Новые формы поведения как маркеры зрелости нервной системы

По мере развития головного мозга поведение человека претерпевает изменения в соответствии с функциями завершивших созревание областей мозга. Иными словами, конкретные формы поведения не могут возникнуть раньше, чем сформируется необходимый для их реализации нейронный механизм.

Однако как только данный механизм сформирован, соответствующее поведение быстро проходит все стадии развития и его итоговый вид, в значительной степени определяется эпигенетическими факторами.

Исследователи подробно изучили, как взаимно меняются поведение и мозг на примере развития моторных навыков, языка и способности к решению задач у детей. Рассмотрим и мы эти вопросы.

а) Двигательное поведение. Все этапы развития двигательных навыков легко наблюдать у младенцев. Сначала малыши не способны самостоятельно передвигаться, но в конце концов они начинают переворачиваться со спины на живот, затем начинают ползать, а потом и ходить. Другие двигательные навыки развиваются не столь явно, по также систематично.

Вскоре после рождения маленькие дети уже способны сгибать руки так, что ими становится удобно что-то зачерпывать и пододвигать к своему телу, а также они могут направлять свою руку к маминой груди при кормлении грудью.

В возрасте 1-3 месяцев младенцы начинают совершать спонтанные движения руками и пальцами, среди них можно увидеть все те движения, которые совершает взрослый человек.

Эти движения сначала направлены на выработку навыков взаимодействия со своим телом и одеждой (Wallace & Whishaw, 2003). Далее развиваются двигательные навыки, направленные на объекты в пространстве. Том Твитчелл (1965) изучил и описал поэтапное развитие способности у детей дотягиваться и хватать объекты (рис. 1).

Рисунок 1. Развитие хватательной реакции у младенцев.

В период между 8 и 11 месяцами жизни у детей происходит усложнение хватательных движений по мере того, как развиваются навыки управления указательным и большим пальцами руки. Пинцетный захват играет важную роль в развитии: он позволяет младенцам совершать очень точные пальцевые движения, необходимые для манипулирования небольшими предметами. Таким образом, мы можем проследить последовательность в развитии хватательных движений: сначала происходит зачерпывание и притягивание, затем захват всеми пальцами и ладонью и только после этого манипулирование объектами независимым движением пальцев.

Если предположить, что развитие скоординированных хватательных движений зависит от активации определенных нейронных путей, то появлению этих двигательных навыков должны сопутствовать анатомические изменения в головном мозге. Такие изменения действительно происходят, и они особенно выражены в ветвлении дендритов и образовании связей между неокортексом и спинным мозгом. Также была найдена корреляция между процессами миелинизации волокон в коре головного мозга и способностью хватать объекты рукой (Yakovlev, Lecours, 1967).

Так, ряд аксонов нейронов моторной коры миелинизируется примерно в то же время, когда развиваются хватательные движения всей кистью руки. Аксоны других нейронов моторной коры, которые, как известно, контролируют движения пальцев, миелинизируются примерно в то же время, когда развивается пинцетный захват. МРТ-исследования изменений толщины коры головного мозга показывают, что повышение точности движений связано с уменьшением толщины коры в той области моторной коры левого полушария, которая отвечает за движения кисти у правшей (рис. 2, А).

Рисунок 2. Корреляция толщины серого вещества и поведения. А. Красным цветом отмечены области, в которых наблюдается значительное уменьшение толщины коры, что коррелирует с улучшением двигательных навыков. Б. Белым цветом отмечены области увеличения плотности серого вещества, коррелирующего с развитием речи. В. Уменьшение толщины коры в областях, отмеченных красным, коррелирует с увеличением словарного запаса.

Может показаться странным, что такой процесс, как истончение и утолщение кортикального слоя, влияет на точность двигательных навыков, но причина этого проста. Истончение частично отражает процесс сокращения числа нейронов и синапсов, который происходит на протяжении всего периода развития головного мозга, тогда как утолщение коры свидетельствует о формировании новых синапсов и развитии астроцитов и кровеносных сосудов.

На основании этих данных можно сделать следующее предположение: если определенные нейроны моторной коры необходимы для развития полноценных хватательных движений, то потеря этих нейронов у взрослого человека приводит к утрате способности точно управлять конечностями, отбрасывая человека на один уровень с младенцами, что на самом деле и происходит.

б) Развитие речи. Согласно Эрику Леннебергу (Lenneberg, 1967), дети проходят важные вехи в речевом развитии в определенной последовательности и в конкретном возрасте. Так, к 12 месяцам у детей начинает формироваться словарный запас. Этот словарный запас, состоящий из 5-10 слов, обычно удваивается в течение следующих 6 месяцев. К 2 годам словарный запас уже достигает 200-300 слов, которые обозначают в основном названия повседневных предметов. А через год словарный запас приближается к 1000 слов и ребенок начинает использовать в своей речи простые предложения.

