Об особенностях развития мозга от зачатия до подросткового возраста

Когда у меня родился первый ребенок, я, как и подобает рьяной, но молодой маме, собрала кучу книжек об уходе за младенцами и разнообразные прогрессивных методы воспитания – чтобы мой ребенок вырос гением, к тому же счастливым, мне крайне необходимы были авторитетные советы. К сожалению, быстро стало ясно, что большинство книжек не особенно задавались объяснением биологических основ развития мозга. Попробуем разобраться, что сегодня знает наука о мозге и как эти знания использует современная педагогика.

Мозг и его развитие
Что интересно в развитии мозга и что мы, собственно, будем наблюдать на каждом из этапов такого развития – это грандиозное взаимодействие генетически предопределенных факторов и факторов окружающей среды, которые в случае развития человека становятся факторами социальной среды.

Эмбриональное развитие
У человеческого зародыша мозг начинает формироваться из эмбриональной ткани эктодермы. Уже на 16-й день внутриутробного развития можно различить так называемую нейрональну пластинку, которая в течение следующих нескольких дней образует желоб, верхние края которого срастаются и образуют трубку. Этот процесс является результатом сложной координированной работы целого ряда генов и зависит от наличия определенных сигнальных веществ, в частности, фолиевой кислоты. Недостаток этого витамина во время беременности приводит к не закрытию нервной трубки, что приводит к тяжелым аномалиям в развитии детского мозга.

Когда нервная трубка закрылась, на ее переднем конце формируются три основных региона мозга: передний, средний и задний. На седьмой неделе развития эти регионы делятся еще раз, и этот процесс называется энцефализацией. Этот процесс является формальным началом развития собственно головного мозга. Скорость роста мозга плода поражает: ежеминутно формируется 250 000 новых нейронов! Миллионы связей образуются между ними! Каждая клетка занимает свое определенное место, каждая связь аккуратно организована. Нет места для произвольности и случайности.

У плода развиваются разные органы чувств. Обстоятельно об этом пишет Peter Hepper в статье Unravelling our beginnings:

Первой появляется реакция на прикасания – тактильная чувствительность. На восьмой неделе плод реагирует на прикосновение к губам и щечкам. На 14-й неделе плод реагирует на прикосновение к другим частям тела. Следующим развивается вкус – уже на 12 неделе плод чувствует вкус амниотической жидкости и может реагировать на материнскую диету. На звук плод реагирует начиная с 22-24 недель жизни. Сначала улавливает звуки низкого диапазона, но постепенно диапазон расширяется, и уже перед рождением плод распознает разные голоса и даже различает отдельные звуки. Утробная среда, где развивается плод, достаточно шумная: здесь стучит сердце, шумит поток жидкостей и перистальтика, с внешней среды поступают разнообразные звуки, хотя и приглушенные тканями матери, впрочем – что интересно – диапазон человеческого голоса в 125–250 Гц приглушен как раз слабо. Следовательно, разговоры извне формируют большую часть звукового окружения плода.

Отдельное внимание исследователей привлекает реакция на боль. Определить, чувствует ли плод боль сложно – боль в большой мере субъективный феномен. Впрочем, несознательный ответ на болевые раздражители начинается около 24-26 недели развития, когда впервые формируется нейрональний путь ответа. С момента развития первых органов чувств, от них в мозг начинает поступать информация, что само по себе выступает фактором развития этого же мозга и приводит к обучению.
Возникает вопрос, насколько важной является полученная таким образом информация и можем ли мы определенным образом влиять на плод, побуждая мозг к развитию и способствуя учебе?
Плод может учиться распознавать вкус и запах. Например, если мать употребляет чеснок во время беременности, то новорожденный младенец будет демонстрировать меньше отвращения к запаху чеснока чем младенец, мать которого чеснок не употребляла. Новорожденные дети также будут отдавать преимущество музыке, которую они слышали в утробе, по сравнению с музыкой, которую слышат впервые. Все это уже установлено наукой. Но до сих пор непонятно, имеет ли явление пренатальной учебы хотя бы какой-либо длительный эффект. Известно, что «музыкальный вкус» к определенному произведению при отсутствии подкрепления исчезает уже за три недели. Однако способность плода к «учебе» наводит некоторых людей на мысль, что развитие мозга плода может быть активизировано программой пренатальной стимуляции. Впрочем, об этом нет никаких солидных научных исследований.

