Электроэнцефалограмма
Еще один полезный инструмент проникновения в мозг – электроэнцефалограмма (ЭЭГ). Эта методика появилась в 1924 г., но лишь с использованием компьютеров стало возможным разобраться в данных, получаемых с каждого электрода.
При электроэнцефалографическом исследовании пациенту на голову обычно надевают шлем футуристического вида с десятками электродов на внутренней поверхности. (В более продвинутых аппаратах на голову поверх волос надевают сеточку с закрепленными на ней крохотными электродами.) Электроды регистрируют циркулирующие внутри мозга крохотные электрические сигналы.
Электроэнцефалограмма в некоторых вопросах принципиально отличается от МРТ-изображения. МРТ-аппарат, как мы говорили, «выстреливает» в мозг радиоимпульсами, а затем анализирует полученное «эхо». Таким образом, можно, меняя частоту импульсов, выбирать для исследования разные атомы, что делает методику универсальной и гибкой. ЭЭГ-аппарат совершенно пассивен, т. е. он исследует слабые электромагнитные сигналы, которые излучает сам мозг. ЭЭГ прекрасно регистрирует электромагнитные сигналы, заполняющие мозг; это позволяет ученым измерять общую активность мозга во время сна, в состоянии сосредоточенности или расслабленности, при обдумывании каких-то идей и т. д. Различные состояния сознания излучают на разных частотах. К примеру, глубокий сон соответствует дельта-ритму – колебаниям с частотой 1–4 Гц. Состояние активной мыслительной деятельности, скажем при решении задач, соответствует бета-ритму – колебаниям с частотой 12–30 Гц. Эти колебания позволяют разным областям мозга, даже расположенным на противоположных его концах, делиться информацией и «общаться» друг с другом. И если аппарат МРТ, измеряющий кровоток, может проводить сканирование лишь несколько раз в секунду, то ЭЭГ регистрирует электрическую активность мгновенно.
Но самым серьезным преимуществом процедуры ЭЭГ является ее простота и дешевизна. Даже школьники дома могут экспериментировать с шапочками ЭЭГ.
Главный же недостаток ЭЭГ, многие годы сдерживавший развитие метода, – его низкое пространственное разрешение. Датчики ЭЭГ улавливают электрические сигналы после их рассеяния при прохождении сквозь череп, поэтому зарегистрировать необычную активность, если ее источник располагается глубоко в мозгу, чрезвычайно трудно. Глядя на размытое ЭЭГ-изображение, почти невозможно сказать наверняка, в какой области мозга находится источник того или иного сигнала. Более того, любые движения испытуемого (если он, например, шевельнет пальцем) могут исказить сигнал, а иногда и сделать его совершенно бесполезным.
Позитронно-эмиссионная томография
Еще один полезный инструмент из мира физики – позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ), при которой по присутствию глюкозы (молекулы сахара, играющей роль топлива и источника энергии для клеток) рассчитывается ток энергии в мозгу. Подобно камере Вильсона, которую я строил в школьные годы, аппарат ПЭТ регистрирует элементарные частицы, излучаемые атомами натрия-22 в молекулах глюкозы. Чтобы провести ПЭТ-исследование, пациенту вводят особый раствор, содержащий слаборадиоактивный сахар, в котором атомы обычного натрия заменены на атомы радиоактивного натрия-22. Распадаясь, каждый атом натрия испускает позитрон, который легко регистрируется датчиками. Отследив путь радиоактивных атомов натрия в сахаре, можно определить и ток энергии внутри мозга.
ПЭТ-исследование обладает большинством преимуществ, характерных для МРТ, но не дает столь же высокого пространственного разрешения. Зато и измеряется здесь не ток крови, который может служить лишь косвенным показателем потребления энергии в организме, а непосредственно потребление энергии, поэтому ПЭТ-исследование точнее отражает нервную деятельность.
Однако у метода ПЭТ тоже есть недостаток. В отличие от МРТ и ЭЭГ, при ПЭТ-исследовании используются радиоактивные вещества, поэтому его нельзя проводить много раз подряд. В среднем человеку разрешается делать ПЭТ-исследования не чаще одного раза в год из-за риска облучения.
Магнетизм в мозгу
В последнее десятилетие в арсенале нейробиологов появилось немало высокотехнологичных методов, в том числе метод транскраниального электромагнитного сканирования (ТЭС), магнитоэнцефалография (МЭГ), спектрография в ближней инфракрасной области спектра и оптогенетика.