В 6 лет дети могут похвастаться словарным запасом примерно в 2500 слов, а также способны понимать более 20 000 слов, постепенно приближаясь, таким образом, к словарному запасу взрослых, который насчитывает более 50 000 слов.

Несмотря на то что речь и двигательные навыки обычно развиваются параллельно, овладение речью зависит не только от способности совершать контролируемые движения ртом, губами и языком. Точные движения мышц, управляющих речевым аппаратом, развиваются задолго до того, как дети начинают говорить. Более того, даже когда у детей достаточно развиты артикуляционные навыки, чтобы произносить большинство слов, стремительного увеличения словарного запаса не происходит, этот процесс идет постепенно.

У некоторых детей (около 1%), при обычном развитии интеллекта и моторных навыков, наблюдается заметная задержка речевого развития. Такие дети, несмотря на внешне благополучное окружение и отсутствие каких-либо очевидных признаков повреждения мозга, могут начать говорить фразами только после 4 лет. Поскольку возраст освоения речи примерно одинаков для оставшихся 99% детей всех культур, вероятно, что-то происходит при созревании мозга у ребенка, который начинает поздно говорить. Трудности возникают при попытке выявить эти причины.

Поскольку освоение речи обычно начинается в возрасте 1-2 лет и завершается в основном к 12 годам, то лучшей стратегией для определения причин различия в речевых навыках является сравнение строения коры головного мозга до и после этих дат. К 2 годам деление и миграция клеток в речевых областях коры головного мозга завершаются. Основные изменения, в возрасте от 2 до 12 лет, касаются установления нейронных связей и миелинизации волокон в нейронах речевых центров.

Особенно впечатляют изменения в организации дендритного древа в речевых зонах головного мозга. Как показано на рис. ниже, организация аксонов и дендритов речевой области, так называемой зоны Брока, при рождении является простой, с малым числом ветвлений, но резко усложняется в возрасте от 15 до 24 месяцев. Эти нейронные изменения коррелируют с такими же выраженными изменениями речевой способности, принимая во внимание, что словарный запас ребенка начинает быстро расширяться примерно к 2 годам.

Созревание нейронов в речевых областях коры. После рождения процесс дифференциации корковых нейронов (показана зона Брока, которая управляет речью) начинается с формирования простых дендритных полей, которые все более усложняются вплоть до достижения ребенком 2-летнего возраста. Таким образом, созревание мозга происходит параллельно развитию поведенческого навыка — освоения речи

Итак, мы можем сделать вывод, что развитие речи может быть ограничено, по крайней мерс, частично, степенью зрелости речевых областей коры головного мозга. Индивидуальные различия в скорости овладения речью могут быть объяснены различиями в процессах развития головного мозга. Возможно, у детей, которые рано начинают говорить, речевые области коры созревают раньше, чем у детей с задержкой речевого развития.

Результаты MPT-исследований речевых областей коры головного мозга показывают, что, в отличие от моторных областей, где происходит истончение коры, ассоциированное с возрастанием точности движений (рис. 2, А), в левых нижних лобных областях наблюдается утолщение коры головного мозга, связанное с усиленной фонологической обработкой (рис. 2, Б). Однако уникальная связь между утолщением коры и фонологической обработкой не прослеживается между другими речевыми функциями и утолщением коры.

На рис.2, В показано значительное истончение отдельных областей коры головного мозга, связанных с улучшением словарного запаса, за пределами речевых зон, а всем известно, что словарный запас является одним из лучших предикторов общего интеллекта.

в) Развитие способности решать разные задачи. Первым попытался выделить отдельные стадии развития интеллекта психолог Жан Пиаже (1952). Он понял, что можно делать выводы о восприятии окружающего мира детьми по их поведению. Например, когда ребенок поднимает ткань, чтобы достать спрятанную под ней игрушку, он демонстрирует понимание неисчезаемости предметов, в его понимании объекты продолжают существовать, даже когда они находятся вне поля зрения. Это понимание постоянства объекта продемонстрировано на верхней серии фотографий на рис. 3.

В поведении детей также можно увидеть отсутствие понимания каких-либо законов окружающего мира, как у 5-летней девочки в серии фотографий в нижнем ряду на рис. 3. Девочке показали два одинаковых стакана с одинаковым объемом жидкости в них, затем перелили жидкость из одного стакана в более короткий и широкий стакан. Когда ее спросили, в каком стакане больше жидкости, она указала на более высокий стакан, не понимая, что количество жидкости остается постоянным, несмотря на внешнюю разницу.

Рисунок 3. Две стадии когнитивного развития. Младенец демонстрирует понимание постоянства объекта — вещи продолжают существовать, когда исчезают из поля зрения (вверху). Маленькая девочка пока не понимает принцип сохранения объема жидкости. Ей кажется, что в стаканах одинакового объема, но разной формы содержится разное количество жидкости (внизу)

Понимание принципа сохранения объема жидкости появляется у детей примерно в 7 лет.

