, которые предположительно отвечают за обработку поступающей в мозг информации.

Еще один перспективный проект, на этот раз в США, посвящен картографированию коннектома взрослого мозга – в то время как лаборатория Эдвардса исследует развитие мозга в первые месяцы и годы, чтобы понять, как растут нейронные сети у младенцев.

Встречая меня в больничном отделении, исследователи рассказывают, что днем ранее в истории проекта случилось важное событие – число младенцев, которые прошли через необходимую для исследования процедуру магнитно-резонансной томографии, перевалило за сотню.

Всего же необходимо обследовать примерно тысячу детей. Некоторые томограммы были сделаны еще до рождения этих младенцев, пока плод находился в материнской утробе.

Это нелегкое дело: поймать плод в состоянии полного покоя получается редко, а движение приводит к нечеткому сигналу томографа, так что ученым пришлось придумать затейливую математическую формулу для компенсации внутриутробной физкультуры.

Сегодня исследователи работают с младенцем, родившимся менее суток назад. Его только что покормили, и шум в помещении его совершенно не беспокоит.

"Он уснул сам и всем доволен", - говорит мне Мишель Слит, руководитель клинического исследования.

Прежде чем поместить мальчика в томограф, лаборанты обернули его в уютный кокон и поместили вокруг его головы надувную подушку, чтобы приглушить жужжание аппарата.

Правообладатель иллюстрации dHCP
Image caption Разные цвета обозначают нервные волокна, идущие в разных направлениях – таким образом ученые выясняют, какие именно проводящие пути связывают различные отделы мозга

Жужжание сопровождает работу мощных магнитов, позволяющих томографу отследить движение постоянно сталкивающихся друг с другом молекул воды в мозге.

Поскольку вода лучше перемещается вдоль нейронных связей, в результате получается подробное изображение аксонов – длинных отростков нервных клеток, по которым идут импульсы.

По словам Дэвида Эдвардса, это своего рода "мозговая карта метро" – на ней изображены основные проводящие пути, передающие электрические импульсы от одного отдела мозга к другому.

Направляя поток информации, они закладывают основу наших когнитивных способностей.

Обследование не всегда идет по плану. Как правило, один из десяти младенцев просыпается в течение двух-трех часов, которые занимает процедура, и не может снова уснуть - а это значит, что время было потрачено зря.

"Нам нужны очень терпеливые и спокойные радиологи", - говорит Эдвардс. Однако в случае успеха полученная информация становится важным дополнением растущего массива данных о зарождающемся разуме.

"Мы крайне благодарны за каждую томограмму – все они очень важны", - добавляет Слит.

В оригинале этой статьи на английском языке вы найдете видеоролик авторства Дафниса Баталя из Королевского колледжа Лондона, позволяющий взглянуть на мозг новорожденного в трехмерной проекции – как снаружи, так и изнутри.

Если задуматься о том, что многие связи слишком малы в диаметре и их нельзя увидеть в таком разрешении, поневоле понимаешь, почему мозг порой называют "самым сложным объектом на Земле".

Хотя проект "Развитие коннектома человека" уникален по масштабу и задачам, существуют и другие проекты, цель которых – узнать больше о первых месяцах развития мозга.

В частности, мы теперь знаем, что младенцы начинают изучать и исследовать мир задолго до рождения.

Используя различные технологии измерения нейронной активности плода в режиме реального времени, ученые установили, что мозг еще не родившихся младенцев, по всей вероятности, реагирует на яркие вспышки света и громкие звуки.

Кроме того, в последнем триместре беременности они, похоже, учатся распознавать успокаивающие звуки материнского голоса и музыкальную заставку ее любимого телесериала.

Возможно, они даже могут попробовать недавно съеденные ей блюда: так, вкус чеснока предположительно проникает в околоплодные воды.

В результате младенцев, начинающих питаться взрослой едой, зачастую притягивает аромат блюд, которые мать ела во время беременности.

Наша способность к обучению увеличивается после того, как мы покидаем материнскую утробу.

