Как проникнуть в мозг?

Знаете ли вы, где пересекаются психология и физика? Конечно же, в нейронауках!Работа мозга представляет собой физический процесс – «бег» электрических импульсов по отросткам нервных клеток, дендритам и аксонам, который происходит благодаря перемещению ионов – заряженных частиц – через мембрану нейронов. С развитием методов регистрации электрической активности нейронов психологические исследования вышли на новый уровень: теперь мы не только можем наблюдать психологические феномены, но и отслеживать биологические процессы, стоящие за ними. Какие же методы используют для регистрации электрической активности мозга?

Непосредственная регистрация

Первый способ регистрации активности нейронов состоял в следующем: в аксон – отросток, благодаря которому нервные клетки общаются между собой и передают сигналы – вводился стеклянный электрод. Он пассивно улавливал группы ионов, изменение концентрации которых обеспечивает возбудимость нервной клетки. Далее прибор регистрировал величину суммы зарядов. С помощью этого метода английские биофизики Алан Ходжкин и Эндрю Хаксли подробно изучили свойства нервного волокна. Свои опыты они проводили на гигантском аксоне кальмара. Это очень удобный объект для исследования: диаметр нервного отростка морского гада составляет около 1 мм, что позволяет видеть аксон невооружённым глазом. Однако такой способ изучения работы мозга имеет очевидный минус: его нельзя применять на людях, так как он требует серьёзного хирургического вмешательства.

Непосредственная стимуляция

Сейчас если человек даёт согласие, то исследователи могут во время операции на мозге производить электрическую стимуляцию интересующих их участков и смотреть реакцию. Такие операции никогда не проводятся под общей анестезией, чтобы хирург имел возможность отслеживать состояние пациента. Исследователь может, например, попросить респондента считать до ста, и, пока тот выполняет задачу, воздействовать на определённый участок мозга. Если участник после этого замолчит, значит, была найдена область, ответственная за речь или счёт; и так судят о расположении любой другой активности в мозге. Однако по понятным причинам метод этот не имеет широкого распространения: далеко не каждый пациент согласится на вмешательство со стороны учёных во время операции, и не при каждой операции на мозге такое вмешательство возможно.

Электроэнцефалография

В начале XX-го века перед учёными встала задача создания такого способа регистрации электрической активности мозга, при котором не требовалось бы влезать в черепную коробку. И появилась электроэнцефалография (ЭЭГ). В этом методе так же, как и в его предшественнике (см. Непосредственная регистрация), задействуются электроды, но теперь они закрепляются на коже головы участника исследования с помощью специальной шапочки. Получается, что каждый из них записывает суммарную активность электрических полей того участка мозга, над которым он установлен. Это позволяет наблюдать не активность одного аксона, а синхронную активность групп нейронов – мозговые ритмы.

Регистрируя суммарную активность, ритмы, исследователи могут многое узнать в режиме «онлайн». Американские психологи из Иллинойского университета в Чикаго с помощью ЭЭГ нашли объективный показатель наличия клинической депрессии. Эксперимент был крайне прост. Респонденты, у которых снимали ЭЭГ, находились в комнате. Перед ними располагались две двери. Участникам исследования сообщали, что за одной из них скрывается приз, и предлагали угадать, за какой именно. Если они выбирали правильно, то получали денежное вознаграждение, если же нет – их штрафовали. В итоге учёные обнаружили, что у больных депрессией участок электроэнцефалограммы, показывающий реакцию на поощрение, выражен гораздо слабее, чем у здоровых респондентов. Это позволило медикам использовать ЭЭГ-маркеры в качестве инструмента для оценки эффективности лечения депрессии.

Магнитоэнцефалография

Менее распространён метод с родственным названием – магнитоэнцефалография (МЭГ). Как работает этот метод? Электрические заряды порождают электрические поля – совокупности силовых линий, которые действуют на другие заряды, если те внесены в поле. А магнитные поля представляют собой совокупности силовых линий, действующих на тела, которые обладают свойством намагничивания (к примеру, железные опилки). Как известно из классической электродинамики, движущиеся электрические заряды порождают переменное магнитное поле. Именно его, обратную сторону электрической активности нервных клеток, и регистрируют датчики прибора для МЭГ.