Изучая детей, занятых такого рода задачами, Пиаже пришел к выводу, что когнитивное развитие является непрерывным процессом. Детские стратегии познания мира и их представления о нем постоянно меняются. Эти изменения не являются результатом приобретения определенных новых знаний. Скорее, на определенных этапах развития происходят фундаментальные изменения в организации детских стратегий познания мира и решения задач. С новыми стратегиями развития приходит и новое представление о мире.

Пиаже выделил четыре основных этапа когнитивного развития, кратко изложенные в табл. 2:

• Стадия I — это сенсомоторный период от рождения до примерно 18-24 месяцев. За это время младенцы учатся отличать себя от внешнего мира, начинают понимать, что объекты существуют, даже когда они находятся вне поля зрения, и получают представление о некоторых причинно-следственных связях.

• Стадия II, или дооперационный период, проходит в возрасте от 2 до 7 лет. У детей развивается способность формировать мысленные представления о вещах, называть их словами и изображать на рисунке.

• Стадия III — это период конкретных операций, который длится с 7 до 11 лет. Дети учатся мысленно манипулировать представлениями о материальных (конкретных) вещах, таких как объемы жидкости, размеры предметов и арифметические задачи.

• Стадия IV, или стадия формальных операций, достигается после 11 лет. Дети приобретают способность рассуждать абстрактно, а не только с использованием конкретных слов.

И хотя за почти 70 лет, прошедших с момента выдвижения Пиаже теории развития интеллекта, в нее было внесено много изменений, все же мы можем опираться на описанные Пиаже стадии, как на приблизительное описание качественных изменений, происходящих в мышлении детей в процессе взросления. Какие же нейронные изменения могут лежать в их основе? Единственная возможность — изучить изменения в относительной скорости роста мозга.

С момента рождения мозг и тело растут неодинаково, скачкообразно и неравномерно во времени, что носит название скачок роста. Герман Эпштейн (1979) проанализировал соотношение между массой мозга и тела и выявил последовательные скачки роста мозга между 3 и 10 месяцами (происходит увеличение массы мозга на 30% к 18 месяцам), а также в возрастах от 2 до 4, от 6 до 8, от 10 до 12 и от 14 до 16+ лет. Прирост массы мозга составлял 5-10% в каждый из этих периодов.

Причем увеличение мозга происходит без одновременного увеличения количества нейронов. Вероятно, рост мозга связан с развитием глиальных клеток, кровеносных сосудов, миелина и синапсов. Хотя сами синапсы вряд ли вносят весомый вклад в массу мозга, их формирование сопровождается повышенными метаболическими потребностями, которые заставляют нейроны увеличиваться в размерах, формировать новые кровеносные сосуды и образовывать новые астроциты для поддержки и питания нейронов.

Можно предположить, что усложнение корковой организации ведет к более сложному поведению, поэтому мы можем ожидать значительные и, возможно, качественные изменения в когнитивной деятельности после каждого скачка роста головного мозга. Первые четыре скачка роста мозга, выявленные Эпштейном, в точности совпадают с четырьмя основными стадиями когнитивного развития, описанными Пиаже. Значит, значительные изменения в нейронном функционировании предшествуют началу каждой стадии развития интеллекта.

А существующие различия в скорости развития мозга или, вероятно, в скорости созревания отдельных групп нейронов могут объяснять индивидуальные различия в сроках появления различных когнитивных достижений, соответствующих стадиям по Пиаже. И хотя Пиаже не выделил пятую стадию когнитивного развития, характерную для подросткового возраста, скачок роста и развития мозга, происходящий в этот период, предполагает наличие следующего этапа развития интеллектуальной деятельности.

Скачок роста мозга можно рассматривать как поверхностный показатель изменений, происходящих в головном мозге. Чтобы связать его с когнитивным развитием, нам нужно знать, какие именно события в нервной ткани приводят к увеличению объема мозга и где они происходят. Один из способов узнать это — предложить здоровым детям решать конкретные задачи, которые используются при диагностике повреждений отдельных областей мозга у взрослых.

Если дети плохо справляются с определенной задачей, то можно предположить, что область мозга, ответственная за решение этой задачи, еще не достигла зрелости. Аналогично, если дети могут решать одну задачу, но не могут выполнить другую, то очевидно, что эти задачи требуют участия разных структур мозга, которые, вероятно, развиваются с разной скоростью.

Уильям Оверман и Джоселин Бачевалье (Overman et al., 1992) применили такую логику для изучения развития структур переднего мозга, необходимых для обучения и памяти у маленьких детей и обезьян. В разделе «Эксперимент 8-1, п. Процедура», показаны три разновидности теста на интеллект, которые были предложены участникам эксперимента. В первом задании нужно было просто научиться перемещать объект, чтобы получить вознаграждение в виде еды.

