От улитки до профессора Гарварда: что происходит с мозгом, когда мы учимся

Вопросом, зачем мозгу учиться, занимаются как минимум две важные науки — нейробиология и экспериментальная психология. Нейробиология, изучающая нервную систему и происходящее в мозге на уровне нейронов в момент обучения, работает чаще всего не с людьми, а с крысами, улиточками и червячками. Специалисты по экспериментальной психологии пытаются понять, какие вещи влияют на обучаемость человека: например, дают ему важное задание, проверяющее его память или обучаемость, и смотрят, как он с ним справляется. Эти науки интенсивно развивались в последние годы.
Если смотреть на обучение с точки зрения экспериментальной психологии, то полезно вспомнить, что эта наука — наследница бихевиоризма, а бихевиористы считали, что мозг — черный ящик, и их принципиально не интересовало, что в нем происходит. Они воспринимали мозг как систему, на которую можно воздействовать стимулами, после чего в ней случается какая-то магия, и она определенным образом на эти стимулы реагирует. Бихевиористов интересовало, как может выглядеть эта реакция и что на нее способно влиять. Они считали, что обучение — это изменение поведения в результате освоения новой информации. Это определение до сих пор широко применяется в когнитивных науках. Скажем, если студенту дали почитать Канта и он запомнил, что есть «звездное небо над головой и моральный закон во мне», озвучил это на экзамене и ему поставили пятерку, значит, произошло обучение.
С другой стороны, такое же определение применимо и к поведению морского зайца (аплизии). Нейробиологи часто ставят опыты с этим моллюском. Если бить аплизию током в хвостик, она начинает бояться окружающей реальности и втягивать жабры в ответ на слабые стимулы, которых она раньше не боялась. Таким образом, у нее тоже происходит изменение поведения, обучение. Это определение можно применять и к еще более простым биологическим системам. Представим себе систему из двух нейронов, соединенных одним контактом. Если мы подадим на нее два слабых импульса тока, то в ней временно изменится проводимость и одному нейрону станет легче подавать сигналы другому. Это тоже обучение на уровне этой маленькой биологической системы. Таким образом, от обучения, которое мы наблюдаем во внешней реальности, можно построить мостик к тому, что происходит в мозге. В нем есть нейроны, изменения в которых влияют на нашу реакцию на среду, т. е. на произошедшее обучение.
Как работает мозг
Но чтобы говорить о мозге, нужно иметь базовое представление о его работе. В конце концов, у каждого из нас в голове есть эти полтора килограмма нервной ткани. Мозг состоит из 86 миллиардов нервных клеток, или нейронов. У типичного нейрона есть тело клетки со множеством отростков. Часть отростков — дендриты, которые собирают информацию и передают ее на нейрон. А один длинный отросток, аксон, передает ее следующим клеткам. Под передачей информации в рамках одной нервной клетки подразумевается электрический импульс, который идет по отростку, как по проводу. Один нейрон взаимодействует с другим через место контакта, которое называется «синапс», сигнал идет с помощью химических веществ. Электрический импульс приводит к высвобождению молекул — нейромедиаторов: серотонина, дофамина, эндорфинов. Они просачиваются через синаптическую щель, воздействуют на рецепторы следующего нейрона, и он изменяет свое функциональное состояние — например, у него на мембране открываются каналы, через которые начинают проходить ионы натрия, хлора, кальция, калия и т. д. Это приводит к тому, что на нем, в свою очередь, тоже формируется разность потенциалов, и электрический сигнал идет дальше, на следующую клетку.
Но когда клетка передает сигнал другой клетке, этого чаще всего недостаточно для каких-то заметных изменений в поведении, ведь один сигнал может получиться и случайно из-за каких-то возмущений в системе. Для обмена информацией клетки передают друг другу много сигналов. Главный кодирующий параметр в мозге — это частота импульсов: когда одна клетка хочет что-то передать другой клетке, она начинает посылать сотни сигналов в секунду. Кстати, ранние исследовательские механизмы 1960–70-х годов формировали звуковой сигнал. В мозг экспериментальному животному вживляли электрод, и по скорости треска пулемета, который слышался в лаборатории, можно было понять, насколько активен нейрон.
Система кодирования с помощью частоты импульсов работает на разных уровнях передачи информации — даже на уровне простых зрительных сигналов. У нас на сетчатке есть колбочки, которые реагируют на разные длины волн: короткие (в школьном учебнике они называются синие), средние (зеленые) и длинные (красные). Когда на сетчатку поступает волна света определенной длины, разные колбочки возбуждаются в разной степени. И если волна длинная, то красная колбочка начинает интенсивно подавать сигнал в мозг, чтобы вы поняли, что цвет красный. Впрочем, тут все не так просто: у колбочек перекрывается спектр чувствительности, и зеленая тоже делает вид, что она что-то такое увидела. Дальше мозг самостоятельно это анализирует.
