О чём он вообще думает? Мозг подростка: время уникальных возможностей

Сегодня мы способны объяснять изменения в поведении подростков развитием их мозга, поскольку за последние 20 лет в этой области был достигнут колоссальный прогресс. Испокон веков ученые пытались разгадать тайну функционирования мозга, их теории восходят к эпохе ранних философов. Революция в науке о мозге произошла после внедрения новых технологий сканирования мозга. Реальное измерение мозговой активности стало возможно лишь несколько десятилетий назад, и с тех пор эти методы измерения и знания продолжали совершенствоваться. В последнее время исследованиям мозга уделяется первостепенное внимание. Прежде чем перейти к главам, посвященным описанию влияния растущего мозга на поведение подростка, давайте вкратце ознакомимся со строением мозга и методами измерения мозговой активности.

Строение мозга

Мозг состоит из связанных между собой нервных клеток, называемых нейронами. Только в 2012 году ученые обнаружили, что мозг содержит около 86 миллиардов нейронов (раньше считалось, что их гораздо больше – около 100 миллиардов). Так или иначе, 86 миллиардов – это огромное количество, превышающее число нейронов у других животных. Главная особенность нейронов заключается в том, что они образуют сети и взаимодействуют друг с другом. Совместно со спинным мозгом головной формирует центральную нервную систему.

Мозг состоит из серого и белого вещества. Серое вещество образовано клеточными телами нейронов. Нервные клетки генерируют потенциал действия (волну электрического разряда), посылая таким образом информацию другим клеткам. Нервным клеткам помогают глиальные клетки (от древнегреческого «глия» – клей), которые производят миелиновую оболочку (изолирующее защитное вещество, улучшающее проведение нервного импульса), поддерживают структуру и перерабатывают отходы. Белое вещество образовано аксонами (отростками нервных клеток), соединяющими нервные клетки на большом расстоянии.

В головном мозге различают несколько областей, каждая из которых выполняет свою функцию. Давайте их перечислим. Мозжечок, расположенный в задней части головного мозга и похожий на гриб, участвует в формировании двигательных навыков и отвечает за координацию движений, регуляцию равновесия и мышечного тонуса. Мост (он же Варолиев мост) представляет собой небольшое образование, сочленяющее спинной и головной мозг; это самая древняя структура головного мозга. Мост передает информацию от расположенных выше отделов мозга в мозжечок. Над мостом находится средний мозг, также имеющий значение для передачи сенсорных и двигательных сигналов. Чуть выше располагаются таламус и гипоталамус, играющие важную роль в регуляции гормонов, а также в терморегуляции организма.

Конечный (или большой) мозг – самый передний отдел головного мозга. Он образован двумя полушариями и покрыт корой головного мозга. Кора головного мозга представляет собой складчатый внешний слой мозга, гораздо более развитый у человека, чем у животных. Благодаря наличию извилин и борозд кора покрывает изрядную поверхность. Если бы кору можно было разгладить, то мозг сравнился бы по размеру с баскетбольным мячом, а не с двумя сжатыми кулаками, как у современного человека. Кора имеет сложнейшую структуру и отвечает за восприятие всей поступающей в мозг информации.

Изображение клетки головного мозга, состоящей из ядра, аксона и дендрита. Аксон окружен миелиновой оболочкой – изолирующим белым веществом, которое улучшает проводимость нервного импульса. Сигналы между клетками передаются через синапсы, которые генерируют потенциалы действия. Так информация из одной клетки мозга передается в другую

Кора головного мозга покрывает два полушария. Каждое из них состоит из четырех долей, примыкающих к соответствующим костям свода черепа: затылочной, височной, теменной и лобной. Затылочная доля отвечает за переработку зрительной информации. Теменная – за чувствительность и ориентацию в пространстве. Височная доля имеет первостепенное значение для слуха, речевых функций и памяти. И, наконец, лобная доля обеспечивает осмысленные и целенаправленные действия.

