Тринадцать лет спустя, на первом курсе Университета Смита, я создала свой собственный эксперимент по импринтингу с цыплятами для класса по продвинутой биологии. Чтобы произвести импринтинг цыплят на звук, я целую неделю «облучала» их конкретными звуками или тонами. В конце обучающего периода птенцы были помещены на своего рода подиум и им воспроизводились два звука – один из них знакомый звук, который я включала им семь дней подряд. Все цыплята пошли на знакомый звук: звук запечатлелся в них. Я помню это так хорошо, потому что моя мама была в гостях у меня во время эксперимента и она помогла мне печатать результаты!

Как на самом деле происходит обучение? Молодой и старый мозг работают одинаково, получая информацию от органов слуха, зрения, вкуса, осязания, обоняния. Сенсорная информация передается через сеть нейронов и хранится в кратковременной памяти. Эта область памяти является крайне неустойчивой и постоянно получает информацию из почти непрерывного информационного потока, с которым органы чувств сталкиваются каждую минуту во время нашего бодрствования. После обработки информации в краткосрочной памяти она сравнивается с существующими воспоминаниями и если она совпадает с ними, то отсеивается. (Пространство мозга слишком ограничено и слишком драгоценно, чтобы занимать его нейронными дубликатами.) Если информация является новой, то она отравляется в одно из мест в головном мозге, где хранятся долгосрочные воспоминания.

Хотя почти и мгновенная, передача сенсорной информации не является совершенной. Как иногда прерывается плавный сигнал в телевизоре, искажая на миг изображение, так искажается информация, когда она перемещается вверх и вниз по аксонам нейронов. Это объясняет, почему наши воспоминания никогда не идеальны, но имеют прорехи или нестыковки, которые мы иногда заполняем, пусть и бессознательно, ложной информацией.

Мозг запрограммирован обращать особое внимание на новую информацию, а это на самом деле и является обучением. Чем больше активности, или возбуждения, между конкретным набором нейронов, тем сильнее синапсы. Таким образом, рост мозга является результатом его возбуждения. А как вы помните, молодой мозг имеет больше возбуждающих синапсов, чем тормозных.

Чем чаще какая-то часть информации повторяется или повторно изучается, тем сильнее становятся нейроны и соединение уподобляется хорошо протоптанной тропинке в лесу. «Частота» и «новизна» – вот ключевые слова. Чем чаще и чем «недавнее» мы узнаем что-то, а затем вспоминаем или используем снова, чем глубже укореняется знание, будь то запоминание маршрута между домом и работой или добавление контакта в список вашего смартфона. В обоих случаях техника обучения зависит от синапса – крошечного пространства, где пакеты информации передаются от одного нейрона к другому через химических посланников.

Чтобы эти нервные связи образовались, обе стороны синапса должны быть «включены», то есть находиться в состоянии возбуждения. Когда интенсивность возбуждающего сигнала превышает определенный уровень, то принимающий нейрон активируется и начинается молекулярный процесс, называемый долговременной потенциацией, с помощью которого укрепляются синапсы и нейронные связи.

РИСУНОК 10. Долговременая потенциация (ДП) – это широко используемая модель «практического эффекта» обучения и памяти. A. Гиппокамп внутри височной доли. B. Активность клеток мозга, зафиксированная в гиппокампальных срезах, взятых у грызунов, показывает изменения в клеточных сигналах после стимуляции. C. Эксперименты с ДП обычно фиксируют повторяющиеся небольшие реакции на стимулы до тех пор, пока не будет дана серия стимулирующих импульсов (это похоже на «практический эффект»). После чего реакции нейронов на первоначальные стимулы усиливаются, как будто они были «запомнены».

Процесс долговременной потенциации, или ДП, это сложный каскад событий, задействующий молекулы, белки и ферменты, который начинается и заканчивается в синапсах.

