Пластичность мозга и когнитивные упражнения

Пластичность мозга и когнитивные упражнения

Эти ранние попытки, с их смешанными результатами, основывались на предпосылке, или по крайней мере надежде, что когнитивная тренировка поможет изменить когнитивные функции. Но все радикально изменилась с появлением новых данных, — что когнитивные упражнения помогают изменить сам мозг. Кажется почти самоочевидным, что так и должно быть.

Когда вы занимаетесь спортом, не только улучшаются ваши атлетические навыки, но и происходит фактический рост мускулов. В отличие от этого, отсутствие упражнений ведёт не только к утрате атлетических навыков, но и к фактическому уменьшению мышечной ткани. Или другой, более важный в этой связи пример: у детёныша обезьяны сенсорная депривация порождает фактическую атрофию соответствующей мозговой ткани.

Однако решающие экспериментальные данные начали появляться только недавно. Было известно, что погружение в обогащённую среду способствует излечению повреждений мозга у крыс12. Теперь механизмы, лежащие за этим излечением, становятся, наконец, понятными. Сравнивалось выздоровление животных с травматическим повреждением мозга в двух условиях: в стандартном окружении и в окружении, обогащённом необычным количеством разнообразной сенсорной стимуляции. При сравнении в мозге животных этих двух групп обнаружились удивительные различия. Восстановление связей между нервными клетками («ветвление дендритов») было намного более энергичным в стимулированной группе, чем в стандартной группе. Имеются также некоторые свидетельства того, что при энергичных умственных упражнениях кровоснабжение мозга улучшается благодаря усиленному росту малых кровеносных сосудов («васкуляризации»)13. Учёные, такие как Арнольд Шайбель, убеждены, что сходные процессы происходят в человеческом мозге. Систематическая когнитивная активация может способствовать интенсивному ветвлению дендритов у жертв инсульта или черепно-мозговой травмы; это в свою очередь облегчает восстановление функции.

Это вызывает другой вопрос: замедляет ли когнитивная активация развитие дегенеративных мозговых расстройств, таких как болезнь Альцгеймера, болезнь Пика, болезнь телец Льюи? Эти расстройства характеризуются прогрессирующей атрофией мозга и утратой синаптических связей. Это связано в свою очередь с накоплением патологических микроскопически малых частиц, таких как «амилоидные бляшки» и «нейрофибриллярные клубочки» при болезни Альцгеймера.

В отличие от травмы головы или инсульта, деменции являются медленными, постепенно прогрессирующими расстройствами. Это означает, что эффективность лечения должна оцениваться не только в отношении того, обращает ли оно ход течения болезни (это, по крайней мере пока, было бы нереалистичным ожиданием), но также потому, замедляет ли это лечение развитие болезни. Существуют, однако, данные, что когнитивные упражнения могут временно улучшить физиологию мозга, даже в абсолютном смысле. Учёные в Институте Макса Планка в Германии использовали позитронно-эмиссионную томографию (PET) для изучения эффектов когнитивных упражнений и нейростимулирующих лекарств на метаболизм глюкозы в мозге у людей на ранней стадии когнитивного упадка. В комбинации эти две формы терапии улучшили глюкозный метаболизм мозга14. Немецкое исследование изучало изменения в физиологии неактивированного мозга, его фонового состояния, а также изменения в типах мозговой активации, когда мозг стимулируется когнитивной задачей. Развитие технологии нейровизуализации мозга открывает окно для наблюдения мозговых механизмов психических процессов, которое казалось немыслимым в прошлом. Сейчас возможно прямое наблюдение того, что происходит в мозге, когда человек занят умственной активностью.

