Алан Джасанов - Мозг: прошлое и будущее [Что делает нас теми, кто мы есть]

Многие первые методы ПЭТ широко применяются и по сей день, их арсенал пополнился и методами с использованием новых меток. Например, в число недавних открытий вошла разработка ПЭТ-меток, выявляющих патологическую картину болезни Альцгеймера, – над их созданием работали Уильям Кланк и другие ученые из Питсбургского университета [197] W. E. Klunk et al., «Imaging brain amyloid in Alzheimer’s disease with Pittsburgh Compound-B», «Annals of Neurology» 55 (2004): 306–319. . Однако изучение при помощи ПЭТ различных видов мозговой деятельности имеет свои недостатки. В частности, ПЭТ-сканы обладают довольно грубой зернистой пространственной структурой, то есть у них низкое разрешение . Для них типичен размер пикселей в несколько миллиметров, а значит, каждая точка на ПЭТ-скане соответствует десяткам тысяч клеток, а иногда затрагивает не один отдел мозга. А главное, ПЭТ-сканы делаются чудовищно медленно по сравнению с мозговыми процессами наподобие восприятия или мышления. Даже самые высокоскоростные эксперименты с функциональной ПЭТ требуют на создание одного скана около минуты, то есть почти в тысячу раз больше, чем требуется, чтобы узнать кого-то в лицо, и примерно в пять раз больше, чем потребовалось на всю игру в шахматы-блиц чемпиону мира Магнусу Карлсену, чтобы победить Билла Гейтса [198] Peter Doggers, «Magnus Carlsen Checkmates Bill Gates in 12 Seconds», Chess.com, chess.com/news/view/bill-gates-vsmagnus-carlsen-checkmate-in-12-seconds-8224, 24 января 2014 года. .

Некоторые недочеты ПЭТ удалось обойти благодаря принципиально иной технологии сканирования, которую разработал Пол Лотербур из Университета штата Нью-Йорк в 1973 году. Лотербур был химик и специализировался на методе спектроскопического анализа, который называется ядерно-магнитный резонанс (ЯМР). Эффект ЯМР заключается в том, что ядра некоторых атомов, чаще всего – атомов водорода в воде, помещенные в сильное магнитное поле, поглощают радиоволны конкретных частот. Лотербур открыл способ применять ЯМР для выявления положения поглощающих ядер в пространстве. Поскольку биологические ткани по большей части проницаемы для радиоволн (которые для них безвредны), новый метод сканирования на основе ЯМР идеально подошел для визуализации живых мягких тканей в трех измерениях. Когда сканирование методом ЯМР завоевало уважение медицинского сообщества и вошло в обиход, из названия убрали букву «Я», обозначающую грозное слово «ядерный», и теперь этот метод широко известен под названием МРТ – магнитно-резонансная терапия. МРТ быстро стала популярной, поскольку превосходно передает все анатомические подробности мягких тканей, в частности, тканей мозга.

В начале девяностых годов ученые открыли способы проводить при помощи МРТ функциональное сканирование мозга. В первой опубликованной статье о фМРТ Джек Белливо, Брюс Розен и их коллеги из Массачусетской государственной больницы в Бостоне повторили более ранние эксперименты с ПЭТ, введя во время сканирования МРТ-контрастный агент в кровь добровольцев [199] Belliveau et al., «Functional mapping of the human visual cortex by magnetic resonance imaging». . Затем ученые смогли составить карту мозговой деятельности, проследив, где накапливается контрастный агент при визуальной стимуляции. Примерно тогда же другая группа ученых из Лабораторий Белла во главе с Сэйдзи Огавой показала, что кровь сама может служить природным контрастным агентом для фМРТ [200] S. Ogawa, T. M. Lee, A. R. Kay, and D. W. Tank, «Brain magnetic resonance imaging with contrast dependent on blood oxygenation», «Proceedings of the National Academy of Sciences» 87 (1990): 9868–9872; S. Ogawa et al., «Intrinsic signal changes accompanying sensory stimulation.» . Поскольку и кислород, и железо в крови обладают слабыми магнитными свойствами, небольшие изменения кровотока и насыщенности кислородом можно зарегистрировать, и не прибегая к инъекциям. Подобные эффекты наблюдаются в пределах секунд, пока обострена мозговая деятельность, и служат основой большинства современных экспериментов со сканированием мозга.

Неудивительно, что зависимость от крови накладывает на применение фМРТ определенные ограничения [201] N. K. Logothetis, «What we can do and what we cannot do with fMRI», «Nature» 453 (2008): 869–878. . Пространственное разрешение фМРТ фундаментально ограничено расстояниями между кровеносными сосудами мозга. Это примерно одна десятая часть миллиметра, гораздо больше, чем размер клеток мозга. Большинство сигналов фМРТ, скорее всего, отражают совокупную деятельность множества разных типов нейронов и нейроглии, а также, вероятно, изменения кровотока, не связанные с местной мозговой активностью. Так что и сотни химических посредников, которых мы обсуждали в главе 2, и синапсы и связность клеток из главы 3 – все это становится пренебрежимо малыми величинами. Специалист по сканированию мозга из Беркли Джек Галлант говорит, что «фМРТ – это как измерять расход электричества в офисе в конкретные моменты времени с целью выяснить, что происходит на каждом рабочем месте» [202] Elizabeth Landau, «Scan a Brain, Read a Mind?», CNN, 12 апреля 2014 года. . Кроме того, исследователей огорчает, что фМРТ такая медленная по сравнению с активностью нейронов. Представьте себе, что вы смотрите кино, которое размазано так, что каждый кадр длится несколько секунд. Тогда наши любимые герои приключенческих фильмов: Рокки и Иван, Роза и Джеймс Бонд, Оби-Ван и Дарт Вейдер – превратились бы в непонятные цветные пятна. Точно так же сказывается кровоток на данных фМРТ. Поэтому ученые иногда дополняют фМРТ данными более быстрых методов наблюдения – электроэнцефалографии (ЭЭГ) и магнитоэнцефалографии (МЭГ). Но хотя МЭГ и ЭЭГ быстро реагируют на электромагнитную активность мозга, они не в состоянии локализовать эту активность, в отличие от фМРТ, которая далеко превосходит их в этом отношении по точности и надежности.

К тому же сигналы, которые регистрирует фМРТ и другие методы функционального сканирования, очень малы: обычно мозговая деятельность порождает всплески максимум в несколько процентов от яркости изображения. Такие небольшие изменения наблюдаются на фоне флуктуаций из-за движений испытуемого, нестабильности оборудования для сканирования и физиологических процессов, не имеющих отношения к исследованию. Поэтому исследователям приходится очень постараться, чтобы выделить изменения на изображении, действительно связанные с теми или иными стимулами и явлениями, которые они пытаются изучить. Для этого, как правило, применяется обширный вычислительный анализ десятков повторяющихся исследований на множестве испытуемых при различных условиях эксперимента [203] William B. Penny, Karl J. Friston, John T. Ashburner, Stefan J. Kiebel, and Thomas E. Nichols, eds., «Statistical Parametric Mapping: The Analysis of Functional Brain Images» (New York: Academic, 2006). . Результаты подобных вычислений обычно изображаются в виде ярких цветных пятен на месте областей мозга, которые, по предположению ученых, были особенно активны, на фоне черно-белых анатомических изображений (см. рис. 6). Эти картинки – самая надежная информация о мозговой деятельности человека, какую мы способны получить на сегодня, но на самом деле они не показывают, что делает мозг в тот или иной момент времени, и на них почти никогда не виден мозг какого-то одного конкретного человека. Функциональные карты мозга – это глубоко переработанные статистические данные множества изображений, зачастую далекие от стоящих за ними биологических процессов, как болонская копченая колбаса от свиньи [204] Современная болонская копченая колбаса происходит от традиционной свиной колбасы мортаделлы, которую делают на севере Италии. Сегодня копченые колбасы готовят не только из свинины, и они так сильно переработаны, что от них очень далеко до животного сырья, из которого их делают, а тем более до живой свиньи. .