Как выяснить за какие функции отвечают разные зоны мозга эксперимент кратко

Обновлено: 30.06.2024

Живой мозг человека, пожалуй, труднейший объект для изучения. И не только оттого, что содержит сложную сеть из 86 миллиардов узлов — нервных клеток, но и потому, что многие обычные методы науки к нему не применить. Его нельзя разобрать, отключить важные функции, изменить гены, нельзя как угодно вмешаться и затем посмотреть, что будет. И чтобы еще больше усложнить дело, он со всех сторон укрыт плотной костью. Так что нейронаука ищет разные пути, как следить за работой мозга неинвазивно, не нарушив его, и при этом извлекать ценные данные о его деятельности. Здесь ученые сталкиваются с двумя задачами: во-первых, как быстрее и полнее уловить на поверхности головы электро-магнитные и прочие следы идущих в мозге процессов и, во-вторых, как надежно расшифровать эти следы, извлечь из них сигнал. Так методы сканирования и методы обработки данных идут рука об руку, усиливая друг друга.

От того, как инженеры и математики справятся с этими задачами, зависят исследования ученых. А от успеха исследований зависим все мы, поскольку он даст новые знания о мозге человека, его здоровье и развитии. О том, чего ждать от неинвазивных методов, о возможных прорывах, пустых надеждах и самом перспективном направлении — поиске сетей нейроактивности, мы поговорили с Алексеем Осадчим , руководителем Группы методов нейровизуализации Центра нейроэкономики и когнитивных исследований НИУ ВШЭ. Вот что он рассказал.

О нейровизуализации, которая не стоит на месте

И наконец, это движение в сторону персонификации исследований (single subject). Чем к более высоким функциям головного мозга мы восходим, тем большее значение она приобретает. Допустим, вы хотите согнуть палец — это относительно простое действие примерно у всех происходит более или менее одинаково. Но вот если начать этим пальцем описывать круги, то выяснится, что я это делаю одним способом, а вы — другим, хотя траектории наших пальцев похожи. Здесь реализуется принцип избыточности, который значим и для мозга. И если мы будем изучать, допустим, процесс принятия решений, то стоит нам отойти от базовых аспектов этой функции, как тут же окажется, что каждый человек это делает по-своему. Поэтому разработка надежных методик обработки индивидуальных данных становится критически важной. Не говоря уже о том, насколько это важно в клинической практике: у вас есть человек, и именно с ним что-то случилось, именно его вам надо изучить и вылечить.

О новых инструментах, помогающих следить за работой мозга

Если говорить не о методах обработки данных, а о технологиях регистрации сигналов, то, помимо ПЭТ, фМРТ, ЭЭГ, у нас еще имеется, скажем, оптическая визуализация в инфракрасном диапазоне ( fNIRS ). Этот метод основан на разности уровней поглощения инфракрасного света кровью, наполненной кислородом, и кровью без кислорода. Он хорошо подходит детям, потому что у них тонкая черепная кость.

Есть также метод магнитной энцефалографии (МЭГ), но он пока еще довольно громоздкий: стоит огромный энцефалограф, садишься под него, как под фен. Сидеть удобно, но сенсоры расположены достаточно далеко от головы. Впрочем, уже появляются новые датчики, основанные на атомарном эффекте, позволяющие измерять слабые магнитные поля. Они, эти датчики, не требуют охлаждения, а лишь небольшого нагрева, их можно поместить очень близко к голове.

Почему расстояние в данном случае так важно? Потому что квазистатическое магнитное поле затухает, удаляясь от источника, очень быстро, обратно пропорционально кубу расстояния. Поэтому, если вы поставите сенсоры ближе, то здорово выиграете в соотношении сигнал/шум. Теоретические исследования финских коллег показывают, что, разместив сенсоры в 1 сантиметре от скальпа, удастся получить выигрыш в пространственном разрешении в 3–5 раз (получив для некоторых участков коры субмиллиметровое разрешение!), а это даст возможность независимо регистрировать активность функционально специфичных цитоархитектурных ансамблей.

