Обучение в утробе. Как то, что происходит до рождения, влияет на развитие нашего мозга

Современная нейронаука приоткрывает завесу тайны над тем, что происходит с мозгом и нервной системой до момента рождения. Формирование нервной системы, начинающееся с первых недель гестации, сопровождается интенсивной активностью на микроуровне: нейрогенезом (формированием новых нейронов), миграцией (перемещением нейрона с места формирования до конкретного места в мозгу), дифференциацией (появлением субпопуляций нейронов, специфичных для различных частей нервной системы) и синаптогенезом (установкой синаптических связей между нейронами). Чтобы оценить важность синаптических связей, обратимся к базовым понятиям, определяющим фундаментальную единицу нашей нервной системы — нейрон.

Нейроны, обладая органеллами, которые свойственны и обычным клеткам (например, ядром и митохондриями), в то же время снабжены удивительными элементами, позволяющими им принимать и передавать сигналы. За прием сигнала в нейроне отвечают дендриты — древообразные отростки, получающие информацию от других нейронов и передающие их телу (соме) нейрона. Затем по аксону — протяженному отростку — сигнал поступает к месту контакта двух нейронов — синапсу. В этом месте и происходит передача сигнала, что является ключевой стадией, поскольку, каким бы ни было количество нейронов в мозгу, именно связи между ними дают жизнь всему многообразию функций мозга. Поэтому на ранних этапах развития важно, чтобы синаптические связи благополучно сформировались, обеспечивая успешность дальнейших процессов обучения и памяти.

Что способствует установке синаптических связей до рождения? Прежде всего — спонтанная активность, возникающая в органах чувств без внешней стимуляции. Например, между 22 и 30 неделями гестации в отсутствие какого-либо зрительного опыта в нейронах развивающейся сетчатки возникают периодические спонтанные всплески активности, которые стимулируют рост аксонов (отростков, проводящих нервные импульсы) к латеральному коленчатому телу, через которое сигнал от сетчатки поступает в зрительную кору. А спонтанная активность в нейрональных структурах ушной улитки, к 22-й неделе становясь регулярной и синхронной, обеспечивает формирование синаптических связей, необходимых для обеспечения функционирования слуховой коры. Подобную активность можно условно сопоставить с настройкой оркестра перед концертом.

Читайте также

От нейроархеологии до нейромагии: как культура и технологии влияют на эволюцию мозга

Второй тип нейрональной активности, вносящий вклад в развитие плода, связан с непосредственным сенсорным опытом, источником которого является пренатальная внешняя среда. Чаще всего в качестве примера такого сенсорного опыта приводится голос матери, к различению которого способны и плод, и новорожденный. Так, когда младенцам предлагали две соски, использование одной из которых воспроизводило голос матери, а другой — незнакомые голоса, младенцы предпочитали первую. Реакция же плода 36 недель на воспроизведение голоса матери и незнакомых голосов была идентичной, но различалась в условиях, когда голос матери предъявлялся в записи или же когда мать говорила сама. Поскольку развитие слуховой системы плода позволяет ему реагировать на звуки уже на 19-й неделе гестации, вклад аудиального сенсорного опыта в пренатальное развитие мозга сложно переоценить.

Но не стоит забывать и о других модальностях пренатальной сенсорной стимуляции — тактильной и вестибулярной. Представим себе шагающую мать. Для плода в ее утробе это внешне простое действие является богатым источником сенсорной стимуляции: звуки шагов согласуются с тактильной обратной связью за счет изменения в давлении и вестибулярной обратной связью за счет изменения положения тела в пространстве. Разговор, смех, стук сердца и дыхание матери также могут поставлять скоординированную тактильную информацию за счет проводимости костных тканей и жидкости в организме, а также активности мускулатуры. Собственные движения и перемещения плода в утробе позволяют сочетать тактильную и проприоцептивную (относящуюся к положению частей тела относительно друг друга и в пространстве) стимуляцию. Наконец, к воспринимаемым плодом паттернам может относиться и реакция самой матери на окружающие звуки — например, испуг в ответ на громкий шум с соответствующими изменениями в моторной активности.

Таким образом, еще до момента рождения организм подвергается влиянию сразу нескольких источников внешней стимуляции, и это влияние не только обеспечивает развитие отдельных структур мозга и нервной системы, но и потенциально может лежать в основе обобщения информации в единый сенсорный опыт.