В частности, электромагнитное излучение использовалось для систематического отключения отдельных частей мозга без вскрытия. В физическом смысле эти инструменты основаны на том факте, что быстро меняющееся электрическое поле может порождать магнитное поле, и наоборот. МЭГ пассивно измеряет магнитное поле, порождаемое переменным электрическим полем мозга. Это чрезвычайно слабое магнитное поле составляет всего лишь одну миллиардную магнитного поля Земли. Подобно ЭЭГ, МЭГ дает прекрасное временно́е разрешение, вплоть до тысячных долей секунды; однако пространственное разрешение у этого метода низкое – около кубического сантиметра.
В отличие от пассивных измерений МЭГ, ТЭС генерирует мощный электрический импульс, который, в свою очередь, порождает импульс магнитный. Аппарат ТЭС располагается рядом с мозгом, так что магнитный импульс проникает внутрь черепа и порождает в мозгу еще один электрический импульс. Этого вторичного импульса достаточно, чтобы вообще отключить или сильно ослабить активность выбранных областей мозга.
Прежде ученым приходилось полагаться на случай, отключая некоторые части мозга, а, следовательно, прояснить, за что именно эти части отвечают, могли только удар или опухоль. Но теперь с помощью ТЭС можно без труда и вреда для здоровья пациента отключить или приглушить активность любой области мозга по желанию. Направив магнитный импульс в конкретную область мозга, можно определить ее функцию, просто наблюдая за тем, как изменилось поведение пациента. (К примеру, если подействовать на левую височную долю мозга, можно убедиться, что это отрицательно повлияет на речь человека.)
Единственный потенциальный недостаток ТЭС – то, что магнитное поле не проникает глубоко внутрь мозга (поскольку магнитное поле ослабевает с расстоянием намного быстрее, чем электричество, для которого характерна обратно-квадратичная зависимость). При помощи ТЭС можно легко отключать области мозга вблизи стенок черепа, но магнитное поле не в состоянии добраться до важных нервных центров, расположенных в глубине мозга, таких как лимбическая система. Не исключено, впрочем, что следующим поколениям аппаратов ТЭС удастся преодолеть эту техническую проблему; возможно, для этого придется увеличить интенсивность импульса и точность приложения магнитного поля.
Стимуляция глубинных структур мозга (нейростимуляция)
Еще один инструмент, доказавший необходимость в нейробиологии, – стимуляция глубинных структур мозга. Начиналось все у доктора Пенфилда с довольно грубого зондирования. Сегодня используют электроды не тоньше волоса, да и вводить их в заданную область в глубине мозга научились очень точно. Этот метод не только позволил ученым определить функцию различных участков мозга, но и оказался полезен в лечении психических расстройств, к примеру, болезни Паркинсона, при которой определенные области мозга перевозбуждаются и вызывают неуправляемое дрожание рук.
Не так давно мишенью для электродов стала новая область мозга (известная как поле 25 по Бродману), которая у пациентов в депрессии, не реагирующих на психотерапию и лекарства, часто находится в перевозбужденном состоянии. Нейростимуляция приносит таким пациентам, страдавшим годами, почти волшебное облегчение.
Каждый год для нейростимуляции находят новые сферы применения. Практически все серьезные расстройства мозга сегодня исследуются заново с помощью этой и других технологий сканирования мозга. В результате возникла интереснейшая область исследований по диагностике и даже лечению самых разных заболеваний.
Оптогенетика – включаем мозг
Но самым новым и интересным, может быть, инструментом в арсенале нейробиолога является оптогенетика, когда-то считавшаяся научной фантастикой. Она, как волшебная палочка, позволяет активировать отдельные нервные пути, контролирующие поведение, при помощи направленного на мозг светового луча.
Невероятно, но светочувствительный ген, вызывающий срабатывание клетки, можно вставить с хирургической точностью прямо в нейрон. После операции такой нейрон можно активировать в любой момент, просто осветив его лучом света. Но что еще важнее, эта операция позволяет ученым возбуждать подготовленные таким образом нервные пути в любой момент, т. е. по желанию включать и выключать определенные схемы поведения.
Этой технологии всего десять лет, но оптогенетики уже добились успеха в управлении некоторыми типами поведения у животных. Так, повернув выключатель, можно заставить плодовых мушек дружно взлететь, дождевых червей – прекратить извиваться, а мышей – бегать кругами. Уже начаты исследования на обезьянах и обсуждаются эксперименты на людях. Ученые всерьез надеются, что эта технология найдет непосредственное применение в лечении таких расстройств, как болезнь Паркинсона и депрессия.