В Санкт-Петербурге, в ФТИ имени Иоффе РАН, в лаборатории академика Е. Александрова, группа ученых под руководством доктора наук Антона Вершовского имеет опыт работы с такими атомарными сенсорами магнитного поля, которые могут стать альтернативой более традиционным СКВИД ам, требующим помещения в сосуд Дьюара для охлаждения. Мы сформировали команду совместно с этим коллективом, а также СколТехом (И. Габитов и А. Кулешов), ООО НЭТ (А. Кузнецов, В. Величанский) и с финскими коллегами Ристо Илмонием и Лаури Парконенном для разработки отечественного атомарного магнитоэнцефалографа. Подали заявку на финансирование в Министерство образования и науки по программе САЕ и в НейроНет. Пока ждем результатов, но время уходит, и если год назад мы были бы одними из первых, кто создал бы интегрированную многоканальную АМ-МЭГ систему, то сейчас уже ряд мировых лабораторий получили гранты на эту работу. Но мы не перестаем надеяться, ведем совместно с финнами теоретические исследования и постоянно напоминаем властям о необходимости создавать новое оборудование и не повторять уже давно сделанное в мире, а идти с опережением или, по крайней мере, в ногу!

Изначальный подход к нейровизуализации предполагал поиск того, что и в каких областях коры активируется. Мы представляли себе эти данные как некую суперпозицию, как сумму активностей в различных областях коры, где каждая из областей обладает какой-то степенью активации. А что такое степень активации области, которую мы видим неинвазивно? Это степень локальной синхронизации — когда нейроны в небольшом кусочке коры активируются, начинают светиться вместе.

Теперь же мы говорим: давайте возьмем эти данные и представим их как суперпозицию, но не диполей с их активностями, а сетей с их активностью, где активность сетей — это степень их синхронности. С точки зрения математики оказывается, что эти два похода идентичны и могут быть решены схожими способами. И раз уж мы хорошо научились работать с первым подходом, то сможем находить и сети с их временными последовательностями, которые объяснят наши данные. И даже сможем измерять, в какой степени мы сумели их объяснить. Речь идет именно о временных последовательностях, потому что сети то собираются, то распадаются во времени, то есть они не все время активны, не все время синхронны. Сейчас ученые столкнулись с проблемой низкой воспроизводимости результатов такого сетевого анализа по популяции — и это еще один вызов, над которым мы работаем.

Наушник вместо электродов

Несколько лет назад предложен метод снятия ЭЭГ в ушной раковине ( Ear-EEG ). Вместо укрепления электродов на поверхности головы сенсоры помещаются в ухо, как наушник. Хотя данных считывается меньше, для простых задач выигрыш в удобстве более значим. Метод хорошо работает для зон мозга, прилегающих к уху, для регистрации вызванных потенциалов и в тех случаях, где для анализа важны частотные показатели ЭЭГ. Джон Роджерс (John A. Rogers) из университета Иллинойса с коллегами в 2015 году разработал мягкую электронику для Ear-EEG: вместо “наушника” на кожу накладывается тонкая плёнка, которую держат силы Ван-дер-Ваальса. Считывание ЭЭГ становится неощутимым, не мешает двигаться, спать и даже принимать душ. Используя такую систему, испытуемые печатали текст “силой мысли” через интерфейс на основе P300 .

О шансах считывать внутреннее состояние человека

Но все же будущее за интегральными системами. Есть ведь множество других коррелятов, помимо активности мозга, которые позволяют распознавать эмоциональные состояния. Это и обычные физиологические данные, и жестикуляция, и мимика. Не думаю, что одна только неинвазивная оценка активности мозга в ближайшие пять-десять лет обеспечит прорыв в этой области.

