Достижения мозга. Как этот орган стал самой сложной и влиятельной частью тела человека - Паоло Бартоломео
Тесный мир мозга
В настоящее время нейробиологи пытаются применить модель сети тесного мира к мозгу человека, чтобы немного разобраться в очень сложной структуре его связей. Группа ученых под руководством нейробиолога Олафа Спорнса обнаружила, что в мозге содержатся хабы с большим количеством связей, образующих сети тесного мира. Эти хабы соединены с различными участками мозга, которые также образуют очень тесные и многочисленные связи между собой. Такую организацию называют структурой элитных клубов: хабы с большим количеством связей преимущественно соединяются между собой. Экспериментируя с повреждениями в различных участках мозга, эти ученые установили, что повреждения, затрагивающие соединения из элитных клубов, вредят эффективности коммуникации приблизительно в три раза больше, чем повреждения в любых других местах.
Структуры тесного мира включают в себя как локальные области мозга с высокой степенью связей (известные как кластеры), так и другие области, расположенные на некотором расстоянии друг от друга. С этой точки зрения они следуют правилам, которые мало чем отличаются от правил, действующих для упомянутой ранее нематоды Caenorhabditis elegans. По некоторым оценкам, максимальное количество степеней разделения между различными участками мозга даже не доходит до шести – чаще всего речь идет о двух или трех: по-видимому, каждый участок может соединяться с любым другим участком мозга либо напрямую, либо проходя через еще один или два других участка.
В обычном мозге структура тесного мира представляет собой систему, облегчающую обработку информации на местном уровне в его кластерах, но она также способствует интеграции этой информации между удаленными участками благодаря отдельным дальним связям. За эту разветвленную сеть приходится дорого платить: она предполагает большую точность при настройке в ходе развития мозга, а впоследствии ее функционирование требует огромных энергетических затрат.
В биологии часто используются термины с суффиксом «ом» для обозначения совокупности элементов в сложных системах: например, геном – по отношению к генам, определяющим генетическую информацию об организме; протеом – для обозначения совокупности белков, производимых клеткой; микробиом – для обозначения микроорганизмов, населяющих конкретную среду обитания и так далее. На основании этой же словообразовательной модели Олаф Спорнс ввел термин «коннектом» для обозначения нейронных соединений в мозге с учетом их сложной структуры и динамики. Важно иметь в виду, что узлы или вершины коннектома необязательно являются изолированными нейронами (у живого человека определить это трудно). В качестве узлов также могут изучаться совокупности нейронов со структурами различной степени сложности: так, например, часто узлами считаются участки мозга, которые можно увидеть с помощью современных методов мозговой визуализации.
Связи мозга наконец изучены
Эти современные методы медицинской визуализации мозга заслуживают того, чтобы вкратце рассказать о них. Наши представления о сетевой структуре мозга значительно расширились в последнее время благодаря двум основным причинам: с одной стороны, свою роль сыграли теоретические достижения в области математики, статистики и обработки сигнала, которыми воспользовались нейробиологи в целях описания типов взаимосвязей в сфере нейровизуализации; с другой стороны, произошел прорыв в развитии инновационных методов картирования этих взаимосвязей.
Самый распространенный на сегодняшний день метод медицинской визуализации мозга – магнитно-резонансная томография (МРТ) – дает нам информацию с фантастической, постоянно возрастающей точностью об анатомии и функционировании мозга человека. Принцип этого метода основан на феномене ядерного магнитного резонанса, открытого в 1946 году физиками Феликсом Блохом и Эдвардом Миллзом Парселлом. Метод заключается в возбуждении атомов, находящихся в сильном магнитном поле, и последующей регистрации произведенного сигнала. Помимо других факторов, на этот сигнал влияет химический состав среды, а следовательно, и природа исследованных биологических тканей. Сигнал обрабатывается компьютером для получения изображения в двух- или трехмерном пространстве.
15. Виртуальный снимок, полученный с помощью МРТ у одного из пациентов
Различные типы возбуждения, сопровождаемые затем соответствующей цифровой обработкой, позволяют получить изображения, на которых обнаруживаются те или иные свойства. Так, например, метод нейровизуализации, известный как функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ), основан на том принципе, что активность нейронов требует энергии, а необходимость в энергии приведет к изменениям кровотока. При выявлении этих изменений в зарегистрированном сигнале становится возможной визуализация наиболее активных участков мозга в тот момент, когда человек выполняет какую-нибудь когнитивную задачу, например, слушает историю. Основной проблемой фМРТ остается ее временное разрешение, которое оказывается неудовлетворительным: для регистрации изображения нужно несколько секунд, что слишком долго, когда речь идет о мозге в состоянии активности. Чтобы добиться временного разрешения в пределах миллисекунды, что гораздо больше подходит для измерения изменений в токе крови, существует другой неинвазивный способ наблюдения за мозгом – регистрация его электрической или магнитной активности с помощью электродов, прикрепляемых к голове.
Для того чтобы проследить нейронные связи, необходимо проанализировать взаимосвязи активностей мозга, регистрируемую на разных его участках. Так можно установить, проявляют ли сигналы, поступающие из различных участков мозга, один и тот же тип активности во времени. Например, когда человек разглядывает картинку, то в его мозге активизируется особая зона (визуальная кора – о ней будет позднее), а также участки, отвечающие за внимание – следовательно, присутствует позитивная взаимосвязь между соответствующими видами активности. Что касается участков, отвечающих за осязание или слух, то они, напротив, менее активны (негативная взаимосвязь). Поэтому ученые предлагают матрицы N x N, изображающие мозг, разделенный на N различных зон; коэффициенты этой матрицы показывают, как эти зоны взаимодействуют друг с другом.
Этот анализ касается функциональных нейронных связей, которые не следует ошибочно отождествлять с анатомическими нейронными связями, хотя они действительно частично зависят друг от друга: если два участка напрямую связаны пучком белого вещества (то есть анатомической связью), они «разговаривают между собой» более свободно и поэтому более способны к взаимной активации, что приводит в таком случае к функциональной связи. Тем не менее два участка мозга могут синхронизироваться друг с другом даже при отсутствии прямых коммуникационных путей, например, если их активность определяется третьим соединяющим их участком.
Другим научным достижением стало то, что анатомические связи теперь могут визуализироваться в живом мозге довольно детально благодаря трактографии белого вещества. Аппарат, в котором размещают пациента, тот же, что и для фМРТ, но используется другой физический феномен – диффузия молекул воды (речь идет о диффузионной спектральной или диффузионно-взвешенной томографии). Дело в том, что в биологических тканях вода встречается с препятствиями, которые мешают ее диффузии. Молекулы воды распространяются не по всем возможным направлениям, а только по тем из них, которые определены этими физическими границами. В мозге эти препятствия, как правило, образованы мембраной, покрывающей аксоны, особенно если она окружена миелином.
Итак, техника моделирования выявляет движения
