Наука изучающая мозг. Эволюция и индивидуальное развитие. Будни и звездные часы лабораторий

ЧТО ЗНАЕТ НАУКА О МОЗГЕ

Реально первый прорыв в познании мозга человека был связан с применением метода долгосрочных и краткосрочных имплантированных электродов для диагностики и лечения больных. В то же время ученые начали понимать, как работает отдельный нейрон , как происходит передача информации от нейрон а к нейрон у и по нерву. В нашей стране первыми в условиях непосредственного контакта с мозгом человека стали работать академик Н. П. Бехтерева и ее сотрудники.

Так были получены данные о жизни отдельных зон мозга, о соотношении его важнейших разделов - коры и подкорки и многие другие. Однако мозг состоит из десятков миллиардов нейрон ов, а с помощью электродов можно наблюдать лишь за десятками, да и то в поле зрения исследователей часто попадают не те клетки, которые нужны для исследования, а те, что оказались рядом с лечебным электродом.

Тем временем в мире совершалась техническая революция. Новые вычислительные возможности позволили вывести на новый уровень исследование высших функций мозга с помощью электроэнцефалографии и вызванных потенциал ов. Возникли и новые методы, позволяющие "заглянуть внутрь" мозга: магнитоэнцефалография, функциональная магниторезонансная томография и позитронно-эмиссионная томография. Все это создало фундамент для нового прорыва. Он действительно произошел в середине восьмидесятых годов.

В это время научный интерес и возможность его удовлетворения совпали. Видимо, поэтому Конгресс США объявил девяностые годы десятилетием изучения человеческого мозга. Эта инициатива быстро стала международной. Сейчас во всем мире над исследова нием человеческого мозга трудятся сотни лучших лабораторий.

Надо сказать, что у нас в то время в верхних эшелонах власти было много умных и болеющих за державу людей. Поэтому и в нашей стране поняли необходимость исследования мозга человека и предложили мне на базе коллектива, созданного и руководимого академиком Бехтеревой, организовать научный центр по исследованию мозга - Институт мозга человека РАН.

Главное направление деятельности института: фундаментальные исследования организации мозга человека и его сложных психи ческих функций - речи, эмоций, внимания, памяти. Но не только. Одновременно ученые должны вести поиск методов лечения тех больных, у которых эти важные функции нарушены. Соединение фундаментальных исследований и практической работы с больными было одним из основных принципов деятельности института, разработанных его научным руководителем Натальей Петровной Бехтеревой.

Недопустимо ставить эксперименты на человеке. Поэтому большая часть исследований мозга проводится на животных. Однако есть явления, которые могут быть изучены только на человеке. Например, сейчас молодой сотрудник моей лаборатории защищает диссертацию об обработке речи, ее орфографии и синтаксиса в различных структурах мозга. Согласитесь, что это трудно исследовать на крысе. Институт специально ориентирован на исследование того, что нельзя изучать на животных. Мы проводим психофизиологические исследования на добровольцах с применением так называемой неинвазивной техники, не "залезая" внутрь мозга и не причиняя человеку особенных неудобств. Так осуществляются, например, томографические обследования или картирование мозга с помощью электроэнцефалографии.

Но бывает, что болезнь или несчастный случай "ставят эксперимент" на человеческом мозге - например, у больного нарушается речь или память. В этой ситуации можно и нужно исследовать те области мозга, работа которых нарушена. Или, наоборот, у пациента утерян или поврежден кусочек мозга, и ученым предоставляется возможность изучить, какие свои "обязанности" мозг не может выполнять с таким нарушением.

Но просто наблюдать за такими пациентами, мягко говоря, неэтично, и в нашем институте не только исследуют больных с различными повреждениями мозга, но и помогают им, в том числе и с помощью новейших, разработанных нашими сотрудниками методов лечения. Для этой цели при институте существует клиника на 160 коек. Две задачи - исследование и лечение - неразрывно связаны в работе наших сотрудников.

У нас прекрасные высококвалифицированниые доктора и медсестры. Без этого нельзя - ведь мы на переднем крае науки, и нужна высочайшая квалификация, чтобы реализовать новые методики. Практически каждая лаборатория института замкнута на отделения клиники, и это залог непрерывного появления новых подходов. Кроме стандартных методов лечения у нас проводят хирургическое лечение эпилепсии и паркинсонизма, психохирургические операции, лечение мозговой ткани магнитостимуляцией, лечение афазии с помощью электростимуляции, а также многое другое. В клинике лежат тяжелые больные, и бывает удается помочь им в случаях, считавшихся безнадежными. Конечно, это возможно не всегда. Вообще, когда слышишь какие-либо безграничные гарантии в лечении людей, это вызывает очень серьезные сомнения.

Можно ли "перевоспитать" нервные клетки?

Одно из самых современных направлений в работе института - стереотаксис. Это медицинская технология, обеспечивающая возможность малотравматичного, щадящего, прицельного доступа к глубоким структурам головного мозга и дозированное воздействие на них. Это нейрохирургия будущего. Вместо "открытых" нейрохирургических вмешательств, когда, чтобы достичь мозга, делают большую трепанацию, предлагаются малотравматичные, щадящие воздействия на головной мозг.

В развитых странах, прежде всего в США, клинический стереотаксис занял достойное место в нейрохирургии. В США в этой сфере сегодня работают около 300 нейрохирургов - членов Американского стереотаксического общества. Основа стереотаксиса - математика и точные приборы, обеспечивающие прицельное погружение в мозг тонких инструментов. Они позволяют "заглянуть" в мозг живого человека. При этом используется позитронно-эмиссионная томография, магниторезонансная томография, компьютерная рентгеновская томография. "Стереотаксис - мерило методической зрелости нейрохирургии" - мнение ныне покойного нейрохирурга Л. В. Абракова. Для стереотаксического метода лечения очень важно знание роли отдельных "точек" в мозге человека, понимание их взаимодействия, знание того, где и что именно нужно изменить в мозге для лечения той или иной болезни.

В институте существует лаборатория стереотаксических методов, которой руководит доктор медицинских наук, лауреат Государственной премии СССР А. Д. Аничков. По существу, это ведущий стереотаксический центр России. Здесь родилось самое современное направление - компьютерный стереотакcис с программно-математическим обеспечением, которое осуществляется на электронной вычислительной машине. До наших разработок стереотаксические расчеты проводились нейрохирургами вручную во время операции, сейчас же у нас разработаны десятки стереотаксических приборов; некоторые прошли клиническую апробацию и способны решать самые сложные задачи. Совместно с коллегами из ЦНИИ "Электроприбор" создана и впервые в России серийно выпускается компьютеризированная стереотаксическая система, которая по ряду основных показателей превосходит аналогичные зарубежные образцы. Как выразился неизвестный автор, "наконец, робкие лучи цивилизации осветили наши темные пещеры".

В нашем институте стереотаксис применяется при лечении больных, страдающих двигательными нарушениями (паркинсонизмом, болезнью Паркинсона, хореей Гентингтона и другими), эпилепсией, неукротимыми болями (в частности, фантомно-болевым синдромом), некоторыми психи ческими нарушениями. Кроме того, стереотаксис используется для уточнения диагноза и лечения некоторых опухолей головного мозга, для лечения гематом, абсцессов, кист мозга. Стереотаксические вмешательства (как и все остальные нейрохирургические вмешательства) предлагаются больному только в том случае, если исчерпаны все возможности медикаментозного лечения и само заболевание угрожает здоровью пациента или лишает его трудоспособности, делает асоциальным. Все операции производятся только при согласии больного и его родственников, после консилиума специалистов разного профиля.