Скорее, нейровизуализация пригодится в экспериментальных установках, в изучении того, как вообще работает мозг. Плюс клинические аспекты: сканирование активности мозга у больных эпилепсией, постинсультников, позволяющее диагностировать степень заболевания, спланировать дальнейшее лечение, построить реабилитационные процедуры.

Пока же нынешние коммерческие игрушки-интерфейсы, типа кошачьих ушек Necomimi , — это баловство на уровне альфа-ритма, который способен показать лишь, что ты расслабился. Если при этом добавляется еще какой-то функционал, то, с большой вероятностью, используется де факто сигнал от мышц. Было исследование , в ходе которого сами ученые впрыскивали себе миорелаксант, дышали под искусственными легкими, и у них гамма-ритм практически исчезал. Поэтому, когда вам говорят, что чья-то ЭЭГ-гарнитура работает на основе гамма-ритма, не покупайтесь.

О новых идеях внутри старых методов

Вы удивитесь, но и в старых методах еще можно найти что-то новое. Например, когда мы снимаем ЭЭГ, мы еще меряем сопротивление контакта, так называемый импеданс, — оказывается, он коррелирует с некоей когнитивной функцией. Так, если вы чем-то заняты, решаете какую-то задачу, то по изменению импеданса можно понять, что именно вы сейчас делаете. Или можно посмотреть, как импеданс меняется во времени, усреднить его и получить статистически достоверные различия между двумя условиями эксперимента. Так что и сегодня вполне можно ждать какого-то прорыва на уровне методик измерения, методик регистрации данных, хотя и алгоритмы обработки данных тоже очень важны.

О поисках когнитивного процесса в мозге, у которого и без того много дел

Рассел Полдрак ( Russell Poldrack ), когнитивный нейробиолог из Стэнфордского университета, провел очень интересные исследования на основе фМРТ данных. Он попытался понять вот что: допустим, вы манипулируете двумя условиями в эксперименте и в результате у вас некий участок коры подсветился, стал активным. А ранее было показано, что у людей этот участок ассоциирован с определенным когнитивным процессом. Следует ли из этого, что ваша манипуляция привела к вовлечению или, наоборот, к исключению этого когнитивного процесса?

Допустим, вы свой результат публикуете, дальше кто-то другой делает какие-то исследования и видит, что у него активировался тот же участок. Он смотрит прошлые исследования и говорит: ага, значит, здесь вовлечен вот такой процесс. Но это же неправильно. В своей работе Рассел подчеркивает , что правомерность такого заключения связана с тем, насколько уникален этот участок. Если он уникально меняет активность только в конкретном процессе, то мы можем считать, что видим именно его. Но многие участки, как правило, активны в большом количестве процессов, и специфичность участка не всегда та, которую ожидает исследователь.

Нейровизуализацию мозга животного, умершего свыше 100 лет назад, провели ученые университета Эмори и университета Нового Южного Уэльса. С помощью диффузионно-тензорной томографии они реконструировали структуру нервных путей (т.н. белого вещества) сумчатого волка, вымершего вида, экземпляры мозга которого хранятся с 1930-х и 1900-х годов. Оказалось, что структура связей мозга сумчатого волка очень не похожа на мозг семейства псовых, хотя внешне он напоминает собаку. О природном поведении волка мало известно; данные об устройстве его нервной системы пригодятся зоологам и эволюционным биологам. Автор исследования Грегори Бернс (Gregory S. Berns) предлагает создать открытый архив 3D-реконструкций мозга мегафауны, для чего создал онлайн проект Brain Ark . После успешного сканирования образца более чем вековой давности появился инструмент и для изучения вымерших животных, хранящихся в музейных коллекциях.

О данных, в которых можно копаться в поисках нового знания

На самом деле, не все так плохо. Справедливо сказать, что разные области коры более или менее (скорее менее, чем более, но все же) специфичны какому-то условию, каким-то когнитивным процессам. Есть уже большая база данных экспериментов — пока, к сожалению, по большей части на основании фМРТ, из которой можно узнать, какой процесс изучался и какие области коры подсвечивались.