Когда участники освоили задачу перемещения, им были предложены еще две задачи, каждая из которых, по предположению исследователей, оценивала функционирование височных долей и соответственно базальных ганглиев.

В задании на выбор по признаку несоответствия образцу участникам предъявляли объект, который они должны были переместить, чтобы получить подкрепление. После короткой (15 с) задержки им было предъявлено два объекта: предыдущий и новый. Теперь для получения подкрепления участники должны были переместить новый объект. Считается, что выбор по признаку несоответствия образцу позволяет оценить эффективность распознавания объекта, что является функцией височной доли. Испытуемый может получить пищевое подкрепление, только узнав оригинальный объект, но не выбрав его.

В третьем задании на различение объектов, предъявляемых одновременно, участникам выставляли объекты парами, и они должны были понять, какой объект в этой паре всегда подкрепляется, а какой нет. Задача усложнялась тем, что участникам последовательно предъявляли 20 пар различных объектов. Эти парные объекты предьявляли каждый день только один раз. Считается, что задача на различие объектов, предъявляемых одновременно, позволяет методом проб и ошибок оценить эффективность обучения, за которое отвечают базальные ганглии.

Здоровый взрослый человек способен легко решить как задачу с выбором по признаку несоответствия образцу, так и задачу на различие объектов, предъявляемых одновременно. При этом задача на различие объектов, предъявляемых одновременно, будет сложнее, поскольку требует запоминания гораздо большего объема информации. Ключевой вопрос, с точки зрения развития, заключается в том: совпадает ли возраст детей (или обезьян), в тот момент, когда они могут решать обе задачи.

Оказывается, дети могут решать задачи на различие объектов, предъявляемых одновременно, примерно к 12 месяцам, но только к 18 месяцам они могут решить более легкую, по мнению взрослого человека, задачу с выбором по признаку несоответствия образцу. Это означает, что базальные ганглии, являющиеся критической областью для решения задачи на различие объектов, созревают раньше, чем височная доля полушарий головного мозга, которая является ключевой для решения задач с выбором по признаку несоответствия образцу.

г) Эксперимент. В какой последовательности происходит созревание необходимых для обучения и памяти отделов переднего мозга?

Результаты. Дети и детеныши обезьян осваивают задачу на различие объектов, предъявляемых одновременно, раньше, чем задачу на выбор по признаку несоответствия образцу.

Вывод. Нейронные структуры, участвующие в выполнении задачи на различие объектов, предъявляемых одновременно, созревают раньше, чем структуры, необходимые для решения задачи на выбор по признаку несоответствия образцу.

д) Предупреждение о прямом сопоставлении корреляции и причинно-следственной связи. В этом разделе мы рассмотрели результаты исследований, в которых предполагалось, что изменения в головном мозге неизменно вызывают изменения в поведении. Нейробиологи утверждают, что если параллельно рассматривать развитие поведения и развитие мозга, то можно сделать некоторые выводы относительно причин данного поведения. Однако стоит иметь в виду тот неоспоримый факт, что корреляция двух событий (если они происходят одновременно) не доказывает их причинно-следственной связи.

Приравнивание таких понятий, как корреляция и причинно-следственные связи, является проблемой в нейробиологических исследованиях мозга и поведения, потому что такие исследования по своей природе часто направлены только на изучение корреляции. Например, знание того, что дети с определенным нарушением развития подверглись воздействию никотина в утробе матери, не дает доказательства того, что никотин вызвал это нарушение, но дает направление для поиска потенциальных причин, приведших к данному нарушению.

е) Закрепление изученного. Прежде чем продолжить, проверьте себя.
1. Последний этап моторного движения у грудных детей — это способность к __________ .
2. Развитие речи коррелирует с истончением коры в областях, связанных с __________ , и утолщением коры в областях, ответственных за __________ .
3. Скачки роста мозга коррелируют с __________ .
4. Считается, что выбор по признаку несоответствия образцу позволяет оценить __________ ; задача на различие объектов, предъявляемых одновременно, позволяет оценить __________ .
5. Опишите, в чем заключается основная проблема при сопоставлении произошедших изменений в развитии мозга и появившихся новых форм поведения.

ж) Ответы на вопросы для самоконтроля:
1. Независимому движению пальцами или пинцетному захвату.
2. Словарным запасом; развитие речи.
3. Теорией когнитивного развития Пиаже.
4. Функции височной доли и базальных ганглиев (ядер).
5. Корреляция не доказывает причинно-следственную связь.

- Читать далее "Опыт и корковая организация - взаимосвязь"

Редактор: Искандер Милевски. Дата публикации: 7.9.2023