Существуют два вида стереотаксиса. Первый, нефункциональный, применяется тогда, когда в глубине мозга имеется какое-то органическое поражение, например опухоль. Если ее удалять с помощью обычной техники, придется затронуть здоровые, выполняющие важные функции структуры мозга и больному случайно может быть нанесен вред, иногда даже несовместимый с жизнью. Предположим, что опухоль хорошо видна с помощью магниторезонансного и позитронно-эмиссионного томографов. Тогда можно рассчитать ее координаты и ввести с помощью малотравматичного тонкого щупа радиоактивные вещества, которые выжгут опухоль и за короткое время распадутся. Повреждения при проходе сквозь мозговую ткань минимальны, а опухоль будет уничтожена. Мы провели уже несколько таких операций, бывшие пациенты живут до сих пор, хотя при традиционных методах лечения у них не было никакой надежды.

Суть этого метода в том, что мы устраняем "дефект", который четко видим. Главная задача - решить, как до него добраться, какой путь выбрать, чтобы не задеть важные зоны, какой метод устранения "дефекта" выбрать.

Принципиально другая ситуация при "функциональном" стереотаксисе, который тоже применяется при лечении психи ческих заболеваний. Причина болезни часто заключается в том, что одна маленькая группа нервных клеток или несколько таких групп работают неправильно. Они либо не выделяют необходимые вещества, либо выделяют их слишком много. Клетки могут быть патологически возбуждены, и тогда стимулируют "нехорошую" активность других, здоровых клеток. Эти "сбившиеся с пути" клетки надо найти и либо уничтожить, либо изолировать, либо "перевоспитать" с помощью электростимуляции. В такой ситуации нельзя "увидеть" пораженный участок. Мы должны его вычислить чисто теор етически, как астрономы вычислили орбиту Нептуна.

Именно здесь для нас особенно важны фундаментальные знания о принципах работы мозга, о взаимодействии его участков, о функциональной роли каждого участка мозга. Мы используем результаты стереотаксической неврологии - нового направления, разработанного в институте покойным профессором В. М. Смирновым. Стереотаксическая неврология - это "высший пилотаж", однако именно на этом пути нужно искать возможность лечения многих тяжелых заболеваний, в том числе и психи ческих.

Результаты наших исследований и данные других лабораторий указывают на то, что практически любая, даже очень сложная психи ческая деятельность мозга обеспечивается распределенной в пространстве и изменчивой во времени системой, состоящей из звеньев различной степени жесткости. Понятно, что вмешиваться в работу такой системы очень трудно. Тем не менее сейчас мы это умеем: например, можем создать новый центр речи взамен разрушенного при травме.

При этом происходит своеобразное "перевоспитание" нервных клеток. Дело в том, что существуют нервные клетки, которые от рождения готовы к своей работе, но есть и другие, которые "воспитываются" в процессе развития человека. Научаясь выполнять одни задачи, они забывают другие, но не навсегда. Даже пройдя "специализацию", они в принципе способны взять на себя выполнение каких-то других задач, могут работать и по-другому. Поэтому можно попытаться заставить их взять на себя работу утраченных нервных клеток, заменить их.

Нейрон ы мозга работают как команда корабля: один хорошо умеет вести судно по курсу, другой - стрелять, третий - готовить пищу. Но ведь и стрелка можно научить готовить борщ, а кока - наводить орудие. Нужно только объяснить им, как это делается. В принципе это естественный механизм: если травма мозга произошла у ребенка, у него нервные клетки самопроизвольн о "переучиваются". У взрослых же для "переучивания" клеток нужно применять специальные методы.

Этим и занимаются исследователи - пытаются стимулировать одни нервные клетки выполнять работу других, которые уже нельзя восстановить. В этом направлении уже получены хорошие результаты: например, некоторых пациентов с нарушением области Брока, отвечающей за формирование речи, удалось обучить говорить заново.

Другой пример - лечебное воздействие психохирургических операций, направленных на "выключение" структур области мозга, называемой лимбической системой. При разных болезнях в разных зонах мозга возникает поток патологических импульсов, которые циркулируют по нервным путям. Эти импульсы появляются в результате повышенной активности зон мозга, и такой механизм приводит к целому ряду хронических заболеваний нервной системы, таких, как паркинсонизм, эпилепсия, навязчивые состояния. Пути, по которым проходит циркуляция патологических импульсов, надо найти и максимально щадяще "выключить".

В последние годы проведены многие сотни (особенно в США) стереотаксических психохирургических вмешательств для лечения больных, страдающих некоторыми психи ческими нарушениями (прежде всего, навязчивыми состояниями), у которых оказались неэффективными нехирургические методы лечения. По мнению некоторых наркологов, наркоманию тоже можно рассматривать как разновидность такого рода расстройства, поэтому в случае неэффективности медикаментозного лечения может быть рекомендовано стереотаксическое вмешательство.

Детект ор ошибок

Очень важное направление работы института - исследование высших функций мозга: внимания, памяти, мышлени я, речи, эмоций. Этими проблемами занимаются несколько лабораторий, в том числе та, которой руковожу я, лаборатория академика Н. П. Бехтеревой, лаборатория доктора биологических наук Ю. Д. Кропотова.

Присущие только человеку функции мозга исследуются с помощью различных подходов: используется "обычная" электроэнцефалограмма, но на новом уровне картирования мозга, изучение вызванных потенциал ов, регистрация этих процессов совместно с импульсной активностью нейрон ов при непосредственном контакте с мозговой тканью - для этого применяются имплантированные электроды и техника позитронно-эмиссионной томографии.

Работы академика Н. П. Бехтеревой в этой области достаточно широко освещались в научной и научно-популярной печати. Она начала планомерное исследование психи ческих процессов в мозге еще тогда, когда большинство ученых считали это практически непознаваемым, делом далекого будущего. Как хорошо, что хотя бы в науке истина не зависит от позиции большинства. Многие из тех, кто отрицал возможность таких исследований, теперь считают их приоритетными.

В рамках этой статьи можно упомянуть только о самых интересных результатах, например о детект оре ошибок. Каждый из нас сталкивался с его работой. Представьте, что вы вышли из дому и уже на улице вас начинает терзать странное чувство - что-то не так. Вы возвращаетесь - так и есть, забыли выключить свет в ванной. То есть, вы забыли выполнить обычное, стереотипное действие - щелкнуть выключателем, и этот пропуск автоматически включил контрольный механизм в мозге. Этот механизм в середине шестидесятых был открыт Н. П. Бехтеревой и ее сотрудниками. Несмотря на то, что результаты были опубликованы в научных журналах, в том числе и зарубежных, сейчас они "переоткрыты" на Западе людьми, знающими работы наших ученых, но не гнушающимися прямым заимствованием у них. Исчезновение великой державы привело и к тому, что в науке стало больше случаев прямого плагиата.

Кто отвечает за грамматику?

Очень важное направление работы - так называемое микрокартирование мозга. В наших совместных исследованиях обнаружены даже такие механизмы, как детект ор грамматической правильности осмысл енной фразы. Например, "голубая лента" и "голубой лента". Смысл понятен в обоих случаях. Но есть одна "маленькая, но гордая" группа нейрон ов, которая "взвивается", когда грамматика нарушена, и сигнализирует об этом мозгу. Зачем это нужно? Вероятно, затем, что понимание речи часто идет в первую очередь за счет анализа грамматики (вспомним "глокую куздру" академика Щербы). Если с грамматикой что-то не так, поступает сигнал - надо проводить добавочный анализ.

Найдены микроучастки мозга, которые отвечают за счет, за различение конкретных и абстрактных слов. Показаны различия в работе нейрон ов при восприятии слова родного языка (чашка), квазислова родного языка (чохна) и слова иностранного (вахт - время по-азербайджански).

В этой деятельности по-разному участвуют нейрон ы коры и глубоких структур мозга. В глубоких структурах в основном наблюдается увеличение частоты электрических разрядов, не очень "привязанное" к какой-то определенной зоне. Эти нейрон ы как бы любую
задачу решают всем миром. Совершенно другая картина в коре головного мозга. Один нейрон словно говорит: "А ну-ка, ребята, помолчите, это мое дело, и я буду выполнять его сам". И действительно, у всех нейрон ов, кроме некоторых, понижается частота импульсации, а у "избранников" повышается.

