Измерения электрической активности

Есть, однако, и другие способы измерения активности мозга извне, и самый распространенный из них (он возник, когда ученые поняли, что деятельность нервных клеток осуществляется в сфере электричества) – это электроэнцефалограмма (ЭЭГ), т. е. определение общей электрической активности мозга. Она измеряется путем считывания напряженности электрического поля в различных точках черепной коробки, и это считывание говорит нам о многом (в частности, в главе 13 мы расскажем о том, как психологи с помощью ЭЭГ определяют фазы сна человека и как на основании общих закономерностей деятельности мозга они устанавливают степень сознательности мысленных состояний).

Рисунок 2.4. ЭЭГ мозга

С помощью ЭЭГ выявляли также, что происходит в мозге пациента, подверженного эпилептическим припадкам, которые (так уж повелось испокон веков) рассматривались как нечто мистическое, иррациональное, не поддающееся объяснению. ЭЭГ ясно показала, например, что эпилептический припадок обычно начинается в височной доле левой стороны мозга и оттуда распространяется по всему мозгу, что и являлось причиной проведения операций по рассечению мозолистого тела, о которых упоминалось выше. Суть операции состояла в том, чтобы путем рассечения мозолистого тела ограничить электрическую активность одной стороны мозга, давая возможность другой действовать нормально, причем эта процедура применялась только при очень серьезных припадках. С помощью ЭЭГ удалось установить также, что существует множество различных уровней эпилепсии, и хотя некоторые из них едва заметны для наблюдателя, они тем не менее влияют на самого эпилептика.

По мере того как электрический мониторинг становился все более эффективным, возникали новые техники. Одна из них – это вызванный потенциал, измерение, показывающее, как та или иная область мозга реагирует на электрическую стимуляцию. Она, в частности, помогла нейрохирургам выявить некоторые основные проводящие пути и связи в мозге. В других техниках используются микроэлектроды, которые настолько малы, что могут управлять отдельным нейроном или стимулировать его. В ключевых исследованиях, в ходе которых было установлено, как отвечающие за зрение участки коры головного мозга дешифруют формы и образы, использовался именно этот метод. В конце концов открытия, сделанные за годы кропотливых микроскопических исследований, привели к тому, что два исследователя, работавших в этой области, – Дэвид Хьюбел и Торстен Визель – получили Нобелевскую премию (об этих открытиях мы расскажем подробнее в главе 3).

Хьюбел и Визель приступили к своим исследованиям в начале 1960-х годов, и за это десятилетие был сделан еще один важный шаг в понимании того, как работает мозг, ибо именно в этот период были выделены специфические нейротрансмиттеры (они же нейромедиаторы). Как мы уже знаем, электрическая активность мозга возникает под действием химических веществ при передаче сообщения от одной нервной клетки, или нейрона, другой. Открытие того, какие именно сообщения несли в себе некоторые из этих веществ, позволило ученым обнаружить и проследить в мозге нейрохимические пути. Из следующих глав мы узнаем, насколько большую роль это открытие сыграло для понимания, как именно работает мозг. Многие исследования проводились на животных, поскольку изучение мозга людей сводилось лишь к внешним наблюдениям, о которых мы говорили выше, или к изучению клинических пациентов, у которых был травмирован мозг. Практикующие врачи (клиницисты), отмечая те зоны мозга, которые были травмированы, пытались соотнести их с конечными психологическими сдвигами или переменами в личности человека. Иногда такие результаты были вполне очевидными: например, Брока и Вернике (о них мы расскажем в главе 10) сумели идентифицировать ключевые области мозга, управляющие языковой/речевой функцией, еще в XIX веке, изучая людей со специфическими речевыми недочетами, вызванными травмой мозга, и соотнося эти симптомы с теми повреждениями конкретных участков мозга этих людей, которые были выявлены в ходе вскрытия черепа после их смерти.

Что касается изучения более точечных изменений в личности человека, вызванных повреждением мозга, то тут дело обстояло гораздо сложнее, главным образом из-за того, что сравнения приходилось делать чисто ретроспективно, т. е. сопоставляя, каким человек стал после получения травмы, с тем, каким он был раньше по его собственным словам. Проблема в данном случае заключается в том, что у всех нас много самых разных психических состояний, и какую-либо психическую или личностную характеристику можно легко увязать с несчастным случаем, тогда как эта характеристика наличествовала постоянно, пусть даже все это время оставалась незамеченной. Например, старики часто замечают, что их память дает сбой, хотя, как показывают наблюдения, молодые люди страдают провалами в памяти так же часто или даже еще чаще, чем пожилые. Разница лишь в том, что молодые люди не фокусируются на этом и не уделяют этому феномену особого внимания, тогда как пожилые подмечают его и беспокоятся каждый раз, как что-то забывают, ибо связывают забывчивость со старостью или старением, хотя на деле они страдали этим всю свою жизнь. То же происходит и в случае, когда человек получает травму мозга: мы словно по-новому глядим на себя и начинаем подмечать признаки, которые у нас были и раньше, но которые мы прежде у себя не замечали. В силу этого мы считаем, что это что-то новое, и связываем их с повреждением мозга. Это, конечно же, не значит, что травма мозга не оказывает на нас никакого действия; разумеется, оказывает, но очень трудно определить, в чем именно заключается это воздействие, поскольку мы не записываем и не фиксируем на бумаге каждый аспект нашей обычной жизнедеятельности.

