Торкель Клингберг - Перегруженный мозг. Информационный поток и пределы рабочей памяти

Предположим, мы определили ключевые области мозга, которые регулируют процесс развития памяти в детстве. Какие изменения происходят в теменной и лобной долях при увеличении информационных нагрузок? Почему память не безгранична? На эту тему было проведено несколько исследований. Ученые задались целью выяснить, что происходит с мозговой активностью при увеличении количества букв, цифр или лиц, которые предлагается запомнить испытуемым [62] Сводные данные об информационном потоке и мозговой активности приведены по источнику: Klingberg, Т. Limitations in information processing in the human brain: neuroimaging of dual task performance and working memory tasks. Progress in Brain Research. 2000,126: 95-102. . Результаты исследований во многом совпали, в частности, они показали, что скорость кровотока и метаболизма постепенно увеличивалась по мере увеличения объема информации. Может ли это означать, что существует некий метаболический предел в виде нехватки кислорода? Или в соответствующие области мозга поступает недостаточное количество крови, и именно этот фактор ограничивает деятельность нашей рабочей памяти? Может быть, в нашем мозге образуется молочная кислота? Если вы когда-нибудь выполняли тест на запоминание, когда вам называют восемь цифр, которые надо повторить в обратном порядке, мысль о молочной кислоте в мозге может показаться не совсем абсурдной.

Однако ни одно из этих объяснений не представляется достаточно убедительным. Кровоснабжение мозга устроено так, что нейроны всегда получают достаточное количество обогащенной кислородом крови. Когда нейроны активируются, увеличивая скорость метаболизма и расход кислорода, приток крови к ним возрастает настолько, что происходит сверхкомпенсация, и кислорода и крови поступает больше, чем когда нейроны бездействуют. Известно также, что в экстремальных ситуациях, например во время эпилептического припадка, в мозге увеличивается кровоток в гораздо большей степени, чем при выполнении задач, требующих интеллектуальных усилий. Так что придется искать другие вероятные объяснения. Возможно, изучая динамику возрастных изменений теменной и лобной долей, мы поймем, какие механизмы лежат в основе совершенствования рабочей памяти.

Исследования детского мозга помогают нам избавиться от наивного штампа: мы всегда были убеждены в том, что мозг — высокофункциональная система, содержащая огромное количество нейронов. Кстати, в лобной доле двухлетнего ребенка содержится почти в два раза больше синапсов — соединений между нейронами, — чем у взрослого в 20-летнем возрасте. И вместе с тем рабочая память у двухлетнего малыша функционирует гораздо хуже. На третьем году жизни плотность синапсов постепенно начинает снижаться и примерно к 12 годам достигает уровня взрослого человека [63] О синаптической плотности и развитии см.: Huttenlocher, P. Synaptic density in human frontal cortex — developmental changes and effects of aging. Brain Research, 1979.163:195–205. . После раннего перепроизводства количество нейронов, медиаторов и синапсов начинает стремительно уменьшаться.

В первые три месяца жизни ребенка в нервных волокнах, соединяющих два мозговых полушария, ежедневно гибнет 900 тысяч аксонов [64] О потере аксонов в процессе развития см.: LaMantia, A. S. & Rakic, P. Axon overproduction and elimination in the corpus callosum of the developing rhesus monkey. Journal of Neuroscience. 1990,10, 2156-75. . Почему объем рабочей памяти увеличивается, когда нейроны исчезают, объяснить сложно. Возможно, структура нервных сетей организована так, что некоторые важные связи усиливаются, а второстепенные ослабевают.

В детском возрасте происходит еще один важный процесс — миелинизация. Межклеточные соединения покрыты веществом, которое называется миелином; оно играет роль проводника сигналов. Миелинизация — процесс образования миелина вокруг аксонов ряда нервных волокон — обычно полностью завершается к концу второго года жизни ребенка. Основная функция миелина — вещества, образующего миелиновую оболочку нервных волокон, — быстрое проведение нервного импульса по аксонам, которые он окружает. Слой миелина постепенно уплотняется, именно этот процесс и называется миелинизацией. Миелинизация в основном приходится на первые два года жизни, однако, как теперь стало известно, процесс продолжается вплоть до двадцатилетнего возраста. Магнитно-резонансное сканирование также выявило связь между миелинизацией нервных волокон, соединяющих кору теменной и лобной долей, и развитием рабочей памяти [65] О гистологических исследованиях миелинизации см.: Yakovlev, P.I. & Lecours, A.-R. The myelogenetic cycles of regional maturation of the brain. In: Minkowsi, A. (ed.). Regional development of the brain in early life. Blackwell Scientific Publications: Oxford and Edinburgh: 1967, s. 3-70. С помощью магнитно-резонансного сканера можно провести косвенные измерения миелинизации, с использованием техники диффузионного тензорного отображения, которая измеряет диффузию воды в белом веществе. Об использовании этой техники для изучения развития белого вещества см.: Nagy, Z., Westerberg, H. & Klingberg, T Regional maturation of white matter during childhood and development of function. Journal of Cognitive Neuroscience. 2004,16:1227–1233. В другом исследовании диффузии выявлена связь миелинизации с изменением мозговой активности, см.: Olesen, P.J., Nagy, Z., Westerberg, H. & Klingberg, Т. Combined analysis of DTI and fMRI data reveals a joint maturation of white and grey matter in a fronto-parietal network. Cognitive Brain Research. 2003, 18:48–57. . Но почему этот феномен улучшает рабочую память, до конца не ясно. Возможно, это результат более интенсивного «общения» между нейронами. Другое объяснение — миелин увеличивает прочность связей, то есть повышает вероятность того, что импульс, посланный из теменной доли, достигнет лобной доли.

Таким образом, параллельно с развитием рабочей памяти в мозге происходит несколько процессов: усиление одних нейронных связей и ослабление других, значительная потеря соединений между различными областями мозга и миелинизация нервных волокон. Возможно, современные методы изучения человеческого мозга слишком примитивны, чтобы ответить на вопрос о пределах рабочей памяти. Может быть, надо искать объяснение, например, в характере синаптических связей между отдельными нейронами. Скептики считают, что сканировать мозг с помощью позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) или функциональной магнитно-резонансной томографии (ФМРТ) — все равно что измерять температуру компьютера: конечно, можно определить, насколько она повышается у работающего и понижается у выключенного компьютера, но это нисколько не помогает разобраться в устройстве и функциях компьютера.

Возможно, в будущем мы сможем сочетать методы с высокой разрешающей способностью, такие как электрофизиология с использованием тонких игл, когда обнаруживается активность отдельных нейронов, с методами сканирования, позволяющими одновременно измерить активность нескольких областей мозга, и таким образом интегрировать макроскопическую и микроскопическую информацию. Возможно также, наши знания о нейронах и их связях в будущем достигнут столь высокого уровня, что удастся создавать компьютерные модели мозга. С помощью этих моделей можно будет проверить различные гипотезы о поведении нейронов.