Эффекты обогащения и обеднения среды

Для оценки диапазона пластичности ЦНС используются данные, получаемые в экспериментах на животных с использованием среды разной степени насыщенности. Использование обогащенной и обедненной среды как методического приема впервые было предложено Д. Хеббом (Hebb, 1949). Опираясь на результаты своих исследований, он сформулировал положение о том, что при восприятии животным в раннем периоде повышенной сенсорной стимуляции приобретается опыт, который находит отражение в более позднем развитии поведения. В дальнейшем метод выращивания животных в усложненной и примитивной среде применялся для выявления значения раннего опыта не только в формировании поведенческих реакций, но также и в развитии различных нейрофизиологических функций, структуры и метаболизма мозга.

Обогащение среды предполагает воспитание молодых животных в обширных клетках, оборудованных различными устройствами и предметами (мостиками, лесенками, игрушками и т.д.), количество и качество которых постоянно меняется. Частая смена обстановки требует от животного повышенной двигательной активности и исследовательской деятельности. Для обогащения среды используются также различные стимулы (зрительные, слуховые, вестибулярные).

По контрасту с этим обеднение среды идет по пути лишения всякого разнообразия внешней обстановки. Крайний случай представляет взращивание животного в одиночной маленькой пустой клетке в полной изоляции от других животных.

Показано, что морфологические и функциональные характеристики ЦНС закономерно меняются в зависимости от характера внешних воздействий. Так, если детеныш животного растет в условиях лишения зрительного опыта, наблюдается морфологическая деструкция зрительных центров головного мозга и искажения в ходе созревания зрительных функций.

При обогащении среды, напротив, отмечается усиленное развитие морфологических элементов (увеличивается длина полушарий, утолщается поперечник коры, укрупняются тела нейронов, увеличивается ветвление отростков нейронов и т.д.). В целом все перечисленное свидетельствует об улучшении динамики мозгового созревания. Установлено, что животные, развивающиеся в усложненной внешней среде, по поведенческим показателям имеют высокую исследовательскую активность, выраженную способность взаимодействовать с внешними предметами и людьми.

Важно, что изменения, происходящие в ЦНС под влиянием внешних воздействий, специфически связаны с характером этих воздействий. Определенным образом организуя внешние воздействия, можно получить желаемое и селективное изменение функциональной активности нервных элементов.

Например, если одних котят выращивать в условиях, где единственным сложным зрительным стимулом будет рисунок из вертикально ориентированных черно-белых полос, а других – в условиях, где их будут окружать горизонтально ориентированные черно-белые полосы, то зрительная кора котят первой группы приобретет повышенную чувствительность к вертикальным линиям, и практически не будет реагировать на горизонтальные, а зрительная кора вторых, напротив, становится чувствительной к горизонтальным линиям и не будет реагировать на вертикальные полосы.

Под влиянием раннего сенсорного опыта происходит специализация нейронов детекторов коры больших полушарий, их «настройка» на восприятие стимула, наиболее часто встречающегося в среде. Подобная настройка представляет механизм адаптации, что непосредственно обнаруживается в поведении животных. Котята первой группы испытывают трудности, поднимаясь по лестнице, так как они не видят горизонтальных линий, образуемых ступенями. Котята второй группы натыкаются на вертикально ориентированные ножки мебели. Следовательно, под влиянием сенсорного опыта в период развития характер связей в зрительной системе котят изменяется таким образом, что в первой группе количество клеток, реагирующих на наиболее частые стимулы (вертикальные полосы) – возрастает, а доля клеток, чувствительных к редким стимулам (горизонтальным полосам) убывает, во второй группе происходят противоположные процессы (Hirsh, Spinelli,1970). Из сказанного следует, что, определенным образом организуя внешние воздействия, можно получить желаемое и селективное изменение функциональной активности нервных элементов.