Мозг новорожденного
На момент рождения мозг младенца имеет фактически все необходимые нейроны. Но мозг продолжает активный рост и за следующих два года достигает 80% размера мозга взрослого человека. Что происходит в течение этих двух-трех лет?
Основной прирост веса мозга происходит за счет глиальных клеток, которых в 50 раз больше чем нейронов. Глиальные клетки не передают нервные импульсы, как это делают нейроны, они обеспечивают жизнедеятельность нейронов: одни из них поставляют питательные вещества, другие - переваривают и уничтожают отмершие нейроны или физически держат нейроны в определенном положении, формируют миелиновую оболочку.
С момента рождения в мозг малыша поступает громадное количество сигналов ото всех органов чувств. Мозг младенца более открыт к моделирующей руке опыта больше, чем в любой другой промежуток жизни человека. В ответ на требования окружения мозг является скульптором самого себя.

Зрение и мозг
Понимание особенностей формирования зрительной коры началось с известных экспериментов Девида Хьюбела и Торстена Визела в 60-х годах прошлого столетия. Они продемонстрировали, что если котятам временно закрыть один глаз в определенный критический для развития мозга период, то в мозге не формируется определенная связь. Даже когда зрение потом восстановить, то характерное бинокулярное зрение все-равно никогда не сформируется.
Это открытие начало новую эру в понимании роли критических периодов развития и важности наличия соответствующего стимула в этот момент. В 1981 году исследователи получили за это открытие Нобелевскую премию, а мы теперь можем поиграться со своим мозгом и зрением на странице Девида Хьюбела здесь.
То, которое было сделано с котятами, воспроизводить на людях, очевидно, не гуманно. Но эти опыты позволяют в определенной мере экстраполировать знание и таким образом понимать особенности развития человеческого мозга. Существуют также примеры с врожденной катарактой у детей, что указывает на то, что и у человека есть критические периоды в развитии мозга, которые требуют наличия определенных внешних зрительных стимулов для корректного развития мозга. Что же известно о зрении новорожденного? (не поленитесь сходить по ссылке и посмотреть на мир глазами младенца)

Новорожденный ребенок видит в 40 раз менее раздельно, чем взрослый человек. Наблюдая и созерцая, мозг ребенка учится анализировать изображение и уже за два месяца он способен различать основные цвета, а изображение становится более четким. В три месяца происходят качественные изменения, в мозге формируется зрительная кора, изображение становится близким к тому, как в последующем будет видеть взрослый человек. Через полгода ребенок уже способен различать отдельные детали и видит лишь в 9 раз хуже, чем взрослый. Полностью зрительная кора формируется к 4-му году жизни.

Первые три года
Вполне логично предположить, что подобный критический период касается не только развития зрительной коры. Уже ни у кого не вызывает отрицаний тот очевидный факт, что в первые три года жизни происходят важнейшие этапы в формировании мозга. Серьезным подтверждением может служить явление госпитализма, которое в 1945 описал Шпитц. Речь о симптомах, которые развиваются у детей на первом году жизни, воспитываемых в медицинских учреждениях, идеальных с точки зрения медицинского и гигиенического ухода, но в отсутствии родителей. Начиная уже с третьего месяца жизни наблюдалось ухудшение их физического и психического состояния. Дети страдали от депрессий, были пассивны, заторможены в движениях, с бедной мимикой и плохой зрительной координацией, даже в целом не фатальные болезни часто имели летальные последствия. Начиная со второго года жизни проявлялись признаки физической и психической отсталости: дети не могли сидеть, ходить, говорить. Последствия длительного госпитализма длительны и часто необратимые. Сегодня описывают также явление семейного госпитализма, которое развивается у детей на фоне эмоциональной холодности матери. Впрочем, что конкретно происходит в это время в мозге ребенка точно неизвестно.