Благодаря технике позитронно-эмиссионной томографии (или сокращенно ПЭТ) стало возможно детальное изучение одновременно всех областей мозга, отвечающих за сложные "человеческие" функции. Суть метода состоит в том, что малое количество изотопа вводят в вещество, участвующее в химических превращениях внутри клеток мозга, а затем наблюдают, как меняется распределение этого вещества в интересующей нас области мозга. Если к этой области усиливается приток глюкозы с радиоактивной меткой - значит, увеличился обмен веществ, что говорит об усиленной работе нервных клеток на этом участке мозга.

А теперь представьте, что человек выполняет какое-то сложное задание, требующее от него знания правил орфографии или логического мышлени я. При этом у него наиболее активно работают нервные клетки в области мозга, "ответственной" именно за эти навыки. Усиление работы нервных клеток можно зарегистрировать с помощью ПЭТ по увеличению кровотока в активизированной зоне. Таким образом удалось определить, какие области мозга "отвечают" за синтаксис, орфографию, смысл речи и за решение других задач. Например, известны зоны, которые активизируются при предъявлении слов, неважно, надо их читать или нет. Есть и зоны, которые активизируются, чтобы "ничего не делать", когда, например, человек слушает рассказ, но не слышит его, следя за чем-то другим.

Что такое внимание?

Не менее важно понять, как "работает" внимание у человека. Этой проблемой в нашем институте занимается и моя лаборатория, и лаборатория Ю. Д. Кропотова. Исследования ведутся совместно с коллективом ученых под руководством финского профессора Р. Наатанена, который открыл так называемый механизм непроизвольн ого внимания. Чтобы понять, о чем идет речь, представьте ситуацию: охотник крадется по лесу, выслеживая добычу. Но он и сам является добычей для хищного зверя, которого не замечает, потому что настроен только на поиск оленя или зайца. И вдруг случайный треск в кустах, может быть, и не очень заметный на фоне птичьего щебета и шума ручья, мгновенно переключает его внимание, подает сигнал: "Рядом опасность". Механизм непроизвольн ого внимания сформировался у человека в глубокой древности, как охранный механизм, но работает и сейчас: например, водитель ведет машину, слушает радио, слышит крики детей, играющих на улице, воспринимает все звуки окружающего мира, внимание его рассеянно, и вдруг тихий стук мотора мгновенно переключает его внимание на машину - он осознает, что с двигателем что-то не в порядке (кстати, это явление похоже на детект ор ошибок).

Такой переключатель внимания работает у каждого человека. Мы обнаружили зоны, которые активизируются на ПЭТ при работе этого механизма, а Ю. Д. Кропотов исследовал его с помощью метода имплантированных электродов. Иногда в самой сложной научной работе бывают смешные эпизоды. Так было, когда мы в спешке закончили эту работу перед очень важным и престижным симпозиумом. Ю. Д. Кропотов и я поехали на симпозиум делать доклады, и только там с удивлением и "чувством глубокого удовлетворения" неожиданно выяснили, что активизация нейрон ов происходит в одних и тех же зонах. Да, иногда двоим сидящим рядом надо поехать в другую страну, чтобы поговорить.

Если механизмы непроизвольн ого внимания нарушаются, то можно говорить о болезни. В лаборатории Кропотова изучают детей с так называемым дефицитом внимания и гиперактивностью. Это трудные дети, чаще мальчики, которые не могут сосредоточиться на уроке, их часто ругают дома и в школе, а на самом деле их нужно лечить, потому что у них нарушены некоторые определенные механизмы работы мозга. Еще недавно это явление не рассматривалось как болезнь и лучшим методом борьбы с ним считались "силовые" методы. Мы сейчас можем не только определить это заболевание, но и предложить методы лечения детей с дефицитом внимания.

Однако хочется огорчить некоторых молодых читателей. Далеко не каждая шалость связана с этим заболеванием, и тогда... "силовые" методы оправданы.

Кроме непроизвольн ого внимания есть еще и селективное. Это так называемое "внимание на приеме", когда все вокруг говорят разом, а вы следите только за собеседником, не обращая внимания на неинтересную вам болтовню соседа справа. Во время эксперимента испытуемому рассказывают истории: в одно ухо - одну, в другое - другую. Мы следим за реакцией на историю то в правом ухе, то в левом и видим на экране, как радикально меняется активизация областей мозга. При этом активизация нервных клеток на историю в правом ухе значительно меньше - потому, что большинство людей берут телефонную трубку в правую руку и прикладывают ее к правому уху. Им следить за историей в правом ухе проще, нужно меньше напрягаться, мозг возбуждается меньше.

Я мыслю - следовательно, существую!

Уже много лет фантасты пишут о миниатюрных устройствах, которые вживляются в головной мозг и позволяют человеку с помощью мыслей управлять приборами и машинами. Невозможно, скажете вы? Оказывается, вовсе нет. По крайней мере, первый вариант подобных устройств уже создан и даже допущен к клиническим испытаниям.

Речь идет о чипе, созданном массачусетской компанией “Cyberkinetics”. Он представляет собой небольшую пластинку с электродами, которая вживляется лобную долю головного мозга человека и трансформирует нервные импульсы в электрические сигналы, которые передаются на персональный компьютер. С помощью этого чипа человек может, например, работать за компьютером (перемещать курсор и «кликать» на определенных элементах интерфейса), а при небольшой его доработке даже управлять сложными электромеханическими устройствами – в частности, протезами. Предполагается, что он будет использоваться для улучшения качества жизни людей, больных церебральным параличом или другими заболеваниями, сопровождающимися нарушением нервно-мышечной передачи.

Сейчас “Cyberkinetics” готовится к началу клинических испытаний, в которых примут участие шестеро больных. Соответствующие разрешения от американского Управления по лекарствам и пищевым продуктам (FDA) уже получены. Остается только надеяться, что испытания закончатся успехом.

Вряд ли кто-то будет спорить с утверждением о том, что женщины и мужчины решают одни и те же задачи по-разному. И, оказывается, это объясняется не только особенностями мужской и женской психологии, но и определенными различиями в строении головного мозга.

Изучая особенности строения головного мозга различных людей, ученые из Университета Калифорнии обнаружили, что у мужчин и женщин, даже обладающих одинаковыми интеллектуальными способностями, в некоторых зонах головного мозга резко отличается соотношение серого и белого вещества. Так, оказалось, что в "интеллектуальных центрах" (зонах, ответственных за логический анализ и обработку абстрактной информации) головного мозга мужчин содержится примерно в шесть раз больше серого вещества, чем у женщин. Зато у женщин в этих же зонах содержится в девять раз больше белого вещества, чем у мужчин. Учитывая тот факт, что серое вещество - это преимущественно тела нервных клеток, то есть "структурные элементы" мозга, обеспечивающие собственно обработку информации, а белое вещество - это отростки нейрон ов, передающих информацию, картина становится довольно интересной. Из полученных исследователями данных можно сделать вывод о том, что женский и мужской мозг имеют принципиально разную физиологию - они используют разные "базовые принципы" обработки и анализа поступающих извне сигналов, а также по-разному реагируют на стимулы, соответствующие решению абстрактных задач.

Исследователи выявили и некоторые другие различия между мужским и женским мозгом, объясняющие основные особенности поведения представителей разных полов. Так, оказалось, что при решении логических задач у женщин активируются преимущественно зоны коры, расположенные в лобной доле мозга - там, где находятся центры контроля движений, эмоций и речи. По мнению специалистов, это объясняет высокую эмоциональность женщин, а также характерную для них черту - склонность к принятию не логических, а "чувственно-эмоциональных" решений. А вот у мужчин логические центры оказываются тесно сопряжены в первую очередь с зонами, ответственными за обработку внешних стимулов. Именно поэтому, считают ученые, мужчины склонны более тщательно взвешивать все факторы и выносить четко обоснованные логические решения.