Проекции головного мозга: вид сбоку, в продольном разрезе, вид сверху и спереди (на рисунке вверху)

Наиболее важные структуры мозга. Слева: вид сбоку; справа: головной мозг в продольном разрезе (на рисунке внизу)

К более глубоким структурам, взаимодействующим с корой головного мозга при формировании поведения, относятся базальные ганглии и миндалевидное тело. Базальные ганглии являются ключевой структурой обучения и системы вознаграждения (это совокупность структур нервной системы, которые участвуют в регуляции и контроле поведения при помощи положительных реакций на действия). Миндалевидное тело задействовано в управлении эмоциями.

Правое и левое полушария головного мозга соединяются мозолистым телом – эта структура в центре мозга координирует работу обоих полушарий. Распространено утверждение, что левое полушарие отвечает за логику и разум, а правое – за эмоции, но это ошибочно. Оба полушария участвуют в выполнении всех наших функций. Существуют некоторые свидетельства доминирующей роли левого полушария в развитии речи и языковых способностей, но даже в данном случае необходима слаженная работа обоих полушарий (см. главу 2 «Обучающийся мозг»).

Развитие коры головного мозга – невероятно сложный процесс. Приблизительно через 6–18 недель после зачатия эмбрион производит гигантское количество нейронов (более 200 тысяч в минуту!), с чего и начинается формирование мозга. Из так называемой нервной трубки мозговые клетки отправляются разведывать новые места, образуя в конечном итоге связи между отделами мозга. Таким образом, слои коры головного мозга формируются изнутри наружу. Некоторые из этих клеток уже выполняют отведенную им при создании роль, двигаясь в предназначенном им направлении. Впрочем, большинство нейронов обладают гибкостью и способны осуществлять разные функции. Специфическую роль они берут на себя, только когда достигают конечного пункта назначения и вступают во взаимодействие с другими нейронами, чтобы выполнять ту или иную функцию.

Фронтальный срез головного мозга с изображением миндалевидного тела, базальных ганглиев и коры

Первым образуется ствол мозга, обеспечивающий выполнение таких механических функций, как сердцебиение. Конечный (большой) мозг, включая кору, формируется позже. Уже через четыре месяца после зачатия все элементы клеточной структуры мозга оказываются на своих местах, после чего строительная работа продолжается – для этого между нейронами устанавливается множество дополнительных связей.

Формирование мозга – чрезвычайно динамичный процесс. Американский исследователь Джон Гилмор проследил за развитием 1000 детей, начиная от внутриутробного периода до 6 лет. Он обнаружил, что в отрезок времени между рождением и 2 годами мозг растет невероятно быстро. Размер мозга двухлетних детей составляет около 70 % мозга взрослого. Мозг продолжает расти в период от 2 до 6 лет, достигая своего пика приблизительно в шестилетнем возрасте. На этом этапе жизни достигается максимальное количество нейронов. Затем происходит нечто удивительное: в возрасте между 6 и 22 годами число нейронов постепенно уменьшается. Уменьшение клеток серого вещества сопровождается улучшением функций коры головного мозга. Ведь перепроизводство приводит к неэффективности. В процессе перепроизводства клетки, успешно выполняющие поставленные перед ними задачи, сохраняются и функционируют еще эффективнее. Клетки, не справляющиеся со своими обязанностями, удаляются. Перепроизводство и сокращение количества клеток в разных частях коры головного мозга происходит неравномерно, что отражается на поведении подростка.

Апогей в увеличении и уменьшении объема серого вещества приходится на период 4–8 лет. Однако кора головного мозга будет развиваться еще очень долго – до 25 лет! Первоначально пик перепроизводства происходит в зрительной коре (отвечающей за обработку зрительной информации) и только гораздо позже – в теменной (интеграция информации), лобной (осознанные и целенаправленные действия) и височной коре (речевые функции). Исследователи полагают, что подобная неравномерность в развитии различных участков коры головного мозга сказывается на поведении детей, а также объясняет, почему овладение различными навыками происходит не одновременно. Иногда мозг просто еще не готов освоить тот или иной навык. Существуют также свидетельства того, что рост мозга у мальчиков происходит иначе, чем у девочек. Однако на сегодняшний день нет научных доказательств в пользу того, что различия в росте мозга связаны с различиями в мышлении или поведении. Среди только мальчиков или только девочек несходства зачастую выражены гораздо сильнее, чем различия между «средним мальчиком» и «средней девочкой».