Прозрачный мозг
Помимо оптогенетики есть еще один метод исследований, позволяющий сделать мозг полностью прозрачным и открыть все его нервные пути даже невооруженному взгляду. В 2013 г. ученые из Стэнфордского университета объявили, что им удалось сделать прозрачным мозг мыши, а также отдельные части человеческого мозга. Известие было настолько поразительным, что попало на первую страницу New York Times с заголовком «Мозг стал прозрачным, как желе, чтобы ученым было удобнее».
Если перейти на клеточный уровень, то окажется, что каждая клетка сама по себе прозрачна и все ее микроскопические компоненты прекрасно видны. Однако миллиарды клеток, собранные вместе и образующие какой-нибудь орган, например тот же мозг, выглядят иначе. К клеткам добавляются липиды (жиры, масла, парафины и другие химические вещества, не растворимые в воде), что, собственно, и делает орган непрозрачным. Ключевой момент новой технологии исследований – удаление липидов при сохранении нейронов. Исследователи из Стэнфордского университета погрузили мозг в гидрогель (гелеподобную субстанцию, состоящую преимущественно из воды), способный связываться с любыми молекулами мозга, за исключением липидов. Затем мозг положили в мыльный раствор и поместили в электрическое поле; раствор вымыл из мозга липиды, оставив его прозрачным. Немного краски – и нервные пути становятся видимыми. Можно зафиксировать их и составить карту.
В принципе, получение прозрачных тканей не ново, но создать в точности нужные условия для того, чтобы прозрачным стал весь мозг, очень непросто; процесс потребовал изобретательности. «Я сжег или расплавил больше сотни органов», – признается доктор Кванхунь Чун, один из ведущих исследователей. Новую методику, получившую название CLARITY, можно применять и к другим органам (и даже к органам, много лет хранившимся в формалине или других консервирующих веществах). Доктору Чуну уже удалось получить образцы прозрачной печени, легкого и сердца. Эта методика найдет множество применений во всех областях медицины. Достаточно сказать, что с ее помощью можно будет намного быстрее локализовать и нанести на карту нервные пути мозга, на исследование которых в настоящее время направлены огромные научные и материальные ресурсы.
Четыре фундаментальные силы
Успех, достигнутый первым поколением аппаратов сканирования мозга, нельзя не назвать поразительным. Если до появления подобных аппаратов в строении мозга выделялось около 30 областей, то сегодня только аппарат МРТ способен определить в мозгу две-три сотни областей, что открывает для исследователей мозга новые горизонты. Но возникает вопрос. Если физика всего за 15 лет смогла предложить нейробиологии так много новых технологий сканирования, то, может быть, будут и еще? На этот вопрос следует ответить положительно, но стоит иметь в виду, что эти технологии будут не принципиально новыми изобретениями, а вариантами и улучшениями уже существующих. Дело в том, что есть лишь четыре силы – гравитационная, электромагнитная, слабая и сильная ядерные, – которые управляют Вселенной.
Источником практически всех новых технологий сканирования (за исключением технологии ПЭТ, основанной на слабом ядерном взаимодействии) является электромагнитная сила – результат взаимодействия электрической энергии и магнитного поля, – с помощью которой, в частности, освещаются и наши города. Физики работают с электромагнитной силой уже больше полутора веков и хорошо научились создавать всевозможные электрические и магнитные поля, поэтому любые технологии сканирования мозга вряд ли окажутся чем-то принципиально новым; скорее всего, это будут новые модификации уже существующих методов. Как обычно и бывает, размеры и стоимость этих устройств со временем сильно уменьшатся, что позволит намного шире использовать эти сложные инструменты. Физики уже прикидывают, нельзя ли встроить аппарат МРТ в сотовый телефон. Но все же главная проблема всех аппаратов сканирования мозга – разрешение, как пространственное, так и временно́е. Пространственное разрешение МРТ повысится, если магнитное поле станет более однородным, а электроника – более чувствительной. В настоящее время аппараты МРТ различают вокселы размером до доли миллиметра. Но каждый такой воксел может содержать сотни тысяч нейронов. Новые технологии сканирования, вероятно, увеличат разрешающую способность приборов. Священным Граалем такого подхода могло бы стать создание МРТ-сканера, способного различать отдельные нейроны и связи между ними.
Временно́е разрешение аппаратов МРТ также ограничено, поскольку они анализируют движение насыщенной кислородом крови в мозгу. Сам аппарат имеет очень хорошее временно́е разрешение, но отслеживание тока крови замедляет работу. В будущем аппараты МРТ научатся отслеживать и другие вещества, непосредственно связанные со срабатыванием нейронов; появится возможность анализировать ментальные процессы в реальном времени. Какими бы впечатляющими ни были успехи нейробиологии за последние 15 лет, это лишь начало. Главное – впереди.