Как мозг принимает решения
Принципы, аналогичные тем, что используются в современных механических исследованиях и опытах на животных с вживленными электродами, можно применять и к гораздо более сложным поведенческим актам. Например, в мозге есть так называемый центр удовольствия — прилежащее ядро. Чем более активна эта область, тем сильнее испытуемому нравится то, что он видит, и выше вероятность, что он захочет это купить или, например, съесть. Эксперименты с томографом показывают, что по определенной активности прилежащего ядра можно еще до того, как человек озвучит свое решение, допустим, относительно покупки кофточки, сказать, будет он ее покупать или нет. Как говорит прекрасный нейробиолог Василий Ключарев, мы делаем все, чтобы понравиться нашим нейронам в прилежащем ядре.
Сложность в том, что у нас в мозге нет единства суждений, каждый отдел может иметь свое мнение о происходящем. История, похожая на спор колбочек в сетчатке, повторяется и с более сложными вещами. Допустим, вы увидели кофточку, она вам понравилась, и ваше прилежащее ядро издает сигналы. С другой стороны, эта кофточка стоит 9 тысяч рублей, а зарплата еще через неделю — и тогда ваша амигдала, или миндалевидное тело (центр, связанный в первую очередь с негативными эмоциями), начинает издавать свои электрические импульсы: «Слушай, остается мало денег. Если мы сейчас купим эту кофточку, у нас будут проблемы». Лобная кора принимает решение в зависимости от того, кто громче орет — прилежащее ядро или амигдала. И тут еще важно, что каждый раз впоследствии мы способны проанализировать последствия, к которым это решение привело. Дело в том, что лобная кора общается и с амигдалой, и с прилежащим ядром, и с отделами мозга, связанными с памятью: они ей рассказывают, что произошло после того, как в прошлый раз мы принимали такое решение. В зависимости от этого лобная кора может более внимательно отнестись к тому, что говорят ей амигдала и прилежащее ядро. Так мозг способен меняться под влиянием опыта.
Почему мы рождаемся с маленьким мозгом
Все человеческие дети рождаются недоразвитыми, буквально недоношенными в сравнении с детенышами любого другого вида. Ни у одного животного нет настолько длинного детства, как у человека, и у них не бывает потомства, которое рождалось бы с настолько маленьким мозгом относительно массы мозга взрослого: у человеческого новорожденного она составляет лишь 30%.
Все исследователи сходятся во мнении, что мы вынуждены рождать человека незрелым из-за внушительного размера его мозга. Классическое объяснение — это акушерская дилемма, то есть история конфликта между прямохождением и большой головой. Чтобы родить детеныша с такой головой и крупным мозгом, нужно иметь широкие бедра, но невозможно их бесконечно расширять, потому что это будет мешать ходить. По подсчетам антрополога Холли Дансуорт, чтобы рожать более зрелых детей, достаточно было бы увеличить ширину родового канала всего на три сантиметра, но эволюция все равно в какой-то момент остановила расширение бедер. Эволюционные биологи предположили: вероятно, мы и должны рождаться недоношенными, чтобы наш мозг развивался во взаимодействии с внешней средой, ведь в матке в целом довольно мало стимулов.
Есть знаменитое исследование Блэкмора и Купера. Они в 70-е годы проводили опыты с котятами: большую часть времени держали их в темноте и на пять часов в день сажали в освещенный цилиндр, где они получали не совсем обычную картину мира. Одна группа котят в течение нескольких месяцев видела только горизонтальные полосы, а другая — только вертикальные. В итоге у котят возникли большие проблемы с восприятием реальности. Одни врезались в ножки стульев, потому что не видели вертикальных линий, другие таким же образом игнорировали горизонтальные — например, не понимали, что у стола есть край. С ними проводили тесты, играли с помощью палочки. Если котенок рос среди горизонтальных линий, то горизонтальную палочку он видит и ловит, а вертикальную просто не замечает. Затем вживляли электроды в кору головного мозга котят и смотрели, каким должен быть наклон палочки, чтобы нейроны начали издавать сигналы. Важно, что со взрослым котом во время такого эксперимента ничего бы не случилось, а вот мир маленького котенка, чей мозг только учится воспринимать информацию, вследствие подобного опыта может быть навсегда искажен. Нейроны, которые никогда не подвергались воздействию, перестают функционировать.
