БОЛЬШЕ ОПЫТА — БОЛЬШЕ МОЗГ?

We use cookies. Read the Privacy and Cookie Policy

БОЛЬШЕ ОПЫТА — БОЛЬШЕ МОЗГ?

Базовые материалы:

Rosenzweig М. R., Bennett Е. L. & Diamond М. С. (1972). Brain changes in response to experience. Scientific American, 226,22–29.

Если вы войдете в детскую комнату типичной американской семьи среднего класса, вы, скорее всего, увидите колыбель, полную мягких игрушечных зверей, над которой на доступном для ребенка расстоянии развешаны разноцветные погремушки. Некоторые из этих игрушек могут светиться, двигаться, проигрывать мелодию или делать все это одновременно. Как вы думаете, для чего ребенку дают возможность так много видеть и делать? Кроме того, что дети явно получают удовольствие и положительно реагируют на все эти вещи, родители верят, сознательно или нет, что лети нуждаются в стимулирующем окружении для оптимального интеллектуального развития и правильного развития мозга.

В течение многих веков вопрос о том, вызывает ли интеллектуальная деятельность физические изменения мозга, дискутировался и исследовался философами и учеными. В 1785 году итальянский анатом Мала-карне (Malacarne) изучал пары собак из одного помета и пары птиц из одной кладки яиц. Из каждой пары он интенсивно тренировал только одно животное, в то время как другое получало такой же хороший уход, но не тренировалось. Позднее, после вскрытия черепа животных он обнаружил, что у тренированных животных мозг имеет более сложную структуру с большим количеством складок и извилин. Однако исследования в этом направлении по какой-то причине не были продолжены. В конце XIX века были сделаны попытки связать длину окружности головы человека с его образованностью. В некоторых ранних работах утверждалось, что такая связь существует, однако последующие исследования показали, что величина окружности головы не является достоверным показателем степени развития мозга.

В 60-х годах XX века появились новые технологии, которые дали ученым возможность измерить изменения мозга с большей точностью, используя технику с высокой степенью оптического увеличения и определение уровня активности ферментов и нейромедиаторов. Марк Розен-цвейг (Mark Rosenzweig) и его коллеги, Эдвард Беннетт (Edward Bennett) и Мариан Даймонд (Marian Diamond), в Университете Калифорнии в Беркли использовали все эти технологии в претенциозной серии из 16 экспериментов, проводившихся в течение 10 лет с целью выяснения влияния активной умственной деятельности на мозг. Результаты их работы изложены в статье, которая обсуждается в этой главе. По очевидным причинам эксперименты проводились не на людях, а, как во многих классических работах по экспериментальной психологии, на крысах.

Теоретические основания

Поскольку в конечном итоге психологов интересуют люди, а не крысы, использование животных в этих опытах должно быть как-то оправданно. В теоретическом обосновании этой работы дается объяснение, почему объектом изучения были выбраны крысы. Авторы объяснили, что по нескольким причинам более удобно использовать в опытах грызунов, а не высших млекопитающих, таких как хищники или приматы. Та часть мозга, которая является объектом исследования, у грызунов гладкая, а не складчатая, как у высших животных. Поэтому ее легче изучить и измерить. Кроме того, крысы — небольшие по размерам и недорогие животные, что немаловажно для условий лабораторий (обычно испытывающих недостаток финансирования и места). Крысы приносят многочисленное потомство, и это позволяет брать животных из одного помета для экспериментов в разных условиях. И наконец, у крыс, рожденных от находящихся в родстве особей (inbread), возникают разнообразные генетические деформации, что позволяет ученым при желании включать генетические эффекты в их исследования.

Работы Розенцвейга основаны на предположении, что животные, выращенные в активно стимулирующем окружении, по развитию и биохимическим особенностям мозга будут отличаться от животных, выращенных в обычных лабораторных условиях. В каждом из экспериментов, о которых говорится в этой статье, участвовали 12 групп, состоящих из трех самцов одного помета.

Метод

Из каждого помета крысы выбирались три самца. Каждый самец выращивался в одном из трех разработанных режимов содержания. Один оставался в лабораторной клетке с другими крысами колонии. Другой помещался в клетку с «обогащенными», по терминологии Розенцвейга, условиями; третий — в клетку с «обедненными» условиями. Помните, что во всех 16 опытах в каждом из трех режимов содержалось по 12 крыс.

