В исследованиях головного мозга очень важно понять, как он
активируется и как происходит работа различных его областей.
Главный вопрос любого эксперимента в нейронауке заключается в том,
как визуализировать активность головного мозга.Визуализация
активности мозга инвазивными методамиВизуализировать активность
головного мозга нетривиальная задача, потому что природа, осознавая
важность такого органа, как мозг, постаралась защитить его
максимально эффективно: мозг расположен под черепной коробкой и
помещен в определенную жидкость, которая, как и прилегающие ткани,
защищает его от внешних воздействий и повреждений. Что хорошо для
природы, то плохо для ученых в области нейронауки, потому что
встает большой вопрос: как же нам заглянуть внутрь мозга?Самый
простой способ, который был давно освоен, эффективен для умершего
мозга: мозг препарируется, делаются его срезы, и на них можно
разглядеть структуру нейронных связей. Это кропотливая работа:
нужно сесть за микроскоп и аккуратно, изо дня в день, зарисовывать
соответствующие структуры. Этим очень любил заниматься один из
нобелевских лауреатов Сантьяго Рамон-и-Кахаль, испанский
нейрофизиолог, который получил Нобелевскую премию за работу по
изучению структуры нервной системы, в ходе которой произошло
открытие определенных принципов работы головного мозга. Кроме
этого, Рамон-и-Кахаль также известен своими очень красивыми
зарисовками нейронных ансамблей головного мозга в интернете их
можно легко найти.Но подобные картинки статические: они говорят о
структуре мозга, но не о его динамике. Поэтому следующим этапом
необходимо зафиксировать его активность во времени и пространстве.
Второй способ это сделать инвазивные записи в головном мозге,
которые представляют собой достаточно сильные воздействия на мозг:
нам необходимо вскрыть черепную коробку и поместить определенные
инородные тела в головной мозг, играющие роль сенсоров его
активности. В первых экспериментах использовали проволочки, которые
вставлялись в головной мозг, и с них можно было снять сигналы его
активности. В настоящее время эта технология очень продвинулась.
Проводится много исследований на крысах, кошках и приматах по
записи активности локальных ансамблей головного мозга с
использованием инвазивных технологий.Интересны эксперименты, в
которых изучается моторная активность, например, обезьяны. Удается
с высокой степенью точности расшифровать ее моторные акты и
заставить управлять манипулятором силой мысли, то есть
воображением. С помощью манипулятора, думая о том, что она хочет
взять фрукт, обезьяна может сделать это и поднести его к себе.
Задача кажется легкой, но на самом деле это не совсем так. С одной
стороны, мы начинаем понимать, как работает моторная кора головного
мозга. С другой такие технологии можно перенести на человека и
использовать, например, для облегчения жизни парализованных
пациентов: прикованный к инвалидному креслу человек, который не
может сам перемещаться, потому что у него парализованы также руки,
способен с помощью таких технологий налить себе воду, включить свет
и так далее.Неинвазивные методыПоскольку инвазивные технологии
представляют собой экстремальный способ исследования мозга, более
интересны неинвазивные. Их можно разделить на два типа. Первый это
технологии, с помощью которых анализируется кровоток в головном
мозге. Фактически это косвенные методы анализа активности мозга. К
ним относится функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ)
и спектроскопия в ближней инфракрасной области (БИК-спектроскопия).
Два этих метода активно используются для анализа активации
различных областей головного мозга при решении тех или иных задач.
Второй тип неинвазивных технологий это технологии, регистрирующие
непосредственно активность нейронного ансамбля головного мозга.
Прежде всего это электроэнцефалография и магнитная энцефалография
два основных метода как в арсенале ученых, так и в арсенале
медиков.Самым популярным методом на настоящий момент является
функциональная магнитно-резонансная томография, которая позволяет
зафиксировать активацию головного мозга при решении той или иной
задачи. Принцип ее работы основывается на выделении той области
головного мозга, которая оказывается насыщенной кислородом
(оксигенация крови головного мозга). Это опосредованный, непрямой
метод анализа активности мозга: мы смотрим гемодинамику и делаем
предположение, что та область, где очень мощный кровоток, активно
работает в головном мозге. Функциональная магнитно-резонансная
томография очень хороша, но у нее есть один большой недостаток:
этот метод медленный и не позволяет посмотреть быстрые процессы в
мозге, поскольку процесс кровоснабжения инерционный: проявилась
какая-то активность, и через несколько секунд начался процесс
оксигенации или деоксигенации.Поэтому нужны более быстрые методы
анализа активности мозга. Самые перспективные это электро- и
магнитоэнцефалография. Электроэнцефалография вообще один из самых
старых способов анализа активности мозга: первую
электроэнцефалограмму в начале 1920-х годов снял Ханс Бергер. Этот
метод позволяет с хорошим временным разрешением, то есть
прецизионно во времени, определить активность головного мозга. Еще
одно его преимущество он очень дешевый и прост в эксплуатации. Но
недостаток у этого метода тоже очень большой. Во-первых, очень
плохое пространственное разрешение мы можем определить источник
активности или активируемую область с очень плохой точностью на
голове. Во-вторых, проблема заключается в том, что все прилегающие
ткани, которые защищают головной мозг от внешних воздействий,
сильно влияют на сигнал и искажают его.Очень хорошим методом
является магнитоэнцефалография, позволяющая фиксировать магнитные
поля головного мозга. Каждый нейрон представляет собой элемент, в
котором течет ток и порождается магнитное поле. Используя такие
современные приборы, как СКВИД-ячейки, мы можем фиксировать эти
сверхслабые магнитные поля а они действительно сверхслабые, потому
что магнитное поле головы человека на несколько порядков меньше
магнитного поля Земли и в реальных условиях мы никогда не сможем
зафиксировать сверхслабые магнитные поля. Поэтому создаются
специальные экранированные комнаты вроде клетки Фарадея, в которой
стоит супермашина, фиксирующая магнитные поля головы человека.
Человек не должен двигаться, потому что магнитное поле мышцы в
сотни и тысячи раз больше магнитного поля нейронного ансамбля
человека. Зато в этом случае мы можем получить очень хорошее
частотное и пространственное разрешение. Поэтому
магнитоэнцефалография широко используется при диагностике различных
заболеваний, например эпилепсии, и проблем сна, когда нет нужды в
активности пациента, но при этом можно получить детальную картину
поведения головного мозга.Особняком стоит оптогенетика современный
метод, при котором происходит маркирование нейронов с помощью
специальных, искусственно изготавливающихся вирусов, позволяющих
выделить определенный класс нейронов, которые будут реагировать на
свет. В результате лазерным лучом можно подсветить необходимые нам
нейроны и их активировать. Или, анализируя свечение головного
мозга, можно понять, какие нейроны были возбуждены в тот или иной
момент времени. Оптогенетика сейчас самая новая технология
нейровизуализации, однако она чрезвычайно дорогая, инвазивная и
крайне сложная. Если говорить про эксперименты, например, с
крысами, то с ее помощью пока трудно работать с движущимися
животными, поэтому в экспериментах они часто находятся под
наркозом.
