Откуда берутся умные дети?

Доктор биологических наук Татьяна Строганова. Записала Елена Вешняковская.

От чего зависит развитие ребёнка? Природа и воспитание, врождённое и приобретённое, генетическое и средовое… Это дихотомия, в которой люди мыслили много веков. Просто в ХХ веке, как точно подметила выдающийся генетик ХХ века Сюзан Ояма, в массовом сознании термин «гены» заменил «маленького человечка», который крылся в сперматозоиде у «спермистов» или в яйцеклетке - у «оваристов», а потом «развёртывался в младенца».

На самом деле всё происходит иначе.

Существует волшебная ткань, с которой ребёнок рождается на свет, - мозг. С известным набором нейронов. Нейронных связей в коре в момент рождения - всего несколько процентов от того, что там в итоге будет. А теперь внимание: к десяти месяцам жизни у младенца будет в несколько раз больше связей в коре, чем у меня и у вас. Что дальше? Редукция. Экспериментально, на животных, исследователи видели то же самое: чрезвычайная избыточность, так называемая синаптическая сверхпродукция сначала - и редукция потом. Что же служит механизмом отбора?

Проводились эксперименты над детёнышами животных, страшноватенькие, которые показывали, что отбор полностью зависит от внешнего опыта, от условий реальной жизни. Когда котёнка выращивали в цилиндре в вертикальную полоску, в его зрительной коре исчезали нейроны, способные реагировать на горизонтальные предметы. Мозг сохраняет только те устройства, которые нужны для обработки реально поступающей информации, а если такой информации нет, если обрабатывать нечего, устройство исчезает. Всё это происходит в особый период синаптической сверхпродукции. Внешние воздействия - природные и социальные - начали даже уподоблять скульптору, который из этой нейронной глыбы мрамора высекает, как резцом, наше «я», но такая аналогия не совсем точна. Ближе к истине нейрофизиологи, которые говорят: «use it or lose it», «используй или потеряешь». И действительно: иметь и использовать - это две разные вещи.

Те же нейрофизиологи говорят, что процессы обработки информации по своей природе конкурентны. Нейронные сети не могут обрабатывать одновременно всё: пока обрабатывается одно, другое отодвигается. Когда информация побеждает в борьбе за нейронный ресурс, у обрабатывающего её устройства повышаются шансы сохраниться при редукции. Роль селекторов информации играют такие факторы, как эмоции, внимание, некоторые другие, и именно ими активно занимаются исследователи интеллекта во всём мире. И меня всегда интересовал вопрос: что наследуемо, а что не наследуемо.

Сначала пришлось сделать невозможное

В 1992 году у себя в Психологическом институте РАО мы с Ириной Посикерой и Еленой Ореховой решили заняться исследованием близнецов. Таким, чтобы у них можно было снять энцефалограмму покоя и энцефалограмму при разных нагрузках, когнитивных и аффективных, провести психологические пробы, оценить их уровень когнитивного развития, а потом вычленить из всего этого, что наследуемо, а что идёт от среды. Выяснить это можно методами генетического анализа и статистически. В выборке есть монозиготные близнецы, у которых 100% генов одинаковы, и дизиготные близнецы, у которых одинаковы только 50%. Среда считается эквивалентной. Признак, который абсолютно идентичен у монозиготных близнецов, но только наполовину идентичен у дизиготных, наследуем стопроцентно. А признак, сходство которого одинаково у моно- и дизиготных близнецов, зависит, скорее всего, от среды. Можно построить математическую модель, которая разделит вклад генетики и среды. Мне было интересно, как распределятся признаки, которые зависят от того и от другого.

Наше исследование близнецов относится к так называемому классу лонгитюдных, когда одних и тех же детей наблюдают на протяжении длительного времени. Психологических лонгитюдных исследований, начатых от младенчества, с 1980-х годов сделано очень много, но таких, чтобы в одном исследовании младенцев были совмещены физиологические и психологические методы, до нас никто не проводил.

Но для статистического исследования нужна хорошая выборка, мы решили - минимум сто пар. Представьте, каково было это организовать, да ещё в 1990-е, в распадающейся стране. Мало того, что мать как-то должна привезти младенцев в лабораторию, она ещё будет не одна - кто-то приедет с нею, чтобы помогать; кроме того, она будет с двумя грудными детьми, а не с одним. И эти груднички пробудут у нас практически целый день: пока с одним проводят аппаратные исследования, другого тестируют психологически, потом они меняются местами. И так сто пар, 50 монозиготных и 50 дизиготных. В мире до сих пор такой эксперимент считается практически неосуществимым, так что наши работы по нему неплохо цитируются.