"Мы ни в коем случае не хотим сказать, что женщины имеют меньше интеллектуальные способности, чем мужчины, или наоборот, - прокомментировал полученные результаты один из авторов этого исследования, профессор психологии Ричард Хейер. - Но факт остается фактом - строение головного мозга мужчины принципиально отличается от строения головного мозга женщины. И даже если мужчина и женщина решают поставленные перед ними задачи одинаково эффективно, они используют при этом принципиально разные алгоритм ы."

Интересные результаты дает такой эксперимент. Испытуемому рассказывают одновременно две разные истории: в левое ухо одну, в правое - другую. На фото1 изображены разные проекции мозга - стрелками отмечены активизированные зоны, когда внимание сосредоточено на истории, рассказываемой в левое ухо. Внимание испытуемого "переключилось" на "историю в правом ухе" (фото 2). Можно заметить, что для фиксации внимания на "историю в правом ухе" требуется гораздо меньшая активность мозга. Это связано с праворукостью большинства людей - обычно они берут телефонную трубку правой рукой и прикладывают ее к правому уху.
ЗОНЫ ПЕРВИЧНОЙ ОБРАБОТКИ ЦВЕТА

ЗОНЫ, УЧАСТВУЮЩИЕ В ОБРАБОТКЕ СИНТАКСИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ ПРЕДЛОЖЕНИЙ

ЗОНА ОРФОГРАФИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СЛОВ

ОБЛАСТЬ, УЧАСТВУЮЩАЯ В СОЗНАТЕЛЬНОЙ И НЕПРОИЗВОЛЬН ОЙ ОБРАБОТКЕ СМЫСЛ А СЛОВ

ОБЛАСТИ, ПРЕДПОЛОЖИТЕЛЬНО УПРАВЛЯЮЩИЕ ПОДАВЛЕНИЕМ ОБРАБОТКИ РЕЧЕВЫХ ПРИЗНАКОВ В ЗАДАЧЕ НА ОБРАБОТКУ ФИЗИЧЕСКОГО ПРИЗНАКА СЛОВА, НАПРИМЕР ЦВЕТА

Нейробиология - наука, изучающая устройство, функционирование, развитие, генетику, биохимию, физиологию и патологию нервной системы. Изучение поведения является также разделом нейробиологии.

За рубежом, а в последние 5-6 лет также и в России всё чаще используется альтернативный термин «нейронаука» (neuroscience), в основном в связи с тем, что нейробиология всё сильнее проникает в сферы психологии и другие науки. В результате возникли прикладные нейронауки. Тем не менее, в России большинство представителей нейронауки - по-прежнему выпускники биологических факультетов.

Изучение человеческого мозга является междисциплинарной наукой и включает в себя много уровней изучения, от молекулярного до клеточного уровня (отдельные нейроны), от уровня относительно небольших объединений нейронов, до больших систем, таких как кора головного мозга или мозжечок, и на самом высоком уровне нервная система в целом.

Темами нейробиологии являются:

• деятельность нейротрансмитеров в синапсах;
• как гены способствуют развитию нервной системы в зародыше и в течение жизни;
• деятельность относительно простых структур нервной системы;
• структура и функционирование сложных нервных цепей - восприятие, память, речь.

Мозг революции

Для наук XXI века исследования мозга и природы разума будут играть такую же объединяющую роль, какую сыграло для наук прошлого века изучение генов и наследственности. За нейрокогнитивными технологиями будущее, утверждают многие известные учёные. Однако шестая технологическая революция, с которой они связаны, уже подступает…

Нейробиология займёт главное место среди наук XXI века, заявил на Научной сессии МИФИ-2009 (26-30 января, Москва) заведующий лабораторией нейробиологии памяти Научно-исследовательского института нормальной физиологии им. П.К. Анохина РАМН, член-корреспондент РАН и РАМН Константин Анохин. В своём докладе он представил обзор наиболее заметных исследований мозга.

Последнее десятилетие прошлого века было объявлено конгрессом США и Евросоюзом декадой исследования мозга. Фонд Кавли, названный в честь норвежского физика и промышленника, учредил премию, которая вручается за достижения в трёх ведущих научных областях: астрофизике, нанонауках и науках о мозге.

Представители фонда полагают, что в отмеченных областях науки произойдут наиболее крупные открытия XXI века. Данная премия в некоторой степени сопоставима с Нобелевской - как по размеру (составляет миллион евро), так и по значимости. Награды первым лауреатам вручал норвежский король летом 2008 года.

Немецкий физик Кристоф Кох, один из ведущих специалистов в области нейробиологии сознания, как-то сказал, что мы живём в уникальный период истории науки, когда реальностью становятся технологии, позволяющие выяснить, как деятельность объективного мозга приводит к появлению субъективного разума.

Долгое время мозг изучали как обычный орган, а то, как он генерирует мысли и регулирует поведение, не было объектом серьёзных исследований. Сейчас данное направление становится центральной линией для работающих в этой области учёных. Более того, любые исследования когнитивных процессов рассматриваются через изучение принципов работы мозга.

Нейрокогнитивные технологии неслучайно называют технологиями будущего. Понимание принципов работы мозга приведёт к следующей научно-технологической революции, утверждают многие видные учёные. А некоторые эксперты связывают с ними шестую волну технологического развития, которая начнётся с 2010 года и завершится в 2060-м.

Прогнозы учёных были положены в основу известного отчёта о конвергентных технологиях NBIC, подготовленного несколько лет назад Национальным научным фондом США и американским министерством экономики. В отчёте говорится, что из четырёх областей (N - нано, B - био, I - инфо и C - когно) когнитивные технологии являются наименее зрелой, но при этом самой многообещающей сферой: их развитие может иметь наиболее заметные последствия для общества в целом.

Ещё в 1998 году, до появления американского отчёта, Михаил Ковальчук предложил собственную идеологию объединения тех же четырёх областей знания. Так что Россия в этом направлении не отстаёт от Запада. Сейчас в возглавляемом им Курчатовском институте организуется Центр конвергентных технологий, где когнитивные исследования будут развиваться в тесном взаимодействии с работами в области клеточной и молекулярной биологии, биотехнологии, физики, химии, нано- и информационных технологий.

Мы живём в уникальный период истории науки, когда реальностью становятся технологии, позволяющие выяснить, как деятельность объективного мозга приводит к появлению субъективного разума.

«Для наук XXI века изучение мозга и разума будет играть такую же объединяющую роль, какую сыграло для наук прошлого века изучение генов и наследственности, - подчеркнул в своём выступлении Константин Анохин. - Расшифровка ДНК связала большое количество дисциплин: микробиологию, иммунологию, биологию развития, нейробиологию.

Ожидается, что исследование мозга также объединит многие науки, в том числе социальные и общественные, а кроме того послужит цементирующим фактором для создания новых технологий».

К наиболее перспективным направлениям исследований в области изучения мозга, по мнению Константина Анохина, относятся: нейробиология памяти, нейробиология интеллекта и нейробиология сознания. О памяти

В изучении процессов памяти был достигнут большой прогресс. Выявление механизма, благодаря которому клетки способны надолго запоминать информацию, стало основой для разработки различных методов и препаратов, используемых для регуляции памяти.

Вместо психотропных веществ, которые влияют на процессы передачи нервных импульсов и в той или иной степени способны изменять восприятие, эмоции, поведение человека, учёные начали создавать ноотропные лекарства, которые оказывают избирательное действие на внутриклеточные механизмы запоминания информации.

Таким образом данные препараты могут служить мягкими модуляторами процессов запоминания. Многие учёные придерживаются того мнения, что в перспективе препараты, специфически улучшающие свойства памяти, станут применять не только больные с нарушенной памятью, но и люди разных возрастных категорий с ослабевающей памятью.

«Крупнейшие нейробиологи мира прогнозируют, что через несколько лет таблетки для стимуляции памяти могут оказаться такими же привычными для здоровых людей, как витамины», - отметил Константин Анохин.

В разработке ноотропных лекарств Россия занимает сильные позиции в мире. Так, осенью 2008 года отечественный препарат «Димебон» был продан зарубежной компании за 750 миллионов долларов.