Три режима содержания крыс (рис. 3) описаны следующим образом:

Рис. 3. Три режима содержания крыс в клетках

1. Стандартная лабораторная клетка с несколькими крысами на достаточном пространстве и со всегда доступными пищей и водой.

2. Клетка с обедненными условиями была несколько меньше, находилась в отдельной комнате, и крыса содержалась там одна при достаточном количестве пищи и воды.

3. Клетка с обогащенными условиями представляла собой крысиный Диснейленд (не в обиду Микки Маусу!). От шести до восьми крыс жили в «большой клетке, снабженной разнообразными объектами, с которыми они могли играть. Каждый день в клетку помещался новый набор игрушек, которых всего было 25» (с. 22).

Крысы жили в этих трех режимах в течение разных периодов времени, от 4 до 10 недель. После этого подопытные животные гуманным образом умерщвлялись, и производилось вскрытие для выявления различий в развитии головного мозга. Для того чтобы избежать предвзятости, процедура изучения была стандартизирована и исходные данные закодированы, так что человек, производящий вскрытие, не знал, в каких условиях выращивалось животное. Прежде всего исследователей интересовали различия мозга животных из обогащенных и обедненных условий содержания.

Мозг крыс разделялся на секции, которые измерялись, взвешивались и анализировались по показателям скорости роста клеток и уровня активности нейромедиаторов. В последнем случае особый интерес вызывал фермент ацетилхолинестераза. Это вещество играет очень важную роль в работе мозга, поскольку оно обеспечивает быструю и эффективную передачу нервных импульсов между клетками мозга.

Нашли ли Розенцвейг и его сотрудники различия между мозгом крыс, выращенных в обогащенных и обедненных условиях? Вот их результаты.

Результаты

Результаты говорят о том, что мозг крыс, выращенных в обогащенных условиях, отличается от мозга крыс, выращенных в обедненных условиях, во многих отношениях. Кора головного мозга крыс из обогащенных условий значительно тяжелее и толще. Кора головного мозга — это та часть мозга, которая отвечает на воздействия окружающей среды и контролирует движение, память, обучение и чувственное восприятие (зрение, слух, осязание и обоняние). Кроме того, уровень активности упомянутого выше фермента нервной системы, ацетилхолинестеразы, оказался выше у крыс с обогащенным жизненным опытом.

У двух групп животных не было выявлено значительной разницы в числе клеток мозга (нейронов), но в обогащенных условиях у крыс развивались нейроны большего размера. С этим связаны и данные о том, что соотношение РНК и ДНК — веществ, играющих важнейшую роль в росте клеток мозга, было выше у крыс с обогащенным опытом. Это говорит о том, что у этих животных уровень химической активности мозга был выше.

Розенцвейг и его коллеги с уверенностью утверждают, что «хотя различия в мозге, вызванные условиями окружающей среды, невелики, но они подлинны. При повторных экспериментах вновь и вновь выявлялись те же закономерности и различия… Оказалось, что наиболее стойким показателем воздействия жизненного опыта на мозг было соотношение веса коры мозга к остальной его части: подкорке. Оказывается, кора головного мозга очень быстро увеличивается в весе в ответ на внешнюю стимуляцию, в то время как остальная часть мозга изменяется мало» (с. 25).

Это измерение отношения веса коры и остальной части мозга было наиболее точным показателем изменений мозга. Общий вес мозга варьируется в зависимости от индивидуального веса каждого животного; выбранный же показатель исключает влияние индивидуальной изменчивости. На рис. 4 представлены данные по этому показателю, полученные во всех 16 экспериментах[2]

Как вы видите, только в одном эксперименте различия не являлись статистически значимыми.

И наконец, были получены данные, касающиеся мозговых синапсов у животных из двух экспериментальных групп. Синапс — это место соединения двух нейронов. Основная часть активности мозга реализуется в синапсах, где нервный импульс или передается от одного нейрона к следующему и дальше, или тормозится и прекращается. Под большим увеличением с использованием электронного микроскопа было обнаружено, что сами синапсы у крыс с богатым опытом на 50 % больше, чем у крыс, выращенных в обедненных условиях.

Обсуждение и критические замечания

После десяти лет исследований Розенцвейг, Беннетт и Даймонд были готовы с уверенностью заявить:

«Нет сомнения, что многие аспекты анатомии и химии мозга изменяются в результате познавательного опыта» (с. 27).

