Файл: 01 Нервная система 402 Нейронная доктрина.pdf

СТРЕЛА ВРЕМЕНИ
184
новейшие технологии и непростые вопросы
«Сканирование мозга» и «нейровизуализация» — понятия,
обычно относящиеся к функциональной магнитно-резонанс-
ной томографии (фМРТ), методу, которым косвенно измеряют
активность мозга: его часто используют, чтобы посмотреть,
какие части мозга «подсвечиваются» во время выполнения
тех или иных умственных задач. Мы по-прежнему не понима-
ем, как это работает, а методики расшифровки данных фМРТ
нередко подвергаются критике.
46
Словосочетание «сканирование мозга» собирательно относится к множеству методик, применяемых для визуализации структуры живого человеческого мозга и его откликов на раздражители.
Электроэнцефалография (ЭЭГ) регистрирует электрическую активность больших общностей нейронов у поверхности коры головного мозга при помощи электродов, размещенных на черепе.
Магнитная энцефалография (МЭГ) похожа на ЭЭГ, но регистрирует магнитные поля, возникающие в результате электрической активности в мозге. Она чувствительнее ЭЭГ, но и дороже.
Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) — метод, отслежива- ющий движения радиоактивных «контрастных» веществ, введенных в тело. Его применяют для измерения кровотока, энергопотребле- ния и концентрации белков-рецепторов и других важных молекул.
Магнитно-резонансная томография (МРТ) также применяется для получения изображений структур мозга и для обнаружения структур- ных изменений, возникающих при заболеваниях типа Альцгеймера.
Она почти вытеснила рентген, поскольку безопаснее и дает более подробные изображения.
Сканирование
мозга
1890
Чарлз Рой и Чарлз Шеррингтон увязывают кровоснабжение с клеточным метаболизмом в мозге
1929
Ханс Бергер изобретает ЭЭГ
1961
Джеймз Робертсон с коллегами собирают первый прибор для ПЭТ

сканирование мозга
185
Диффузионно-тензорная визуализация (ДТВ) — разновидность МРТ, позволяет измерять сигналы, возникающие при движении молекул воды в мозге. Она дает возможность визуализировать нейронные пути в белом веществе мозга, содержащие массивные пучки миелинизированных аксонов, что связывают удаленные участки мозга друг с другом.
Функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ) регистри- рует активность мозга по содержанию в крови кислорода. У нее есть свои преимущества перед ЭЭГ и ПЭТ: она показывает деятельность глубочайших слоев мозга, но при этом не требует никакого вмешательства в орган — не нужно впрыскивать радиоактивные вещества.
Обычно, когда говорят «сканирование мозга», имеют в виду фМРТ; примене- ние этого метода значительно расширилось в последние десять лет, и сам он чарует публику красивыми картинками. Ежегодно обнародуются тысячи фМРТ-исследований, многие перепечатываются СМИ с кричащими заголов- ками типа: «Ученые обнаружили область мозга, отвечающую за (то-то и то-то)». В последние годы, однако, нейробиологи осознали, что результа- ты фМРТ — штука гораздо более сложно устроенная.
Мозг за работой
Мозг за работой
В фМРТ для регистрации изменений в содержании в крови кислорода применяют мощные магниты. Метод основан на предпо- ложении, что задействованные в той или иной деятельности клетки мозга требуют дополнительной энергии в виде кислорода. фМРТ засекает так называемые
BOLD
*
-сигналы, и это — косвенное измерение активно- сти мозга.
Типовое фМРТ исследование — сканирование мозга людей, которым поставлена та или иная умственная задача, и сравнение полученных данных с базовым состоянием испытуемого, когда он ничем не занят. Получаемая трехмерная картинка показывает, как деятельность различных областей мозга связана с выполнением задачи. Сканы фМРТ часто выдают десятки тысяч отдельных точек-вокселов
**
Каждый воксел соответствует крошечному кубику мозговой ткани объемом примерно в один кубический миллиметр, содержащий около 50 000 нейронов. Исследователи, как правило, сосредоточиваются на вокселах из небольшого числа заранее определенных «зон интереса» и сравнивают их активность во время выполнения задачи и в покое, из чего делают выводы об относительных изменениях.
* Blood-oxygen-level-
dependent (англ.) — зависящий от уровня кислорода в крови.
1968
Дэйвид Коэн впервые измеряет сигналы МЭГ
1990
Сэйдзи Огава с коллегами разрабатывают фМРТ
2009
Евгений Сиротин и Анирудда Дас обнаруживают опережающий приток крови
* От англ. volume
pixel — объемная точка.

