🧠Почему дополнительный год учебы не оставил следа в мозге — и что это значит для нейронауки?

Автор — Алиса Годованец

Образование принято считать мощным фактором, способствующим когнитивному развитию и даже защите мозга от возрастных изменений. В нейронауке прочно укоренилась идея, что больше лет обучения ассоциировано с лучшими структурными характеристиками мозга — толще кора, больше серого вещества, выше когнитивный резерв. Однако остаётся открытым вопрос: действительно ли образование вызывает эти изменения? Или мы имеем дело с корреляцией, обусловленной социальными, генетическими и поведенческими факторами?

На этот вопрос отвечает новый препринт Judd & Kievit (2024) — одно из первых масштабных нейроисследований, использующих разрывный регрессионный дизайн (regression discontinuity design, RDD) для выявления причинного влияния школьного образования на структуру мозга.

Естественный эксперимент: реформа ROSLA и дата рождения как «рандомайзер»

В 1972 году в Великобритании была проведена реформа Raising of the School Leaving Age (ROSLA), которая повысила минимальный возраст обязательного окончания школы с 15 до 16 лет. Ключевой момент: она касалась только подростков, родившихся после 1 сентября 1957 года. Те, кто родился до этой даты, могли покинуть школу в 15 лет, а те, кто родился на день позже, обязаны были учиться до 16. Это создало уникальную ситуацию — разделение по дате рождения, приближённое к случайному распределению, и позволило оценить эффект дополнительного года школьного образования в условиях естественного эксперимента. Исследование опирается на данные более 30 000 участников из биомедицинского проекта UK Biobank, включающего нейровизуализацию, демографию и самоотчёты об образовании.

Как оценивали влияние образования на мозг

Исследователи использовали два независимых подхода:

1. Разрывный регрессионный анализ (RDD) с локально-линейной аппроксимацией вокруг даты отсечения (1 сентября 1957).
2. Байесовский анализ локальной рандомизации, сравнивающий участников, родившихся за месяц до и после этой даты.

Оба метода оценивают, изменяются ли показатели мозга резко и исключительно в точке разрыва, что свидетельствовало бы о причинном влиянии дополнительного года обучения.

Изучались как глобальные характеристики мозга — общая площадь поверхности, средняя толщина коры, объём мозга и др., так и локальные параметры: 66 корковых регионов, 27 трактов белого вещества и 18 субкортикальных структур.

Что показали данные: дополнительное образование не изменяет мозг

Результаты оказались однозначными: никаких доказательств причинного влияния дополнительного года образования на структуру мозга спустя 46 лет обнаружено не было. Ни один из глобальных параметров (толщина коры, площадь поверхности, объём серого вещества и др.) не продемонстрировал значимого скачка в точке разрыва.

Графики демонстрируют значения четырёх глобальных нейроанатомических показателей в зависимости от даты рождения участников. Вертикальная пунктирная линия обозначает дату отсечения — 1 сентября 1957 года, с которой вступила в силу реформа повышения возраста обязательного окончания школы (ROSLA). Несмотря на то, что красные линии (локально-линейные аппроксимации до и после отсечки) визуально не совпадают, статистический анализ не выявил значимых дискретных изменений ни в одном из параметров. Это указывает на отсутствие каузального влияния дополнительного года школьного образования на: (a) общую площадь поверхности коры (Total Surface Area), (b) среднюю толщину коры (Average Cortical Thickness), (c) общий объём мозга (Total Brain Volume), (d) взвешенную фракционную анизотропию (Weighted Fractional Anisotropy).

Также никакие региональные показатели — в том числе в стриатуме, гиппокампе, таламусе — не показали различий между когортами до и после реформы. Важно отметить, что результаты оказались устойчивыми во всех моделях и подгруппах, включая анализ с жёстким контролем ковариат. Таким образом, дополнительный год школьного образования не оставил макроскопического следа в структуре мозга на момент сканирования во взрослом возрасте.

Контроль: метод чувствителен, просто эффекта нет

Тем не менее, несмотря на отсутствие причинного эффекта в рамках разрывного дизайна, авторы предприняли дополнительный шаг и провели наблюдательный анализ, расширив выборку до пяти месяцев до и после даты реформы. В этом расширенном подмножестве они проверили наличие простых ассоциаций между числом лет образования и характеристиками мозга, не претендуя при этом на каузальность. Интересно, что при увеличении объёма выборки действительно появились статистически убедительные, хотя и корреляционные, связи между числом лет обучения и двумя нейровизуализационными параметрами: площадью поверхности мозга и объёмом цереброспинальной жидкости (ЦСЖ).

Согласно расчётам, общая площадь поверхности мозга демонстрировала положительную ассоциацию с образованием с довольно высоким уровнем доказательности (Bayes factor BF₁₀ = 41.7 при N = 1185), а объём ЦСЖ показал ещё более убедительную связь (BF₁₀ = 80.7 при N = 1193). Эти результаты подтверждают, что статистические методы и выборка обладают достаточной чувствительностью для детектирования нейровизуализационных эффектов, когда они присутствуют. Однако такие эффекты наблюдаются только в корреляционных моделях, где влияние образования не отделено от возможных скрытых факторов, таких как социально-экономический статус, когнитивные способности или генетика.

Как подчёркивают авторы, эти ассоциации нельзя интерпретировать как причинные, поскольку без квазиэкспериментального контроля они подвержены систематическим искажениям. Таким образом, наблюдаемые корреляции не отменяют основного вывода исследования: дополнительный год образования, вызванный реформой ROSLA, не оставил долговременного макроскопического следа в анатомии мозга, измеряемого с помощью стандартных методов МРТ.

Карта мозга иллюстрирует Байесовские факторы (BF₁₀) по 66 корковым регионам, рассчитанные в рамках анализа локальной рандомизации в 5-месячном окне по обе стороны от даты реформы ROSLA (1 сентября 1957 года). Оттенки синего цвета указывают на поддержку нулевой гипотезы (H₀), то есть отсутствие эффекта дополнительного года школьного образования на площадь поверхности в соответствующей области. Локальные участки со слабой поддержкой альтернативной гипотезы (H₁) выделены красным, однако вся карта подтверждает глобальный вывод об отсутствии эффекта.

Почему эффекта нет? Несколько гипотез

Почему же дополнительный год школьного обучения не оставил анатомических следов, несмотря на существование корреляций между образованием и структурой мозга в других исследованиях? Авторы обсуждают несколько возможных объяснений этого нулевого эффекта.

Во-первых, они ссылаются на гипотезу экспансии и ренормализации (expansion–renormalisation hypothesis), согласно которой структурные изменения мозга, вызванные обучением или развитием навыков, могут возникать в краткосрочной перспективе, но затем возвращаются к исходному уровню по мере адаптации нейронных сетей и перераспределения ресурсов. Таким образом, дополнительный год школьного обучения в юности мог действительно вызывать временное увеличение, например, объёма серого вещества, но спустя десятилетия, на момент проведения МРТ в возрасте 60+, эти изменения уже не обнаруживаются на макроскопическом уровне.

Во-вторых, авторы подчёркивают, что изменения могли быть микроструктурными, а не макроскопическими. Магнитно-резонансная томография, используемая в UK Biobank, фиксирует анатомию мозга на уровне миллиметров, но она не способна детектировать клеточные или субклеточные изменения — такие как увеличение числа синапсов, миелинизация аксонов или локальные вариации в глиальной плотности. В препринте подчёркивается, что возможные нейронные последствия образования могли проявиться в формах, неразличимых для стандартных МРТ-методов, и могли бы потребовать высокопольных сканеров, постмортальной гистологии или других специализированных методов для их выявления.

Наконец, учитывая, что между реформой и моментом сканирования прошло более 45 лет, нельзя исключить, что любые эффекты от дополнительного обучения просто исчезли со временем. Даже если изменения действительно имели место в юности, они могли быть нивелированы нейропластичностью взрослого мозга, эффектами старения, образом жизни или другими факторами.

Таким образом, отсутствие обнаруженного эффекта не обязательно свидетельствует об отсутствии нейропластичности как таковой. Скорее, это говорит о том, что структурные последствия образования, если они и существуют, гораздо более тонкие, мимолётные или контекстуальные, чем позволяет выявить МРТ через несколько десятилетий после завершения школьного обучения.

Заключение: вызов для теорий когнитивного резерва

Результаты исследования Judd & Kievit (2024) ставят под сомнение широко распространённые представления о том, что дополнительное образование формирует долговременный «нейронный резерв» — анатомическую основу, способную защищать мозг от возрастных изменений и нейродегенерации. Несмотря на значительное увеличение продолжительности школьного обучения в результате реформы, никаких структурных отличий в мозге спустя десятилетия выявлено не было. Это означает, что даже если образование и способствует улучшению когнитивных способностей, оно, по крайней мере в данном контексте, не оставляет устойчивых изменений, измеряемых с помощью макроскопической МРТ.

Авторы подчёркивают: идея о том, что образование оказывает долговременное анатомическое воздействие на мозг, требует пересмотра. Их результаты показывают, что популярные корреляции между уровнем образования и морфологией мозга не обязательно отражают причинную связь. Следовательно, когнитивные преимущества образования могут реализовываться за счёт функциональных, поведенческих или микроструктурных механизмов, которые остаются невидимыми для применённых методов.

Препринт в открытом доступе