Однако авторы признали, что когда они впервые сообщили о своих результатах, многие ученые были настроены скептически, поскольку до тех пор никому не удавалось продемонстрировать ничего подобного. Критики настаивали на том, что изменения мозга были вызваны не обогащенной окружающей средой, а другими различиями в обращении с крысами, просто хорошим уходом или же стрессом.

Рис. 4. Отношение веса коры головного мозга к весу остальной части мозга: разность (в %) между значениями данного показателя, полученными при условии обогащенной и обедненной среды содержания крыс. (Результаты экспериментов 2-16 статистически достоверны)

Утверждения о целом ряде различий в обращении с крысами вполне справедливы потому что крыс в обогащенных условиях содержания дважды в день вынимали из клетки, чтобы сменить набор игрушек, а крыс в обеднённых условиях в руки не брали. Возможно, что именно этот фактор вызвал изменения в мозге, а не окружающая среда. Для того чтобы проверить это, исследователи сравнили развитие мозга у двух групп крыс из одного помета. Крыс одной группы брали в руки каждый день, а другой — не брали (при этом все они выращивались в одинаковых условиях) Различий в мозге крыс из двух групп обнаружено не было. Кроме того в дальнейших экспериментах с крысами в обедненных и обогащенных условиях обращались одинаково, и все же были получены те же результаты.

Еще одним аргументом критиков было утверждение, что изоляция крыс содержащий в обедненных условиях, вызывала стресс, и именно это было причиной меньшего развития мозга. Розенцвейг и соавтор сослались на другое исследование, в котором крысы подвергались ежедневному стрессу (вращение клетки или слабый электрошок), но изменений в мозге в связи с этим выявлено не было.

Проблемой любого исследования, выполненного в лабораторных условиях является его искусственность. Розенцвейга и его коллег интересовало, как различная степень стимуляции влияет на развитие мозга животных в естественных условиях. Они подчеркивали, что лабораторн крысы и мыши в 100 поколениях выращивались в искусственных условиях и генетически имеют мало общего со своими дикими собратьями. Чтобы исследовать эту проблему, они начали изучать диких мышей. Пойманных в природе мышей помещали или в вольеры с естественными условиями, или в лабораторные клетки с обогащенными условиями. После 4 недель содержания мыши в естественных условиях демонстрировали более высокий уровень развития мозга, чем мыши в лабораторных условиях.

«Это говорит о том, что даже обогащённые лабораторные условия на самом деле беднее, чем естественные» (с. 27).

И последнее направление критики любых исследований, выполненных на животных касается применения полученных результатов по отношению к людям. Нет сомнения в тем, что такого рода эксперименты никогда не будут проводиться на людях. Но исследователи должны были рассмотреть этот вопрос, и они сделали это.

Авторы признают, что трудно распространить результаты, полученные на одной группе крыс, на другую группу крыс и, тем более, попытаться применить их к приматам или людям. Сообщая, что аналогичные результаты были получены для нескольких видов грызунов, авторы отмечают, что необходимы дальнейшие исследования для того, чтобы сделать какие-либо заключения о влиянии опыта на человеческий мозг. Ценность такого рода исследований на животных, по мнению Розенцвейга и коллег, состоит в том, что «это позволяет нам проверить концепции и методы некоторые из которых позднее могут оказаться полезными при исследованиях человека». Некоторые потенциальные возможности, которые открывают проведенные исследования, обсуждаются авторами статьи. Одно из возможных применений полученных данных касается изучения памяти.

Знание характера изменений, которые происходят в мозге по мере накопления опыта, могут помочь понять механизмы памяти. Это, в свою очередь, может позволить разработать новые приемы улучшения памяти предотвращения потери памяти при старении. Другая проблема, в ~шении которой эти исследования могут быть полезными, — это объяснение связи между питанием и развитием интеллекта. Концепция, пред~женная авторами в этой области, заключается в том, что недостаточное ~тание может сделать человека невосприимчивым к стимулам внешней ~еды и таким образом ограничить развитие мозга. Как отмечают авторы, ~оторые параллельно проведенные исследования предполагают, что ~яние плохого питания на развитие мозга нейтрализуется обогащени- окружающей среды и усугубляется дальнейшими лишениями.

