Книга: Ближе к воде [Удивительные факты о том, как вода может изменить вашу жизнь]

Как мы изучаем мозг

Как мы изучаем мозг

Людей всегда интересовало, что происходит в их головах. В конце XIX — начале XX века некоторые психологи, в частности Зигмунд Фрейд и Уильям Джеймс, описывали, что думает и чувствует человек, основываясь на субъективных переживаниях пациентов, а также клинических наблюдениях за поведением людей. (Самоотчеты[15] и сегодня играют важнейшую роль в изучении работы человеческого мозга.) Врачебная практика тоже всегда была богатым источником информации. До начала XX века почти все известные людям факты о деятельности мозга выявлялись благодаря изучению процессов, происходящих в нем вследствие болезни или травмы. Но одно дело — предполагать, как функционирует мозг в нормальном состоянии, наблюдая за больным человеком, и совсем другое — понимать, как работает мозг здорового человека во время обычных занятий, когда он думает, спит, переживает, творит или вообще любым образом взаимодействует с внешним миром.

Благодаря разработке неинвазивных методов исследования[16] и новой сложнейшей аппаратуры современные ученые получили возможность изучать работу человеческого мозга здорового человека. Самым первым из таких устройств был электроэнцефалограф, или аппарат ЭЭГ. Его действие основывается на том, что ткань живого организма обладает определенными электрическими свойствами, которые можно измерить. Впервые аппарат ЭЭГ испытали на человеке в 1924 году, и на протяжении XX века он использовался как в качестве диагностического инструмента, так и для научных исследований.

Возбуждаясь, нейроны генерируют небольшие электрические заряды, а при одновременной активизации группы нейронов создается своего рода электрическая волна, которую можно обнаружить и записать. Данные собираются путем наложения электродов ЭЭГ (обычно они встроены в специальную шапочку, сетку или повязку) на голову испытуемого и записи пиков и спадов биоэлектрической активности его мозга. (Для удобства анализа сигнал искусственно усиливается.) ЭЭГ позволяет отслеживать и расположение мозговой активности, так как определяет, какая именно зона мозга участвует в «когнитивном событии». ЭЭГ определяет тип мозговых волн (альфа, бета, тета и дельта) — каждая из них соответствует своему диапазону частот и определенному уровню активности, что делает ЭЭГ чрезвычайно важным инструментом для исследований мозга в состоянии сна, — а также аномальную активность (например, при приступах эпилепсии, когда в мозге наблюдаются резкие всплески электрической активности). Новейшие аппараты ЭЭГ позволяют получать данные по шестидесяти восьми каналам неинвазивным методом каждые четыре миллисекунды и даже чаще и регистрировать изменения электрических волн буквально по миллисекундам [4].

Когнитивные нейробиологи считают, что ЭЭГ представляет собой чрезвычайно полезный инструмент для изучения таких функций мозга, как внимание, эмоциональные реакции, хранение информации и прочие [5]. И, что особенно важно для тех, кто проводит исследования за пределами лабораторий, современные аппараты ЭЭГ становятся все компактнее и портативнее. Некоторые даже напоминают головную гарнитуру, используемую любителями компьютерных игр.

Правда, показания ЭЭГ отображают электрическую активность только на поверхностно расположенных участках мозга, а многие его важнейшие функции осуществляются в более глубоких структурах. Для их изучения нужна другая аппаратура. В последние пятьдесят лет для визуализации активности в глубинных участках головного мозга и отслеживания изменения кровотока или процессов метаболизма применяются такие технологии, как МРТ (старая добрая магнитно-резонансная томография), позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) и однофотонная эмиссионная компьютерная томография (ОФЭКТ) [6]. Но если работа аппарата МРТ основывается исключительно на магнитных полях и радиоволнах, то в сканерах ПЭТ и ОФЭКТ используются инъекции радиоактивных изотопов, что серьезно ограничивает их практическое применение. Ситуацию существенно улучшило появление в 1990-х годах метода функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ).

Принцип действия аппаратов фМРТ основывается на взаимодействии магнитного поля и радиоволн. Под воздействием магнитного поля протоны в атомах водорода в крови выстраиваются параллельно магнитному полю (в обычных условиях они расположены в хаотичном порядке), по окончании воздействия электромагнитного импульса они возвращаются в исходное положение. Во время этих процессов протоны водорода испускают сигналы, которые регистрируются специальными датчиками. Вся собранная информация обрабатывается мощным компьютером, который ищет различия в поступающих сигналах и благодаря этому разграничивает разные типы крови. Дело в том, что в ходе перестраивания протоны посылают разные сигналы от оксигенированной (артериализованной) и диоксигенированной (бедной кислородом) крови — именно эти сигналы и считывают специальные датчики аппарата фМРТ. Когда испытуемый совершает какое-нибудь действие — скажем, сжимает кулак или смотрит на изображение, — в этот момент сканер измеряет соотношение разных типов крови, то есть BOLD-контрастность (blood-oxygenation-level-dependent contrast), зависящую от степени насыщения крови кислородом, в разных участках мозга. Далее встроенный в аппарат компьютер с помощью сложного алгоритма интерпретирует полученные данные и представляет контрастность в виде бесконечно малых трехмерных единиц, которые называются вокселами. Интенсивность активности в конкретной области мозга обозначается разными цветами: красный указывает на наибольшую интенсивность, фиолетовый или черный свидетельствуют о низкой или нулевой активности. Чем ярче цвет на отсканированном изображении, тем выше активность в конкретном участке мозга. Отсюда возник термин «подсвеченный», который употребляют врачи и ученые, говоря о возбужденных зонах мозга.

За последние двадцать лет фМРТ стала излюбленным методом измерения функций мозга. Ее используют когнитивные психологи, неврологи, нейроэкономисты, нейробиологи и многие другие специалисты [7]. Однако хотя фМРТ и считается одним из лучших инструментов для достижения данных целей сегодня (и одним из немногих инструментов для изучения мозговых структур, расположенных в глубине черепа), следует отметить и его недостатки и ограничения. Во-первых, работа аппарата фМРТ основывается на косвенных показателях мозговых функций. Функционирование мозга по своей природе носит электро-химический характер: нейроны испускают электрические сигналы, передавая их друг другу либо через непосредственный контакт от синапса к синапсу, либо посредством химических нейромедиаторов. Эта деятельность требует кислорода, который обеспечивается кровотоком в активных зонах мозга, и сканеры фМРТ измеряют этот кровоток, а не фактическую активность нейронов. Следовательно, хотя фМРТ и может показать нам, какие участки мозга активны, определить, что именно их активирует, с ее помощью нельзя. Во-вторых, изображения фМРТ, конечно, отличаются превосходным пространственным разрешением (методика позволяет отображать расположение зоны активности мозга с точностью до двух-трех миллиметров), но из-за того, что кровоток существенно отстает от нейронов (между активацией нейронов и ускорением кровотока к активированной зоне мозга проходит 1–2 секунды и продолжается эта реакция обычно около пяти секунд), временное разрешение сканирования фМРТ значительно дольше, чем необходимое для регистрации большинства типов восприятий или других когнитивных процессов. (А вот аппараты ЭЭГ, хоть и не могут похвастаться хорошим пространственным разрешением, зато, как я уже говорил, способны отслеживать электрические заряды каждую миллисекунду.) Стоит также упомянуть о проблемах неполной совместимости фМРТ-аппаратов и сложных алгоритмов обработки отсканированных с их помощью данных, а также о размерах вокселов (они хоть и крошечные, но все равно намного больше нейронов, которые они изображают).

Самый существенный недостаток фМРТ с точки зрения ее использования для исследований мозга сегодня состоит в том, что метод позволяет отслеживать реакции испытуемых только в лаборатории, но не в условиях протекания когнитивной деятельности, интересующей ученого. Представьте себя одним из студентов, добровольно согласившихся принять участие в исследовании с применением фМРТ [8]. Вам предлагают явиться в лабораторию, но просят оставить дома все металлические предметы, поскольку в аппарат встроены мощные магниты. Друг, который раньше проходил фМРТ-сканирование, советует вам одеться теплее, поскольку для нормальной работы оборудования температура в помещении должна быть довольно низкой.

Итак, вы приходите в лабораторию, регистрируетесь, и вас проводят в комнату, где стоит сканер — огромная туннелеобразная машина с пространством внутри, куда помещается человеческое тело. (Если вы страдаете клаустрофобией, малый размер «трубы» наверняка вызовет у вас приступ паники.) Оператор предлагает вам лечь на выдвижной пластиковый «язык» головой ко входу в туннель и сообщает, что потом его задвинут внутрь так, что ваши голова и плечи окажутся в сканере. Там же установлено зеркало, в котором вы увидите экран компьютера с необходимыми инструкциями. Вы будете их выполнять, а сканер — регистрировать показатели активности вашего мозга. Оператор дает вам затычки для ушей, объясняя, что сканер работает очень шумно, и показывает кнопку, на которую вы сможете нажать, если почувствуете сильный дискомфорт и захотите прервать процедуру. Чтобы голова лежала неподвижно, под нее и еще с двух сторон кладут подушки. «Во время сканирования старайтесь не шевелиться», — просит оператор, и ваши голова и плечи отправляются в сканер.