В современной экспериментальной психологии есть одна проблема: ещё в XIX-ом веке исследователи установили, какие области мозга отвечают за восприятие речи, а какие – за восприятие других звуков. Однако в последние десятилетия выяснилось, что на самом деле всё гораздо сложнее, и у разных людей эти участки могут сильно различаться. И именно МЭГ помогает учёным во всем разобраться. Типичный эксперимент выглядит так: респонденту включают аудиозапись речи, а спустя некоторое время – аудиозапись неречевых звуков. Оба раза снимают магнитоэнцефалограмму и с ее помощью смотрят, какие участки мозга в какой момент задействовались. В результате основании накопленных данных создается стройная теория, объясняющая причины разного расположения в мозге центров восприятия звуков. В настоящее время исследователи активно работают в этой специфической области и постепенно продвигаются в разрешении проблемы.

Позитронно-эмисионная томография

Исследование радиации привело к изобретению другого метода изучения работы мозга – позитронно-эмисионной томографии или ПЭТ. Принцип работы томографа не связан с электрохимическими процессами напрямую. Когда нейрон проводит сигнал интенсивнее обычного, он потребляет больше глюкозы. При использовании ПЭТ респонденту в кровь вводят её молекулы, связанные с радиоактивным веществом. Далее этот комплекс, прибывая в место назначения, постепенно распадается и испускает особые частицы, которые встречаются с электронами нашего организма. Сталкиваясь друг с другом, электрон и частица превращаются в небольшие порции энергии – кванты, которые затем разлетаются в строго противоположных направлениях. Многочисленные детекторы вокруг головы респондента регистрирует вылетающие кванты, на основании этих данных компьютер рассчитывает расположение места встречи частицы вещества и электрона. Таким образом постепенно выстраивается подробное объёмное изображение, показывающее, какие участки мозга в данный момент потребляют больше глюкозы и где, следовательно, может наблюдаться патологическая активность. Исследователи в ходе процедуры могут давать респонденту разные задания и смотреть, при каких видах деятельности какие области мозга работают интенсивнее остальных. Это позволяет установить связь между участком и его функцией.

Есть и другие варианты использования ПЭТ. Недавно английские учёные решили проверить гипотезу о том, что одной из причин шизофрении может быть нарушение формирования нейронов. Они связали белок, который участвует в построении связей нейронов, с радиоактивным веществом и ввели его в кровь пациентам и здоровым людям. ПЭТ позволила увидеть, что белок этот у больных шизофренией накапливается в стыках отростков нервных клеток гораздо хуже, чем у здоровых людей, что подтвердило гипотезу ученых.

Магнитно-резонансная томография

Исследования с использованием ПЭТ являются слишком дорогостоящими и могут нанести вред пациенту. Так что в большинстве случаев удобнее использовать функциональную магнитно-резонансную томографию (фМРТ), которая также связана с кровотоком, но при этом гораздо безопаснее и дешевле. В ходе активной работы нейронам, помимо глюкозы, требуются большие объёмы кислорода. Эритроциты крови переносят кислород с помощью белка гемоглобина. Он имеет две формы: оксигемоглобин (несущий на себе кислород) и дезоксигемоглобин (не несущий кислорода). Эти две вариации имеют разные магнитные моменты, то есть они по-разному изменяются при внесении в магнитное поле. Установка фМРТ порождает магнитное поле, благодаря которому становится возможным регистрировать, в каком участке мозга сейчас наиболее активное поглощение кислорода. Соответственно, здесь применяются те же экспериментальные модели, что и при традиционном использовании ПЭТ.

Хорошим примером может послужить небольшой эксперимент учёных из массачусетского госпиталя. Они демонстрировали нескольким женщинам фотографии их детей и их домашних питомцев. Параллельно фМРТ собирала информацию. Оказалось, что и когда женщина видит собственного ребёнка, и когда она видит любимую собаку, у неё активируются примерно одни и те же области мозга: центры положительных эмоций социальных взаимодействий. Хотя в исследовании участвовало слишком мало людей, что не позволяет нам сделать однозначный вывод, все же мы можем усмотреть общую тенденцию: привязанность к своему ребёнку и привязанность к любимому питомцу имеют много общего в смысле деятельности нервной системы.

Мы рассмотрели только основные способы исследования мозговой активности. На самом деле их больше и, более того, продолжают изобретаться всё новые и новые методы. Каждый метод имеет свои особенности, но все они позволяют нам заглянуть в работающий мозг и приоткрыть завесу тайны механизмов, обеспечивающих нашу психическую активность.

Автор: Александр Кедровских

Источник: www.журнал-инсайт.рус

Комментарии: