Каково это — быть младенцем? Сканирование мозга может помочь нам узнать

Каждый, кто пытался развлечь ребенка , знает, что сидение в тишине и покое — это, вероятно, не лучший способ удержать его внимание, что представляет собой сложную задачу для нейробиологов, желающих изучить развивающийся мозг.

Тем не менее, с помощью телевизора, внимательных родителей и большого терпения исследователи разработали протоколы, которые помогают им поддерживать детей в сознании и неподвижности в аппарате фМРТ. Это важно: получение четких показаний на этих сканах мозга может раскрыть никогда ранее не виданные детали о том, какие части мозга активны в раннем возрасте, помогая исследователям ответить на вопросы о памяти, восприятии и познании .

«Цель этого исследования — попытаться понять человеческий разум, и действительно ценным подходом к этому вопросу является понимание того, как он развивается», — сказал доктор Ник Терк-Браун, профессор психологии Йельского университета, изучающий когнитивные способности младенцев.

Ученые все еще открывают новые части мозга , и то, что происходит в развивающемся разуме, исторически было трудно определить в нейробиологических исследованиях. Большая часть информации, которую мы знаем о мозге младенца, традиционно основывалась на поведенческих измерениях того, куда смотрят младенцы или чего они тянутся в экспериментах. Другие данные экстраполируются из экспериментов на животных или случаев, когда люди подвергались повреждениям мозга, чтобы сделать вывод о том, что происходит в функциональных областях мозга.

Однако использование аппарата фМРТ считается золотым стандартом для картирования функций мозга, говорит доктор Тристан Йейтс, когнитивный нейробиолог из Колумбийского университета, изучающий восприятие и память в раннем возрасте.

«Причина в том, что это дает вам полный охват мозга… включая доступ к действительно глубоким областям мозга», — сказала Йейтс в телефонном интервью Salon. Эта технология дает учителям доступ к более подробной информации об определенных областях мозга, которая может ответить на некоторые важные вопросы о познании, добавила она.

Когда в 1990-х годах появились аппараты фМРТ, исследователи использовали их для изучения мозга младенцев, но эти сканирования обычно проводились, когда дети спали, сказал Йейтс. Это означает, что они не могли изучать, как аспекты бодрствующего мозга, такие как познание, подвергались влиянию различных стимулов.

Но в 2002 году исследовательская группа во Франции успешно получила изображения фМРТ бодрствующих младенцев, чтобы измерить, как их мозг реагирует на язык. Другая исследовательская группа в Италии провела аналогичный эксперимент в 2015 году, а первое исследование сканирования мозга бодрствующих младенцев в США было опубликовано в 2017 году. Почти десятилетие спустя различные исследовательские группы начали изучать, что происходит в разуме младенца, чтобы лучше понять развитие нервной системы.

«Эта работа с фМРТ также находится в зачаточном состоянии, и ею занимается лишь несколько лабораторий по всему миру», — сказал Йейтс. «Мы рады, что сможем начать распутывать то, что здесь происходит».

При рождении мозг ребенка составляет примерно треть от мозга взрослого человека. Он почти удваивается в размере в течение первого года жизни, создавая миллионы нейронных связей каждую секунду в бесконечном процессе обучения.

Тем не менее, относительно небольшой размер мозга младенца не означает, что он обязательно недоразвит: как ни странно, функциональная магнитно-резонансная томография показала, что мозг младенца во многих отношениях удивительно похож на мозг взрослого, говорит доктор Кэмерон Эллис, профессор психологии в Стэнфордском университете, который исследует, каково это — быть младенцем.

«Когда я начал эту работу более 10 лет назад… я ожидал, что это будет инопланетный ландшафт, где многие из наших предположений и многие из вещей, которые верны относительно взрослого мозга, не будут применимы», — сказал Эллис Salon в телефонном интервью. «Я снова и снова оказывался неправ: на самом деле, мозг младенца очень похож на мозг взрослого».

Хотите получать больше историй о здоровье и науке в свой почтовый ящик? Подпишитесь на еженедельную рассылку Lab Notes от Salon.

Эллис отметил, что, хотя функциональная магнитно-резонансная томография у младенцев оказалась полезной для выявления того, какие области мозга функционируют в младенчестве, одним из ограничений этих данных является то, что активность в определенных областях мозга не обязательно приводит к тому же результату у младенцев, что и у взрослых.

«В этой области нам следует проявлять осторожность, чтобы не переоценивать сходство между младенцами и взрослыми как нечто, характеризующее их когнитивные способности как таковые», — сказал Эллис.

Тем не менее, это исследование изменило то, как исследователи думают о развивающемся разуме во многих отношениях. Например, нейробиологи часто интуитивно догадываются, что на ранних этапах развития младенческий опыт ограничен сенсорными процессами, такими как зрение, слух и осязание, но что вещи, требующие приписывания значения или связывания двух вещей, происходят позже в развитии, сказала доктор Ребекка Сакс, профессор наук о мозге и когнитивных науках в Массачусетском технологическом институте.

Однако в исследовании , опубликованном Сакс в прошлом месяце в журнале Current Directions in Psychological Science, она и ее коллеги обнаружили нечто, что бросает вызов предыдущим предположениям о том, как развивается мозг младенца. В частности, области медиальной префронтальной коры, отвечающие за обработку социальной среды, были активны, когда младенцы сталкивались с лицами. У взрослых эта область также активна при представлениях о себе, например, когда вы видите свой собственный номер телефона вместо случайного номера, объяснила Сакс.

«Возможно, дело не в том, что сначала младенцы обрабатывают визуальную информацию, а уже потом связываются с социальным значением», — сказал Саксе в телефонном интервью Salon. «Возможно, эти области мозга активны, потому что младенцы реагируют на социальное значение людей и лиц с того самого раннего возраста, как только мы можем измерить их мозг».

В одном исследовании, опубликованном Турком-Брауном, Эллисом и Йейтсом в Neuron в 2021 году, данные фМРТ показали активность зрительной коры младенцев при предъявлении различных визуальных сигналов, что указывает на то, что младенцы способны мысленно отображать мир перед собой в процессе, называемом ретинотопией, уже в возрасте пяти месяцев. Впечатляет, что их процесс настолько похож на мозг взрослого человека, учитывая, что зрение младенца все еще развивается в первые несколько месяцев жизни .

В другом исследовании группа ученых обнаружила, что участки мозга младенцев, отвечающие за переключение внимания в лобно-теменной коре, активизировались уже у трехмесячных младенцев.

«Удивительно, что это некоторые из частей мозга, которые, как считается, развиваются медленнее всего», — сказал Терк-Браун в телефонном интервью Salon. «Вы, вероятно, слышали об этой идее, что наша лобная доля продолжает развиваться в подростковом возрасте, и это правда, но мы показали, что некоторые из более элементарных вещей, например, как мы переключаем внимание и контролируем свой разум, могут поддерживаться этими областями мозга даже в младенчестве».

Однако существуют важные различия между мозгом младенца и взрослого человека. В одном исследовании 2022 года, опубликованном Турком-Брауном, Эллисом и Йейтсом, было показано, что младенцы обрабатывают события в более длительных временных масштабах, чем взрослые. Это может быть важным инструментом обучения, помогающим младенцам усваивать больше информации об окружающей среде, прежде чем выносить суждение о ней на основе своего прошлого опыта, сказал Йейтс.

Например, младенцы могут различать звуки, произносимые на разных языках, при рождении, но в возрасте от шести до двенадцати месяцев они начинают ограничивать свое внимание языком, который они чаще всего слышат, и теряют способность различать звуки, произносимые на других языках.

«Мы пока не связывали это с обучением, но имеет смысл, что может быть полезно начать с общей картины, а затем сузить ее», — сказал Йейтс. «Одна из вещей, которая происходит в младенчестве, — это процесс сужения восприятия, когда у младенцев в некотором роде более широкие способности восприятия, чем у взрослых».

Также, похоже, есть разница в обработке воспоминаний в младенчестве и взрослом возрасте. В конце концов, люди не помнят свое младенчество, и первые воспоминания обычно приходятся на возраст около трех или четырех лет.