Читатель может задаться справедливым вопросом: каковы объективные свидетельства влияния пренатального сенсорного опыта на формирование и развитие мозга? Пусть мы наблюдаем, как движения или частота сердечных сокращений плода в утробе матери изменяются в ответ на ее голос, пусть мы понимаем, что плод подвергается опосредованному воздействию поведения матери и ее окружения, но является ли это воздействие критичным для формирования синаптических связей? Для ответа на этот вопрос с макроуровня поведенческих реакций переместимся на молекулярный микроуровень.

Как было упомянуто ранее, уже в первые недели гестации происходят существенные изменения в структуре нейрональных связей, обеспечиваемые ростом аксонов, которые проводят нервные импульсы, и трансформациями в дендритах — отростках, которые принимают сигналы от других нейронов. В экспериментальных условиях пренатальная стимуляция эмбрионов птенцов, осуществляемая каждый час по 15 минут с использованием записи материнских призывов или мелодичных звуков ситара, повысила уровень нейротрофического фактора мозга — белка, отвечающего за рост аксонов и дендритов — и привела к увеличению средней синаптической плотности в гиппокампе, что с учетом функций этого отдела мозга может быть свидетельством улучшения формирования памяти за счет повышения синаптической пластичности.

Помимо непосредственных структурных свойств синаптических связей, за синаптическую пластичность отвечает набор белков. Один из них, синаптофизин, отвечает за утилизацию синаптических пузырьков. Эти пузырьки переносят специальные вещества — нейромедиаторы, обеспечивающие обмен электрохимическими импульсами между нейронами. Пузырьки поставляют нейромедиатор к мембране одного нейрона, сливаются с его мембраной, высвобождая нейромедиатор в синаптическую щель, после чего тот, распространяясь через щель, связывается с рецепторами второго нейрона. Затем компоненты синаптических пузырьков извлекаются из мембраны и вновь снабжаются нейромедиатором. Именно эту последнюю стадию цикла, в частности, и обеспечивает синаптофизин. Уже описываемые ранее эксперименты с пренатальной звуковой стимуляцией эмбрионов птенцов позволили выявить увеличение экспрессии синаптофизина в гиппокампе. Также наблюдалось увеличение экспрессии белка PSD-95, отвечающего за созревание возбуждающих синаптических связей. Но этим эффект не ограничивался: уже вылупившихся птенцов помещали в Т-образный лабиринт, в котором они в условиях изоляции или незнакомой среды должны были найти свой выводок. Группа птенцов, которые подвергались пренатальной звуковой стимуляции, справлялась с заданием быстрее, что свидетельствовало об улучшенном пространственном обучении.

Наконец, еще один фактор, вовлеченный в обеспечение синаптической пластичности, связан с балансом между возбуждением и торможением нервной системы. Этот баланс является результатом взаимодействия между синапсами, которые связаны с передачей двух типов нейромедиаторов — глутамата, отвечающего за возбуждение, и гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК), отвечающей за торможение. Эксперимент, в рамках которого на эмбрионы птенцов воздействовали ритмичной музыкой, показал сохранение баланса между возбуждением и торможением на фоне увеличения выраженности маркеров синаптической стабильности (синаптофизина и белка PSD-95).

К другим положительным эффектам пренатальной звуковой стимуляции следует также отнести увеличение размеров и числа нейронов в гиппокампе птенцов, увеличение объема самого гиппокампа, а также повышение уровня нейрогенеза в гиппокампе крыс.

Изучение влияния пренатальной стимуляции на развитие мозга людей не предполагает инвазивных техник, позволяющих досконально оценить изменения на молекулярном уровне. Однако такие методы нейровизуализации, как ЭЭГ, дают возможность с высокой точностью регистрировать активность мозга и оценивать ее динамические свойства, что, впрочем, не исключает сложностей в интерпретации.