Ещё одно направление нейробиологии памяти связано с разработкой нейрочипов, имплантируемых в головной мозг. Это может показаться фантастикой, но уже сейчас проводятся серьёзные исследования. Например, группа Теодора Бергера, известного нейробиолога из Университета Южной Калифорнии, занимается созданием электронного гиппокампа для замены повреждённого.

Как известно, гиппокамп отвечает за перекодировку информации из краткосрочной памяти в долговременную. Предполагается, что такой микрочип, внедрённый в мозг, сможет выполнять те же функции. Авторы планируют в следующем году имплантировать чип в мозг крысы, через два года - обезьяны, а к 2015 году - и в мозг человека.

Об интеллекте.

Учёные, которые занимаются нейробиологией интеллекта, исходят из того, что по эффективности мозг превосходит ныне существующие адаптивные искусственные системы: по разным подсчётам, в миллион или миллиард раз. Правда, по формальным показателям, количество вычислений, которые производит современный компьютер, уже приближается к количеству «вычислений» в мозге.

В настоящее время учёные пытаются применить принципы работы нервной системы для адаптивного управления в искусственных устройствах. Один из ведущих исследователей в данной области, американец Стив Поттер, попробовал несколько лет назад создать нейрогибридный интеллект. Он сделал робот, который управляется не набором микросхем и с помощью программного обеспечения, а несколькими тысячами нейронов, взятых из крысиного мозга.

Для управления роботом Поттер использовал микроэлектронные подложки в виде пластин с энным количеством электродов. На каждой такой подложке он выращивал культуру нервных клеток, из которых далее образовывалась сеть. В ходе экспериментов оказалось, что в создаваемых условиях клеточные культуры проявляют свойства самоорганизации.

«Поттеру удалось добиться, чтобы эти культуры жили около двух лет, - пояснил Константин Анохин. - Но такие гибридные устройства не могут полностью заменить искусственный интеллект. Поэтому учёные пытаются определить, как работает реальная нервная сеть, чтобы симулировать её деятельность в искусственных условиях».

Один из лидеров в этом направлении - компания IBM. Её специалисты совместно с учёными из Института мозга и разума Швейцарской высшей политехнической школы (Лозанна) проводят исследования по симуляции коры головного мозга на суперкомпьютере.

В ноябре 2008 года компания начала проект по разработке новых принципов вычислений, основанных на принципах работы нервной системы. Выходя на этот уровень моделирования искусственного интеллекта и создания вычислительных систем новейшего поколения, авторы полагаются на успехи в нейро- и нанонауках, а также на развитие суперкомпьютеров.

Проект компании IBM позиционируется как разработка принципиально новой компьютерной архитектуры, которая через год-два будет сопоставима по своим возможностям с интеллектом крысы.

О сознании.

Нейробиология сознания - для учёных самая сложная, гроссмейстерская задача, отметил Константин Анохин. В практической плоскости целью таких исследований является создание прямых нейронных «мозгомашинных» и «мозгокомпьютерных» интерфейсов.

В своей работе учёные опираются на феномен специализации клеток мозга, суть которого в том, что даже рядом расположенные мозговые клетки могут иметь совершенно разную связь с когнитивными аспектами поведения.
Описал этот феномен российский учёный Вячеслав Швырков в 1970-е годы, а позднее американские нейрофизиологи и нейрохирурги во главе с Уильямом Фреем доказали его экспериментально.

У пациентов, страдающих эпилепсией, которым в терапевтических целях в мозг были имплантированы микроэлектроды, регистрировали работу отдельных нервных клеток. Когда им показывали сотни разных фотографий, выяснилось, что в передней области гипоталамуса клетки очень специализированы. Например, у одного пациента наблюдалась активация определённого нейрона в момент узнавания изображения актрисы Холли Берри.

Причём пациенту предъявлялись её снимки в той или иной одежде, в различных ролях, карикатуры и даже кадр, на котором была просто надпись «Холли Берри» на экране компьютера. При взгляде ни на чьи другие фотографии данный конкретный нейрон не реагировал. При этом соседний с ним нейрон у того же пациента активизировался только на образ матери Терезы.

Для объяснения принципов организации сознания нельзя использовать какие-то усредняющие сигналы. Если бы учёные умели быстро и эффективно определять «специализацию» клеток мозга и могли управлять ими, то получили бы ключ к исследованию субъективных процессов в сознании человека.

Подобные исследования, по мнению Константина Анохина, свидетельствуют о том, что для объяснения принципов организации сознания нельзя использовать какие-то усредняющие сигналы. Если бы учёные умели быстро и эффективно определять «специализацию» клеток мозга и могли управлять ими, то получили бы ключ к исследованию субъективных процессов в сознании человека. «Такие технологии постепенно развиваются и за ними определённо будущее», - отметил г-н Анохин.

Наибольшую известность в области разработки «мозгомашинных» интерфейсов получил эксперимент американского нейробиолога Мигеля Николелиса. Внедряя в мозг обезьяны несколько электродов, учёный добился поразительной синхронизации движения настоящей руки животного и её роботизированного аналога. Стоило мартышке сжать в своей руке игрушку, как рука робота в точности повторяла её жест.

В мозг человека электрод, выполняющий аналогичную функцию, вживили в 2005 году. Это сделала группа учёных во главе с Джоном Донахью, известным физиологом из Университета Брауна (США) и основателем компании Cyberkinetics. Пациенту, парализованному после инсульта, прямо в мозг ввели микроэлектроды, при помощи которых компьютер измерял электрические импульсы его мозга и преобразовывал их в команды для управления курсором.

Больной представлял, что двигает правой или левой рукой, и курсор на экране монитора перемещался в ту или иную сторону. Функциональность устройства навела учёных на мысль попробовать изготовить механические протезы, управляемые мозгом посредством вживлённых в него электродов.

Дальнейшие исследования в этом направлении связаны с достижением большей точности в регистрации деятельности нервных клеток. Решение данной задачи, в свою очередь, напрямую зависит от развития новых технологий, в первую очередь в области нано. В частности, отметил Константин Анохин, сейчас разрабатываются «специальные наноэлектроды, которые способны существовать в нервной системе несколько лет без потери эффективности сигнала».

Человечество начало исследовать мозг и задумываться о его назначении задолго до появления науки в современном виде. Археологические находки говорят, что в 3000-2000 годах до нашей эры люди уже активно практиковали трепанации черепа — по всей видимости, как способ профилактики головных болей, эпилепсии и расстройств психики. Древнегреческие врачи и анатомы Герофил и Эрасистрат не только называли мозг центром нервной системы, но и считали, что интеллект «зарождается» в мозжечке. В Средние века итальянский хирург Мондино де Луцци предположил, что мозг состоит из трех отделов — или «пузырьков»: передний отвечает за чувства, средний — за воображение, а в заднем хранятся воспоминания.

Вклад в этот процесс вносили не только ученые. В 1848 году американский строитель Финеас Гейдж, работая на прокладке железной дороги, получил страшную травму: металлический штырь вошел в его череп под глазницей, а вышел — на границе лобной и теменной костей. Однако мужчина относительно благополучно прожил потом больше десяти лет. Правда, знакомые утверждали, что в результате инцидента он изменился — например, стал как будто более вспыльчивым. И хотя в этой истории есть немало белых пятен, она в свое время вызвала бурную дискуссию о функциях различных зон мозга.

В наши дни изучение мозга — вотчина не одной, а множества отраслей наук. Нейробиология занимается вопросами, связанными с работой рецепторов. Нейрофизиология — особенностями протекания физиологических процессов в мозге. Психофизиология — соотношением мозга и психики. Нейрофармакология — влиянием лекарственных средств на нервную систему, в том числе на мозг. Существует даже относительно молодое направление — нейроэкономика: она изучает процессы выбора и принятия решений. Более фундаментальные когнитивные нейронауки сосредоточены на исследовании разных типов восприятия, сложных мыслительных процессов и связанных с ними феноменов, которые касаются речи, слушания музыки, просмотра фильмов и т.д.