До сих пор все идет так же, как при МРТ-сканировании. Но теперь вы не просто лежите в трубе, а смотрите в зеркало, слышите звуки сканера и видите, как загорается экран компьютера над вами. Следуя инструкциям, в ответ на изображения, возникающие перед глазами, вы нажимаете на клавиши вспомогательной панели, которую держите в руке. (В будущем благодаря новой технологии айтрекинга[17], или определению координат взгляда, пальцы, скорее всего, смогут отдыхать.) Занятие занимает вас настолько, что вы не очень-то обращаете внимание на то, в каком тесном пространстве находитесь (и это хорошо, поскольку в первый момент вы готовы были сразу нажать «тревожную» кнопку, чтобы вас поскорее вытащили из туннеля). Наконец тест заканчивается, экран компьютера гаснет. Нажатием кнопки оператор достает вас из аппарата, благодарит за потраченное время и просит запланировать очередной сеанс на следующую неделю. Вы продрогли, мочевой пузырь вот-вот лопнет, от шума сканера болит голова — но ведь все это ради науки, не так ли? И вы соглашаетесь прийти еще раз.

ФМРТ позволяет нам узнать довольно много о функционировании человеческого мозга, но совсем мало — о его взаимодействии с реальным миром. Аппарат может сканировать наш мозг во время просмотра фотографий людей — счастливых или грустных, испуганных или злых, — но не способен отслеживать его реакции во время реальных контактов на улице. Он позволяет выявить зоны активности мозга во время решения математических задач или выбора еды или напитка, но не может просканировать мозг в то время, когда вы наслаждаетесь вкусом только что сорванного хрустящего красного яблока или бокалом Шардоне перед горящим камином, не говоря уже о подводном плавании в окружении коралловых рифов. Как отмечает когнитивный нейробиолог и специалист в области изучения когнитивной деятельности посредством слуха, восприятия речи и понимания языка Дэвид Пеппл: «Начиная с 1990 года большинство изображений мозга были получены с помощью фМРТ, и цель их получения заключалась в том, чтобы составить своего рода карту мозга. Это, конечно, весьма похвально, но иметь карту еще не значит объяснить, как работает мозг. Составить ее — вот задача, которую нам еще только предстоит решить».

Сегодня ЭЭГ и фМРТ, возможно, лучшие инструменты для изучения мозга, а их совместное применение действительно позволяет оптимально использовать преимущества «обоих миров». Но, несмотря на это, ученые вроде меня — то есть те, чьи интересы лежат в областях знания, которые невозможно исследовать с помощью статичного оборудования, в стерильных лабораторных условиях, — с нетерпением ждут окончательной доработки новейших методик. Речь идет о диффузной тензорной томографии (ДТТ), позволяющей оценить диффузию молекул воды вдоль миелиновой оболочки аксонов нервных клеток головного мозга (это своего рода «кабели», соединяющие отдельные участки мозга) и таким образом получить информацию об интеграции структур белого вещества и связях между ними [9], а также об оптогенетике — методике, согласно которой светочувствительные гены внедряются в нейроны и мгновенно активируют либо «отключают» их, что позволяет исследователям определить функцию конкретной нервной клетки [10]. Кроме того, речь идет о головной гарнитуре на основе технологии под названием функциональная инфракрасная спектроскопия [11], позволяющей ученым снимать показания об электрической активности мозга в реальных условиях.

Впрочем, чтобы лучше понять, как и почему вода влияет на человеческий мозг, в нашем распоряжении уже сегодня имеется несколько источников ценной информации. Во-первых, это самоотчеты: как чувствует себя человек, находясь у воды? Как, с его точки зрения, она на него влияет? Во-вторых, мы можем использовать результаты ранее проведенных исследований, изучавших, какие эффекты оказывает взаимодействие с природой на познавательную деятельность человека, и поинтересоваться, отличается ли реакция на воду от этих общих реакций. В-третьих, мы можем воспользоваться многочисленными открытиями в области когнитивной нейрологии, нейрохимии, психологии влияния факторов окружающей среды на человека и поразмыслить над тем, применимы ли эти результаты и выводы к реакции мозга на воду.

Но мы с вами начнем с простого вопроса, который на самом деле не так уж и прост: как работает наш мозг?