Годами принималось за аксиому, что мозг теряет свою пластичность и способность к изменению по мере того, как мы движемся от детства к взрослости. Сегодня, однако, появляются все новые данные, что мозг сохраняет пластичность и во взрослом возрасте и, возможно, на всем протяжении жизни. Раньше предполагалось, что во взрослом организме умирающие нейронные клетки не восстанавливаются. Хотя давно было известно, что новые клетки могут развиваться у птиц (благодаря работе учёного из Рокфеллеровского университета Фернандо Ноттебома) и крыс (благодаря работе Джозефа Альтмана из Университета Индианы), эти данные игнорировались на том основании, что они являются скорее исключением, чем правилом. Но недавняя работа Элизабет Гоулд из Принстонского университета и Брюса МакЮэна из Рокфеллеровского университета показала, что новые нейроны продолжают появляться у взрослых обезьян-мартышек15.

Рост новых нейронных клеток был продемонстрирован в гиппокампе, структуре мозга, играющей особую роль для памяти. В другом исследовании Элизабет Гоулд и её коллеги обнаружили продолжающийся рост новых нейронов в коре взрослых обезьян-макак16. Новые нейроны добавляются к гетеромодальной ассоциативной коре в префронтальной, нижней височной и задней теменной областях — в зонах мозга, участвующих в наиболее сложных аспектах переработки информации.

Новые данные, полученные как на животных, так и на людях, открывают совершенно новый путь осмысления эффектов когнитивных упражнений. Вместо того, чтобы пытаться сформировать или трансформировать специфические психические процессы, попробуй перестроить сам мозг.

Хотя большинству из нас понятно, что психические процессы являются процессами мозговыми, логика, лежащая за различными подходами к когнитивной тренировке, различна. Ранние попытки акцентировали отдельные функции, надеясь, что в результате мозговые структуры, соответствующие этой функции, могут быть как-то модифицированы. Новый подход подчёркивает обобщённые, широкие влияния когнитивных упражнений на мозг. Игрок в теннис или гольф, ежедневно тренируясь, может стремиться к улучшению определённой техники игры. Это соответствует специфической, ориентированной на задачу, когнитивной тренировке. Или же он может надеяться, что, тренируя некоторые определённые аспекты техники, он улучшит другие аспекты техники и тем самым игру в целом. Это соответствует тренировке всей функциональной системы. Или, наконец, он может начать цикл тренировок с целью улучшить не столько игру как таковую, но само тело, которое играет: повысить общую силу, координацию и выносливость. Это соответствует попытке улучшить функцию мозга. Третья цель намного более амбициозна, чем первые две, но новые данные дают основание полагать, что она достижима, по крайней мере в принципе.

Изучение животных показывает, что рост «мощи мозга» путём когнитивной активации — отнюдь не фантазия. Учёные в знаменитом Институте биологических исследований Солка в южной Калифорнии проверяли эффекты воздействия обогащённого окружения на взрослых мышей17. Они обнаружили, что у мышей, помещённых в клетки, оборудованные колёсами, туннелями и другими игрушками, развивалось до 15% больше нервных клеток, чем у мышей, оставшихся в стандартных клетках. «Стимулированные» мыши также лучше, чем «нестимулированные», выполняли различные тесты на «мышиный интеллект». Они были способны лучше и быстрее обучаться лабиринтам.

Эти находки важны в двух отношениях. Во-первых, они развенчивают старое представление о том, что новые нейроны не могут развиваться во взрослом мозге, — они могут. Во-вторых, эти находки с драматической ясностью демонстрируют, что когнитивная стимуляция может изменить структуру самого мозга и улучшить его способность к переработке информации. Рост новых нейронов был особенно заметен в зубчатой извилине гиппокампа, структуре на медиальной поверхности височной доли, которая считается особенно важной для памяти18.

Возникновение новых клеток («пролиферация нейронов») во взрослом мозге представляется связанной с так называемыми нейробластами, предшественниками нейронов, которые в свою очередь развиваются из общих клеточных «полуфабрикатов», называемых стволовыми клетками. Эти стволовые клетки и нейробласты продолжают расти в течение взрослости, но обычно они не выживают, чтобы стать нейронами. Исследование Института Солка даёт основание предполагать, что когнитивная стимуляция повышает шансы выживания для нейробластов, позволяя им стать полноценными нейронами19.