По этой базе мы можем оценить количество информации о вовлеченности конкретного процесса, которое мы получим, если увидим активацию в области А. Если она светится всегда и везде, то, увидев ее активацию, мы не узнаем ничего. Если же область А активна только в процессах кратковременной памяти, то новый эксперимент способен дать ценную информацию. Базу данных можно анализировать и строить кривые. Чем они более выгнутые, тем у них Байесов коэффициент выше. И при планировании эксперимента это нужно учитывать. Это первое.

Второе, мы же движемся в направлении сетей. Мы смотрим, как активности разных участков связаны друг с другом, как они синхронизированы. И такие сети могут быть более специфичны относительно какого-то когнитивного процесса, более уникальны. Кроме того, еще есть каузальные взаимодействия — область А влияет на область Б, но область Б не влияет на область А. То есть это уже направление, еще одна переменная, которую можно использовать, чтобы сделать сеть более уникальной.

Осенью 2016 в США начато масштабное исследование, посвященное когнитивному развитию у подростков: Adolescent Brain Cognitive Development ( ABCD ) study. Инициатива призвана создать самую большую базу данных по развитию мозга на протяжении десяти лет. В проект ABCD планируют вовлечь 10 тысяч детей в возрасте 9–10 лет из семей разного достатка и происхождения. Участники будут каждый год проходить магнитно-резонансную томографию (МРТ) головного мозга, чтобы ученые могли отследить ход структурного и функционального развития мозга человека в возрасте от 10 до 20 лет. Параллельно с помощью игр и тестов исследователи будут изучать когнитивное развитие, а также брать биологические пробы у детей и членов их семей для генетического анализа. Будут учитывать и разные экологические и поведенческие факторы, которые, как полагают, влияют на развитие мозга, в том числе физические фазы активности и сна. В том числе, исследователи ABCD планируют изучить, как генетические и экологические факторы могут влиять на риск употребления психоактивных веществ или на склонность к насилию.

Наша мечта и одно из направлений нашей работы состоит в том, чтобы создать базу данных таких сетей. Для этого нам надо научиться надежно их находить. Тогда байесовский анализ этих сетей, возможно, даст нам большую специфичность каждой из них, даст более надежный метод, с помощью которого мы сможем оценивать вовлеченность того или иного когнитивного процесса. По большому счету, мы меряем поля на поверхности головы, как бы с помощью вольтметра. Но мы же не просто хотим электрическую активность отследить, нет, мы пытаемся понять, что там в мозге концептуально происходит. И вот движение в сторону сетей, мне кажется, это правильный путь.

Нашим телом и мыслями управляет командный центр — мозг! Он приказывает ногам танцевать, ушам — слушать, глазам — смотреть, а рту — говорить. Именно он ответственен за то, что мы любим и не любим, за наши привычки и желания.

Мозг — загадочный орган, в котором хранятся все наши воспоминания.

Прочная защита. Чем интересен череп

Мозг — очень хрупкий орган, поэтому для защиты ему нужна костная черепная коробка. Однако предохраняет мозг от различных опасностей не только она.

Яйца в банке

Возьми яйцо и представь, что это твой мозг. Если положить его в стеклянную банку, получится защита — точно такая же, которую дает череп. А что будет, если банку встряхнуть? ОЙ! Прощай, яйцо!

Теперь налей в банку воду, плотно закрути крышку и встряхни еще раз. Вода не даст яйцу удариться о стенки.

В организме человека головной мозг защищен слоем спинномозговой жидкости — как яйцо водой в нашем эксперименте — и благодаря этому не бьется о череп.

Перехитри свой мозг

Теменная доля помогает тебе оценить, большой или маленький предмет ты видишь, и даже отличить, правда ли он маленький или просто находится далеко. Но знаешь ли ты, что мозг можно обмануть?