186
новейшие технологии и непростые вопросы
Критика
Критика BOLD
BOLD
С фМРТ есть одна неувязка: этот метод измеряет активность мозга лишь косвенно. Нам по-прежнему неизвестно, как мозг испускает
BOLD-сигналы и как они соотносятся с нейронной деятельностью, а предположение, что усиление притока крови к некоему участку мозга означает рост его активности в этой области, вызывает вопросы (
см. вставку).
BOLD-сигналы, регистрируемые фМРТ, к тому же мелкие и «шумные», т. е. для распознания активизации мозга необходима сложная статисти- ческая обработка.
При грамотном применении результаты этой статистической обработки состоятельны, однако некоторые исследователи не придерживаются необходимых руководств по обработке. Более того, уже известно, что даже дыхание испытуемого и его движения головой влияют на регистрируемые сигналы, а недавнее исследование показало, что одни и те же данные фМРТ могут приводить к разным результатам обработки, если анализировать их при помощи разных компьютерных программ.
Но сильнейшей критике подвергается интерпретация данных. Ученые, толкуя данные фМРТ, часто производят так называемые «обратные выво- ды». Представьте некое гипотетическое фМРТ-исследование, показываю- щее, что участок мозга
А активизируется во время выполнения задачи Х.
Исследователи смотрят на уже полученные ранее результаты и обнаружи- вают, что этот же участок активизируется при умственном процессе
Y.
Из этого они делают вывод, что задача
Х зависит от процесса Y.
На шаг впереди
Метод фМРТ основывается на допущении, что усиление мозговой деятельности связано с усилением притока крови, однако принимать по умолчанию, что всегда так и происходит, не годится. В 2009 году исследователи из Колумбий ско- го университета сделали томограмму мозга обезьян, пока те разглядывали картинки, и обнаружили, что активность зрительной коры довольно точно соответствовала, как и ожидалось, усилению притока крови к этой области.
Однако, к своему удивлению, они заметили, что усиление притока крови наблюдалось и когда обезьянам не предлагали никаких зрительных раздражите- лей. Ученые сделали вывод, что мозг предвосхищает притоком крови деятель- ность в областях, от которых она ожидается, даже если они потом и не активизи- руются. Из этого открытия может следовать, что усиление кровоснабжения той или иной области мозга не обязательно связано с повышением активности нейронов, а значит, это ставит под сомнение достоверность данных фМРТ.

сканирование мозга
187
К сожалению, какой бы привлекательной эта логика ни казалась, она ошибочна: даже если участок А беспе- ребойно «подсвечивается» во время задачи
Х, мы не можем заключить, что задача
Х выполняется всегда, когда мы видим активность на участке
А.
Обратный вывод связан с обманчивым и упрощенче- ским представлением, что каждая отдельная область мозга отвечает за некую конкретную черту поведения.
Мозг — сложная структура из сотен выраженных специализированных областей, но ни одна не действу- ет сама по себе, и любое человеческое поведение есть результат объединенной деятельности многих участков. Так, область
А, активизировавшаяся в нашем гипотетическом фМРТ-исследовании, вероятно, занята и другими умственными процессами и оживля- ется при выполнении других задач тоже.
Эти критические соображения привели некоторых нейробиологов к прене- брежительному отношению к фМРТ: они даже называют ее «кляксологией» и сравнивают с френологией — псевдонаукой XIX века, связывавшей умственные функции с формой черепа.
В сухом остатке
Деятельность
и устройство живого
мозга можно оценить
‘
Чем дольше
смотришь
на результаты
фМРТ, тем больше
извлекаешь
осмысленных
данных. То, что
поначалу казалось
шумом, теперь
вдруг похоже
на сигнал
’
Питер Бандеттини, американский нейробиолог (2012)