Так, в одном из исследований на последнем триместре гестации группе женщин предложили воспроизводить известную колыбельную (Twinkle, Twinkle, Little Star) пять раз в неделю до момента родов. После рождения ребенка CD-диск с мелодией уничтожался во избежание повторного воспроизведения. Затем в условиях эксперимента с регистрацией ЭЭГ младенцам давали прослушать ту же колыбельную, но с заменой части нот на ноту си. Предполагалось, что в ответ на эти «неправильные» звуки в мозге слушателя, знакомого с мелодией, неизбежно должна возникнуть реакция, называемая негативностью рассогласования, — этот потенциал нередко используется как маркер реакции на редкий или непредсказуемый стимул (девиант) и вычисляется как разница между реакцией на стандартный и девиантный стимул. В ряде экспериментальных парадигм возникновение такой реакции служит свидетельством того, что участник эксперимента успешно обучился исходной последовательности звуков. Результаты же, полученные в ходе описываемого эксперимента, оказались противоречивыми.

С одной стороны, непосредственная реакция на правильные звуки оказалась выраженнее у младенцев, слышавших мелодию еще до рождения, чем у контрольной группы младенцев, которые не были с ней знакомы. При этом указанное различие сохранялось в течение четырех месяцев. Однако реакция на неправильные звуки у обеих групп была схожей. Авторы предположили, что подобный результат связан с тем, что негативность рассогласования в данном случае отразила лишь разницу в восприятии различных физических свойств нот, поскольку все девиантные ноты были исключительно нотой си.

Таким образом, пренатальная музыкальная стимуляция плода может оказывать долгосрочное влияние на ЭЭГ-корреляты слухового восприятия в целом, однако вовлеченность механизмов обучаемости требует дополнительных экспериментальных исследований.

Существует риск, что обнаружение эффектов пренатальной музыкальной стимуляции и влияния музыки на когнитивные способности и развитие мозга в целом укоренятся в общественном сознании как призыв обеспечить ребенку максимально «обогащающие» с точки зрения развития условия. Например, губернатор штата Джорджия в 1998 году предложил обеспечить каждого новорожденного ребенка бесплатным CD-диском с классической музыкой.

«Нет сомнений в том, что прослушивание музыки в раннем возрасте влияет на пространственно-временное мышление, лежащее в основе математики, инженерии и даже игры в шахматы. Прослушивание успокаивающей музыки позволяет развиться триллионам мозговых связей», — заявил губернатор.

Примерно в то же время в детских садах Флориды в обязательном порядке стали транслировать симфонии. И по сей день можно столкнуться с убеждением, что прослушивание классической музыки не только в раннем детстве, но и до рождения однозначно обеспечит оптимальное развитие мозга. О существовании такого убеждения свидетельствует распространение CD-дисков, на которых анонсировано влияние классической музыки на развитие мозга плода и т. д.

Поводом к возникновению такого тренда послужило исследование, которое провела психолог Фрэнсис Роше в 1993 году. Студентам колледжа было предложено слушать сонаты Моцарта на протяжении 10 минут. После этого наблюдалось улучшение в пространственном мышлении, длящееся не дольше 10–15 минут. Именно указанные результаты легли в основу популяризации «эффекта Моцарта», хотя дальнейшие систематические свидетельства в его пользу отсутствуют.

Может быть интересно

Эффект Моцарта: как музыка влияет на мозг и помогает ли она развивать интеллект

Таким образом, валидность «эффекта Моцарта» в отношении детей и поведенческих показателей их развития находится под сомнением, в то время как молекулярные и анатомические версии «эффекта Моцарта» в пренатальных условиях выглядят многообещающе. Нет никаких сомнений в том, что даже если прослушивание сонат Моцарта во время беременности и не приведет к рождению гения, то негативных последствий ожидать не следует. Равно как не следует их ожидать и при прослушивании песен Pet Shop Boys или Дэвида Боуи. А когда следует? Какой тип пренатальный стимуляции мог бы привести к нарушению развития мозга и нервной системы?

Отвечая на этот вопрос, следует осветить два фактора — своевременность и количество стимуляции. Своевременность предполагает, что не будет нарушаться последовательность раннего пренатального развития: сначала идет развитие тактильных функций, затем — вестибулярных, потом следуют функции слуховой и позже всего зрительной систем. Нарушение этой последовательности может привести к дисбалансу ресурсов, затрачиваемых на развитие каждой системы. Например, было установлено, что несвоевременная стимуляция светом за 24–36 часов до вылупления нарушила функционирование слуховой системы птенцов: они не сформировали предпочтение к специфичным для их вида призывам матери. Другое исследование показало аналогичные проблемы в обучении материнским призывам, если тактильная и вестибулярная стимуляция совпадала с началом пренатального развития слуховых функций. Но если эта стимуляция следовала за началом развития слуховых функций, проблем не было и птенцы успешно обучались распознавать призыв матери.

Количество стимуляции является важным фактором ее эффективности, поскольку чрезмерность может выступать в качестве стрессора. В широком смысле стрессом для плода может стать любое неблагоприятное условие существования: изменение гормонального фона матери, наличие у нее заболеваний различной этиологии (в том числе тревоги или депрессии), чрезмерное воздействие шума или температуры. Подверженность пренатальному стрессу приводит к долговременным нарушениям в различных когнитивных доменах. Более того, существует предположение, что психиатрические заболевания, возникающие у потомства матери, подвергшейся стрессу, могут играть адаптационную роль.

Пренатальный стресс может свидетельствовать о вероятности столкновения со стрессом уже после рождения; и формирование таких особенностей, как гиперактивность, импульсивность и дефицит внимания у детей, страдающих СДВГ, поощряло бы такие полезные в условиях стресса поведенческие паттерны, как перманентное сканирование окружающей обстановки и быстрое принятие решения.

На молекулярном уровне стресс — пренатальная стимуляция птенцов шумом — приводил к снижению уровня синаптофизина и PSD-95. Также стимуляция шумом нарушила баланс между возбуждением и торможением, повышая экспрессию глутамата, отвечающего за возбуждение, и снижая экспрессию ГАМК, отвечающей за торможение.

Несмотря на существующие риски отрицательного воздействия пренатального стресса на развитие мозга, возникающие эффекты могут иметь обратимый характер. Например, в одном из исследований за 15 дней до родов самок крыс подвергали стрессу, вынимая их из клеток и помещая в цилиндры на 45 минут три раза в день. В результате такого воздействия у появившегося на свет потомства наблюдался пониженный уровень нейрогенеза (формирования новых нейронов) в гиппокампе. Затем каждый день часть потомства помещалась на 15 минут в чистые маленькие клетки, теплые и светлые. Подобные манипуляции привели к восстановлению нейрогенеза на том же уровне, который наблюдался у новорожденных крыс, чьи матери не подвергались стрессу.

Дальнейшее изучение влияния пренатального сенсорного опыта на синаптическую пластичность и иные аспекты формирования и развития нервной системы важно, в частности, по той причине, что может открыть новые возможности для коррекции или нейтрализации таких связанных с нарушением синаптогенеза заболеваний, как аутизм. Высокий уровень наследуемости данного заболевания и недостаточное понимание его причин препятствуют разработке мер его предупреждения. Однако на примере около 34 000 семей было показано, что музыкальная стимуляция и разговоры матери с ребенком во время беременности совместно были ассоциированы с низкими показателями по шкале аутистического поведения, проявления которого оценивались в трехлетнем возрасте. Ретроспективность данного исследования, оценивающего характер пренатального воздействия через заполнение опросника родителями, не обеспечивает контроля всех возможных переменных, однако полученные результаты указывают на соответствующие терапевтические перспективы.

Читайте также

Глия — не просто «клей»: как нейронаука переоткрыла клетки мозга, раньше считавшиеся бесполезными

Описанные выше эффекты пренатальной сенсорной стимуляции позволяют прийти к выводу, что еще на этапе синаптогенеза важно динамическое воздействие внешней среды, поскольку именно оно позволяет осуществить «калибровку» ключевых для восприятия, обучения и памяти структур мозга. Характер этого воздействия может быть положительным или отрицательным в зависимости от своевременности стимуляции и ее мощности.

…Жизнь постоянно преподносит нам уроки. Научившись шагать и говорить, мы оказываемся за партой. Покидая школу, мы раскрываем двери университета и погружаемся в многообразие дисциплин. Мы идем работать и продолжаем учить и учиться, раскрывая себя и других. Но, возможно, самый важный урок мы получили еще тогда, когда ничего не умели и даже не знали, что такое — уметь. Это произошло с нами до рождения — в многочисленных случайных и предопределенных процессах, которые постепенно всё больше и больше переплетались с тем внешним миром, от которого мы были отделены. И мы вступили в этот уже немного знакомый удивительный мир, обладая всем спектром возможностей, чтобы начать его познавать.