На рисунке показана оптическая иллюзия Понцо, придуманная более ста лет назад. Она немного похожа на уходящую вдаль железную дорогу. Сверху и снизу нарисованы желтые линии. Как ты думаешь, какая из желтых линий длиннее?

Та, которая сверху? Как бы не так! На самом деле обе линии одинаковые; для верности можешь их даже измерить линейкой. Если тебе все равно кажется, что верхняя линия длиннее, — не беспокойся. Это просто означает, что с твоей теменной долей все в порядке.

Обмани свой мозг

Посмотри на эту картинку. Ты тоже видишь, что круги вращаются?

На самом деле это еще одна оптическая иллюзия. Головной мозг обрабатывает все, что видят глаза, а сочетание цветов и форм дает ему такую информацию, что получается странный эффект: изображение как будто движется, хотя на самом деле все стоит на месте. Круто же, правда?

Фокусы с памятью

Удержать в краткосрочной памяти много информации сложно. Попробуй запомнить слова на картинке — время не ограничено. Теперь закрой их, возьми листок бумаги и запиши по памяти. Сколько слов получилось запомнить? Скорее всего, задание окажется не таким уж простым.

Обмани вкус

Закрой глаза и зажми нос, а потом попроси дать тебе какую- нибудь еду и угадай, что ты ешь. Ты обнаружишь, что без зрения и обоняния вкус пищи почувствовать гораздо сложнее.

В чем секрет?

Чтобы понять, что происходит, головной мозг привык полагаться на все органы чувств сразу. Вкус — всего лишь одно из ощущений, поэтому, если убрать зрение и обоняние, мозг лишится части привычной информации и его задача сильно усложнится.

Провода в голове

Пластичностью мозга называется потрясающая способность нашего органа мышления приспосабливаться к изменяющимся обстоятельствам. Если мы обучаемся какому-либо навыку и интенсивно тренируем мозг, в области мозга, отвечающей за этот навык появляется утолщение. Находящиеся там нейроны создают дополнительные связи, закрепляя вновь полученные умения. В случае поражения жизненно важного участка мозга, мозг порой заново развивает утраченные центры в неповрежденной области.

Именные нейроны в экспериментах с мозгом

Исследуемая нервная клетка, как оказалось, была связана именно с целостным образом конкретной актрисы, а вовсе не с отдельными элементами ее внешности или одежды. И это открытие давало если не ключ, то подсказку к пониманию механизмов сохранения долговременной памяти в человеческом мозге. Единственное, что мешало продвигаться дальше, — те самые соображения этики и права, о которых говорилось выше. Ученые не могли разместить электроды ни в каких других областях головы для продолжения экспериментов над мозгом, кроме тех, что подвергались предоперационному исследованию, да и само это исследование имело ограниченные медицинской задачей временные рамки. Это весьма затрудняло поиски ответа на вопрос, действительно ли существует нейрон Дженнифер Энистон, или Брэда Питта, или Эйфелевой башни, а может быть, в результате замеров ученые случайно натыкались лишь на одну клетку из целой связанной друг с другом синаптическими связями сети, отвечающей за сохранение или узнавание определенного образа.

Игра с картинками

Цена экспериментов над мозгом

Стоила ли эта увлекательная игра необходимости проводить опыты над живыми людьми, тем более имеющими серьезные проблемы со здоровьем? По мнению авторов проекта — стоила, ибо исследователи не только удовлетворяли свои научные интересы фундаментального характера, но и нащупывали подходы к решению вполне прикладных задач. Если в мозге существуют нейроны (или связки нейронов), возбуждающиеся при виде Дженнифер Энистон, значит, должны быть и мозговые клетки, отвечающие за более существенные для жизни понятия и образы. В случаях, когда пациент не в состоянии говорить или сигнализировать о своих проблемах и потребностях жестами, непосредственное подключение к мозгу поможет медикам узнать о нуждах больного от нейронов. Причем чем больше ассоциаций будет установлено, тем больше сможет сообщить о себе человек.

