До недавнего времени фундаментальные сведения о работе мозга удавалось получать лишь из косвенных источников. Речь идет о прямых экспериментах на животных; наблюдениях за больными людьми, у которых поражение того или иного участка мозга проявляется в виде параличей, нарушений речи или памяти; нейропсихологическом тестировании; операциях на открытом мозге, позволяющих нейрохирургу видеть реакцию на конкретные раздражители; наконец, регистрации электрической активности мозга.
Штарк Марк Борисович mark@niimbb.ru
д.б.н.
действительный член РАН
главный научный сотрудник
НИИ молекулярной биологии и биофизики СО РАН
Савелов Андрей Александрович as@tomo.nsc.ru
к.ф.-м.н.
старший научный сотрудник
Международный томографический центр СО РАН
Резакова Мария Викторовна avmaik@tomo.nsc.ru
к.м.н.
научный сотрудник
Международный томографический центр СО РАН
Мажирина Ксения Геннадьевна mazhirina_k@soramn.ru
к.п.н.
научный сотрудник
НИИ молекулярной биологии и биофизики СО РАН
Однако на основе результатов, полученных с помощью этих подходов, нельзя описать, как работает мозг при решении той или иной конкретной задачи. Возможность непосредственно наблюдать динамику познавательной (когнитивной) деятельности мозга, иными словами, «видеть мысли» появилась лишь с внедрением в исследовательскую практику технологии функциональной магнитно-резонансной томографии.
Гипотеза о связи интенсивности кровоснабжения мозга с его активностью получила распространение еще в конце XIX в. с легкой руки выдающегося британского физиолога Ч. Шеррингтона. Спустя много лет наличие этой связи было доказано радиографическими методами, подтвердившими прямую зависимость между обменными процессами в определенных работающих участках мозга и скоростью доставки к ним кислорода.
А чуть больше двух десятилетий назад сотрудники американской исследовательской организации AT&T Bell laboratories описали принцип визуализации активности зон головного мозга в режиме реального времени с использованием магнитно-резонансной томографии (МРТ), при которой контрастность изображения определяется степенью насыщения крови кислородом (Ogawa et al., 1990). Именно этот принцип лег в основу технологии функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) – динамического исследования активных зон мозговых структур в момент их деятельности, впервые опробованного на человеке спустя два года после первой публикации.
Маркер – кислород
Активация участка мозга всегда связана с потреблением энергии, поэтому она влечет за собой ускорение обмена глюкозы и трансформацию молекул гемоглобина – поставщика кислорода в нашем организме, – при которой оксигемоглобин, обратимо соединенный с кислородом, превращается в дезоксигемоглобин («восстановленный» гемоглобин).
Стандартный эксперимент функциональной магнитно-резонансной томографии по визуализации когнитивных и двигательных операций («парадигм») состоит из нескольких блоков, каждый из которых включает фазу покоя и фазу активации. Так как время запаздывания сосудистого отклика измеряется несколькими секундами, длительность каждой фазы должна составлять 20—30 с. Оптимальная чувствительность метода достигается в том случае, если сигнал BOLD находится в состоянии динамического равновесия. Вверху – три ортогональных сечения трехмерного Т1-взвешенного изображения мозга при сокращении правой кистиМРТ (магнитно-резонансная томография) – это диагностическая процедура, в основе которой лежит эффект ядерно-магнитного резонанса. Суть его в том, что под действием магнитного поля протоны (положительно заряженные ядра водорода) в живых тканях способны переходить на более высокий энергетический уровень, а затем возвращаться в исходное состояние. Последнее сопровождается выделением энергии, которую можно измерить.
Затем полученный сигнал преобразовывают в так называемое Т1-взвешенное изображение (Т1 – время, за которое две трети протонов возвращаются в исходное состояние). Получаемое на выходе изображение будет различно для разных тканей, например, здоровых и больных.
Современные методики МРТ позволяют не только визуализировать с высоким качеством различные внутренние органы, но и исследовать их функцию. Благодаря отсутствию ионизирующего облучения можно использовать этот метод без ограничений и многократно проводить повторные исследования
Ключевой фактор для магнитно-резонансной томографии – различия магнитных свойств разных форм гемоглобина. Так, оксигемоглобин является диамагнетиком, т. е. веществом, намагничивающимся против направления внешнего магнитного поля. Дезоксигемоглобин («восстановленный» гемоглобин), напротив, имеет свойства парамагнетика, намагничиваясь в направлении внешнего магнитного поля. Величина сигнала МРТ зависит от количества дезоксигемоглобина в ткани: чем выше концентрация, тем ниже сигнал. Показатель, который определяется соотношением двух форм гемоглобина и зависит от уровня кислорода в крови, называют BOLD (от анг. blood oxygenation level dependent).