Тот факт, что эти первые три года жизнь есть безусловно критическими для развития мозга ребенка, побудило ученых к последующим исследованиям, а педагогов и политиков к бурной кампании в поддержку стимуляции мозга ребенка на протяжении первых трех лет жизни. Началось все из утверждения, что, очевидно, мозг формируется от нуля до трех лет, после этого уже поздно что-то делать. В Америке при государственной финансовой поддержке стартовала кампании «I Am Your Child» и «Better Brains for Babies». Как результат – гора книжек, учебных программ для родителей и статей в прессе. Главный меседж этих программ можно сформулировать так: поскольку мы уже знаем из работ нейрофизиологов, что нейрональные связи формируются под действием внешних стимулов и полностью за первые три года, то эту среду нужно как можно активнее усилить, соответственно активизировать ментальную стимуляцию мозга новорожденного. Такой подход получил название science-based еnriched environments. Родители ринулись покупать младенцам диски с Моцартом для беби, флэш-карты с яркими изображениями и другие игрушки, которые должны развивать. Но оказалось, что педагоги несколько опередили ученых. В разгар кампании один журналист позвонил по телефону нейрофизиологу Джону Бруеру, автора книжки «The Myth of the First Three Years: A New Understanding of Early Brain Development and Lifelong Learning» и спросил: «Базируясь на нейрофизиологии, что бы вы могли посоветовать родителям относительно выбора садика для их детей?». Бруер ответил: «Базируясь на нейрофизиологии – ничего».

Правда заключается в том, что наука не знает, как должен в действительности выглядеть еnriched environments для оптимального развития мозга в течение первых трех годов. Джон Бруер не устает повторять: до сих пор не существует надежных исследований, которые бы четко указывали, какой силы, интенсивности и качества, должны быть раздражители, также нет соответствующих исследований, которые бы подтвердили длительный эффект таких раздражителей во времени.

Явление еnriched environment исследовали на крысах. Крыс делили на две группы, одну просто садили в клетку, а в другую к крысам помещали сородичей и игрушки. В обогащенной среде у крыс действительно формировались в мозге намного больше синапсов. Но, как логично замечает исследователь Dr. William Greenough, то, что для крыс является обогащенной средой в лабораторных условиях, для ребенка может быть просто нормальной средой. Младенцев не оставляют в одиночестве, у них есть возможность много исследовать прямо дома - просто ползая вокруг по квартире, исследуя книжки, вытянутые из книжной полки, или перевернутые корзины с одеждой. Впрочем, эксперимент с крысами уже нашел свой особенный путь в прессе и не на шутку обеспокоил родителей, которые прониклись развитием своих младенцев.

Для родителей, которые обеспокоены тем, что не успели вовремя развить ребенка за первые три года, у ученых есть утешительный аргумент: развитие мозга продолжается и после трех лет. В мозге формируются нейронные связи в течение всей жизни. Хоть этот процесс и не совсем линейный, он также генетически запрограммирован, и так же зависит от приобретенного опыта и окружения. В одни периоды жизни он более интенсивен, чем в других, и следующий период большой перестройки мозга – подростковый возраст.

Мозг подростка – строительная площадка
Ученые давно изучают мозг человека, в основном наблюдая разнообразные аномалии в развитии, или травмы мозга, которые приводят к изменению функции, которые проявляются в характерных клинических картинах. Но настоящий прогресс начался с применением технологии магнитно резонансной томографии. Эта технология позволяет визуализировать активные участки мозга, которые называют функциональными. Речь идет не просто об определении участка, а об определении именно тех участков, которые активизируются в ответ на стимул. В американском National Institute of Mental Health под руководством Dr. Jay Giedd начался масштабный проект по исследованию мозга подростков. Мозг 145 нормальных детей сканировали с интервалом в два года и исследовали, какие участки мозга обрабатывают информацию и изменяется ли топография функциональных участков по сравнению с такими у уже взрослых людей и в процессе взросления. Что же обнаружили ученые?


