CC BY
158
А.Н. Шеповальников
Коррекционная педагогика на пути к освоению новых методов эффективной компенсации утраченных функций (о последних достижениях в изучении нейропластичности мозга)
В статье приводятся сведения о новых достижениях современной нейрофизиологии, связанных с изучением пластичности мозга и возможностями использования нейропластичности для решения задач коррекционной педагогики. Приводятся примеры частичной компенсации утраченного зрения, устранения дефектов моторики, лечения аутизма, а также коррекции нарушений речи у детей. Описаны четыре вида нейропластичности.
The article provides information about the new achievements of modern neurophysiology related to the study of brain plasticity and the use of neuroplasticity to meet the challenges of correctional pedagogy. The examples of partial compensation for loss of vision, motor defect removal and treatment of autism, as well as the correction of speech disorders in children. We describe four types of neuroplasticity.
Ключевые слова: коррекционная педагогика, пластичность мозга, виды нейропластичности, изменения площади корковых зон, новые методы обучения, восстановление нарушенных функций.
Key words: correctional pedagogy, brain plasticity, the types of neuroplasticity, changes in the area of cortical areas, new teaching methods, restoration of disturbed functions.
В Решении научной сессии академий наук, имеющих государственный статус «Здоровье и образование детей - основа устойчивого развития Российского общества и государства» проблема здоровья и образования детей выделена как важнейшее направление в области фундаментальных исследований [4]. Многие выдающиеся ученые России - участники этого уникального научного совещания -выражали серьезную озабоченность в отношении состояния здоровья детей, в особенности детей-инвалидов, и организацией их обучения в нашей стране. Объективных оснований для надежды на улучшение здоровья детей и уменьшение количества новорожденных с нарушениями развития, к сожалению, нет. Так, президент РАМН М.И. Давыдов, выступая на вышеупомянутой сессии, отметил, что безупречное состояние здоровья в 2005 г. было лишь у 6% девушек 14 лет (сейчас некоторые из них уже - молодые матери). Лишь 25 %
© Шеповальников А.Н., 2012
родов проходит без патологии. Только один новорожденный ребенок из десяти покидает родильный дом вполне здоровым... Понятно, что эти неблагоприятные показатели не могут не отражаться самым негативным образом на состоянии здоровья детей всех возрастных групп и увеличивает количество учащихся, нуждающихся в коррекционном обучении. Многие дети и подростки, имеющие отклонения от нормы, страдают патологией развития нервной системы и нарушениями моторики.
Ухудшение демографических показателей и ослабление здоровья детей вступает в противоречие с задачами интенсификации обучения учащихся, имеющих отклонения от нормы, поскольку потребности социальной адаптации непрерывно растут. Конечно, возможности медико-психолого-педагогической коррекции постепенно расширяются, и во многих случаях коррекционная работа оказывается весьма продуктивной. Однако практические потребности дефектологии требуют новых эффективных подходов в интересах улучшения качества обучения и оздоровления детей, а также реабилитации взрослых, перенесших травму или заболевания мозга.
Успехи в изучении функций головного мозга, в частности, в области использования его замечательной нейропластичности, открывают перспективу разработки новых приемов коррекции разнообразных нарушений в обеспечении нервно-психической деятельности. Будет справедливым подчеркнуть, что фундамент в изучении пластичности мозга был заложен классическими работами И.П. Павлова, А.А. Ухтомского, Л.С. Выготского и А.Р. Лурии. В наши дни, благодаря радикальному расширению методических возможностей, удалось получить исключительно важные сведения о возможностях коррекционного воздействия на мозг для восстановления нарушенных сенсорных, моторных и ментальных функций у детей и взрослых.