Новые модели мозга
Исторически с каждым новым научным открытием на свет появлялась новая модель мозга. Одной из первых таких моделей было представление о гомункулусе – человечке, который жил в мозгу и принимал все решения. Пользы от такой картинки было немного, поскольку она никак не объясняла, что происходит в мозгу гомункулуса. Может быть, в нем прятался следующий гомункулус.
С появлением простых механических устройств была предложена другая модель мозга: машина, похожая на часы, с механическими колесиками и шестеренками. Этой аналогией пользовались ученые и изобретатели, такие как Леонардо да Винчи (он даже сконструировал механического человека).
В конце XIX в., когда сила пара создавала мировые империи, родилась новая аналогия – паровая машина, в которой потоки энергии конкурируют друг с другом. Такая гидравлическая модель, считают историки, оказала влияние на картину мозга по Зигмунду Фрейду, где шла бесконечная борьба трех начал: эго (представляющее личность и рациональное мышление), ид (представляющее подавленные желания) и супер-эго (представляющее сознание). В этой модели, если из-за конфликта между этими тремя началами накапливается слишком большое давление, может произойти регрессия эго или общий сбой системы. Модель, конечно, остроумная, но даже сам Фрейд признавал, что для ее окончательной проработки нужны детальные исследования мозга на уровне нейронов, на что уйдет еще лет сто.
С развитием телефонии в начале XX в. появилась другая аналогия – гигантского коммутатора. Мозг был представлен в виде путаницы телефонных проводов, связанных в обширную сеть. Роль сознания играл длинный ряд телефонных барышень перед большой коммутаторной панелью, занятых непрерывным подключением и отключением проводов. К несчастью, эта модель ничего не говорила о том, как все эти сообщения вместе образовывали мозг.
С развитием техники модной стала следующая модель – компьютер. Старомодный коммутатор сменили микросхемы с сотнями миллионов транзисторов. Может быть, разум – это всего лишь программа, работающая на человеческом мозге, как на компьютерном «железе». Эта модель в какой-то мере работает до сих пор, но у нее есть ограничения. Она не в состоянии объяснить, каким образом мозг проводит расчеты, для которых потребовался бы компьютер размером с хороший мегаполис. Плюс в мозгу нет программ, нет операционной системы Windows и процессора Pentium. (Хотя ПК на Pentium работает быстро, у него есть свой недостаток: все расчеты должны проходить через процессор. В мозгу же все наоборот. Каждый нейрон срабатывает относительно медленно, но это с лихвой компенсируется тем фактом, что данные одновременно могут обрабатывать 100 млрд нейронов. Так что медленный параллельный процессор вполне способен превзойти очень быстрый единый процессор.)
Последняя по времени появления аналогия – Интернет, объединяющий миллиарды компьютеров. Сознание в этой модели – системный эффект, возникающий чудесным образом из коллективных действий миллиардов нейронов. (К сожалению, модель абсолютно ничего не говорит о том, как происходит такое чудо. Всю сложность мозга она проводит по ведомству теории хаоса, и дело с концом.)
Несомненно, в каждой из перечисленных аналогий есть зерно истины, но ни одна из них не в состоянии по-настоящему отразить сложность мозга. Однако мне кажется полезной (хотя и несовершенной) еще одна аналогия: мозг как крупная корпорация. В этой аналогии есть гигантская бюрократия и строгая иерархия, а также потоки информации между различными офисами. Но вся важная информация в конце концов оказывается в центре управления – у генерального директора. Именно там принимаются окончательные решения.
Если сравнение мозга с крупной корпорацией имеет право на существование, оно должно объяснять некоторые интересные свойства мозга:
• Большая часть информации находится в «подсознании», т. е. генеральный директор, на свое счастье, понятия не имеет о полноводных потоках информации, непрерывно циркулирующих по бюрократическим каналам. Более того, лишь крохотная часть информации в конце концов попадает на стол высшего руководителя, которого можно сравнить с префронтальной корой. Генеральный директор знакомится только с теми данными, которые достаточно важны, чтобы заслужить его внимание; в противном случае его деятельность была бы парализована лавиной лишних сведений.