Продолжение исследований и современные разработки

Представленная работа Розенцвейга, Беннетта и Даймонд послужила толчком для продолжения исследований в данной области. В течение 25 лет с момента опубликования статьи эти ученые и многие другие продолжали подтверждать, уточнять и дополнять полученные данные.

Например, было обнаружено, что обучению способствует обогащенная окружающая среда и опыт и что даже мозг взрослых животных, выращенных в обедненных условиях, может улучшить свою работу, если этих особей поместить в обогащенную окружающую среду (подробный обзор см.: Bennett, 1976).

Существуют также данные, свидетельствующие в пользу того, что опыт действительно влияет на развитие мозга человека. Тщательное изучение мозга людей, умерших естественной смертью, показало, что у человека, обладающего большими знаниями и умениями, мозг имеет больший вес и более сложную структуру. Другие данные были получены в результате изучения мозга людей, лишенных определенного опыта. Например, у слепого человека область коры головного мозга, контролирующая зрение, тоньше и имеет меньше извилин, чем у человека с нормальным зрением.

Мариан Даймонд, одна из авторов оригинальной статьи, применила результаты своей работы к процессу интеллектуального развития человека в течение жизни. Она говорит: «Теперь мы можем более оптимистично смотреть на старение мозга в течение жизни человека… Главный фактор — это стимуляция. Нервные клетки созданы для стимуляции. И я думаю, что ключевую роль играет любопытство. Если человек с возрастом сохраняет интерес к жизни, это будет стимулировать нервную ткань, и кора мозга будет реагировать на это… Я искала людей, которые были чрезвычайно активны после 88 лет. И я обнаружила, что люди, которые используют свой разум, не теряют его. Это так просто» (Hopson, 1984, с. 70).

И наконец, теория Розенцвейга о влиянии окружающей среды на развитие мозга была использована в двух исследованиях умственных расстройств у людей (Post et al., 1996; Schore, 1996). Исследование Шор (Schore) показало, что ранние эмоциональные реакции ребенка на первого воспитателя могут влиять на выработку в мозге определенных веществ, играющих важную роль в физическом развитии коры, то есть части мозга, отвечающей за самые сложные его функции, такие как мышление, восприятие и эмоции. Когда общение с воспитателем вызывает у ребенка стресс и неудовлетворение, в его нервной системе вырабатываются гормоны, которые обусловливают ненормальное развитие специфических структур и эмоциональной области коры. По мнению Шор, такое ненормальное развитие мозга, вызванное негативными факторами окружающей среды в раннем возрасте, создает повышенную предрасположенность к психическим расстройствам в дальнейшей жизни (с. 59). Пост (Post) подтверждает данные Шор и делает следующий шаг, предполагая, что стресс и ранние проявления психических нарушений, депрессия или истерия могут оставлять «биохимический… след в центральной нервной системе (ЦНС), который впоследствии влияет на течение, тяжесть и повторяемость психических заболеваний» (с. 273).

Другими словами, Пост и его коллеги утверждают, что наследственная предрасположенность к психическим заболеваниям может иметь ранние психические проявления, которые, в свою очередь, вызывают физические изменения нервной системы, ведущие к развитию психического заболевания в последующей жизни. Исходя из этого, Пост предполагает, что для предотвращения развития психического заболевания в зрелом возрасте раннее вмешательство может быть важнее, чем это признавалось доныне.

Литература

Bennett, Е. L. (1976). Cerebral effects of differential experience and training. In M. R. Rosenzweig & E. L. Bennett (Eds.), Neural mechanisms of learning and memory. Cambridge, MA: MIT Press.

Hopson, J. (1984). A love affair with the brain: A PT conversation with Marian Diamond. Psychology Today, 11, 62–75. (1992). Environmental enrichment: The influences of restricted daily exposure and subsequent exposure to uncontrollable stress. Physiology and Behavior, 51,309–318.

Post, R, Weiss, S., Leverich, G., George, М., Frye, М., & Ketter, T. (1996). Developmental psychobiology of cyclic affective illness: Implications for early therapeutic intervention. Development and Psychopathology, 8(1), 273–305.

Schore, A. (1996). The experience-dependent maturation of a regulatory system in the orbital prefrontal cortex and the origin of developmental psychopathology. Development and Psychopathology, 8(1), 59–87.