Из всех применений когнитивных упражнений особенно многообещающей является их профилактическая роль, помогающая людям дольше наслаждаться своим когнитивным здоровьем. Как житейские наблюдения, так и формальные исследования показали, что образование дарует защитный эффект от деменции. Для высокообразованных людей вероятность того, что они заболеют деменцией, меньше. Исследовательская Сеть успешного старения при Фонде МакАртура финансировала изучение индикаторов когнитивных изменений у пожилых людей. Выяснилось, что образование является наиболее мощным индикатором когнитивной сохранности в старческом возрасте20.

Механизм этой связи не вполне понятен. Защищает ли от деменции образ жизни, связанный с образованием, или же некоторые люди рождаются с особенно «успешной» нейробиологией, которая одновременно и делает их лучшими кандидатами для высшего образования, и защищает их от деменции? Разумно предположить, что защищает от деменции скорее именно природа деятельности, связанной с высшим образованием, чем само образование. Высокообразованные люди — в силу самой природы их профессий — с большей вероятностью, чем менее образованные, вовлекаются в пожизненную энергичную умственную деятельность.

Если допустить, что неврологическое заболевание, вызывающее деменцию, поражает обе группы с равной частотой, то неврологическое заболевание равной серьёзности будет иметь менее разрушительное воздействие на хорошо тренированный мозг, чем на плохо тренированный мозг. Это произойдёт в силу дополнительных резервов, которые имеет хорошо тренированный мозг благодаря дополнительным нейронным связям и кровеносным сосудам. Равная степень структурного повреждения произведёт меньшее функциональное разрушение. И опять на ум приходит аналогия между когнитивной тренированностью и физической тренированностью. Случай сестры Марии представляет этот феномен с драматической и примечательной ясностью. Она успешно выполняла когнитивные тесты до самой своей смерти в возрасте 101 года. И это несмотря на тот факт, что посмертное исследование её мозга обнаружило многочисленные нейрофибриллярные клубочки и амилоидные бляшки, — признаки болезни Альцгеймера. Похоже, что сестра Мария имела здоровый ум внутри мозга, поражённого болезнью Альцгеймера!

Сестра Мария принадлежала к Школе сестёр из Нотр-Дама, широко изученной и описанной группе монахинь из г. Манкато в штате Миннесота. Примечательные своим долголетием, они известны также полным отсутствием среди них болезни Альцгеймера. Этот феномен был единодушно приписан пожизненной привычке быть когнитивно активными. Монахини постоянно упражняли свои умы загадками, карточными играми, обсуждением текущей политики и другими умственными занятиями. Более того, монахини, окончившие колледж, которые преподавали и систематически участвовали в других требующих умственных усилий активностях, в среднем жили дольше, чем менее образованные монахини21. Эти наблюдения когнитивного здоровья монахинь оказались столь убедительными, что было запланировано посмертное исследование для изучения отношения между когнитивной стимуляцией и дендритным разрастанием.

В случае монахинь защитный эффект когнитивных упражнений мозга был кумулятивным, действующим на протяжении всей их жизни. В архивах были найдены автобиографии монахинь, написанные ими в возрасте от 20 до 30 лет. Когда было изучено отношение между этими ранними сочинениями и преобладанием деменции в поздние годы, возникла поразительная картина. Те монахини, которые в своей юности писали более грамматически правильные и концептуально богатые эссе, сохраняли свою умственную бодрость значительно дольше в жизни, чем те монахини, которые писали простой фактуальной прозой, когда были молодыми22.

Эти находки вызвали в популярной прессе спекуляции о том, что при деменции речь идёт о заболевании, длящемся всю жизнь, которое начинает воздействовать на некоторых людей субклинически на раннем этапе их жизни, вынуждая их писать более простую прозу. Но столь же вероятно, что те же аспекты организации мозга, которые делают некоторых людей «умнее» других, также наделяют их защитным эффектом в отношении деменции на позднем этапе жизни. Возможно также, что монахини, которые рано развили в себе привычку напрягать свой ум и, по-видимому, сохранили эту привычку, приобрели защиту для своего мозга, которая оказалась столь важной в их поздние годы.