• Вероятно, такая организация работы мозга – побочный результат эволюции, поскольку наши предки в критических условиях не могли позволить себе перегружать мозг поверхностной подсознательной информацией. Мы, к счастью, попросту не замечаем всех тех триллионов операций, которые постоянно проделывает наш мозг. Встретив в лесу тигра, не обязательно думать о том, в каком состоянии в данный момент находится твой желудок, пальцы на ногах, волосы и т. п. Нужно только вспомнить, как бежать побыстрее.
• «Эмоции» – это быстрые решения, рождающиеся самостоятельно на низком уровне. Поскольку на рациональные мысли уходит много времени, а в критической ситуации нет времени на обдумывание, низкоуровневые области мозга должны быстро оценить ситуацию и принять решение (породить эмоцию) без разрешения сверху.
Таким образом, эмоции (страх, гнев, ужас и т. п.) – это мгновенно появляющиеся тревожные флажки, команда на которые отдается на низком уровне и назначение которых – предупредить управляющий центр о потенциально опасной или сложной ситуации. Сознание практически не контролирует эмоции. К примеру, как бы мы ни готовились к публичному выступлению, нервное напряжение никуда не денется.
Рита Картер, автор книги «Как работает мозг» (Mapping the Mind), пишет: «Эмоции – это вовсе не чувства, а набор физиологических механизмов выживания, появившихся в результате эволюции. Их задача – направить нас прочь от опасности, к тому, что может оказаться полезным».
• За внимание руководителя идет постоянная борьба. Но не существует единственного гомункулуса, ЦПУ или процессора Pentium, принимающего решения; вместо этого различные локальные центры в составе руководства постоянно соревнуются друг с другом за внимание директора. Поэтому мысли не идут гладкой непрерывной чередой; всевозможные обратные связи конкурируют между собой, порождая настоящую какофонию. Концепция «Я» как единой цельной сущности, непрерывно принимающей все решения, – лишь иллюзия, порожденная подсознанием.
Сами мы чувствуем, что наше сознание едино, что оно непрерывно и ровно обрабатывает информацию и полностью контролирует все наши решения. Однако сканирование мозга дает совершенно иную, и объективную картину.
Профессор Массачусетского технологического института (МТИ) Марвин Мински, один из отцов-основателей Лаборатории искусственного интеллекта, рассказал, что человеческий разум больше похож на «общество разумов», состоящее из подмодулей, которые постоянно борются между собой.
Во время беседы с психологом Гарвардского университета Стивеном Пинкером я спросил у него, как из всей этой путаницы возникает сознание. Он сказал, что сознание похоже на шторм, бушующий в голове. Подробнее об этом же он писал, что «интуитивное ощущение того, что существует некое руководящее “Я”, которое сидит в центре управления нашего мозга, смотрит на экраны с данными от органов чувств и нажимает на кнопки, передающие команды нашим мышцам, – всего лишь иллюзия. Скорее, сознание представляет собой водоворот событий, распределенных по всему мозгу. Эти события конкурируют за внимание, и, когда одному из них удается перекричать все остальные, мозг задним числом рационально обосновывает результат и фабрикует впечатление о том, что все происходило под контролем единого центра».
• Окончательные решения принимает генеральный директор в центре управления. Почти вся бюрократия существует для того, чтобы собирать и систематизировать информацию для генерального директора, который встречается только с руководителями подразделений. Он пытается привести к общему знаменателю всю противоречивую информацию, поступающую в командный центр. Все интриги здесь заканчиваются. Генеральному директору, находящемуся в префронтальной коре, приходится принимать окончательное решение. Если у животных большинство решений принимается инстинктивно, человек принимает высокоуровневые решения после тщательного разбора и просеивания информации, поступающей от органов чувств.
• Информационные потоки иерархичны. Поскольку и наверх, в руководящий офис, и вниз, к исполнителям, должно проходить громадное количество информации, эту информацию необходимо организовывать в сложные системы встроенных сетей со множеством ответвлений. Представьте себе ель, где на верхушке располагается руководящий центр, а ниже – пирамида ветвей, ведущих к множеству менее важных центров.
Существует, разумеется, и разница между бюрократической системой и структурой мышления. Известно, что первое правило всякой бюрократии состоит в том, что «она расширяется и заполняет все выделенное пространство». Но пустые траты энергии – роскошь, которую мозг не может себе позволить. Мозг потребляет всего около 20 Вт мощности (как слабая лампа накаливания), но это, вероятно, максимум того, что он может забрать, не лишая остальное тело функциональности. Если тело будет вырабатывать больше тепла, ткани не выдержат. Поэтому мозг постоянно экономит энергию и пользуется для этого всевозможными уловками. По ходу изложения вы узнаете, какие хитроумные способы изобрела эволюция для упрощения различных действий.