Самую интересную часть исследования мы доложили на Пятой когнитивной конференции в Калининграде в 2012 году, после того как тех же близнецов, которым уже было по 5-6 лет, обследовали повторно. Все сто пар собрать не вышло, мы смогли найти только 50, что не позволило анализировать генетику, но и при таком объёме выборки удалось решить некоторые интересные задачи.

В чём измерять интеллект младенца?

Ранее в лонгитюдных психологических исследованиях было показано, что, если измерять интеллект периодически - в первый год жизни, во второй, в пятый и так далее до 19 лет, то начиная с третьего или даже со второго года интеллект, измеренный в разных возрастах, очень хорошо коррелирует. Другими словами, кто оказался умным в два года, тот будет умным и в 6, и в 19 и так далее. Происходит это отчасти потому, что вклад наследственности в показатели интеллекта с возрастом увеличивается. Это тоже подтверждено исследованиями: брали разлучённых близнецов, оценивали их интеллект и интеллект их приёмных и биологических родителей. Со временем дети становились интеллектуально всё больше похожими на своих биологических родителей. (Здесь очень важно понимать, что речь идёт исключительно об интеллекте, а не обо всей психической жизни человека, которая гораздо богаче умственной.)

Но корреляция по интеллекту наблюдалась только после примерно двух лет. Между периодом младенчества и всеми остальными возрастами существовал разрыв - по-английски developmental gap: оценки интеллекта младенца никак не коррелировали с последующими оценками его интеллекта в других возрастах.

Интеллект младенца традиционно измеряют с помощью специальных сенсомоторных тестов - шкал Бейли, которые позволяют большое число показателей свести в суммарный результат. Этот подход основан на том, что классик психологии развития швейцарский психолог Жан Пиаже когда-то выделил в развитии интеллекта сенсомоторную стадию и считал, что от того, как она пройдёт, должны зависеть все последующие. Должны, а они не зависят. Разрыв. Может быть, мы просто как-то не так природу спрашиваем? Возможно, интеллект, который оценивается в младенческом возрасте, включает совсем другие психические функции, чем те, которые оцениваются в тестах на интеллект в более позднем возрасте?

Нам стало интересно: а не сможем ли мы померить что-то другое, что лежит в основе интеллекта у младенцев. Тут как раз подоспело горячее увлечение западной психологии «нервной моделью стимула по Соколову». Коротко суть её вот в чём. У живых существ есть так называемый ориентировочный рефлекс «что такое?»; он возникает в ответ на стимул, предъявляемый впервые, и угасает при повторных предъявлениях того же стимула. Евгений Иванович Соколов, гениальный человек и великий учёный, предположил, что угасание зависит от той нервной модели стимула, которая была у животного или у человека в момент, когда стимул первый раз прозвучал. При первом предъявлении стимул не вписывается в контекст, в модель ситуации, которая есть в мозге. По мере повторных предъявлений модель ситуации в мозге обновляется и рефлекс «что такое?» угасает. Тогда скорость привыкания может быть показателем скорости обновления картинки мира, то есть, в итоге, скорости обработки информации. Проще говоря, чем быстрее ребёнок привыкает к стимулу, тем у него будет выше интеллект. В 1990-е годы начали разными способами мерить у младенцев динамику привыкания и увидели: да, коррелирует! В отличие от шкал Бейли, у скорости привыкания есть корреляции с позднейшими показателями интеллекта.

Но… слабенькие. В тех работах, которые я читала уже в 2006 году, суммарные корреляции всё ещё не впечатляли. Исследователи, мыслившие более физиологично, предположили, что эти корреляции могли возникать не потому, что скорость привыкания отражает скорость обработки информации, а потому, что у тех деток, которые быстрее привыкали, было лучше внимание: способность сфокусироваться на стимуле. Это же младенцы, ты ещё пойми, куда он смотрит. Те из них, которые «лучше смотрели на стимул» - то есть те, у которых внимание было выше, - именно они и привыкали к стимулу быстрее и имели оценки интеллекта повыше. Прекрасное предположение, но можно ли его как-то доказать? Как померить внимание? И что оно вообще такое? И тут мы подумали: как хорошо, мы-то как раз можем померить внимание на первом году жизни!

Дело в том, что электрические процессы в мозге очень точно отражают внимание. Основу электрических процессов, которые регистрирует энцефалограмма, составляют ритмы. Альфа-ритм доминирует в состоянии покоя зрительной системы, тета-ритм появляется при эмоциональном возбуждении, мю-ритм характерен для замирания при глубокой концентрации и так далее. Откуда они берутся? Фактически в ритмах энцефалограммы вы измеряете совокупный мембранный потенциал большого количества нейронов. Ритмы представляют собой колебания этого мембранного потенциала. В возбуждённом состоянии мембрана нейрона деполяризована и отвечает нейронным разрядом на любой приходящий стимул. Такой разряд означает, что этот нейрон соединился с другой клеткой. Когда мембрана гиперполяризована, вероятность разряда уменьшается, нейроны синхронизируют медленные изменения своих мембранных потенциалов.