Насколько универсально защитное влияние когнитивной стимуляции на умственный упадок? Похоже, что универсально, ибо этот эффект может быть продемонстрирован также и для других видов. Это было продемонстрировано Делу с коллегами для крыс-самцов вида Спраг-Дейли23. Животные с опытом обучения различным задачам были менее подвержены возрастному дефекту памяти, чем крысы без истории «умственных упражнений».

«Используй вещь, или ты её потеряешь» — старое изречение. Кажется, что оно прямо и буквально применимо к мышлению. Два учёных из Университета штата Пенсильвания, Уорнер Шайе и Шерри Уиллис опубликовали статью с интригующим названием: «Можно ли сделать обратимым упадок интеллектуального функционирования у взрослых людей?»24. Авторы исследовали группу индивидов в возрасте от 64 до 95 лет, которые страдали когнитивным упадком многих умственных функций на протяжении более чем 14 лет. Может ли относительно короткий тренировочный цикл восстановить их мыслительные процессы до исходного уровня, компенсировать 14 лет упадка пространственной ориентации и индуктивного мышления? Во многих случаях ответом оказалось «да». Более того, когнитивная реабилитация была генерализованной; она могла быть продемонстрирована многими независимыми тестами различных когнитивных функций, причём не только на тех задачах, которые использовались при тренировке. Эффект был длительным; у многих участников он мог быть продемонстрирован через семь лет после завершения тренировочного цикла. Авторы пришли к заключению, что тренировочный цикл реактивировал когнитивные навыки, которые начали «ржаветь» от недостатка применения.

Если от когнитивных упражнений логично ожидать терапевтических эффектов, то почему ранние попытки когнитивной реабилитации эффектов повреждения мозга имели весьма относительный успех? Для этого есть разные основания. Первое основание лежит в самом различии между когнитивной тренировкой повреждённого мозга и когнитивными упражнениями неповреждённого или почти неповреждённого мозга, между лечением и профилактикой. Известно, что легче предотвратить заболевание, чем лечить его. Тяжело повреждённый мозг будет меньше поддаваться терапии, чем здоровый мозг — профилактике.

Второе основание относится к тому, как когнитивные упражнения традиционно формулировались в рамках «старой» философии. В попытке нацелиться на специфическую, очень узкую когнитивную функцию, использовались узкие когнитивные упражнения. Логично, что чем более широка когнитивная тренировочная программа, тем более общими являются эффекты. Используя аналогию с физической тренированностью, можно сказать, что индивид, который проводит все тренировочное время, повторяя одно и то же упражнение, не может ожидать улучшения своей сердечно-сосудистой системы. Для этой цели нужна комбинация различных упражнений.

Третье основание относится к способам измерения эффектов лечения. Измеряя эффекты одного когнитивного упражнения способностью выполнять другую когнитивную задачу, мы делаем предположение о специфической природе терапевтических эффектов, которые пытаемся измерить. Неудача с поиском эффекта может, разумеется, быть результатом действительного отсутствия эффекта. Но она так же легко может быть отражением нашей неудачи в поиске измерения, подходящего для его фиксации. Так как мы стараемся усилить лежащие в основе биологические процессы, было бы лучше измерять эти процессы прямо. И действительно, когда эффекты когнитивных упражнений оценивались позитронно-эмиссионной томографией (PET), был обнаружен улучшившийся метаболизм глюкозы (важный маркер функции мозга)25.

Четвёртое основание относится к тому, чем являются разумные ожидания эффектов когнитивной тренировки. Если общие функции мозга усиливаются в результате таких тренировок, то ожидаемый эффект может быть широким, но относительно малым в любой узкой сфере.

В любом случае, современные данные о размножении нейронных клеток на всем протяжении жизни вдохнули новую жизнь в концепцию когнитивных упражнений и дали им новое обоснование.