Грегори Бернс - Что значит быть собакой. И другие открытия в области нейробиологии животных

Но томографы капризны. Какие-то части вдруг отказывают, контрольная панель выдает загадочные ошибки, разобраться с которыми под силу только тайному техническому ордену наладчиков. Главная причина таких сложностей – необходимость держать магнит в холоде. Принцип работы томографа основан на генерации магнитного поля в 60 000 раз сильнее магнитного поля Земли. А для этого необходимо намотать на трубу много миль электрической проволоки и затем пустить по ней ток. Ток создает магнитное поле, ориентированное вдоль тоннеля томографа. Но для создания сильного магнитного поля требуется сильный ток – настолько сильный, что медная проволока плавится. Эту проблему удалось решить только в 1970-х годах, когда был открыт особый класс материалов под названием «сверхпроводники». В томографах используется проволока из ниобия и титана. При охлаждении до сверхнизких температур эти металлы приобретают нулевое электрическое сопротивление и способны выдержать ток какой угодно силы. При нулевом сопротивлении проволока не нагревается и ток не рассеивается. Сверхпроводимый магнит достаточно зарядить один раз, и он всегда будет в действии.

Сверхнизкие температуры удается обеспечить только с помощью жидкого гелия. В нормальных условиях этот газ легче воздуха, но, если хорошенько его охладить – до температуры –269 °С (–452 °F), он сконденсируется в жидкость. Оставлять его в открытом виде нельзя, иначе он выкипит, поэтому систему нужно держать герметично закупоренной, как скороварку. И даже в этом случае по законам термодинамики гелий постепенно будет превращаться обратно в газ. Соответственно, нужен насос, чтобы сжимать его и как можно дольше удерживать в жидком состоянии.

Из-за всех эти насосов и трубок кажется, будто томограф живет собственной жизнью. Компрессор – так называемая охлаждающая головка – гудит, как вентилятор. Первое, что вы замечаете, заходя в процедурную МРТ, – «чавканье» охлаждающей головки. Оно не смолкает никогда. По крайней мере, не должно. Наш новый аппарат, установленный на факультете психологии в Университете Эмори, успел пережить внезапную утечку гелия, которая привела к так называемому квенчу – потере сверхпроводимости и исчезновению магнитного поля. Очень разорительная неисправность. За капризный характер мы прозвали наш томограф Пенни – в честь такой же непредсказуемой героини сериала «Теория большого взрыва».

Хотя магнитное поле в томографе есть всегда, непосредственно во время сканирования необходимо создавать на определенных участках дополнительные поля. Они контролируются дополнительными магнитами – градиентными катушками, которые расположены в тоннеле сканера. Направляя электрический ток на градиентную катушку, можно изолировать для исследования требуемую область мозга. Управляет градиентами сложное программное оборудование, позволяющее быстро чередовать изолируемые области.

Если бы градиенты переключались где-то «за сценой», они не требовали бы отдельного упоминания. Но быстрая смена градиентов – процесс шумный. При каждом переключении градиентных полей катушки вибрируют, и вибрация эта передается всему аппарату. Томограф ведет себя как огромный динамик – и в самом его центре помещается наш четвероногий испытуемый.

В начале занятий мы приучали собак к шуму томографа, проигрывая этот звук в записи на нужной громкости. Но градиентные катушки все равно шумят так сильно, что приходится принимать дополнительные меры. Собачьи уши мы защищали обычными полиуретановыми берушами, которые применяют для проведения МРТ у людей, только фиксировали дополнительно цветной повязкой. А тем, кому категорически не нравились посторонние предметы в ушах, заменяли беруши шумоподавляющими наушниками.

Экипировав испытуемую и дождавшись, пока Питер займет свой пост, Патриция скомандовала: «Кэйди, в катушку!»

Мне из пультовой виден был только зад Кэйди. Когда она устроилась поудобнее, я проверил правильность положения с помощью предварительного – локализационного – сканирования. Это короткий десятисекундный прогон, дающий моментальный снимок того, что находится в катушке. При таком тесте градиентная обмотка издает только низкий гул, который у большинства собак никакого беспокойства не вызывает. Как и ожидалось, мозг Кэйди оказался точно в центре области визуализации.

Переходим к функциональному сканированию. Вот теперь мы получим снимок мозга Кэйди в действии. При фМРТ томограф запрограммирован на получение быстрой непрерывной череды изображений. Насколько быстрой, зависит от величины мозга. У человека на охват всего мозга уходит около двух секунд, но, поскольку у собаки мозг не крупнее лимона, времени на нее требуется в два раза меньше. В результате мы получаем серию снимков, напоминающих фильм. Поскольку при фМРТ градиенты меняются на высокой скорости, шум достигает девяноста пяти децибел – это примерно как отбойный молоток, работающий в пятнадцати метрах от вас. Поэтому уши защищать надо.

Я нажал кнопку сканирования на пульте. Звук отбойного молотка подсказал Кэйди и Питеру, что процесс пошел.

Когда Патриция подала первую жестовую команду, на дисплей операторской консоли полился поток снимков мозга Кэйди. Функциональные снимки не особенно подробны. При этом типе сканирования аппарат считывает изменения в насыщенности кислородом кровеносных сосудов, окружающих нейроны. При возбуждении нейронов прилегающие кровеносные сосуды расширяются, чтобы приток свежей крови позволил нейронам пополнить энергетические запасы. В ходе фМРТ сканер считывает изменения в кровотоке, выявляя участки нейронной активности, – это называется «ответная реакция зависимости уровня кислорода в крови», или BOLD.

BOLD-ответ составляет меньше 1 % от общего сигнала, а сигнал фМРТ, наоборот, активен и колеблется от 5 до 10 %. Частично эта активность вызвана тепловым движением молекул воды, но в основном обусловлена физиологическими процессами. Из-за пульсации крови мозг тоже пульсирует с каждым ударом сердца. Вызывает движение и дыхательный цикл за счет чередования концентрации кислорода и углекислого газа в крови. Все это заглушает BOLD-сигнал. К счастью, закон больших чисел позволяет преодолеть помехи, усредняя результаты множества повторов. Случайное искажение снижается в соотношении «корень квадратный от числа повторов». Так что за сто прогонов сканера фоновые помехи снизятся в десять раз.