Представляются все более реальными возможности использования интерфейса для прямого взаимодействия ЭВМ и церебральных структур человека. Новые крупные открытия нейрофизиологов сделаны, прежде всего, благодаря использованию функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ): удалось выявить много важных деталей в механизмах обеспечения процессов, сопровождающих нервно-психическую деятельность, обнаружить локализацию ранее не известных церебральных систем, ответственных за определенные виды мышления, за копирование информации и за комплексную регуляцию функций. Применение позитронно-эмиссионных томографов (ПЭТ), обеспечивающих неинвазивное исследование прижизненной биохимии мозга, также принесло много ценных данных, позволивших, в частности, более глубоко и разносторонне представить специфику центральной организации речевой функции у женщин и мужчин в норме и при патологии. Наконец, развитие магнитной эн-
цефалографии, совершенствование приемов регистрации и анализа как традиционной электроэнцефалограммы (ЭЭГ), так и других биоэлектрических церебральных процессов на различных уровнях сложности, заметно содействовало познанию принципов системной организации работы мозга в условиях разных степеней его активации в пределах континуума «бодрствование - сон».
Эти бесспорные успехи в изучении деятельности мозга еще раз подтвердили справедливость высказывания И. П. Павлова о важнейшей роли уровня методического оснащения для прорыва в область непознанного: «.наука движется толчками, в зависимости от успехов, делаемых методикой. С каждым шагом методики вперед мы как бы поднимаемся ступенью выше, с которой открывается нам более широкий горизонт с невидимыми ранее предметами» [5]. Понятно, что современные достижения нейрофизиологии были бы невозможны без успехов физики и электроники. Мы попытаемся хотя бы фрагментарно описать некоторые, наиболее значимые, успехи в сфере изучения механизмов деятельности мозга человека, которые могут быть полезны для решения задач коррекционной педагогики.
К числу наиболее впечатляющих достижений в изучении функций головного мозга человека можно отнести новые данные о механизмах центральной организации речевой деятельности, интересные сведения о морфофункциональных особенностях женского и мужского мозга, объясняющие существенные различия в когнитивных стилях у тех и других, а также весьма перспективные для реального использования на практике неожиданные открытия, связанные с удивительной пластичностью функции мозга. Делом будущего представляются критическое осмысление и дальнейшее углубленное исследование свойства недавно обнаруженных так называемых дефолтных и зеркальных систем мозга, проявляющих свою активность как при бодрствовании, так и во время сна. Уже находят практическое применение в неврологической практике разработки генетиков, направленные на поиск корреляций между индивидуальными особенностями генетического аппарата и спецификой нервно-психической деятельности. Успешно развивается перспективное направление, связанное с целенаправленной активацией компенсаторных процессов в тканях мозга за счет усиления генерации собственных стволовых клеток.
Все большее признание получает новый метод радиоизотопной диагностики биохимической активности различных отделов мозга в норме и при патологии, основанный на использовании различных радиофармпрепаратов, содержащих ультракороткоживущие изотопы (О15, ^3, С11). Слабые жесткие излучения, улавливаемые томографом, позволяют количественно оценивать изменения уровня метаболизма и визуализировать результаты наблюдений. Принцип позитронно-эмиссионной томографии основан на определении интенсивности ан-
нигиляции, которая возникает в тот момент, когда излученный радиоизотопом позитрон встречается с электроном в соответствующих тканях мозга испытуемого.
Высокоэнергетические гамма-кванты, возникающие в результате взаимодействия позитрона с электроном, разлетаются в противоположные стороны. Это излучение регистрируется датчиками и затем с помощью компьютера преобразуется в картограмму, которая позволяет оценивать локальные изменения уровня метаболизма в глубоких структурах мозга, что отражается в различных сечениях. ПЭТ оказался весьма эффективным средством не только для ранней диагностики опухолевых поражений мозга (впрочем, как и других органов), но и для выявления первых признаков болезни Альцгеймера. Весьма невысокий уровень интенсивности лучевого излучения и совершенствование программного обеспечения делают возможным использование ПЭТ при обследовании здоровых добровольцев в целях изучения различных нервно-психических процессов, включая механизмы церебрального обеспечения речевой и творческой деятельности [1].