Гиппокамп — это структура мозга, отвечающая за память, и она помогает нам запоминать определенные воспоминания о событиях, которые произошли в определенное время и в определенном месте, а также более общее чувство памяти, называемое статистическим обучением, когда мозг обнаруживает закономерности в окружающей среде. Например, когда дети начинают ходить в разные рестораны, статистическое обучение помогает им понять, какие блюда подаются в мексиканском ресторане, тайском ресторане и так далее.

Было показано, что младенцы хорошо обучаются статистике. В конце концов, именно так они усваивают язык, учатся узнавать членов своей семьи и начинают понимать тонкости своей культуры. Но было неясно, происходит ли этот тип памяти также в гиппокампе у младенцев, особенно потому, что гиппокамп удваивается в размере в младенчестве.

Чтобы исследовать этот вопрос, исследовательская группа показывала младенцам ряд случайных и структурированных изображений, пока они были подключены к аппарату фМРТ, чтобы увидеть, были ли эти области мозга активны, когда младенцы вспоминали структурированные изображения с течением времени. Они обнаружили, что эти же области мозга были действительно активны у младенцев в возрасте трех месяцев.

«Это удивительное открытие, потому что альтернативой было то, что, возможно, у младенцев остальная часть мозга или другая часть мозга важна для такого рода обучения», — сказал Терк-Браун. «Но на самом деле мы обнаружили, что взрослые механизмы статистического обучения могут быть функциональны у младенцев».

Это открытие не объяснило, почему мы не помним, когда были младенцами, но помогло исследователям сузить круг вопросов, которые им нужно было задать, чтобы выяснить это. Воспоминания активировали те же области мозга у младенцев, что и у взрослых, но может быть, что эти воспоминания не могут храниться в младенчестве. Или, может быть, воспоминания хранятся в младенчестве, но становятся недоступными для нас позже в жизни.

В другом исследовании, опубликованном в марте в журнале Science , группа исследователей изучала гиппокамп младенцев, подключенных к аппарату фМРТ, который мог хранить определенные эпизодические воспоминания — а не только статистические закономерности — уже в возрасте 12 месяцев. Это говорит о том, что причина, по которой мы не помним наши самые ранние годы, связана с тем, как они кодируются в мозге.

«Возможно, некоторые из наших ранних воспоминаний сохраняются в нашем мозгу, по крайней мере, на протяжении какой-то части нашей жизни, несмотря на то, что мы не можем получить к ним доступ», — сказал Терк-Браун.

Исследовательская лаборатория Терк-Брауна в настоящее время проводит исследования, чтобы лучше понять, как долго эти воспоминания сохраняются в сознании младенца и насколько они подробны. Это может помочь объяснить разрыв между тем, как мы переживаем воспоминания в младенчестве и во взрослом возрасте.

То, что они обнаружили, может помочь доказать или опровергнуть несколько теорий о том, почему мы не помним, как были младенцами. Например, может быть, что восприятие мира младенцами отличается до того, как они научатся говорить, и что обозначение вещей словами и языком помогает формировать наши воспоминания с большей долговечностью.

Например, шестимесячный ребенок может помнить, что был на дне рождения и слышал разговоры членов своей семьи, но если он не может понять смысл слов и еще не знает о днях рождения, он может не отсортировать это воспоминание с тем уровнем детализации, который его взрослый ребенок использовал бы для его последующего вспоминания.

«Это как будто память есть, но вы не знаете, как ее найти, как проблема с индексацией», — сказал Эллис. «Это как если бы вы пошли в библиотеку, а потом кто-то изменил все цифры, так что книга не там, где была раньше».

Тем не менее, понимание того, почему это так, может помочь нам лучше понять, как такие вещи, как ранний детский опыт, могут быть настолько влиятельными в дальнейшей жизни, даже если их нельзя вспомнить явно, сказал Йейтс. Это также может помочь нам лучше понять, как развиваются такие состояния памяти, как деменция или болезнь Альцгеймера, сказал Эллис.

«Для пациентов с болезнью Альцгеймера сбой, который может происходить в их мозге, возможно, можно исправить, внедрив некоторые изменения, через которые проходит мозг младенца, приобретая знания и память», — сказала Элли. «На данный момент это полностью спекулятивно, потому что мы не знаем, что это за изменения, но это потенциальная надежда в будущем».