В отличие от серого вещества, объем которого то увеличивается, то уменьшается, объем белого вещества растет линейно до ранней зрелости. В сером веществе генерируются потенциалы действия, которые защищаются и транспортируются белым веществом. Таким образом, белое вещество обеспечивает оптимальную связь. Обмен информацией между клетками осуществляют своеобразные «посланники» – нейротрансмиттеры. Они выполняют как активирующую роль, заставляя определенные клетки работать более интенсивно, так и сдерживающую (или ингибирующую), тормозя активность тех или иных нейронов. Количество и функции нейротрансмиттеров меняются до 15–16 лет. В период полового созревания, к примеру, вырабатывается повышенное число нейротрансмиттера дофамина. Он влияет на усвоение нами новой информации и участвует в системе вознаграждения (см. главу 3 «Эмоциональный мозг»).

В развитии некоторых областей мозга выделяют так называемый «чувствительный период», когда мозг становится чрезвычайно гибким – пластичным. Именно в этот период повреждение мозга или недостаточная его стимуляция может обернуться для ребенка плачевными последствиями в будущем. Например, алкоголь и никотин, воздействию которых подвергается ребенок до рождения, влияют в дальнейшем на его умственные способности. Чувствительные периоды наступают и после рождения. Скажем, области затылочной доли необходимо стимулировать уже на ранней стадии их развития, предлагая им визуальную информацию. Иначе они не смогут развить свои функции. Это связано с тем, что между глазами (куда поступает информация) и затылочной долей (где обрабатывается визуальная информация) должны образовываться длинные связи. Поэтому если ребенок будет расти в темноте, то определенные участки зрительной коры не смогут адекватно выполнять свои задачи.

Для каких-то областей мозга характерен относительно короткий чувствительный период (зрительная чувствительность), для других – более затяжной (языковая чувствительность). В определенных участках мозга чувствительный период не проявляется столь явно либо длится гораздо дольше. К ним, в частности, относятся области, отвечающие за восприятие новой информации, например, в процессе школьного обучения, а также мозговые сети, участвующие в формировании социальных отношений. В настоящее время ученые выясняют, имеются ли в подростковом возрасте периоды, чувствительные к тем или иным формам социального поведения. Налицо признаки того, что подростки, на этапе полового созревания лишенные общения, страдают от его отсутствия и в зрелости (см. главу 4 «Социальный мозг»).

Временная траектория развития серого и белого вещества в разных областях коры головного мозга. В разных областях коры объем серого вещества меняется в разное время. Источники: Gilmore et al. (2018), Tamnes et al. (2017)

Взгляд внутрь черепа

Технология исследования мозга у живых людей была разработана лишь в прошлом веке, но попытки изучить функционирование мозга предпринимались и раньше. До того как появились современные методы, ученые обследовали пациентов с поврежденным головным мозгом (с опухолью, пулевым ранением или любым другим типом травмы). Последствия таких повреждений, зачастую трагические для пациентов, внесли огромный вклад в понимание устройства и работы мозга. Во время Первой и Второй мировых войн нейропсихологи сумели сделать важные открытия о функционировании мозга. Они обследовали множество солдат с увечьями головы, наблюдая за вызванными этими повреждениями ограничениями в их жизнедеятельности. После смерти солдат можно было выяснить, какие именно отделы мозга подверглись травме и, следовательно, определить их функции – то есть установить, повреждения каких областей мозга вызывали нарушения в поведении.

Подобный способ исследования все еще широко применяется, однако в настоящее время больше нет необходимости дожидаться смерти человека, чтобы выяснить, какой участок поражен. Использование методов сканирования мозга, таких как магнитно-резонансная томография (МРТ), позволяет досконально отобразить структуру мозга. Зная, с какими задачами не справляется пациент (например, не распознает лица или не идентифицирует предметы) и обладая информацией о поврежденном отделе мозга, мы можем предположить, что поврежденный отдел отвечает за выполнение этих задач. Но как измерить работу мозга у здоровых людей? Например, у детей?

Известно, что мозг состоит из 86 миллиардов нервных клеток, каждая из которых связана с сотнями, а порой и тысячами других. Выяснить функции всех этих клеток невероятно сложно. Тем не менее за последнее столетие ученые разработали два важных метода, помогающих внести ясность в этот вопрос.

В 1930-х годах был изобретен электроэнцефалограф (ЭЭГ), прибор, позволяющий регистрировать изменения в электрической активности головного мозга. Электроэнцефалограф считывает с поверхности головы электрические сигналы и выводит их на экран монитора. Серьезным преимуществом этого метода является возможность точного измерения (с точностью до миллисекунды) активности нервных клеток. Однако поскольку эта активность измеряется электродами на поверхности головы, мы не можем сказать наверняка, в каком именно отделе мозга она происходит.

Поэтому вторым важным методом измерения активности мозга является МРТ. МРТ позволяет проникнуть в структуру мозга и исследовать, к примеру, клетки серого вещества и нейронные связи. Функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ) регистрирует активность областей мозга, то есть наблюдает за мозгом в действии. Давно известно, что для усиления активности нейронов им необходимо большее количество кислорода. С помощью МРТ можно отобразить увеличение содержания кислорода, используя магнитную чувствительность частиц этого газа. Другими словами, принцип МРТ сводится к следующему: увеличение активности нейронов в том или ином отделе мозга (например, в отделе, отвечающем за двигательные функции при движении рук) вызывает приток крови в этот отдел. Часть кровотока образована эритроцитами, содержащими белок гемоглобин. Он обладает свойством поглощать кислород. Изменение содержания кислорода в гемоглобине сопровождается изменением магнитных свойств гемоглобина – этот сигнал и улавливает МРТ-сканер. По сути, измеряется соотношение между насыщенными кислородом и бедными кислородом частицами гемоглобина. Такой принцип измерения известен как принцип BOLD-контрастности (blood oxygenation leveldependent contrast – контрастность, зависящая от степени насыщения крови кислородом).

Сотрудница научно-исследовательского центра «Мозг и развитие» в Лейдене помещает участника исследования в МРТ-сканер (фото: Мариэтта Хёйзинга)

Существенное преимущество метода МРТ в том, что его легко применять и он необременителен для участников процедуры. Кроме того, МРТ не связана с потенциально вредным рентгеновским излучением. Поэтому метод томографии идеально подходит и для исследования мозговой активности у детей. В настоящее время МРТ проводится даже у новорожденных (а иногда применяется и до рождения). Внедрение МРТ необычайно обогатило наши знания о мозге. Сегодня трудно представить себе мир без науки о мозге, однако все революционные открытия в этой сфере были сделаны лишь в последние 20 лет. За прошедшие годы также проводились исследования, в которых развитие подростков отслеживалось в течение продолжительного времени. Такие исследования крайне важны, чтобы выяснить, почему одним подросткам под силу преодолевать трудные обстоятельства, а другим – нет и почему одни методы обучения оказываются эффективнее других. Результаты первых широкомасштабных исследований, проводимых в настоящее время в Нидерландах и США, описаны в этой книге. Они дают новое понимание динамичного процесса развития мозга в подростковом возрасте. В ближайшем будущем благодаря передовым технологиям мы, несомненно, узнаем о подростках во сто крат больше.

В научно-исследовательском центре «Мозг и развитие» мы также применяем метод фМРТ для изучения мозга подростков. Интересующиеся устройством мозга подростки могут посетить сайт центра www.kijkinjebrein.nl. Дополнительная информация об участии в наших исследованиях размещена на странице www.juniorhersenen.nl.