Однако будет справедливым отметить, что большинство крупных научных открытий, сделанных в последние годы в области изучения организации системной деятельности мозга, связаны с применением фМРТ. При регистрации процессов на фМРТ используется эффект резонансного поглощения атомами электромагнитных волн. С этой целью применяются мощные электромагниты или постоянные магниты (у последних моделей фМРТ их мощность достигает 3 Тесла). Воздействие электромагнитного излучения определенной частоты на изучаемую область мозга вызывает изменение магнитного момента части протонов на противоположный, а затем они возвращаются в исходное состояние. Система регистрации томографа позволяет с высокой точностью улавливать выделение энергии, которое происходит при «релаксации» предварительно возбужденных протонов. Использование так называемых градиентных усилителей не только обеспечивает селективное возбуждение протонов в нужной области мозга, но и позволяет выбрать необходимый срез в зависимости от задач исследования. Уникальные диагностические возможности магнитнорезонансной томографии обеспечили нейрофизиологов и клиницистов великолепным инструментом для изучения деятельности мозга.
Применение фМРТ позволило получить новые данные, характеризующие деятельность мозга в зависимости, например, от типа мышления. Дело в том, что в процессе целенаправленной деятельности (например, при классификации предъявленных объектов, чтении текста, сосредоточении внимания) наблюдается хорошо выраженная активация определенных областей мозга и одновременно постоянная дезактивация некоторых других структур. Эти другие, так называемые дефолтные, структуры мозга, напротив, оказывались активированны-
ми, когда испытуемые расфокусировали свое внимание, то есть отвлекались от раздражителей внешнего мира и как бы погружались в себя: спокойно размышляли, строили планы на будущее и т. п. Примечательно, что деятельность этой дефолтной системы способствует возникновению спонтанных мыслей [8, 9]. Дефолтная система связана не с первичными сенсорными полями или моторными отделами коры, а с системами хранения памятных следов, локализованных в височных отделах мозга.
Таким образом, создается впечатление, что человек использует две системы мышления: одна нацелена на извлечение сфокусированной информации из сенсорных блоков, а вторая, сопровождающаяся непременным отключением фокусировки внимания на внешних объектах, характеризуется концентрацией на воспоминаниях из прошлого.
Критическая оценка данных, полученных за последнее десятилетие с помощью фМРТ, позволяет утверждать, что исследователи мозга получили не только мощный и надежный инструмент для решения важных теоретических вопросов, но и высокоэффективный способ выявлять ранние отклонения от нормы и возможность обеспечивать надежный контроль за результатами коррекции (например, медикопедагогической).
Интересными и неожиданными оказались сведения о перераспределении сенсорных потоков в мозгу у лиц, потерявших зрение. Эти данные, полученные посредством фМРТ, убедительно показывают, что у слепых сенсорные потоки другой модальности (тактильные и слуховые) могут переориентироваться в зрительные поля коры [11]. С другой стороны, обнаружено [3], что у глухих людей происходит усиление периферического зрения, что улучшает их ориентировку в пространстве. Подобное направление исследований открывает многообещающие перспективы в плане разработки новых средств и методов протезирования сенсорных функций, для которых роль биотехнических систем может оказаться решающей.
Если попытаться проанализировать современные нейрофизиологические данные об организации системной деятельности мозга у детей, подростков и взрослых и сопоставить их с результатами пока сравнительно немногочисленных, но выполненных на высоком методическом уровне наблюдений, которые посвящены особенностям функционирования коры больших полушарий у незрячих, то выявляется не только феномен стереотипного перераспределения афферентных потоков у лиц, давно утративших зрение, но и сведения, позволяющие серьезно обсуждать наличие у слепых некоторых дополнительных резервов для анализа речевой информации и высших форм вербальной памяти. Может быть, это обстоятельство таит в себе ответ на вопрос: почему же при столь драматическом снижении афферентного сенсорного потока развивающиеся в мозгу компенсаторные про-
цессы настолько эффективны, что среди незрячих лиц так много выдающихся людей, писателей, профессоров и даже членов академий?
Феноменальная способность мозга перестраивать свои функциональные способности, используя пластичность, была показана в недавно опубликованной работе, где использовалась зрительная депривация [10]. В исследовании с применением фМРТ приняли участие 47 зрячих испытуемых. Наблюдения продолжались в течение 6 дней. На 5 дней испытуемым надежно завязывали глаза, эта оптическая депривация поддерживалась постоянно и под строгим контролем. Ежедневно в течение 6 часов каждого участника эксперимента интенсивно обучали чтению по Брайлю. В остальное время испытуемые имели возможность тренировать свои тактильные навыки на других объектах. Несмотря на сравнительно небольшую продолжительность зрительной депривации и ограниченность периода тренировок, эти люди добились заметных успехов в освоении навыков чтения руками по Брайлю уже в первые дни наблюдений, а главное, уже к концу недели в первичных зрительных полях коры стали постепенно нарастать признаки усиления локальной активации.
Контрольные измерения, проведенные на пятые сутки исследования, показали четко выраженное повышение уровня активации непосредственно при проведении теста (чтения пальцами незнакомого текста по Брайлю) в районе шпорной борозды в левом и правом полушариях. Таким образом, при интенсивном использовании тактильного анализатора на фоне тотальной, но непродолжительной зрительной депривации (и с учетом интенсивных тренировок!) удалось выявить атипичное перераспределение сенсорного потока за счет пластичности мозга и поступление тактильных сигналов не только в заднюю центральную извилину (где, как известно, локализуются соматосенсорные корковые поля), но и в первичные зрительные поля коры. Примечательно, что в районе островка с двух сторон и в области левой среднетеменной борозды одновременно с усилением активности в затылочных областях было зарегистрировано не увеличение, а уменьшение активности.
Та же группа авторов обнаружила интересный феномен. Если в процессе тестирования (чтения руками по Брайлю) испытуемого облучали направленным электромагнитным полем, активность затылочных областей уменьшалась, а задание выполнялось хуже. Очевидно, этот факт может указывать на высокую пластичность и способности мозга к перераспределению сенсорных потоков к экстерорецепторному воздействию. Выявленные закономерности в эволюции функциональных возможностей мозга по мере его возрастного развития позволяют предполагать, что для полноценной реализации любых достаточно сложных нервно-психических процессов, в частности, для обеспечения вербально-мнестической деятельности, необходима не только доста-
точная сформированность корковых и подкорковых структур, непосредственно связанных с центральной регуляцией той или иной функции, но и соответствующая возрасту зрелость нервных центров, нервных путей и интегративных механизмов мозга, ответственных за пространственно-временную организацию его системной деятельности. Особое место принадлежит филогенетически самым молодым нижне-теменным и лобным отделам мозга.
Не менее впечатляющие результаты были получены при попытке использовать для компенсации отсутствующего зрения рецепторы языка, посредством проецирования сигналов на полоску со 144 и более электродами, которая крепилась на его поверхности. Таким образом, язык выполнял функции интерфейса между тактильнозрительным аппаратом, воспринимающим световые сигналы, и мозгом. Испытуемые быстро обучались различать силуэты, некоторые крупные детали и воспринимать трехмерность пространства [3]. Аналогичным образом, используя пластичность мозга, удавалось использовать рецепторы языка для успешной компенсации грубо нарушенной функции вестибулярного аппарата, причем после определенной тренировки наблюдалось восстановление нормальной регуляции системы поддержания равновесия.
Сведения, полученные при исследовании испытуемых с отклонениями от нормы в процессе прижизненного исследования особенностей развития у них нервных путей, соединяющих классические речевые зоны коры и гомологичные им области контрлатерального полушария, дают основание предполагать, что многие часто встречающиеся случаи нарушений речи (такие как алалия, заикание) обусловлены не столько недоразвитием серого вещества соответствующих корковых центров, сколько недостаточностью («разрывом») белого вещества, то есть тех ассоциативных путей, которые необходимы для координированного взаимодействия комплекса корковых центров и глубоких церебральных структур, участвующих в обеспечении речевой функции [7].
Заслуживает внимания еще одна важная закономерность организации пространственно-временного дистантного взаимодействия корковых полей, которая может быть оценена посредством анализа многоканальной ЭЭГ не только на качественном, но и на количественному уровне, в том числе для выявления отклонений от нормы, а также для оценки эффективности медико-педагогической коррекции. Было установлено, что в неповрежденном мозгу, пребывающем в состоянии относительного покоя, непременно сохраняется своего рода «пространственный адрес» всех корковых полей. Это находит отражение в структуре поля биопотенциалов мозга, где поддерживается почти неизменная пространственная упорядоченность, которая регистрируется при представлении корреляционной матрицы стати-
стических связей ЭЭГ в трехмерном факторном пространстве в виде радиус-векторов [6]. В состоянии бодрствования отдельные взаимодействующие между собой корковые мини-структуры работают дискретно, не только демонстрируя высокую и постоянную готовность к восприятию и анализу сенсорных сигналов и организации целенаправленного поведения, но и непрерывно поддерживая свою эндогенную активность, связанную в значительной степени с вербальным и невербальным мышлением [1].
Очевидно, для решения прикладных задач дефектологии наибольший интерес представляют новые сведения о нейропластичности мозга, удачно представленные в обзорной монографии Нормана Дойджа [3], которые мы попытаемся кратко обсудить. Этот автор поддерживает мнение тех ученых, которые полагают, что особенно высокая пластичность, которой обладает мозг человека является достижением эволюции, поскольку никто из животных, включая высших приматов, не наделен этими способностями в такой же мере, как человек. Интересно, что это суждение перекликается с пророческими словами Л.С. Выготского [2], записанными им в середине 1934 г. за несколько недель до его кончины: «...человеческий мозг обладает новым по сравнению с животным локализационным принципом, благодаря которому он и стал мозгом человека, органом человеческого сознания» [2, с. 393].
Джордан Графман [3] описывает четыре основных вида нейропластичности. К ним относятся следующие варианты морфофункциональных изменений мозга, которые могут происходить и изолированно, и в комплексе, причем у детей они реализуются особенно успешно. Во-первых, это «расширение карты» корковых полей, которое происходит при интенсивной деятельности в определенных сферах, за счет увеличения границ соответствующих корковых зон. Во-вторых, «сенсорное перераспределение», которое может происходить в ответ на блокировку одного из органов чувств, когда первичные и вторичные поля коры перестают получать нормальную сенсорную информацию соответствующей модальности и переориентируются на дополнительную обработку сигналов других модальностей (например, слуховой или осязательной вместо зрительной). В-третьих, «компенсаторная замена» с использованием «альтернативной стратегии» для восприятия нужной информации посредством альтернативного анализатора (например, прослушивание аудиозаписей книг). Наконец, в-четвертых, это и «захват зеркальных областей», за счет адаптации к выполнению утраченных функций контрлатеральных отделов сохранного полушария мозга. Иначе говоря, если определенная зона одного из полушарий не справляется со своей функцией (например, вследствие травмы или заболевания какого-то отдела коры), то билатерально симметрич-
ная ей зона противоположного полушария принимает на себя выполнения этой утраченной или сильно ослабленной функции.
Н. Дойдж [3] аргументирует в своей монографии концепцию об изменяемости конфигурации и площади корковых полей, отвечающих за определенную функцию, приводя многочисленные примеры существенных изменений локализации и размеров сенсорных и моторных корковых полей под влиянием интенсивной целенаправленной тренировок не только у детей, но даже у взрослых в солидном возрасте. Специального внимания заслуживают его комментарии [3] исследований Мерцениха, касающиеся природы аутизма и его коррекции. Мар-цених рассматривает аутизм как патологическую задержку сенситивного периода в развитии мозга (когда «механизм обучения постоянно включен») и приводит первые примеры успешной нормализации церебральной деятельности детей после восьминедельного курса по специальной программе. В монографии [3] также приводятся убедительные примеры, когда высокая пластичность мозга позволяла обеспечить восстановление нарушенных функций или помогала устранению у ребенка задержки своевременного формирования некоторых функций, например, связанных со становлением речи.
Так, Н. Дойдж [3] в качестве примера приводит результаты шестимесячной тренировки группы детей, страдающих дислексией, с помощью компьютерной программы «Fast For Word», разработанной группой специалистов из Калифорнии. Эта программа включала в себя шесть упражнений, позволявших детям тренировать любую функцию мозга, связанную с языком, начиная с расшифровки звуков и заканчивая их пониманием. Одно из таких упражнений помогало детям совершенствовать их способность различать короткие и длинные звуки. Например, по экрану монитора пролетала корова, издававшая мычащие звуки. Ребенок был должен поймать курсором корову с помощью курсора и удерживать ее на месте нажатием кнопки мыши. Затем длительность звука «му» едва заметно изменялась, и в этот момент ребенок должен был отпустить кнопку и дать корове возможность улететь. Тот, кто быстро реагировал на изменение звука, набирал премиальные очки.
В другой игре дети учились различать сочетание согласных и гласных звуков, которые легко перепутать (например, «да» и «ба»). Сначала эти сочетания предъявлялись на небольшой скорости, а затем скорость их предъявления постепенно увеличивалась. Таким образом обеспечивалась тренировка мозга с использованием его пластичности. Важной частью программы было вознаграждение, когда за успешную работу ребенку показывали что-нибудь забавное из жизни героев мультфильма. Сопоставление результатов шестинедельного обучения детей по этой программе с детьми контрольной группы (с такими же нарушениями речи, но просто игравшими в компьютерную иг-
ру, похожую на ту, которая была создана в рамках программы) показало, что дети экспериментальной группы продемонстрировали значительное улучшение результатов стандартного тестирования обработки речевой, языковой и слуховой информации. Важно отметить, что по результатам сканирования мозга после курса коррекции дети стали использовать при чтении те же и участки мозга, что и обычные дети, тогда как до обучения по программе у таких детей с дислексией задействовались иные зоны мозга.
Приведенный пример коррекции дислексии с использованием программно-аппаратного комплекса, ориентированного на активацию пластических свойств мозга для успешного решения конкретных задач коррекционной педагогики, убедительно свидетельствует о широких возможностях таких методов медико-педагогической коррекции, которые базируются на богатых ресурсах нейропластичности.
Теоретические и первые практические успехи, достигнутые в изучении и активизации пластических функций мозга человека в начале нового тысячелетия, дают достаточные основания для сдержанного оптимизма и даже позволяют надеяться на скорое широкое и эффективное применение научных знаний в практике коррекционной педагогики.
Список литературы
1. Бехтерева Н. П. Магия мозга и лабиринты жизни. - М.: АСТ; СПб.: Сова, 2007. - 400 с.
2. Выготский Л.С. Психология и учение о локализации психических функций // Развитие высших психических функций. (Из неопубликованных трудов). - М. Изд. Академии педагогических наук. i960. - С. 384-393.
3. Дойдж Н. Пластичность мозга. Потрясающие факты о том, как мысли способны менять структуру и функции нашего мозга. - М.: Эксмо, 2011. - 344 с.
4. Здоровье и образование детей - основа устойчивого развития Российского общества и государства: научная сессия академий, имеющих государственный статус. Москва. 5-6 октября 2006 г. - М. Наука. 2007. - 260 с.
5. Павлов И.П. Полное собрание трудов. - М.; Л.: Изд. АН СССР, 1946. -Т. II. - С. 23.
6. Цицерошин М. Н., Шеповальников А. Н. Становление интегративной функции мозга. - СПб.: Наука, 2009. - 249 с.
7. Catani М., Allin M. P. G., Husain M. et al. Symmetries in human brain language pathways correlate with verbal recall // Proc Natl Acad Sci USA. 2007. - Vol. 104. - № 43. - Р. 17163-17168.
8. Falr D. A., Cohen A. L., Dosenbach W. U. et al. The maturing architecture of the brains default network // Proc Natl Acad Sci USA. 2008. - Vol. 105. - № 10. - P. 4028-4032.
9. Fox M. D., Snyder A. Z., Vincent J. L. et al. The human brain is intrinsically organized into dynamic, anticorrelated functional networks // Proc Natl Acad Sci USA. 2005. - Vol. 102. - № 27. - P. 9673-9678.
10. Merabet L. B., Нamilton R., Schlaug G. et al. Rapid and Reversible Recruitment of Early Visual Cortex for Touch // PloS ONE. 2008. - Vol. 3. - Iss. 8. - № 3046. -P. 1-12.
11. Merabet L. B., Swisher J. D., McMains S. A. et al. Combined activation and deactivation of visual cortex during tactile sensory processing // J. Neurophysiol. 2007. -Vol. 97. - № 2. - P. 1633-1641.