Зачем это делается?

Логично предположить, что любой орган человеческого тела исследуют в первую очередь для того, чтобы научиться его эффективно лечить в случае необходимости. Но мозг — система слишком сложная и интересная, чтобы ограничиваться утилитарным подходом. В университетах мира существуют сотни лабораторий, которые изучают совершенно разные аспекты мозговой деятельности. Одни фокусируются на конкретных типах расстройств психики — например, на шизофрении. Другие — на сне. Третьи — на эмоциях. Четвертые хотят выяснить, что происходит с мозгом, когда человек испытывает стресс или употребляет алкоголь: этим занимается в том числе лаборатория психофизиологии Института психологии РАН.

akindo / gettyimages.com

Результатом таких исследований далеко не всегда становится метод решения какой-то конкретной проблемы, связанной с мозговой деятельностью. Нейроученые нередко получают информацию, которая главным образом помогает нам лучше понять специфику отношений между людьми и выяснить, к примеру, по каким признакам мы ранжируем окружающих на «своих» и «чужих» . Что делать с этим знанием дальше, как его применить на практике — хороший вопрос.

С другой стороны, опыты со «стандартным» человеческим мозгом и натуралистическими (естественными) стимулами дают ученым шанс разобраться, почему у кого-то мозг работает иначе. В финском Университете Аалто ставят эксперименты с участием людей с синдромом Аспергера. Как правило, эта особенность развития сильно затрагивает эмоциональные функции, способность к социальному взаимодействию. Опыты показывают, что у «обычного» человека, когда он смотрит, как общаются другие люди, наблюдается высокий уровень синхронизации в сенсорных зонах мозга, в зонах, участвующих в обработке социальной информации и процессах формирования эмоций. А у человека с синдромом Аспергера такая синхронизация выражена значительно меньше. Ученые надеются со временем разобраться, как помочь адаптироваться в социуме тем, кому изначально это сделать сложнее.

Есть лаборатории, которые занимаются одновременно и прикладными, и фундаментальными исследованиями. В 2012 году ученые из Еврейского университета в Иерусалиме создали устройство, позволяющее незрячим людям «видеть» с помощью слуха. Оно состояло из очков и небольшой камеры, которая фиксировала визуальную информацию, а специальная программа преобразовывала ее в звуковые сигналы. Таким образом человек, лишенный зрения, мог распознать находящиеся поблизости бытовые предметы, других людей и даже крупные буквы. При этом разработчики устройства обнаружили, что в мозге того, кто учится «видеть» с помощью слуха, активируются те же потоки, что и у того, кто видит традиционным способом — глазами. Таким образом научный мир столкнулся с принципиально важной, основополагающей проблемой: действительно ли зрительная кора головного мозга отвечает именно за зрение в привычном понимании? И что такое вообще — зрение?

Также предполагается, что одним из результатов скрупулезного, разностороннего изучения мозга станет возможность создания искусственного интеллекта. В 2005 году стартовал знаменитый многомиллиардный проект Blue Brain Project, целью которого было сделать компьютерную модель человеческого мозга и смоделировать сознание. Пока воз и ныне там, а многие представители научного мира настроены достаточно скептично — хотя бы потому, что мы не знаем точно, что такое сознание. К тому же существует и технические ограничения: для того, чтобы имитировать мозг кошки на самом базовом уровне, понадобился один из самых больших суперкомпьютеров в мире. Человеческий мозг, разумеется, устроен намного сложнее.

Методы и эксперименты

Существующие на сегодняшний день методы исследования мозга можно ранжировать, опираясь на два критерия. Первый — частота снятия информации: она варьируется от миллисекунды до нескольких секунд. Второй — пространственное разрешение: насколько детально мы можем рассмотреть сам мозг. Так, электроэнцефалография способна собирать данные с очень большой частотой. Зато фМРТ (функциональная магнитно-резонансная томография) позволяет охватывать квадратные миллиметры мозга, а это довольно много, поскольку в одном квадратном миллиметре — около 100 000 нейронов.

akindo / gettyimages.com

Также существуют магнитная энцефалография, позитронно-эмиссионная томография, транскраниальная магнитная стимуляция. Методы обычно совершенствуются в сторону неинвазивности: нам хочется как можно больше узнать о мозге живого человека с минимальными последствиями для его здоровья и психологического состояния. При этом именно с появлением фМРТ ученые стали исследовать буквально все подряд аспекты мозговой деятельности. Мы можем взять практически любой тип поведения и быть уверенными в том, что в мире обязательно найдется лаборатория, которая изучает его с помощью фМРТ.

Разобраться, как ученые это делают, можно на примере самого базового эксперимента. Допустим, мы хотим узнать, различается ли мозговая активность человека, когда он смотрит на лица других людей и на дома. Отбирается множество картинок с изображением самых разных домов и самых разных лиц. Они перемешиваются, а их порядок — рандомизируется. Необходимо, чтобы в последовательности не было никаких закономерностей: если, к примеру, после трех домов всегда будет появляться лицо, встанет вопрос о достоверности результатов эксперимента.

Прежде чем поместить испытуемого в сканер фМРТ, с него нужно снять все металлические украшения и предупредить, что лучше не складывать руки в кольцо. Во время сканирования происходит быстрое изменение магнитного поля, что, согласно законам физики, индуцирует электрический ток в замкнутой петле. Ощущения — не смертельно неприятные, но те, кто пробовал, повторять обычно не хотят. В течение тридцати-сорока минут человек лежит в сканере и смотрит на появляющиеся на экране изображения домов и лиц. Важно, чтобы в процессе он не заснул: проходить через такие эксперименты часто довольно скучно. Зато они предполагают награду — допустим, пару бесплатных билетов в кино.

На этом более или менее интересная часть заканчивается и начинается сложная и неблагодарная: ученому предстоит обработать полученную информацию разными статистическими методами, чтобы результат можно было оформить в статью и опубликовать ее в научном журнале. Главный подвох здесь заключается в том, что существует несколько десятков тысяч способов скомбинировать разные ступени преобразования данных, поэтому добиться ложноположительного результата не так уж и сложно.

akindo / gettyimages.com

В 2009 году в Сан-Франциско провели опыт, ставший впоследствии легендарным. Ученые положили в сканер фМРТ мертвого атлантического лосося и показали ему фотографии людей в различных социальных ситуациях. При подсчете данных выяснилось, что мозг лосося не просто реагирует на стимулы: рыба испытывала эмоции. Разумеется, на самом деле мертвый лосось не способен на эмпатию, но за счет погрешности — или так называемого статистического шума, возникающего при анализе собранных с помощью фМРТ данных, мы можем получить значимый эффект. Кто ищет — тот всегда найдет.

До недавнего времени проблема усугублялась еще и тем, что в западные журналы брали статьи, описывающие в основном только положительные результаты экспериментов. Если гипотеза лаборатории не подтверждалась, полученные данные фактически летели в мусорное ведро. Теперь представим: сто лабораторий поставили одинаковый эксперимент. Чисто статистически у пяти из них вполне могут получиться позитивные результаты. Статья, написанная представителями такой лаборатории, будет опубликована, даже если в 95 оставшихся опыты показали отрицательный результат. Для борьбы с такими искажениями в наши дни появилась важная опция: теперь исследование можно перерегистрировать с гарантией публикации вне зависимости от результата — главное, чтобы все было выполнено четко по плану.

Специфика работы ученого заключается в том, что он должен знать очень много — пусть даже только в рамках своей области. Однако чем больше ты знаешь, тем больше сомневаешься. И тем выше вероятность, что рано или поздно ты столкнешься с чем-то, что в корне противоречит твоим убеждениям. Поэтому, общаясь со СМИ, ученые почти никогда не используют слово «однозначно». Вместо этого они говорят: «скорее всего», «вероятно», «мы можем предположить».