Механизмы, опосредующие эффекты ранних средовых влияний.Как уже отмечалось, в раннем периоде развития мозга наблюдается период избыточной продукции синапсов (межклеточных контактов). Количество образуемых синапсов заведомо превышает число реально требующихся для проведения и обработки информации в ЦНС. Смысл этого явления состоит в следующем: избыточные синаптические образования оказываются в состоянии конкуренции за ограниченное постсинатптическое пространство, и синапсы, которые не используются (см. главу 7.1.4), исчезают. Таким образом, за периодом сверхпроизводства синапсов обязательно наступает уменьшение их числа, но не случайное, а обусловленное средовым опытом. Будучи невостребованными, устраняются низкоэффективные неиспользуемые синаптические контакты. В то же время сохраняются и стабилизируются именно те синапсы, которые несут нагрузку, проводя нервные импульсы. Таким способом создается окончательный паттерн синаптических контактов в формирующейся нейронной сети. Следовательно, именно качество и интенсивность средовых воздействий осуществляют подгонку нервных сетей в соответствии с особенностями среды, в которой развивается организм, обеспечивая их адаптивную настройку,

Известно, что в основе любой структурно-функциональной перестройки мозга всегда лежит изменение биохимических процессов в нервной ткани. В нейрохимических исследованиях, посвященных изучению эффектов средовых воздействий, установлено, что под влиянием сенсорной стимуляции в раннем онтогенезе происходит повышение показателей специфического медиаторного обмена, т.е. обмена химических веществ, играющих роль посредников в межнейронных контактах. Это значит, что наиболее выраженные биохимические перестройки происходят в синаптических нервных аппаратах, обеспечивающих морфофункциональную связь и взаимодействие нервных клеток.

Отдаленные эффекты ранней сенсорной стимуляции связывают, однако, не только с биохимическими превращениями в синаптических контактах, но и с изменениями во всей клетке. Многочисленные факты говорят о том, что в результате влияния сенсорно обогащенной среды и тренировки в телах нервных клеток происходит повышение содержания сложного органического соединения – рибонуклеиновой кислоты (РНК), последняя участвует в синтезе белков, обеспечивающих нервную передачу и взаимодействие нейронов в нервных сетях. В то же время имеется немало данных, говорящих о том, что биосинтез РНК и белков имеет прямое отношение к образованию следов долговременной памяти (см. главу 7.3).

Таким образом, главными нервными механизмами, опосредующими эффекты ранних средовых воздействий, являются пластические перестройки в ЦНС, происходящие на биохимическом и морфологическом уровнях. При таком подходе понятие пластичности нервной системы приобретает более конкретное содержание. Оно подразумевает любые изменения эффективности и направленности связей между нервными клетками, которые по длительности превышают обычные процессы передачи информации.

Роль гормонов в развитии ЦНС.Важные организаторы и регуляторы развития нервной системы и организма в целом – гормоны. Наиболее существенную роль играют гормоны гипофиза, щитовидной железы, надпочечников, половые гормоны. Особенно велико значение гормона щитовидной железы тироксина, он оказывает решающее влияние на рост и дифференцировку нервной системы (Розен, 1994). Его недостаток в раннем онтогенезе вызывает необратимые изменения в созревании нервной системы. Искусственное введение тироксина, напротив, ускоряет процессы созревания ЦНС (увеличиваются темпы миелинизации и роста нейронов). Присутствие тироксина необходимо и для нормального психического развития. Об этом свидетельствует такое заболевание, как эндемический кретинизм, возникающий при сильном недостатке йода в окружающей среде. (Йод входит в состав тироксина). Профилактика эндемического кретинизма заключается в добавлении йода в продукты питания.

В целом ряде исследований показано, что в результате ранней сенсорной стимуляции преимущественно стрессогенного типа происходят существенные изменения в системе гипоталамус – гипофиз – кора надпочечников, которые приобретают устойчивый характер и определяют диапазон и качество эмоциональных реакций на стрессогенные воздействия в периоде зрелости. При дополнительной сенсорной стимуляции усиливается секреция гормонов гипофиза, организующих ответ организма на стрессогенный стимул. Под влиянием этих гормонов изменяются параметры функционирования нервных центров, обеспечивающих адаптивные реакции. Половые гормоны также обладают сильным организующим действием на развивающуюся нервную систему, определяя маскулинную или фемининную специализацию нервных центров, контролирующих половое поведение.

