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

Также необходимо понимать, что не всякое изменение синапсов – даже изменение, вызванное нейронной активностью, – есть результат влияния окружающей среды. Мозг может использовать синаптическую пластичность и для само организации. На начальных стадиях он генерирует паттерны активности изнутри, в отсутствие каких-либо внешних воздействий. Эти паттерны активности в сочетании с синаптической пластичностью затем используются для формирования нервных связей. Во время внутриутробного развития никакой сенсорной информации не поступает, однако мозг, мышцы и даже сетчатка глаза уже проявляют спонтанную активность (именно поэтому плод шевелится). Нейроны – возбудимые клетки: они могут срабатывать самопроизвольно, а их потенциалы действия самоорганизуются в мощные волны. Так, в сетчатке плода регулярно зарождаются случайные волны спайков, которые, хоть и не несут никакой визуальной информации в строгом смысле этого слова, помогают организовать зрительные карты коры 126. Следовательно, на ранних этапах развития синаптическая пластичность не требует никакого взаимодействия с внешним миром. Только во время третьего триместра беременности граница между природой (наследственностью) и окружающей средой постепенно стирается: именно в это время мозг, который уже достаточно хорошо сформирован, начинает приспосабливаться как к внутреннему, так и к внешнему миру.

Даже после рождения нейроны продолжают генерировать случайные импульсы, не связанные с сенсорными сигналами. Очень медленно эта эндогенная активность развивается под влиянием органов чувств. Лучше всего данный процесс можно описать в рамках теоретической базы «байесовского мозга» 127. Первоначальная эндогенная активность представляет собой то, что статистики называют априорной вероятностью : ожидания мозга, его эволюционные предположения, предшествующие любому взаимодействию с окружающей средой. Позже эти предположения корректируются под действием сигналов окружающей среды, и через несколько месяцев жизни спонтанная нейронная активность начинает напоминать то, что статистики называют апостериорной вероятностью : исходное распределение вероятностей изменилось, чтобы точнее отражать статистику реального мира. В ходе развития мозга внутренние модели, запечатленные в наших нейронных сетях, собирают статистику по своим сенсорным входам и совершенствуются. Конечным результатом является компромисс, выбор наилучшей внутренней модели из тех, что доступны в рамках изначальной организации.

Выше мы убедились, что пластичность мозга, с одной стороны, творит чудеса, а с другой – носит весьма ограниченный характер. Все связи могут и должны меняться по мере того, как мы живем, взрослеем и учимся. Тем не менее главные из них формируются еще до рождения и остаются, по существу, одинаковыми у всех нас. Все, чему мы учимся, является результатом незначительных корректировок на уровне микросетей, масштаб которых редко превышает несколько миллиметров. Несмотря на то что в процессе созревания нейронов их концевые ветви наращивают новые терминали, образуя контакты с другими клетками, эти связи остаются в пределах, заданных генетически. В ответ на воздействие окружающей среды нейронные пути могут изменять свою локальную коннективность, силу и миелинизацию, окружая себя изолирующей оболочкой, которая облегчает передачу информации, но не могут переориентироваться по своему желанию.

Помимо пространственного ограничения на связность между отдаленными участками, существует и временное ограничение: во многих областях мозга пластичность максимальна только в течение определенного интервала, так называемого сензитивного периода. Сензитивный период начинается в раннем детстве и обычно занимает несколько лет. Точные сроки варьируются: сенсорные области достигают максимальной пластичности примерно в возрасте года или двух лет, в то время как области более высокого порядка, такие как префронтальная кора, – в детском или даже раннем подростковом возрасте. Несомненно одно: с возрастом пластичность уменьшается; в результате научение хоть и не останавливается полностью, но становится заметно труднее 128.

В течение первых двух лет жизни нейронные деревья растут очень быстро, образуя густые заросли. В мозге двухлетнего ребенка количество синапсов почти вдвое больше, чем у взрослого. В процессе развития дендритные деревья подвергаются регулярной обрезке: полезные синапсы сохраняются и множатся, а ненужные ликвидируются.

Причина, по которой я утверждаю, что маленькие дети – это подлинные самообучающиеся машины, заключается в том, что в первые годы жизни их мозгу свойственна невероятная синаптическая пластичность. Дендриты пирамидальных нейронов разрастаются с бешеной скоростью. При рождении кора ребенка напоминает лес после урагана – пустошь с торчащими кое-где голыми стволами. Однако уже через шесть месяцев от нее не остается и следа: нейронные связи и ответвления множатся, пока не образуют настоящие джунгли 129.

Такая прогрессирующая комплексификация нейронных деревьев может свидетельствовать о том, что окружающая среда накладывает свой отпечаток на мозг и заставляет его расти по мере накопления данных. В реальности, однако, все гораздо сложнее. В незрелом мозге синапсы не возникают прямо пропорционально научению. Они скорее создаются в чрезмерном количестве; роль окружающей среды состоит в том, чтобы эти синапсы сохранить или уничтожить – в зависимости от их полезности для организма. В раннем детстве плотность синапсов вдвое больше, чем во взрослом возрасте. В каждой области коры за непрерывными волнами перепроизводства следует избирательная ликвидация бесполезных синапсов или, наоборот, приумножение тех синапсов и дендритных и аксональных ветвей, которые доказали свою ценность. Вспомните об этом в следующий раз, когда увидите маленького ребенка: каждую секунду в его мозге создается или уничтожается несколько миллионов синапсов. Эта бурная деятельность в значительной степени объясняет существование сензитивных периодов. В раннем детстве дендритные и синаптические системы еще очень податливы; чем старше становится мозг, тем эта гибкость ниже. В зрелом мозге научение сводится к маргинальным изменениям.

Примечательно, что всплески синаптического перепроизводства и прунинга происходят не везде одновременно 130. Первичная зрительная кора, как и другие сенсорные области, созревает гораздо быстрее, чем области более высокого уровня. Организационный принцип, по-видимому, заключается в быстрой стабилизации входных сигналов путем фиксации корковой организации в низших сенсорных областях. Области, занимающие более высокие уровни в корковой иерархии – например, префронтальная кора, – сохраняют способность к трансформации намного дольше и стабилизируются последними: они продолжают меняться в подростковом возрасте и даже после него. У человека пик синаптического перепроизводства в зрительной коре заканчивается примерно в два года, в слуховой коре – в три-четыре года, в префронтальной коре – между пятью и десятью годами 131. Миелинизация, образование изолирующей оболочки вокруг аксонов, происходит по той же схеме 132. Первыми миелинизируются нейроны сенсорных областей. В результате обработка зрительной информации резко ускоряется: задержка передачи информации от сетчатки к зрительным областям снижается с четверти до десятой доли секунды в первые несколько недель жизни 133. Гораздо медленнее происходит изоляция пучков волокон, которые проецируются на лобную кору, зону абстрактного мышления, внимания и планирования. В течение многих лет маленькие дети обладают гибридным мозгом: их сенсорные и моторные нейроны достаточно зрелы, в то время как высшие области продолжают работать с медленной скоростью, характерной для немиелинизированных нейронов. По этой причине в течение первого года жизни им требуется в четыре раза больше времени, чем взрослым, чтобы осознать базовую информацию – например, присутствие лица 134.