Правообладатель иллюстрации dHCP
Image caption Томограф способен зафиксировать 10 млн проводящих путей в мозге новорожденного, совокупность которых закладывает основу для развития навыков младенца

В первые дни жизни ребенок уже прислушивается к звукам речи и начинает распознавать структуру умильного воркования своих родителей, закладывая основу собственного понимания грамматики языка.

Примерно тогда же мозг вовсю настраивает эти пучки новых нейронных связей, одновременно отращивая и укорачивая аксоны по мере наработки новых навыков и умственного развития; его задача – создание максимально эффективных нейронных сетей.

В настоящее время исследователям, работающим под руководством Дэвида Эдвардса, приходится корректировать свою методику в процессе исследования, однако ученый надеется, что в будущем появится возможность сравнить томограммы мозга с результатами тестирования когнитивных способностей детей.

Например, с помощью простых видеоигр можно оценить такие характеристики, как внимательность, скорость реакции на движение и скорость обучения, и на основании этих данных составить базовое представление о когнитивных способностях ребенка.

Посмотрев на коннектом этого ребенка, можно будет сделать выводы о том, отражают ли его способности имеющиеся различия в нейронных связях.

По профессии Эдвардс врач, поэтому главный вопрос для него – результаты исследования детей, прошедших через те или иные сложности в развитии.

В первую очередь его интересовали недоношенные дети. По его словам, поражает их жизнестойкость: мозг рожденных раньше срока младенцев зачастую развивается на удивление активно.

"Они покинули материнскую утробу на три-четыре месяца раньше, чем положено, перенесли массу перегрузок, поэтому тот факт, что мозг их выглядит нормально, совершенно невероятен", - говорит он.

Тем не менее, Эдвардс стремится узнать, существуют ли более тонкие различия в нейронных связях, которые могли бы сказаться на развитии таких детей по мере взросления.

Правообладатель иллюстрации dHCP
Image caption Эта информационная магистраль, соединяющая кору головного мозга со спинным мозгом, позволяет нам контролировать движения и чувствовать прикосновения

В качестве примера он указывает на особенно плотный пучок волокон, соединяющих область в центре головного мозга под названием таламус и кору головного мозга – его складчатую поверхность.

"Таламус – это интернет-портал мозга, обрабатывающий всю входящую и исходящую информацию", - поясняет Эдвардс.

Таламус собирает информацию от органов чувств, контролирует ее пересылку между различными областями, а также передает результаты нашему телу, управляя таким образом нашим поведением.

"Эти связи активно растут в период, когда ребенок находится в отделении интенсивной терапии, поэтому с медицинской точки зрения изучение их представляет большую ценность", - заключает он.

Возможно, более слабые связи в этой области могут служить индикатором потенциальных когнитивных трудностей у ребенка в дальнейшем.

Дэвид Эдвардс также надеется, что исследование поможет пролить свет на такие медицинские проблемы, как шизофрения, аутизм и депрессия – не исключено, что их провоцируют небольшие изменения нейронных связей в мозге пациентов относительно нормальной конфигурации.

"Насколько нам известно, структуры, связанные с этими состояниями, закладываются в последние три месяца беременности", - говорит Эдвардс.

Это отклонения, которые порой проявляются лишь через несколько лет или даже десятилетий после рождения.

Однако вполне возможно, что в истории конкретной семьи уже были случаи подобных отклонений. Тогда исследователи смогут заняться поиском небольших различий, которые потенциально являются факторами развития у детей психических заболеваний.

Конечно, технологии постоянно развиваются, и через 10 лет, по словам Эдвардса, наши нынешние открытия могут оказаться устаревшими.

Однако любой путь нуждается в карте, и эти первые томограммы помогают проложить дорогу для новых исследований.

Наш разговор заканчивается, и я слышу детский плач – малыша только что вынули из томографа. Он проснулся, покинул свой уютный кокон и вновь столкнулся с непривычной реальностью – но родители готовы его утешить.

Как только данные обработают, ребенок получит копию своей томограммы – снимок его зарождающегося разума, впервые попавшего в этот дивный новый мир.

Прочитать оригинал этой статьи на английском языке можно на сайте BBC Future.

Новости по теме