Чем активнее работает участок мозга, тем больше кислорода он потребляет. При формировании действующего нейронного ансамбля увеличение локального потребления энергии уже в первые секунды приводит к возрастанию концентрации парамагнитного дезоксигемоглобина; затем происходит реакция сосудистой системы, заключающаяся в увеличении местного кровоснабжения и кровенаполнения тканей мозга из-за роста объема и скорости кровотока.
Отсюда следует, что относительная величина сигнала МРТ может служить мерой активности зон мозга. Более того, результаты, полученные под контролем электроэнцефалографии на зрительной коре открытого мозга приматов, дают основания утверждать, что сигнал МРТ является линейным откликом на электрическую активность, которую генерирует действующий нейронный ансамбль (Logothetis et al., 2002).
Таким образом, функциональная МРТ, ориентированная на детектирование BOLD-эффекта, является на сегодня оптимальным инструментом картирования нейрональной активности, точнее, функционального состояния нейронных сетей – основы визуализации наших мыслей и идей. Другими словами, именно с помощью фМРТ можно в прямом смысле увидеть, как наш мозг решает задачи в масштабе реального времени.
Сила мысли
С технологией фМРТ тесно связана нейробиологическая технология интерфейса «мозг – компьютер», своего рода «компьютерный симбиоз» (Каплан, 2005, 2012; Черникова и др., 2010). Речь идет о возможности с помощью электроэнцефалограммы получить отображение устойчивого «рисунка» биоэлектрической активности мозга, привязав этот рисунок к функции мозговых структур и образованию в них новых устойчивых нейронных ансамблей. При этом электроэнцефалограмма является не только источником информации о внутримозговых событиях: эти данные можно использовать в качестве сигнала обратной связи для контура произвольной саморегуляции функций организма.
Хотя нейробиология является самостоятельной научной областью, возникла она как «социальный продукт» для глубоких инвалидов, благодаря которому у людей, прикованных к коляске и лишенных самостоятельных двигательных навыков, появляется возможность управления искусственными конечностями, такими как механическая рука (Hochberg et al., 2012).Еще в конце XIX в. французский нейрохирург П. Брока (1861) описал нарушения речи, вызванные поражением определенной зоны левого полушария. Его работа положила начало многочисленным исследованиям, посвященным развитию клинического анализа языковой организации мозга и ее нарушениям. И определение траектории речевого развития – локализации «центра речи» на пространстве соответствующих зон мозга – стало одной из наиболее крупных областей применения фМРТ.
Сведения о локализации в мозге речевых (буквенных, семантических и синтаксических) зон сегодня конструктивно используются в нейрохирургической практике. Речь идет о предоперационном определении тех участков коры у пациентов с различными поражениями мозга, куда не должен вторгаться нож хирурга. На сегодня фМРТ является практически единственной технологией, которая позволяет определить такую «пограничную» зону
Одним из практических приложений нейробиологии является нейробиоуправление, нелекарственная технология, основанная на принципах вышеупомянутой адаптивной обратной связи – феномене, обеспечивающем механизм саморегуляции. В основе этой технологии лежит идея о том, что человека можно обучить волевому управлению неосознаваемыми физиологическими характеристиками, такими как частота пульса и параметры ритмов электрической активности мозга.
Способность человека целенаправленно изменять параметры электроэнцефалограммы была впервые описана американским ученым Дж. Камия еще в 1958 г. (эту способность изучали с целью управления функциональным состоянием мозга пациента и изменения тенденции развития психики). Дальнейшие исследования доказали удивительные способности нашего мозга к внутренним перестройкам, не предусмотренным природой. Оказалось, что с помощью нейробиоуправления можно сформировать у человека ранее отсутствовавшие навыки саморегуляции, образовать новые и «пробудить» дремлющие мозговые образования. При этом фМРТ дает возможность визуализировать реальную временную и пространственную динамику работы мозга.
Один из элементов системы биоуправления – «мозговая шапка», система закрепленных наружных электродов для снятия ЭЭГ (слева). Для динамического картирования зон активности головного мозга испытуемого помещают в кольцевой магнит томографа
Игра – активность индивида, направленная на моделирование той или иной реальной деятельности. Она позволяет человеку формировать и совершенствовать функции управления собственным поведением и произвольной активностью в целом.