Чем люди похожи на моллюсков
Мы привыкли считать, что чем больше связей между разными нейронами, отделами человеческого мозга, тем лучше. Это так, но с определенными оговорками. Нужно не просто чтобы связей было много, а чтобы они имели какое-то отношение к реальной жизни. У полуторагодовалого ребенка синапсов, то есть контактов между нейронами в мозге, гораздо больше, чем у профессора Гарварда или Оксфорда. Проблема в том, что эти нейроны связаны хаотично. В раннем возрасте мозг быстро созревает, и его клетки формируют десятки тысяч синапсов между всем и всем. Каждый нейрон раскидывает отростки во все стороны, и они цепляются за все, до чего смогли дотянуться. Но дальше начинает работать принцип «Используй, или потеряешь». Мозг живет в окружающей среде и пытается справляться с разными задачами: ребенка учат координировать движения, хватать погремушку и т. д. Когда ему показывают, как есть ложкой, у него в коре остаются связи, полезные, чтобы есть ложкой, так как именно через них он гонял нервные импульсы. А связи, которые отвечают за то, чтобы расшвыривать кашу по всей комнате, становятся менее выраженными, потому что родители такие действия не поощряют.
Процессы роста синапсов довольно хорошо изучены на молекулярном уровне. Эрику Канделу дали Нобелевскую премию за то, что он догадался изучать память не на людях. У человека 86 миллиардов нейронов, и, пока ученый разобрался бы в этих нейронах, ему пришлось бы извести сотни испытуемых. А поскольку никто не позволяет вскрывать мозги стольким людям ради того, чтобы посмотреть, как они научились держать ложку, Кандел придумал работать с улиточками. Аплизия — суперудобная система: с ней можно работать, изучив всего четыре нейрона. На самом деле у этого моллюска больше нейронов, но на его примере гораздо проще выявить системы, связанные с обучением и памятью. В ходе экспериментов Кандел понял, что кратковременная память — это временное усиление проводимости уже существующих синапсов, а долговременная заключается в росте новых синаптических связей. Это оказалось применимо и к человеку — похоже на то, как мы ходим по траве. Сначала нам все равно, куда идти на поле, но постепенно мы протаптываем тропинку, которая потом превращается в грунтовую дорогу, а затем в асфальтированную улицу и трехполосное шоссе с фонарями. Похожим образом нервные импульсы протаптывают себе дорожки в мозге.
Как формируются ассоциации
Наш мозг так устроен: он формирует связи между событиями, происходящими одновременно. Обычно при передаче нервного импульса выделяются нейромедиаторы, которые воздействуют на рецептор, и электрический импульс идет на следующий нейрон. Но есть один рецептор, который работает не так, он называется NMDA. Это один из ключевых рецепторов для формирования памяти на молекулярном уровне. Его особенность в том, что он работает в том случае, если сигнал пришел с обеих сторон одновременно.
Все нейроны куда-то ведут. Один может привести в большую нейронную сеть, которая связана со звучанием модной песенки в кафе. А другие — в другую сеть, связанную с тем, что вы пошли на свидание. Мозг заточен на то, чтобы связывать причину и следствие, он на анатомическом уровне способен запомнить, что между песней и свиданием есть связь. Рецептор активируется и пропускает через себя кальций. Он начинает вступать в огромное количество молекулярных каскадов, которые приводят к работе некоторых до этого не работавших генов. Эти гены проводят синтез новых белков, и вырастает еще один синапс. Так связь между нейронной сетью, отвечающей за песенку, и сетью, отвечающей за свидание, становится более прочной. Теперь даже слабого сигнала достаточно, чтобы пошел нервный импульс и у вас сформировалась ассоциация.
Как обучение влияет на мозг
Есть знаменитая история о лондонских таксистах. Не знаю, как сейчас, но буквально несколько лет назад для того, чтобы стать настоящим таксистом в Лондоне, нужно было сдать экзамен по ориентации в городе без навигатора — то есть знать как минимум две с половиной тысячи улиц, одностороннее движение, дорожные знаки, запреты на остановку, а также уметь выстроить оптимальный маршрут. Поэтому, чтобы стать лондонским таксистом, люди несколько месяцев ходили на курсы. Исследователи набрали три группы людей. Одна группа — поступившие на курсы, чтобы стать таксистами. Вторая группа — те, кто тоже ходил на курсы, но бросил обучение. А люди из третьей группы вообще не думали становиться таксистами. Всем трем группам ученые сделали томограмму, чтобы посмотреть плотность серого вещества в гиппокампе. Это важная зона мозга, связанная с формированием памяти и пространственным мышлением. Обнаружилось, что если человек не хотел становиться таксистом или хотел, но не стал, то плотность серого вещества в его гиппокампе оставалась прежней. А вот если он хотел стать таксистом, прошел тренинг и действительно овладел новой профессией, то плотность серого вещества увеличилась на треть — это очень много.
И хотя до конца не ясно, где причина, а где следствие (то ли люди действительно овладели новым навыком, то ли у них изначально была хорошо развита эта область мозга и поэтому им было легко научиться), совершенно точно наш мозг — дико пластичная штука, и индивидуальное обучение серьезно на него влияет — в значительно большей степени, чем врожденные предрасположенности. Важно, что и в 60 лет обучение оказывает воздействие на мозг. Конечно, не так эффективно и быстро, как в 20, но целом мозг в течение всей жизни сохраняет некоторую способность к пластичности.
Зачем мозгу лениться и спать
Когда мозг чему-то учится, он выращивает новые связи между нейронами. А это процесс медленный и дорогостоящий, на него нужно тратить много калорий, сахара, кислорода, энергии. Вообще, человеческий мозг, притом что его вес составляет всего 2% от веса всего тела, потребляет около 20% всей энергии, которую мы получаем. Поэтому при любой возможности он старается ничему не учиться, не тратить энергию. На самом деле это очень мило с его стороны, ведь если бы мы запоминали все, что видим каждый день, то мы довольно быстро сошли бы с ума.
В обучении, с точки зрения мозга, есть два принципиально важных момента. Первый заключается в том, что, когда мы осваиваем любой навык, нам становится легче действовать правильно, чем неправильно. Например, вы учитесь водить машину с механической коробкой передач, и вам сначала все равно, переключать передачу с первой на вторую или с первой на четвертую. Для вашей руки и мозга все эти движения равновероятны; вам неважно, в какую сторону гнать нервные импульсы. А когда вы уже более опытный водитель, то вам физически проще переключать передачи правильно. Если вы попадете в машину с принципиально другой конструкцией, вам снова придется задумываться и контролировать усилием воли, чтобы импульс не пошел по проторенной дорожке.
Второй важный момент: главное в обучении — это сон. У него много функций: поддержание здоровья, иммунитета, обмена веществ и разных сторон работы мозга. Но все нейробиологи сходятся в том, что самая главная функция сна — это работа с информацией и обучением. Когда мы освоили какой-то навык, то хотим сформировать долговременную память. Новые синапсы растут несколько часов, это долгий процесс, и мозгу удобнее всего это делать именно тогда, когда вы ничем не заняты. Во время сна мозг обрабатывает информацию, полученную за день, и стирает то, что из этого надо забыть.
Есть эксперимент с крысами, где их учили ходить по лабиринту с вживленными в мозг электродами и обнаружили, что во сне они повторяли свой путь по лабиринту, а на следующий день ходили по нему лучше. Во многих тестах на людях показано, что то, что мы выучили перед сном, вспомнится лучше, чем выученное с утра. Выходит, что студенты, которые принимаются за подготовку к экзамену где-то ближе к полуночи, все делают правильно. По той же причине важно думать о проблемах перед сном. Конечно, заснуть будет сложнее, но мы загрузим вопрос в мозг, и, может быть, наутро придет какое-то решение. Кстати, сновидения — это, скорее всего, просто побочный эффект обработки информации.
Как обучение зависит от эмоций
Обучение в большой степени зависит от внимания, потому что оно направлено на то, чтобы снова и снова прогонять импульсы по конкретным путям нейронной сети. Из огромного количества информации мы на чем-то фокусируемся, берем это в рабочую память. Дальше то, на чем мы удерживаем внимание, попадает уже в память долговременную. Вы могли понять всю мою лекцию, но это не означает, что вам будет легко ее пересказать. А если вы прямо сейчас на листке бумаги нарисуете велосипед, то это не значит, что он будет хорошо ездить. Люди склонны забывать важные детали, особенно если они не специалисты по велосипедам.
У детей всегда были проблемы с вниманием. Но сейчас в этом смысле все становится проще. В современном обществе уже не так нужны конкретные фактические знания — просто их стало невероятно много. Гораздо важнее оказывается способность быстро ориентироваться в информации, отличать достоверные источники от недостоверных. Нам уже почти и не нужно долго концентрироваться на одном и том же и запоминать большие объемы информации — важнее быстро переключаться. Кроме того, сейчас появляется все больше профессий как раз для людей, которым сложнее концентрироваться.
Есть еще один важный фактор, влияющий на обучение, — эмоции. На самом деле это вообще главное, что у нас было на протяжении многих миллионов лет эволюции, еще до того, как мы нарастили всю эту огромную лобную кору. Ценность овладения тем или иным навыком мы оцениваем с точки зрения того, радует он нас или нет. Поэтому здорово, если удается наши базовые биологические эмоциональные механизмы вовлекать в обучение. Например, выстраивать такую систему мотивации, в которой лобная кора не думает о том, что мы должны выучить что-то с помощью усидчивости и целенаправленности, а в которой прилежащее ядро говорит, что ему просто чертовски нравится это занятие.