Для журналистов и читателей такие формулировки звучат, мягко говоря, не очень заманчиво. Психика человека устроена так, что ему хочется точно знать, из чего сделано его тело — в том числе мозг. Вероятности его либо не интересуют, либо вызывают тревогу. Более того, многие люди в принципе не читают новости дальше заголовка. В результате информация о последних научных исследованиях часто доходит до нас в искаженном виде — в том числе потому, что СМИ стремятся собрать больше просмотров, но опасаются отпугнуть аудиторию слишком расплывчатыми формулировками.

В 2007 году по российским СМИ прокатилась волна заметок об ученых лондонского University College, установивших, что алкоголь улучшает работу мозга. При ближайшем рассмотрении оказывалось, что, поскольку алкоголь улучшает приток крови к мозгу, что, в свою очередь, действительно коррелирует с улучшением умственных способностей, положительный эффект, может, и будет, но негативные последствия от чрезмерного употребления алкоголя его явно перевесят.

Еще несколько лет назад в западной прессе широко освещался проект No More Woof, создатели которого предлагали использовать инструмент на основе электроэнцефалографии, чтобы считывать мысли собак и «переводить» их на человеческий язык. Но, во-первых, ЭЭГ — далеко не самый точный метод сбора данных. Во-вторых, откуда мы можем знать, каким образом мысли собак должны передаваться с помощью английской речи? В-третьих, нет исследований, которые бы доказывали, что все животные, включая человека и собаку, говорят на разных диалектах одного глобального языка. Но СМИ скандировали: ура, мы наконец-то научимся понимать наших Шариков и Бобиков!

akindo / gettyimages.com

Во-вторых , опасайтесь категоричных утверждений. Допустим, если в материале говорится, будто ученые нашли в мозге «зону любви», учитывайте, что один из современных трендов — исследовать мозг не как конструктор, составленный из полностью автономных элементов, а как сложную сеть (complex network). Да и «любовь» — понятие слишком неоднозначное, чтобы вывести для него какое-то универсальное определение.

В-третьих , обращайте внимание на источник. Журналисты часто ссылаются не на исходную статью в научном журнале, а на публикацию на другом новостном интернет-портале или даже в блоге. Пытливому уму такая ссылка должна показаться неубедительной.

В-четвертых , задайте интернету вопрос: «Кто все эти люди?». Под лейблом «ученые» в СМИ могут появляться как подлинные сотрудники известных лабораторий, так и энтузиасты-любители, собирающие деньги на свое «революционное» открытие с помощью краудфандинговых платформ.

В-пятых , найдите оригинал. Из абстракта (краткого изложения сути статьи) часто бывает понятно, что именно ученые доказали и какими методами. Да, подписка на очень многие журналы — платная. Но есть сайты PubMed и Google Scholar, позволяющие выполнять поиск по текстам научных публикаций.

Вопреки стереотипам наука не может дать нам стопроцентной гарантии чего бы то ни было. Не может жирной, нестираемой линией отделить истину от всего остального. Но она может максимально приблизиться к истине за счет множества повторяющихся, проведенных в разных частях земного шара экспериментов, результаты которых постепенно будут сходиться в одной точке. Примерно. С определенной вероятностью.

Невероятные факты

Безусловно, самый загадочный и малопонятный орган во всем нашем теле – это мозг. Это источник наших мыслей, наших эмоций и нашей памяти. Он отслеживает все, что происходит внутри нашего тела, благодаря ему бьется сердце, течет кровь и работают легкие без сознательных усилий с нашей стороны. Кроме того, он несет ответственность за все сознательные усилия, которые мы делаем. Это своего рода оригинальный суперкомпьютер.

Когда плоду в утробе матери всего лишь 4 недели, клетки головного мозга формируются со скоростью четверть миллиона в минуту. В конце концов, миллиарды нейронов будут между собой взаимодействовать и создавать триллионы соединений. Без мозга контролировать тело и жизнь будет невозможно.

К счастью, человеческий мозг предоставляет нам замечательную способность и возможность его исследовать. Изучение мозга дало потрясающие результаты и помогло нам лучше узнать себя.

Компьютерная томография

Рост передовых медицинских технологий был крупным прорывом в вопросах исследования мозга. Многие методы сканирования мозга уходят своими корнями в 1970-е годы, и именно в это десятилетие была изобретена аксиальная компьютерная томография.

Пациенты проходят эту процедуру лежа на узкой кровати, помещенной в специальную трубу, которая вращается вокруг тела человека. В результате исследователь получает множество рентгеновских снимков с разных углов. Далее эти снимки используются для получения изображения поперечного сечения кости и ткани. В то время как рентгеновский снимок – это одно изображение, к примеру, переломанной кости, томография – это многослойное 3-D изображение.

Так как же это работает в мозге? Исследователи вводят пациенту вещество на основе йода, которое блокирует получение рентгеновских изображений. Затем оно следует своим путем через мозг, преодолевая различные препятствия. Стоит отметить, что при помощи такого рода томографии даже удается обнаружить психические расстройства у людей, в том числе и шизофрению.

Несмотря на то, что томография полезна для изучения структуры мозга, исследователи разработали другой процесс, который использует в работе магнитное поле, обеспечивающее экспертов еще более детальными снимками человеческого мозга.

Магнитно-резонансная томография

В то время, как рентгеновские технологии, ультразвуковая и компьютерная томография помогают нам заглянуть внутрь тела, фактически не повреждая его целостности, ни один из этих способов не мог предложить столь подробный анализ, как это смогла сделать магнитно-резонансная томография (МРТ). Используя радиочастотные импульсы и сильное магнитное поле, данный способ открыл новые горизонты для исследования мозга.

Интересно, что способность мозга выполнять различные задачи не высечена из камня. Исследование с использованием МРТ-технологии изучало студентов с дислексией до и после специализированной годовой программы обучения. После прохождения программы у студентов наблюдалась повышенная активность в области мозга, ответственной за чтение. Это означало, что выполнение определенной задачи может на самом деле улучшить мозговую деятельность той области, которая задействована в решении задачи.

МРТ также полезна и в других исследованиях. К примеру, МРТ однояйцевых и разнояйцевых близнецов помогла специалистам обнаружить связь между интеллектом и количеством серого вещества в лобной доли мозга. Другое исследование, проведенное учеными из университета Монреаля, использовало МРТ для изучения эффекта воздействия медитации на боль. Эксперты обнаружили, что люди, которые медитируют, знают о боли, однако, части их мозга, которые обрабатывают и интерпретируют их боль, менее активны, чем у людей, которые не медитируют.

ПЭТ-сканирование

Позитронно-эмиссионная томография позволяет нам увидеть метаболическое функционирование мозга на клеточном уровне. Это делается путем введения специального препарата, содержащего безопасную дозу радиоактивного материала. Люди, которые проходят данную процедуру, во время какой-либо деятельности (к примеру, чтение вслух или попытка вспомнить какую-либо информацию) привлекают большее количество крови к мозгу, а вместе с тем и радиоактивного материала. Сканер, подключенный к компьютеру, обнаруживает, что началось выделение энергии радиоактивного вещества, далее он обрабатывает полученную информацию в 3-D. Эти изображения дают сведения о потоках крови, глюкозы и кислорода через ткани, что позволяет врачам и исследователям выявить ткани и органы, в работе которых происходят сбои.

Анализируя количество глюкозы, обрабатываемое в каждом регионе мозга, исследователи отметили, что они могут использовать ПЭТ-сканирование для прогнозирования с высокой степенью точности вероятности развития некоторых проблем с памятью в будущем.

При помощи данной методики также можно выявить метаболический дисбаланс в мозге, который ответственен за развитие эпилепсии и других проблем нервной системы. Данное сканирование также помогает врачам выявить инсульт и транзиторные ишемические атаки.

Помимо прочего, этот способ может помочь врачам выявить различие между доброкачественными и злокачественными опухолями головного мозга и способен точно определить в какой именно части мозга произошел сбой, приведший к припадку.