При использовании игрового биоуправления игрок становится активным субъектом лечебного (коррекционного) процесса или процесса обретения новых навыков
С практической точки зрения особый интерес представляет технология так называемого игрового биоуправления, когда человек обучается «руководить» виртуальным игровым сюжетом через волевые изменения своих физиологических характеристик, таких как кардиограмма, пульс, температура кожи и электрическая активность мозга.
Обыграть себя
В контексте нейробиологии игра – это психологическая реальность с большим числом нестандартных ситуаций, в которых невозможно стереотипное поведение. Компьютерный игрок привыкает перемещаться из одного виртуального мира в другой, быстро адаптируясь к новым виртуальным реалиям на основе личностных предпочтений.
Во время игры мозг ведет активную деятельность, определяя вариант действий, который в данный момент представляется наиболее выигрышным. В случае использования биоуправления игрок, овладев навыками саморегуляции, может управлять этим процессом, так как адаптивная обратная связь позволяет не только увидеть и «проиграть» различные стратегии поведения, но и оценить степень их эффективности. В этом смысле эта технология представляет собой мощный механизм обучения человека новым поведенческим стереотипам.
На базе Международного томографического центра СО РАН совместно с НИИ молекулярной биологии и биофизики СО РАМН (Новосибирск) проведен эксперимент по нейровизуализации «волевого» управления виртуальным игровым сюжетом на группе молодых мужчин.
Испытуемым предлагался игровой сюжет «Вира!», посвященный поиску подводных сокровищ. Каждый испытуемый, находясь в кольцевом магните томографа, управлял одним из аквалангистов, опускавшихся на дно. Скорость игрока напрямую определялась частотой сердечных сокращений: чем медленнее пульс, тем выше скорость. На протяжении игры информация о частоте пульса передавалась в виде визуального ряда на экран монитора, доступный испытуемому. Чтобы победить в игре, требовалось научиться мысленно управлять частотой пульса, т. е. развить навыки замедления сердечного ритма.
По результатам игр у испытуемых было выявлено шесть разных вариантов поведения, и для каждого из них была определена ведущая стратегия саморегуляции.
Например, при стратегии «пробы и ошибки с выходом на результат» испытуемый сначала делал несколько неуспешных попыток, но в конце концов достигал поставленной цели. Испытуемые с такой тактикой основное внимание уделяли не регуляции собственных физиологических показателей (т. е. пульса), а контролю над непосредственным игровым действием. Стратегия «маятниковая динамика» характеризовалась чередованием успешных и неуспешных попыток, а «последовательное обучение» – улучшением результата от попытки к попытке.
Анализ результатов эксперимента свидетельствует об определенной последовательности возникновения и развития зон активности в головном мозге испытуемых. «Пик» соревновательного сюжета приходился на четвертую – шестую попытки, когда последовательно в борьбу за выигрыш вовлекалось все большее число вновь образующихся нейронных ансамблей.
В игровом сюжете «Вира!» испытуемые с более эффективной стратегией саморегуляции (а) оказались более успешными по сравнению с другими игроками (б) как в случае реального биоуправления, так и «ложного». В обоих случаях им удалось волевым усилием замедлить пульс, т. е. увеличить длительность кардиоинтервалов
Интересно, что новые зоны этой активности локализовались в том числе и в мозжечке. Анализ динамики их образования дает основание предположить, что мозжечок выполняет в нашем головном мозге роль не только регулятора двигательных функций, но и модификатора когнитивных (познавательных) функций, регулируя скорость, силу, ритм и точность мышления. При этом происходит последовательное развертывание программы когнитивных операций в режиме, организованном адаптивной обратной связью.
Именно так в игре «Вира!» формировалась «дорожная карта» когнитивного управления игровым сюжетом, согласно стратегии «проб и ошибок», наиболее распространенному варианту саморегуляции.
Ложь отличается от правды
Виртуальная реальность, представленная в виде игрового соревновательного сюжета, управляемого через волевую регуляцию физиологической характеристики, дает человеку уникальную возможность проявить обычно блокируемые особенности поведения. И в этом смысле не только виртуальная игра, но и вообще любой игровой тренинг позволяют нам выявить скрытые способности, которые мы сможем успешно использовать в реальной жизни.
В этом контексте представляет интерес анализ данных игрового эксперимента, проведенного в МТЦ СО РАН, в котором помимо «реального» биоуправления использовалось так называемое имитационное (ложное) биоуправление. Другими словами, когда развитие игрового сюжета было совершенно случайным и не зависело от действий испытуемого. При этом сами испытуемые не знали, что в одной из серий виртуальных тренингов реальная обратная связь отсутствует.
По оценке эффективности результата, достигнутого в этой игре, испытуемых можно разделить на две группы. Первая из них демонстрировала более эффективные стратегии саморегуляции при наличии реальной обратной связи, чем в случае «ложного» биоуправления. При этом даже в последнем случае испытуемым удавалось после нескольких неудачных попыток добиться замедления ритма сердечных сокращений.
Вторая группа продемонстрировала менее эффективную стратегию саморегуляции: даже на «реальном» этапе этим испытуемым удалось лишь частично добиться поставленной цели. При отсутствии же обратной связи наблюдался интенсивный и «хаотичный» поиск решения, что выражалось в увеличении разброса значений пульсового интервала.
И тем не менее обе эти группы испытуемых показали более высокую эффективность саморегуляции при реальном биоуправлении, чем при имитационном: мозг достаточно успешно отличал «правду» от «лжи».
Нужно сказать, что и реальное биоуправление, и его имитация сопровождались выразительной динамической картиной работы определенных мозговых образований, выражаемой в изменении объема активации и перераспределении зон активности. В процесс фактически вовлекалась вся поверхность коры головного мозга, причем подавляющее большинство корковых зон, задействованных при имитационном и реальном тренинге, пересекались и в обоих случаях характеризовались максимальными значениями активации. И все же надо отметить, что в режиме имитационного биоуправления ряд мозговых структур активизировался значительно сильнее, чем при реальном биоуправлении: новые нейронные ансамбли появлялись в мозжечке, веретенообразной извилине и в других отделах мозга.БЕСПРОИГРЫШНЫЕ ИГРЫСпециалисты Института молекулярной биологии и биофизики СО РАН (Новосибирск) и новосибирской Научно-производственной компании «Компьютерные системы биоуправления» создают уникальный продукт – компьютерные игры, соревновательный сюжет которых управляется физиологическими характеристиками человеческого организма (температурой, пульсом, дыханием, биотоками головного мозга и мышц).
На сегодня игротека, созданная новосибирскими специалистами НИИ молекулярной биологии и биофизики СО РАН (до 1998 г. – Институт медицинской и биологической кибернетики СО РАМН), представляет собой семейство уникальных компьютерных игр с адаптивной обратной связью. В этих играх игрок может управлять водолазом или гребцом, волшебником или водителем; участвовать в поиске затонувших сокровищ, шоссейных гонках или строительстве башни «до небес». Цель игры проста: участник побеждает только в том случае, если обучается управлять собой, своими физиологическими функциями в ситуации соревновательного стресса. Игры выполнены в современном мультимедийном дизайне и предназначены для любого возраста
Технология «компьютерного игрового биоуправления» базируется на естественных механизмах саморегуляции функций человеческого организма. При этом благодаря соревновательному характеру устраняется монотонность процедуры обучения: увлекательный сюжет мотивирует испытуемого, вызывая у него эмоциональный интерес к результату и таким образом способствуя более эффективному обучению навыкам саморегуляции.
Поскольку достижение выигрыша требует от испытуемого принятия нетривиальных решений, подобную игру можно квалифицировать как творческую обучающую деятельность, привлекательность которой заключается в непредвиденности конечного результата. Так как каждая последующая игровая попытка базируется на результате предыдущей, игровое биоуправление становится залогом самосовершенствования испытуемого, импульсом к поиску новых эффективных стратегий саморегуляции. А поскольку игрок мотивирован желанием выиграть, он вынужден держаться в предписываемых игрою рамках и сохранять спокойствие.
Игры, созданные на основе технологии биоуправления, можно использовать для решения широкого класса лечебных и реабилитационных задач. С их помощью можно оценить актуальное психофизиологическое состояние человека, к тому же подобная игровая деятельность сама по себе обладает выраженным антистрессовым эффектом. Но главное, с помощью этой технологии можно раскрыть потенциальные ресурсы организма, которыми мы в нашей обычной жизни не умеем пользоваться
Если же попытаться описать наиболее общий «маршрут» активации мозговых структур во время игры, то можно сказать, что после старта в работу сначала вовлекаются широкие корковые поля мозга, а заканчивается такой «когнитивный маршрут» в мозжечке. Последовательное вовлечение мозговых структур в организацию новых нейронных сетей во время виртуального тренинга обеспечивает возникновение нового навыка и его последующее закрепление в мозге. И в этом смысле подобные работы лежат в русле нового тренда в развитии современного социума, который получил название «игрофикация».
Эффективно или справедливо?
Психология – одна из наиболее перспективных сфер использования технологии нейровизуализации средствами фМРТ, потому что эта научная область практически лишена представлений о локализации (в анатомическом смысле) когнитивных функций. Ведь основные сведения об их «территориальной привязке» психологи обычно черпают из общения с пациентами, у которых инструментально обнаруживается локальное поражение мозга либо которым на длительное время вживлены внутримозговые электроды.
В одной из работ американских исследователей была сделана попытка ответить на вопрос о локализации мозговых структур, призванных классифицировать такие когнитивные категории, как равенство и эффективность (Hsu Ming et al., 2008). Другими словами, структур, призванных решить извечную дилемму: как следует действовать – эффективно или справедливо?
В игровом эксперименте испытуемых «усаживали» за руль грузовика, везущего продукты питания в «голодный» район Южной Африки. Условия были таковы: если испытуемый будет неукоснительно следовать инструкции и раздавать продукты поровну каждому голодающему, часть груза обязательно испортится в пути. Если же пренебречь половиной нуждающихся, то потеря продуктов уменьшится в разы, но, естественно, достанется меньшему числу людей. Как же поступить? Пожертвовать потерей продуктов или же, руководствуясь «разумным» выбором, оставить половину нуждающихся без надежды на помощь?
Оказалось, что эмоциональная оценка «эффективности», «справедливости» и «общей пользы» принимаемого решения осуществляется тремя разными мозговыми структурами. Отдел мозга, называемый «скорлупа» (лат. putamen), отвечает за эффективность, кора «островка» (лат. insula) защищает интересы справедливости, совокупную же меру эффективности и неравенства, т. е. полезность, оценивает септальный орган (лат. septum).
Эти результаты согласуются с уже имеющимися данными, что именно вышеперечисленные мозговые структуры являются интеграторами различных психических «переменных» в вынесении окончательных «социально ориентированных» приговоров и оценок. Можно предположить, что окончательное решение поставленной этической проблемы принимается путем сравнения сигналов из разных источников и сличения их с ретроспективным опытом, при этом в когнитивный процесс вовлекаются и другие области мозга.
Число публикаций, посвященных различным фундаментальным и прикладным аспектам функциональной магнитно-резонансной томографии и проблемам интерфейса «мозг – компьютер», за последние годы неуклонно растет (главным образом за рубежом, отечественных работ в этом списке практически нет). Развитие соответствующих технологий открывает сразу несколько перспективных прикладных направлений. Например, появилась возможность наблюдать за особенностями циркуляции крови в мозговом сегменте, находящемся в активированном состоянии, – это можно использовать для мониторинга определенных структур мозга в случае нарушения мозгового кровообращения (инсульта) или при подборе сосудистых препаратов.
Большие перспективы открывает и развитие когнитологии – направления нейронаук, занимающегося исследованием базовых механизмов работы мозга: «ментальными стратегиями», их локализацией, динамикой, способами использования и совершенствования в повседневной жизни. Так называемая интерактивная стимуляция дает возможности организовать обучающую (лечебную) обратную связь непосредственно через «заинтересованную» мозговую структуру. Визуализируя, например, поясную извилину или гиппокамп, вы получаете шанс «прямого разговора» с мозгом.
Функциональная магнитно-резонансная томография – мощный инструмент, позволяющий достичь качественно нового понимания организации головного мозга и особенностей высшей нервной деятельности человека и животных. Внедрение технологий фМРТ в различные сферы человеческой деятельности – нейромаркетинг, профессиональный кастинг, оценку эффективности образовательных программ, «детекцию» лжи и т. п. – окажет огромное влияние на дальнейшее развитие не только самих нейронаук, но и всего общества в целом.
Литература
Каплан А. Я. Нейрокомпьютерный симбиоз: движение силой мысли // НАУКА из первых рук. 2012. № 6 (48).
Штарк М. Б., Коростышевская А. М., Резакова М. В., Савелов А. А. Функциональная магнитно-резонансная томография и нейронауки // Успехи физиологических наук. 2012. Т. 43, №1. С. 3–29.
В публикации использованы фото М. А. Покровского
ИСТОЧНИК: Наука из первых рук https://scfh.ru/papers/kak-uvidet-mysli-neortodoksalnye-prilozheniya-magnitnorezonansnoy-tomografii/