Префронтальний кортекс
Первое открытие касалось серьезной перестройки префронтального кортекса. Giedd и его коллеги нашли, что в области, которая называется лобовой корой (префрональним кортексом), мозг, судя по всему, растет опять как раз перед половой зрелостью. Префрональний кортекс - участок, который расположен сразу за лобными костями черепа. Перестройка этого участка вызывает особенный интерес, поскольку именно она выступает как CEO мозга, отвечая за планирование, рабочую память, организацию и настроение человека. Как только префронтальний кортекс «созревает», подростки начинают лучше соображать и развивают больше контроля над импульсами. Префронтальний кортекс – регион «трезвой оценки решений».
Пока не созрел префронтальний кортекс, обработка эмоциональной информации остается незрелой и осуществляют ее другие участки мозга, менее заточенные под такую работу. Именно поэтому подростки склонны к неоправданным рискам, в целом, плохо различают разные эмоциональные состояния других людей. Не знаю, как вам, а мне, как матери подростка, это открытие много чего объясняет.

Use It or Lose It
Если в возрасте до трех лет развитие нейрональних путей можно сравнить с ростом ветвей дерева, то в подростковом возрасте происходит два противоположных процесса – дополнительный рост новых путей и одновременная обрезка старых. Хотя, возможно, кажется, что наличие многих синапсов – вещь полезная, мозг считает иначе, и в процессе учебы сокращает удаленные синапсы, при этом белое вещество (миелин) идет на стабилизацию и усиление тех связей, которые активно используются. Отбор проходить по принципу use it or lose it : «Используем? Оставляем! Не используем? Избавляемся!». Соответственно, занятие музыкой, спортом и вцелом любая учеба побуждают к формированию и сохранению одних связей, а лежание на диване, созерцание MTV и игра в компьютерные игры – других.
Это же касается и изучения иностранных языков. Если ребенок выучил второй язык до наступления половой зрелости, но во время большой «подростковой» перестройки его не использует, то нейронные связи, которые его обслуживают, разрушаются. Соответственно язык, который изучался после перестройки мозга, займет особенное место в языковом центре и будет использовать совсем другие связи, чем родной язык.

Мозолистое тело и мозжечок
Еще одно открытие проясняет другие подростковые особенности. Речь об активной перестройке в мозолистом теле, которое отвечает за коммуникацию между большими полушариями мозга и, как следствие, связан с изучением языков и ассоциативным мышлением. Сравнение развития этого участка у близнецов продемонстрировало, что оно лишь в незначительной мере определено генетически и преимущественно формируется под воздействием внешней среды.
Кроме мозолистого тела, серьезную перестройку испытывает также мозжечок, при чем такая перестройка длится вплоть до взрослого возраста. До сих пор считалось, что функция мозжечка ограничивается координацией движений, однако результаты магнитно резонансной томографии показали, что он также задействован в обработке умственных заданий. Мозжечок не играет критическую роль в реализации этих заданий, скорее, выполняет функцию копроцессора. Все, что мы называем высоким мышлением, – математика, музыка, философия, принятие решения, социальные навыки, - проходит через мозжечок.

Выводы:
Несмотря на серьезность и количество проведенных исследований, ученые продолжают утверждать, что они все еще мало знают о связи структуры и функций мозга, а также о развитии поведения. Так же мало известно, какие факторы являются наиболее весомыми для оптимального развития и какие резервы для развития мы потенциально имеем. Впрочем можно с уверенностью утверждать, что нормальный человек с момента рождения и до смерти нуждается во внимании, общении, нормальном живом окружении и искреннем интересе к себе.