На энцефалограмме всегда видно, когда идёт неотфильтрованный сенсорный поток, потому что при нём десинхронизируется всё на свете: разные группы нейронов в коре заняты каждая своим делом. Ритм возникает, когда сенсорный поток начинает фильтроваться. Фильтрацией занят специализированный узел в мозге, таламус, куда, как в своего рода пропускник, поступает вся сенсорная информация, прежде чем поступить в кору. Казалось бы, зачем мозгу эта задержка? Но внимание, как показывают аппаратные исследования мозга, - это довольно сложный, неоднородный процесс. Сначала стимул вызывает повышенный общий уровень нейронального возбуждения, затем это возбуждение должно канализироваться через какой-то регуляторный механизм. Именно эту роль - регулятора, фильтра, отбирающего, по какому каналу информация пойдёт в кору, а какие каналы будут при этом частично выключены как неактуальные для обработки данного стимула, - и играет таламус. Мембранные потенциалы больших групп нейронов начинают синхронизироваться, то есть ритм в ЭЭГ возникает, только когда сенсорный поток частично выключен, отфильтрован. В частности, если в соматосенсорной коре мы видим хороший мю-ритм, значит, в этот момент глубина зрительного внимания велика, а моторная система отдыхает. Такой же соматосенсорный ритм будет у замершей кошки, которая следит за мышью, у любого животного... и у младенца тоже.

Вот его-то, мю-ритм при зрительном внимании, мы и стали изучать и получили великолепную корреляцию с поведением.

У младенцев с выраженным мю-ритмом длительность общего внимания, вызванного стимулом, гораздо больше. Позже, когда мы исследовали этих же детей в пятилетнем возрасте, они и по темпераменту оказались очень пластичные: менее возбудимые, способные долго находиться в состоянии внимания. А у младенцев, у которых не было этих ритмов в спектре, внешняя стимуляция вызывала полную и повсеместную десинхронизацию: общее возбуждение, которое никак не регулировалось и не дифференцировалось. В пятилетнем возрасте родители отмечали у них трудности регуляции внимания, неусидчивость, импульсивность.

Однако корреляции этой нейрональной, невидимой поведенчески возбудимости с интеллектом мы не нашли; с интеллектом возбудимость и в пять лет не коррелирует. Так что вопрос о вкладе внимания в интеллект оставался открытым.

«Эффект бабушки»

Но, как я уже говорила, внимание устроено довольно сложно: помимо того, что в таламусе регулируется канал, по которому поступает к коре сенсорный приток, есть и другая регуляция - непосредственно внутри канала. Например, ваше внимание направлено к зрительному каналу. В зрительном канале появляется несколько конкурирующих стимулов. Вам нужен только один из них, другие мозг воспринимает как помеху. Включается принципиально иной селективный механизм выбора мишени внимания, он решает исход конкуренции: какие из соположенных стимулов вы будете обрабатывать. Тут я воспользовалась одним наблюдением, которое мы сделали немного раньше. Дело в том, что помимо альфа-ритма, который рождается в связи таламуса и коры, у человека, и у младенца тоже, есть ещё тета-ритм. Тета-ритмы сначала принимали за аффективные, они появлялись и были впервые описаны как эмоциональные. Но эмоции - дело тонкое, в экспериментальной обстановке их вызвать трудно, если только это не негативные эмоции, а негативные вызывать нельзя из-за этических ограничений. Сейчас пытаются показывать испытуемому эмоциональные видеоролики, фрагменты фильмов, но мне слабо верится в возможность вызвать настоящие эмоции у взрослого человека в экспериментальной камере. С другой стороны, некоторые умельцы ухитрялись снимать эмоции даже во время полового акта и действительно получали огромный тета-ритм у взрослого человека. Кроме того, такой же ритм был описан у грудного ребёнка, когда ему показали какую-то невероятную новую куклу. Всё это как будто подтверждало связь тета-ритма с аффектом.