Гормоны – специфические индукторы функциональной активности генов (Мертвецов, 1986; Розен, 1994). Гормоны выступают как посредники в регуляции транскрипции генов. Причем особенно наглядно роль гормонов в регуляции генной активности выступает в условиях стресса, который сопровождается усиленной секрецией троп-ных гормонов гипофиза, адреналина, кортикостероидов. Таким образом, выстраивается схема: физическая (сенсорная) стимуляция нервной системы – гормональная активация – возрастание активности генов. Эта схема хорошо согласуется с гипотезой нейроэн-докринной регуляции процесса реализации генетической информации, в соответствии с которой предполагается существование на молекулярном уровне общих механизмов, обеспечивающих как регуляцию активности нервной системы, так и регуляторные воздействия на генетический аппарат. Таким образом, главным (хотя, возможно и не единственным) звеном, осуществляющим взаимодействие между ЦНС и генетической системой являются гормоны.

Влияние среды на функциональные показатели созревания ЦНС детей.Закономерно возникает вопрос, в какой мере обогащение или обеднение опыта влияет на развитие ЦНС человека. Некоторые заболевания человека способны приводить к таким эффектам, которые у животных вызывает обеднение среды. Например, ограничение притока сенсорной информации в результате врожденной амблиопии, катаракты или потери слуха, как показывают постмортальные исследования, сопровождается сходными морфологическими изменениями. У слепых от рождения людей зрительные структуры мозга несут отчетливые признаки морфологического перерождения.

В некоторых случаях предпринимались попытки восстановить зрение у слепых от рождения. В частности, речь идет об удалении врожденной катаракты. При этом заболевании центральные структуры, ответственные за зрительную функцию, практически не страдают. Если удаление катаракты проведено в раннем возрасте (до 5 – 6 лет), зрение восстанавливается, далее возможности восстановления прогрессивно снижаются вплоть до старшего подросткового возраста и полной утраты этой возможности в зрелом возрасте: пациенты остаются функционально слепыми. Несмотря на восстановление зрительных возможностей, они не в состоянии ими воспользоваться.

Как показывает опыт лонгитюдных исследований детей с низким зрением, в возрасте 6 – 12лет возможно преодоление последствий зрительной депривации (Григорьева, 1996). Этому способствует специальное перцептивное обучение, в результате которого повышается способность к различению сенсорных признаков.

Проведено немало исследований особенностей биоэлектрической активности мозга (фоновой и реактивной ЭЭГ, вызванных потенциалов) у детей с сенсорным дефицитом при разных видах амблиопии и потере слуха. Несмотря на разнообразие клинического материала и способов оценки функциональных нарушений, эти исследования дают основания для общего вывода: чем больше ограничение притока сенсорных стимулов (зрительных, слуховых и др.). тем больше отклонений от нормального хода созревания отмечается в характеристиках биоэлектрической активности. Установлено также, что даже сравнительно небольшое по времени ограничение зрительного сенсорного притока к мозгу ребенка на ранних стадиях онтогенеза не сводится только к нарушениям зрительных функций. Вследствие ранней зрительной депривации (врожденная катаракта) изменяется функционирование мозговых систем контроля состояния мозга, регулирующих внимание, и определяющих объем и характер информации, поступающей к мозгу (Строганова, Посикера, 1996).

В связи с широким распространением программ ранней стимуляции психического развития особый интерес представляет изучение влияния интенсификации обучения на психофизиологическое созревание детей. Первые исследования в этом направлении показывают, что развивающее обучение приводит к изменению ряда параметров биоэлектрической активности головного мозга, свидетельствующему о его ускоренном созревании и значительном совершенствовании функций. Причем значимо меняются те параметры, которые по современным представлениям прямо связаны с обеспечением познавательной деятельности детей. Предполагается, что в изменениях психофизиологических функций под влиянием развивающего обучения находит свое отражение «зона ближайшего развития», являющаяся предпосылкой дальнейшего обучения (Венгер, Ибатуллина, 1989).