ДП начинается с главного возбуждающего нейромедиатора, глутаминовой кислоты, которая выделяется на терминал аксона одного нейрона, через синапс, к рецептору на дендрите принимающего нейрона. Глутаминовая кислота напрямую участвует в строительстве более сильных синапсов. Как она это делает? Глутаминовая кислота действует в качестве катализатора и запускает цепную реакцию, которая создает большие по размеру и более сильные синапсы, или связи, в проводящих путях мозга.

Когда глутаминовая кислота активирует рецептор, она заставляет ионы кальция перемещаться вокруг синапса. Кальций, в свою очередь, активирует множество ферментов и молекул и взаимодействует с определенными белками, чтобы изменить их форму и поведение. И это может изменить структуру синапса и нейрона, чтобы сделать их более или менее активными. Кальций может изменить существующие белки очень быстро, от нескольких секунд до нескольких часов, и он также может активировать гены, чтобы создать новые белки – этот процесс занимает от нескольких часов до нескольких дней.

РИСУНОК 11. Новые рецепторы добавляются в синапсы в процессе обучения и запоминания, а также ДП: сигналы аксонов, которые изначально вызывали малый отклик, вызывают больший отклик в нейронах после ДП благодаря развитию более крупного синапса.

Конечным результатом является синапс, более сильный и крупный по размеру, и это ведет к большей силе реакции в активированной клетке.

В экспериментах эту усиленную реакцию можно измерить как более мощный электрический сигнал. По сравнению с реакцией до «тренировки» и последующим построением сильного синапса, реакция в клетке после этой потенциации гораздо мощнее. На самом деле, если вы изучаете все это, вы создаете новые синапсы, когда читаете данные строки. Всего через несколько минут после того, как вы узнаете что-то новое, ваши синапсы начинают расти сильнее. Через несколько часов они становятся более сильными и крупными.

Джон Эклс, который получил Нобелевскую премию за свои ранние работы по изучению синапсов, удивился, насколько много стимуляции нужно, чтобы произвести изменения синапса:

«В попытке объяснить феномены обучения самым малоубедительным является то, что длительные периоды избыточного использования или неиспользования необходимы, чтобы произвести явные синаптические изменения».

Эклсу не удалось понять, что повторы, которые он отмечал с такой безнадежностью, – эти «длительные периоды избыточного использования» – представляли собой работу мозга, его научение и приобретение им знаний. После повторной стимуляции клетки мозга будут реагировать гораздо сильнее на раздражитель, чем первоначально. Следовательно, нейронная цепь «учится». И чем больше укоренены знания, тем легче вспомнить их и использовать.

Когда лыжники участвуют в слаломе, самый быстрый маршрут вниз становится отчетливым. Возникают колеи. К тому времени, когда последние спортсмены стартуют, маршрут так глубоко отпечатывается в снегу, что они не могут выехать из него, да им и не хочется это делать. Глубоко отпечатанный след направляет их вниз по пути, который им не нужно искать.

Процесс тонкой настройки и выключения нейронных связей, которые были созданы в детстве, но больше не нужны, называется прореживание, или прунинг. Он ускоряется с середины до конца пубертата, когда удаляются ненужные синапсы. Ученые называют эту фазу прореживания своего рода «нейронным дарвинизмом», в которой выживают только «сильнейшие», то есть наиболее часто используемые нейроны.

Чем объясняется потеря серого вещества на столь раннем этапе развития человека, когда многие когнитивные и познавательные функции еще в полной мере не развиты? В последние несколько лет исследователи обнаружили прямую корреляцию между уменьшением у подростков серого вещества и увеличением белого вещества. Ученые знают, что серое вещество продолжает уменьшаться и во взрослой жизни, особенно после шестидесяти лет, но они считают, что уменьшение объема серого вещества в подростковом возрасте – это существенно иной процесс. В дальнейшей жизни серое вещество уменьшается вследствие дегенеративных процессов, то есть происходит сжатие клеток и их отмирание, в то время как в подростковом возрасте уменьшение серого вещества является следствием пластичности мозга. («Используй или потеряешь!»)