Но психофизиологу, который работает с человеком, очень полезно читать работы, сделанные на животных. Замечательная исследовательница Ольга Сергеевна Виноградова из Пущино изучала тета-ритм в гипокампе животных (гипокамп - это структура, которая связана с памятью и очень любит навязывать коре свои правила). Так вот, тета-ритм оказался наиболее выражен как раз не в коре, а в гипокампе. Проще говоря, когда внимание захвачено одной-единственной мишенью, когда она удерживается в памяти, во внутреннем фокусе, то в коре появляется тета-ритм, который навязал ей гипокамп. Интересно, что сам гипокамп при этом находится в заторможенном состоянии, у него работают всего несколько групп нейронов, которые этот ритм навязывают; он не регистрирует никакой новой информации, только демонстрирует, что «линия занята». «Я занят, отстаньте от меня, у меня одна-единственная мишень, и пока это так, никакого богатого сенсорного притока у меня не будет». Тогда я подумала: почему тета-ритм возникает при эмоциях? Потому, что они эмоции, или потому, что в состоянии эмоционального возбуждения внимание сосредоточено на чём-то одном? Почему тета-ритм наблюдается у детей при многих патологиях? Может быть, сломался механизм, который регистрирует в памяти внешнюю информацию, структура памяти стала для неё недоступна? И, может быть, в норме при эмоциональном возбуждении тета-ритм просто означает предельно сфокусированное внимание, состояние, когда проблема конкуренции между стимулами внутри одного канала решена? И мы это доказали - на грудных младенцах.

Мы провели очень простой и показательный эксперимент: экспериментатор играла с младенцем в «ку-ку». Она появлялась перед ним: «Привет, ты меня видишь?», «Ты меня ждёшь?» - в этот момент её отгораживал от ребёнка белый экран. В руках у неё был датчик, которым она отмечала периоды появления и исчезновения, а видеокамера регистрировала поведение ребёнка. Гипотеза была такая: если тета-ритм связан с аффектом, то его максимум должен возникать, когда экспериментатор появляется из-за экрана и младенец весь расцветает улыбкой. А если он связан с предельно сконцентрированным, недоступным другим стимулам вниманием, то появляться должен тогда, и только тогда, когда ребёнок ждёт, глядя на совершенно пустое место, на экран. Чем управляется в этот момент внимание восьмимесячного младенца? Внешней стимуляцией? Нет. Его внимание управляется его прогнозом ситуации. У детей до этого возраста out of sight - out of mind, исчезло из виду - и тут же забыто. А восьмимесячный знает, что я появлюсь, его внимание поддерживается исключительно эндогенно, и энцефалограф регистрирует безумный тета-ритм. Потом я появляюсь - и тета-ритма нет. Он блокирован внешним стимулом; внутренняя, самим мозгом выбранная мишень исчезла.

После того как мы это опубликовали, появились другие интересные работы, показывающие такой же тета-ритм в гипокампе и коре у людей при навигации в виртуальном лабиринте. Эти факты подтверждали нашу гипотезу о тета-ритме как механизме внутренней селекции мишени внимания. Но для меня это означало возможность оценить, как связана с интеллектом способность младенца удерживать мишень внимания в отсутствие внешнего стимула, эндогенно. Мы получили ответ на свой вопрос: хорошую, нешуточную корреляцию эндогенного внимания младенцев с их интеллектом в пятилетнем возрасте. Никакого разрыва, следовательно, никакого developmental gap эта корреляция не показывает.

Возвращаясь к вопросу о наследуемых и средовых факторах интеллекта: наши результаты, опубликованные в журнале «Psychophysiology», содержали в себе ещё одну важную вещь. В отличие от многих других параметров энцефалограммы младенцев, которые очень, просто до неприятного, наследуемы, тета-ритм как раз оказался сильно зависящим от факторов общей среды, то есть той среды, которая была одинаковой для обоих близнецов в паре. Нам стало интересно, от каких именно. Возможно, внутриутробных? Проверили, вроде нет. Потом моей коллеге Елене Ореховой пришла в голову идея: «А давайте посмотрим, у каких близнецов есть бабушки, а у каких нет. У мамы, если она одна в доме, мало времени на общение с близнецами остаётся, ей всю домашнюю работу надо самой выполнять. Когда в семье есть бабушка - другое дело. В такой семейной ситуации у взрослых больше возможностей поиграть и позаниматься с детьми. Будет ли это деление коррелировать с различиями между детьми в тета-ритме?»

Так мы открыли «эффект бабушки» - статистически достоверно и надёжно. У младенцев, с которыми занимались бабушки, тета-ритм в состоянии внимания был выражен сильнее и само внимание удерживалось лучше, потому что они его «тренировали»; у них было больше социального взаимодействия. Внимание - крайне тренируемая вещь, внутренней сосредоточенности можно научить. Мы же знаем, как это важно, как от умения удерживать внимание зависит не просто способность человека решать задачки, а вообще всё: совокупный результат его деятельности. Сейчас в нашем МЭГ-центре при МГППУ идут исследования в этом направлении; думаю, нас ждёт много интересного.