Хотя все перечисленные выше способы являются неинвазивными, иногда исследователям необходимо прибегнуть к инвазивным процедурам, которые буквально шокируют.

Внутричерепная электрофизиология

Исследование человеческого поведения, процессов обучения и функций мозга уже много лет идут рука об руку с проведением подобных процедур на мышах и приматах. Это связано с явным генетическим сходством между видами. Однако, некоторые функции свойственны только человеку, к примеру, способность разговаривать.

Как это часто бывает в процессе исследования мозга, изучение одной его части часто может дать совершенно неожиданные данные о функционировании другой. Одним из таких исследований была имплантация электродов в мозг больных эпилепсией людей. Целью исследования было выявить, какие части мозга могут быть изъяты с целью лечения эпилепсии, при этом, не нарушая работу всех других и без какого-либо вреда для здоровья пациента. Эта процедура известна как внутричерепная электрофизиология. Как только врачи имплантировали электроды, пациентам было поручено молча прозондировать ряд слов, которые они видели на экране. Доктора тем временем фиксировали путь и длительность электрических импульсов в мозгу, пока пациенты выполняли поставленную задачу.

Используя внутричерепную электрофизиологию, исследователи эпилепсии обнаружили, что для идентификации слова человеческому мозгу требуется около 200 миллисекунд. Далее они отметили, что на произношение слова про себя уходит 320 миллисекунд, а для сбора информации, необходимой для подбора мозгом звуков, чтобы произнести слово, уходит еще 450 миллисекунд.

Исследование интеллекта

Психологи, педагоги, философы и нейробиологи уже давно спорят о том, что же такое интеллект. Существует ли единственный, количественный, общий интеллект, который может быть измерен при помощи IQ тестов? Или все же есть несколько форм и типов интеллекта? Какие части мозга за него отвечают?

В настоящее время технологии позволяют нам ответить на некоторые из этих широко обсуждаемых вопросов. При помощи использования различных методов визуализации, исследователи в 2007 году расположили "станции" на пути, по которым информация поступает в мозг. Они полагают, что интеллект связан именно с тем, как хорошо и быстро информация проходит через миллиарды сетей, созданных клетками мозга. В итоге, эксперты выяснили, что самые важные "станции", которые связаны с обработкой информации, - это внимание, память и язык.

Это и доказывает тот факт, что общий интеллект не является отличительной особенностью какой-либо одной части мозга. Напротив, способность мозга использовать различные методы обработки информации и связывать их вместе и определяет насколько мы умны.

, психогенетики . Важным направлением когнитивной нейробиологии является изучение людей, имеющих нарушения психической деятельности вследствие повреждений головного мозга.

Связь строения нейронов с когнитивными способностями подтверждается такими фактами, как увеличение количества и размеров синапсов в мозге крыс в результате их обучения, уменьшение эффективности передачи нервного импульса по синапсам, наблюдаемое у людей, страдающих болезнью Альцгеймера .

Одним из первых мыслителей, утверждавших, что мышление осуществляется в головном мозге, был Гиппократ . К девятнадцатому веку такие учёные, как Иоганн Петер Мюллер предпринимают попытки изучить функциональную структуру головного мозга в аспекте локализации мыслительных и поведенческих функций в отделах головного мозга.

Приемы и методы

Томография

Структура мозга изучается при помощи компьютерной томографии , магнитно-резонансной томографии , ангиографии . Компьютерная томография и ангиография имеют меньшее разрешение при отображении мозга чем магнитно-резонансная томография.

Исследование активности зон мозга на основе анализа метаболизма позволяет осуществить позитронно-эмиссионная томография и функциональная магнитно-резонансная томография .

• Позитронно-эмиссионная томография сканирует повышенное потребление глюкозы в активных участках мозга. Интенсивность потребления вводимой радиоактивной формы глюкозы рассматривается как параметр более высокой активности клеток данного участка мозга.
• Функциональная магнитно-резонансная томография сканирует интенсивность потребления кислорода . Кислород фиксируется в результате приведения частиц атома кислорода в сильном магнитном поле в нестабильное состояние. Преимуществом данного вида томографии является большая временна́я точность по сравнению с позитронно-эмиссионной томографией - возможность фиксировать изменения длительность которых не превышает нескольких секунд.

Электроэнцефалограмма

Отделы головного мозга и психическая деятельность

Передний мозг

• Кора больших полушарий играет важнейшую роль в психической деятельности. Кора головного мозга выполняет функцию обработки информации полученной через органы чувств, осуществление мышления, другие когнитивные функции. Кора головного мозга функционально состоит из трех зон: сенсорная, моторная и ассоциативная зоны. Функция ассоциативной зоны связывать между собой активность сенсорных и моторных зон. Ассоциативная зона, предполагается, получает и перерабатывает информацию из сенсорной зоны и инициирует целенаправленное осмысленное поведение. Центр Брока и область Вернике расположены в ассоциативных зонах коры. Ассоциативная зона лобных долей коры головного мозга, предполагается, ответственна за логическое мышление, суждения и умозаключения осуществляемые человеком.

• Лобная доля коры больших полушарий - планирование, контроль и выполнение движений (двигательная (моторная) область коры больших полушарий - прецентральная извилина), речь, абстрактное мышление, суждение.

• Теменная доля коры головного мозга - соматосенсорные функции. В постцентральной извилине заканчиваются афферентные пути поверхностной и глубокой чувствительности . Развитие моторных и чувствительных функций коры головного мозга определило большую площадь тех зон которые соответствуют частям тела, наиболее значимым в поведении и получении информации из внешнего мира. Электростимулирование постцентральной извилины обуславливает чувство прикосновения в соответствующей части тела.

• Затылочная доля коры головного мозга - зрительная функция. Волокна по которым поступает зрительная информация в кору головного мозга направлены как контралатерально так и ипсилатерально.(Зрительный перекрест Optic Chiasm)

• Височная доля коры головного мозга - слуховая функция,

Средний мозг

Ссылки

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Когнитивная нейробиология" в других словарях:

Нейробиология наука, изучающая устройство, функционирование, развитие, генетику, биохимию, физиологию и патологию нервной системы. Изучение поведения является также разделом нейробиологии. За рубежом, а в последние 5 6 лет также и в России… … Википедия

Нейробиология наука, изучающая устройство, функционирование, развитие, генетику, биохимию, физиологию и патологию нервной системы. Изучение поведения является также разделом нейробиологии. За рубежом, а в последние 5 6 лет также и в России всё… … Википедия

Нейробиология наука, изучающая устройство, функционирование, развитие, генетику, биохимию, физиологию и патологию нервной системы. Изучение поведения является также разделом нейробиологии. За рубежом, а в последние 5 6 лет также и в России всё… … Википедия

- (когнитивная наука) (лат. cognitio познание) междисциплинарное научное направление, объединяющее теорию познания, когнитивную психологию, нейрофизиологию, когнитивную лингвистику и теорию искусственного интеллекта. В… … Википедия

- (англ. Applied Neuroscience) междисциплинарные научные направления нейронауки с другими науками, имеющие теоретическое и практическое значение. Быстрое развитие в настоящее время получила нейронаука (англ. Neuroscience), поскольку она существенно … Википедия

Логотип трансгуманизма (один из вариантов) Трансгуманизм (от лат. trans сквозь, через, за; лат. humanitas человечность, humanus человечный, homo человек) изменение и развитие человечес … Википедия

Пример управления с помощью однонаправленного нейро компьютерного интерфейса Нейро компьютерный интерфейс (НКИ) (называемый также прямой … Википедия

Мозговой имплантат потенциальное возможное устройство, вводимое в полость черепа и осуществляющее взаимодействие с головным мозгом человека. На нынешнем техническом уровне человеческой цивилизации не представляется возможным полноценного… … Википедия

Дисциплина лежащая на стыке нейробиологии и биомедицинской инженерии и занимающаяся разработкой нейронных протезов. Нейронные протезы являются устройствами, которые могут восстанавливают двигательные, сенсорные и когнитивные функции, которые… … Википедия