Однако внедренный в результате экспериментов с мозгом и сознананием электрод, пусть даже 50 мкм в поперечнике, — это слишком грубый инструмент для точной адресации конкретному нейрону. Более тонкий метод взаимодействия — оптогенетика, которая предполагает преобразование нервных клеток на генетическом уровне. Одними из пионеров этого направления считаются Эд Бойден и Карл Диссерот, начинавшие свои работы в Стэнфордском университете. Их замысел заключался в том, чтобы воздействовать на нейроны с помощью миниатюрных источников света. Для этого клетки, разумеется, необходимо сделать светочувствительными. Поскольку физические манипуляции по пересадке светочувствительных белков — опсинов — в отдельно взятые клетки относятся к области практически невозможного, исследователи предложили. заражать нейроны вирусом. Именно этот вирус внедрит в геном клеток ген, синтезирующий светочувствительный белок.

Наш мозг — самый сложный, неизученный орган, который управляет всем организмом. Ученые не перестают изучать его строение, и сегодня мы рассмотрим основные функции различных мозговых структур.

Структура

Конечный, в который входит оба полушария
Задний, к которому относится мозжечок
Средний, расположенный между мостом и мозжечком
Промежуточный, находящийся выше среднего
Продолговатый, который является непосредственно продолжением спинного

Понятие конечного мозга объединяет оба полушария, при этом его также принято разделять на 4 доли — лобную, височную, теменную, затылочную.

Слаженная работа всех отделов направлена на работу высших психических функций — восприятия, внимания, памяти, мышления. Наша нервная система получает сигналы от органов чувств, а мозг обрабатывает их — слух, зрение, вкус, запах, чувство равновесия. Также он контролирует все жизненно важные процессы — дыхание, сердцебиение, метаболизм. Рассмотрим подробнее, где же происходит это волшебство.

Конечный мозг

Ниже приведены основные функции долей больших полушарий:

Задний мозг: мозжечок, мост

Этот отдел образуют мозжечок и варолиев мост, который находится над мозжечком и соединяет его со спинным мозгом. Здесь происходит регуляция нашего вестибулярного аппарата — это ощущение равновесия, а также координация движений. Он надежно защищен, поскольку повреждение этой зоны провоцирует шаткую, неустойчивую походку, ослабление мышц, даже тремор конечностей, в некоторых случаях — изменение почерка.

Средний

Этот отдел является частью двигательной системы и выполняет большое количество функций. Средний мозг контролирует наши движения и защитные реакции, например, в ответ на страх. Он отвечает за зрение, слух, поддерживает терморегуляцию, болевые ощущения, контролирует концентрацию внимания, биоритмы.

Промежуточный отдел

Этот отдел перерабатывает всю входящую информацию. Его основная функция — наша способность адаптироваться, приспосабливаться. Промежуточный мозг состоит из трех частей:

Таламус принимает сигналы нервной системы и отправляет их к соответствующим органам.
Гипоталамус отвечает за удовольствие и работу всех внутренних органов. является центром удовольствия, а также регулирует работу внутренних органов.
Эпиталамус вырабатывает мелатонин — гормон, который регулирует наш сон и бодрствование.

Продолговатый

Выполняет регуляцию систем: дыхательной, кровообращения, пищеварения. Благодаря ему у нас есть безусловные рефлексы, например, чихание, а также тонус мышц. Кроме того, там стимулируется выработка различных секретов — слюны, слез, ферментов ЖКТ.

Науке еще многое предстоит узнать об особенностях нашего самого главного органа. В наших же силах поддерживать его высокую работоспособность при помощи постоянных тренировок. Тренируйте высшие психические функции — внимание, память, мышление — на когнитивных тренажерах, чтобы работа всех отделов была продуктивной.

Читайте также: