Салли Сэйтл - Нейромания. Как мы теряем разум в эпоху расцвета науки о мозге
Этот вопрос находится на переднем крае большой области исследований, существующей уже на протяжении веков: что же могут процессы, происходящие в мозге, сказать нам о психике? Попытка подойти к этой проблеме с помощью фМРТ (одной из наиболее современных и, бесспорно, самой «медийной» нейротехнологии) упирается в способность ученых определять на основе активации мозга, что думает и чувствует человек. Конечно, ученые не могут «читать» конкретные мысли на фМРТ. Они могут только сказать, что области мозга, общая связь которых с определенными функциями уже известна, демонстрируют повышение активности — отсюда подходящий термин для цветных мазков на изображениях мозга: «мозговые корреляты». Но информационная ценность изображений мозга в суде и других инстанциях зависит от того, насколько точно ученые способны сделать выводы о мыслях и чувствах отдельного человека на основании этих коррелятов. Эта трудная и интересная проблема возникла более столетия назад, когда еще использовались более примитивные технологии.
Функциональная нейровизуализация прошла долгий путь со времен своего предка, рентгеновского снимка, изобретенного в 1895 году немецким врачом Вильгельмом Конрадом Рентгеном. Его первые, ныне знаменитые, рентгеновские снимки демонстрировали пять костей левой руки его жены, где четвертая кость была окружена широким обручальным кольцом. Превращение прежде невидимого в видимое, осуществленное Рентгеном, вызвало сумасшествие по обеим сторонам Атлантического океана. Универсальные магазины в Чикаго, Нью-Йорке и Париже устанавливали платные рентгеновские автоматы, чтобы их посетители могли увидеть анатомию скелета своих рук, при этом
некоторые посетители падали в обморок при виде собственных костей. Парижский врач, Ипполит-Фердинанд Барадкж (Hippolyte-Ferdinand Baraduc), заявил даже, что может сделать рентгеновский снимок своих идей и чувств. Полученные снимки он назвал «психоиконами», то есть изображениями души. Разумеется, даже если оставить в покое психику, эти снимки не говорили ничего о мозге, поскольку рентгеновские лучи с трудом проникают через толстые стенки черепа (4).
В начале XX века ученые разработали вентрикулографию, метод закачивания воздуха в желудочки мозга — полости, в которых собирается спинномозговая жидкость, — для повышения внутреннего давления и увеличения различия плотности тканей в различных областях.
Многие разочарованные специалисты прозвали «дикую» интерпретацию изображений фМРТ «неофренологией».
В начале 1970-х годов изображения, полученные с помощью рентгеновской компьютерной томографии (КТ), позволили радиологам отличать белое и серое вещество мозга от проходящих через него желудочков. Этот метод использовал рентгеновские лучи высокой плотности для получения послойного изображения мозга с последующим построением его трехмерной модели. Десятилетие спустя на радиологическую сцену вышла структурная МРТ (магнитно-резонансная томография) и предоставила еще более точное отображение анатомии мозга. Структурная МРТ может выявлять статические проблемы, такие как опухоли, тромбы и деформацию кровеносных сосудов. В совокупности снимки КТ и МРТ предоставляют ценную информацию о строении мозга, но оставляют нас по большей части в неведении о его функционировании (5).
Это ограничение стало исчезать с появлением позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ), одного из первых методов трехмерной функциональной нейровизуализации. В противоположность чисто структурным методам ПЭТ и другие функциональные методы позволяют нейробиологам получать изображения мозга в действии. Появившаяся в 1980-х ПЭТ регистрирует метаболизм мозга, точнее, мозговой крово
ток, для чего в кровь вводят специальные вещества — радиоактивные маркеры. Лежащий в основе метода принцип заключается в том, что клетки мозга, активируясь, требуют больше энергии в виде глюкозы и кислорода. Маркером обычно служит небольшая доза глюкозы, помеченной радиоизотопом. Ее вводят непосредственно в вену либо вдыхают. Глюкоза движется к наиболее активным клеткам мозга, и там радиоактивный изотоп излучает позитроны, которые регистрируются и проявляются в качестве светящихся горячих точек на ПЭТ-изобра- жении. Хотя ПЭТ может служить для изучения мозга в процессе реакций человека на стимулы и выполнения задач, ученые предпочитают использовать для этого фМРТ, поскольку она обладает более высоким пространственным и временным разрешением и не требует использования радиоактивного материала (6).
Функциональная МРТ опирается на тот факт, что все, что человек переживает (чувствует, думает, воспринимает), в целом коррелирует с изменениями потребления кислорода и локального кровотока в определенных участках мозга. Когда человек реагирует на задание, например смотрит на фотографии или решает математическую задачу, как правило, в его мозге активируется конкретный набор специализированных областей, и они получают больше насыщенной кислородом крови. Усиление кровотока и связанное с ним увеличение притока кислорода служат здесь признаками повышенной активности нейронов. Мы говорим о «повышенной активности», поскольку весь живой мозг постоянно находится в работающем состоянии, кровь постоянно циркулирует, и кислород постоянно потребляется. Если мозг находится в полном покое — это мертвый мозг.
Таким образом, измерение концентрации кислорода, растворенного в крови, служит ключом к выявлению активности мозга. С помощью большого и чрезвычайно мощного магнита МР-томографа можно измерить приток крови к различным областям мозга, поскольку кровь, которая переносит больше кислорода, отличается по своим магнитным свойствам от крови, которая уже отдала свой кислород нейронам. Относительная концентрация насыщенной кислородом (оксигенированной) и бедной кислородом (то есть деоксигенированной) крови в небольшой области мозговой ткани создает так называемый BOLD-сигнал (blood-oxygen-level-dependent, то есть «зависящий от уровня кислорода в крови»). Чем выше в определенной области мозга доля оксигенированной крови по отношению к деоксигенированной, тем выше в ней потребление энергии (7).
В экспериментах исследователи не просто просят испытуемых выполнить какие-нибудь задания и измеряют активность их мозга. Они оценивают активацию мозга непосредственно в процессе выполнения задания, например когда испытуемые реагируют на предъявляемые лица, и сравнивают эту активность с фоновой — например, когда испытуемый закрывает глаза и пытается очистить свое сознание насколько это возможно. Представьте себе эксперимент, спланированный, чтобы определить области мозга, связанные с чтением вслух. Исследователи сначала просят испытуемых читать буквы, которые появляются на экране, сперва про себя, а затем вслух. Предполагается, что если «вычесть» сигнал, возникающий в момент, когда испытуемый читает про себя, из сигнала, полученного во время чтения вслух, то оставшиеся неперекрывающиеся по двум заданиям области, по всей вероятности, будут связаны с произнесением слов вслух. Области мозга, задействованные при выполнении обоих заданий (например, внимание, зрительная обработка букв и внутренняя речь), пе- рекроются и останутся темными на итоговой карте активации.
В ходе таких экспериментов компьютер томографа получает BOLD- сигнал для каждой из крошечных трехмерных единиц объема, называемых вокселами — гибридный термин, полученный из английских слов volume (объем) и pixel (растровая точка, пиксел). Типичный мозг содержит около 50 000 таких вокселов, каждый со стороной примерно 3 мм. Процедура вычитания, которую мы описали выше, происходит на уровне каждого отдельного воксела. Каждый воксел окрашивается в определенный цвет в зависимости от величины разницы между его активациями в экспериментальном и в контрольном условии.
Затем компьютер генерирует полное изображение, высвечивая те области мозга, которые больше активировались в одном состоянии по сравнению с другим. Ученые используют определенные цвета для условного обозначения степени вероятности, что полученная в результате вычитания разница в активации между состояниями покоя и стимуляции (или между двумя разными состояниями стимуляции) не является случайной. Чем ярче цвет области, тем больше уверенность экспериментатора в полученном различии. Таким образом, яркий цвет, например желтый, может означать, что есть только один шанс на тысячу, что разница в активации мозга в заданной области является случайностью. А темный цвет, например фиолетовый, указывает, что такая вероятность выше (то есть разницу в активации мозга с большей вероятностью можно приписать случайным факторам).
В конце процесса обработки компьютер отфильтровывает фоновые шумы и готовит данные для нанесения на стандартную трехмерную модель человеческого мозга. Финальное изображение мозга, которое мы видим в журнале или на телеэкране, редко отражает активность мозга одного человека. Оно практически всегда представляет собой усредненный результат всех участников исследования. Как мы уже говорили во введении, сходство между картой активации мозга и фотографией иллюзорно. Фотографии фиксируют образы в реальном времени и пространстве. Результаты функциональной томографии построены на основе информации, полученной из магнитных свойств крови, снабжающей наш мозг. Если мы даже снимем половину черепа, чтобы наблюдать поверхность живого мозга в процессе работы, мы не увидим красочного цветового шоу, демонстрирующего, как различные области мозга активизируются в процессе мышления, переживания или поведения. Какими бы впечатляющими ни были карты активации мозга, они далеки от непосредственного наблюдения. Даже самая точная из них просто представляет активацию в том или ином месте, основываясь на статистической разнице между BOLD- сигналами.