СТРЕЛА ВРЕМЕНИ
188
новейшие технологии и непростые вопросы
Современным исследователям под силу «считывать» деятель-
ность мозга, а ее расшифровкой — предсказывать осознанный
опыт и умственные состояния человека. Так они формируют
картину того, как мозг обрабатывает информацию, что необ-
ходимо для создании приборов, облегчающих жизнь парали-
зованным людям, однако на этом пути есть этические ограни-
чения, касающиеся ментального личного пространства.
47
За последние 15 лет нейробиологические методы типа фМРТ разви- лись до того, что позволяют предсказывать определенные умственные состояния — например, распознавать, что2 человек видит или слышит, исходя из активности его мозга. Совершенствуясь день ото дня, такие методы помогают исследователям лучше понять, как мозг обрабатыва- ет различную информацию, и рано или поздно они позволят разрабо- тать интерфейсы «мозг-компьютер», которые вернут парализованным пациентам способность двигаться и разговаривать. В принципе, такие программы откроют дорогу к расшифровке мыслей человека, однако тут же возникнет вопрос о вмешательстве в личное пространство ума.
Взгляд в глаза ума
Взгляд в глаза ума
Первые работы 1990-х годов показали, что по активности мозга можно судить о том, на объект какой категории смотрит испытуемый. Это открытие сделали на основании свежего тогда знания, полученного методом фМРТ: мозг содержит отдельные специализированные участки, особо откликающиеся на те или иные разновидности зрительных раздражителей. Веретенообразная область распознавания лиц, к примеру, сильно реагирует на лица (
см. стр. 38), но слабо — на другие предметы типа зданий или животных, тогда как парагиппокампальная область в основном мощно отзывается на обра- зы с домами или пейзажами.
Расшифровка
1959
Дэйвид Хьюбел и Торстен Визель экспериментируют с ориентационной избирательностью зрительной коры кошек
1990
-е
Первые фМРТ-работы, в которых исследователи, исходя из активности мозга испытуемого, могут распознать предмет, на который тот смотрит

расшифровка
189
Располагая информацией об уровнях активности этих участков, исследова- тели могут с большой точностью сказать в любой момент, на какой из этих двух типов раздражителей человек смотрит. А поскольку веретенообразная и парагиппокампальная области расположены в мозге в нескольких санти- метрах друг от друга, фМРТ достоверно показывает, какая из них активнее, когда испытуемые разглядывают картинки, и эту информацию можно также использовать для точного распознания, на какую категорию предметов человек смотрит.
Кино в уме
Кино в уме
Примерно пять лет назад японские исследователи добились значительных успехов в расшифровке работы мозга. Они показывали испытуемым последовательности изображений, и при помощи фМРТ фиксировали активность первичной зрительной коры (
см. вставку). До них расшифровка зрительных переживаний сводилась к повторному просмотру изображений, т. е. испытуемым показывали определенный набор картинок, регистрировали активность зрительной коры, после чего показывали те же картинки по второму разу и далее предсказывали, на какую картинку смотрит испытуемый, исходя из уже имеющихся данных активности мозга.
Японцы же регистрировали деятельность зрительной коры в ответ на один
Зондируем почву
В конце 1950-х Дэйвид Хьюбел и Торстен Визель произвели серию эксперимен- тов, в которых проявились свойства нейронов первичной зрительной коры.
Ученые ввели электроды в зрительную кору коту и смогли зарегистрировать отклики отдельных нейронов на образы, спроецированные на экран. Оказалось, что есть группы клеток, очень точно настроенных на линии под специфически- ми углами, а есть и настроенные на линии, расположенные под специфически- ми углами и одновременно движущиеся в определенном направлении. Также выяснилось, что клетки, настроенные на линии в одной и той же ориентации, образуют вертикальные колонки и что колонки эти организованы систематизи- рованно и упорядоченно: клетки в каждой следующей колонке вдоль поверхно- сти мозга настроены на все больший угол наклона. Исследователи теперь способны расшифровать активность этих клеток и реконструировать неподвиж- ные и движущиеся образы, наблюдаемые человеком.
2008
Юкиясу Камитани с коллегами реконструируют зрительные образы
2011
Джек Гэллэнт с коллегами реконструируют движущиеся образы по активности первичной зрительной коры
2012
Боб Найт с коллегами переводит активность мозга в слова

190
новейшие технологии и непростые вопросы набор изображений, а потом показывали участникам эксперимента совер- шенно другие картинки. Затем, расшифровав данные активности мозга,
«реконструировали» изображения, на которые смотрели испытуемые.
Несколько лет спустя калифорнийские ученые сделали еще один шаг вперед. Они исследовали активность мозга участников эксперимента при просмотре последовательности видеороликов с «Ю-Тьюб» и сосредоточи- лись не только на первичной зрительной коре, но и на вторичной и третичной. Затем они вновь подверг- ли участников фМРТ, показав им совершенно другую видеоподборку, расшифровали активность зритель- ной коры и реконструировали, что именно смотрели участники. Реконструированные движущиеся изображения получились в низком разрешении и скверного качества, однако легко опознавались.