Сканирование мозга

Настоящий прорыв в изучении мозга был сделан в 1980-х годах с изобретением такого метода, как сканирование. Сканирование впервые в истории дало возможность изучать живой мозг в активном, действующем состоянии. Отпала надобность изучать отклонения в поведении человека с травмированным мозгом или полагаться на исследования мозга животных; теперь мы можем наблюдать за нормальными, здоровыми людьми и видеть, как работает их мозг, и это существенно обогащает наше понимание происходящего. Нейровизуализация дает нам картину мозга, на которой видно, какие его части активны в любой период времени и какие реагируют на различные стимулы.

Существует несколько типов сканирования мозга. В одной группе сканов для демонстрации работы мозга используется взаимодействие электричества и магнетизма; наиболее практичными и эффективными из них считаются МРТ-сканы. В основе этого метода – тот факт, что у молекул воды в клетках мозга, когда они активны, магнитное поле немного отличается от того, когда они пребывают в состоянии покоя. Томограф создает последовательный ряд электромагнитных волн, немного напоминающих радиоволны, и фиксирует, как активные клетки мозга реагируют на них. Сканер принимает и записывает эти реакции, создавая на их основе графическое изображение активности, происходящей в мозге в данный момент.

Существуют разные способы МРТ-сканирования. Самый распространенный – это функциональная МРТ (фМРТ), при которой исследуется активность мозга в привязке к специфическим функциям. Например, поскольку процесс сканирования занимает считанные секунды, исследователи получают возможность наблюдать, что происходит в мозге, когда люди заняты активной мыслительной деятельностью: читают, предаются воспоминаниям или решают головоломку. Последовательный ряд сканов формирует картину, отражающую изменения мозговой активности во время выполнения поставленной задачи.

Другой подобный способ сканирования – это событийная функциональная МРТ (сфМРТ). При таком типе сканирования сравниваются образцы электрической активности мозга, вызванной двумя-тремя разными событиями: например, активность мозга, зафиксированная в случае, когда человек дает правильный ответ на вопрос во время тестирования памяти, сравнивается с активностью мозга, зафиксированной, когда он же дает неправильный ответ.

Другие виды сканирования – это позитронно-эмиссионная (ПЭТ) и компьютерная аксиальная томография (КАТ). В первом случае отслеживается распространение небольшого количества радиоактивного вещества, введенного в кровь и поглощенного мозгом. Активные клетки мозга нуждаются в большем количестве крови, чем пассивные, поскольку нейроны после активации пополняют запас питательных веществ, поэтому приток крови к определенным участкам мозга указывает как раз на более активные клетки. В классических исследованиях, например в исследовании Тульвинга (1989), изучавшего свойства и функции памяти у людей, вспоминавших эпизоды из своих отпусков, использовались радиоактивные изотопы золота. Изотопы золота быстро распадаются и не задерживаются надолго в кровеносной системе, зато с их помощью можно быстро выявить, какие зоны мозга активны в данный момент. Медики используют с этой целью более простые вещества и субстанции, но принцип остается неизменным.

Во втором случае применяется серия рентгеновских или ультразвуковых изображений, сделанных фрагментарно, и из этих фрагментов затем комбинируется трехмерное изображение. При этом сравниваются различные уровни плотности мозга. Серое вещество, например, менее плотное, чем белое, поэтому на компьютерной томограмме оно выглядит иначе; аналогично дело обстоит с опухолями и тромбами. Изображение статично, но оно дает исследователю возможность выявить аномальные структуры или наросты, а кроме того, сравнивая время от времени томограммы, можно обнаружить масштабные положительные изменения, например восстановление мозга после повреждения, полученного после сильного удара или серьезной травмы головы.

В некоторых случаях рекомендуется вначале сделать ЭЭГ как первое или предварительное сканирование мозга, которое показывает общий уровень активности в различных его частях. Для этого к определенным точкам на голове прикрепляются датчики, очень чувствительные к электрическим излучениям мозга, – электроды (современные исследователи, вместо того чтобы прикреплять их прямо к коже головы, как это делалось раньше, предпочитают использовать электродную сетку, которая накидывается на голову). Технологический прогресс привел к тому, что сегодня ЭЭГ дает куда более правдивую картину работы мозга, чем раньше. Что касается старых ЭЭГ, то это все равно что стоять на улице за стенами фабрики, стараясь по доносящемуся оттуда шуму определить, что именно там происходит. Тем не менее, даже несмотря на их несовершенство, с помощью ЭЭГ удалось выявить общие симптомы и закономерности деятельности мозга, например альфа-, бета- и дельта-волны, связанные с различными психическими состояниями: альфа-волны – с расслабленным состоянием, бета-волны – с состояниями бдительности и бодрствования, а дельта-волны – с состоянием глубокого сна (более подробно мы рассмотрим их в главе 13).

У этого метода сканирования множество вариаций, таких, например, как магнитоэнцефалография (МЭГ), при которой для определения изменений в магнитной деятельности мозга используются так называемые сверхпроводящие квантовые интерференционные датчики (СКВИД). Эти датчики невероятно чувствительны и способны обнаружить мельчайшие отклонения в магнитном поле вокруг мозга, так что их можно закреплять даже на коже головы над определенными его участками. Потенциал вызванной реакции (ПВР) – это метод измерения, с помощью которого можно выявить изменения электрической активности какой-либо области мозга, реагирующей на стимул, раздражитель или событие, активизирующие работу мозга. Раньше, как уже отмечалось выше, с этой целью применялась несколько иная методика, именуемая вызванным потенциалом, при которой в качестве стимула использовался звук, реакция мозга на который и фиксировалась соответствующим датчиком.