Что может сделать сканирование мозга, а что нет?
Сканирование мозга выглядит как живые снимки мозгового центра. По правде говоря, это в высшей степени искусственные лабораторные продукты, которые, тем не менее, способствуют развитию знаний.
Сейчас мы живем в век изображений. А наука занята созданием изображений и отправкой их по всему миру. Одна машина создает особенно соблазнительные изображения: сканер мозга. Как никакая другая технология, она представляет собой современный поиск человека по расшифровке человеческого духа. Он выбрасывает образы обманчивой простоты. Предполагаемые снимки, которые показывают, что происходит, живут в мозгу. Когда методы визуализации были новым повальным увлечением в исследованиях, средства массовой информации с энтузиазмом и часто совершенно некритически сообщали об исследованиях мозга. Например, об открытии центров любви в мозгу было объявлено под большой шорох в СМИ. Некоторые исследователи мозга даже обнаружили в височной доле «божественный модуль» религиозной веры.
Или так они думали. Но теперь улеглась не только первоначальная эйфория. Маятник даже качнулся в другую сторону. Внезапно результаты исследований мозга и, в частности, их иногда чересчур изобретательные интерпретации изображений со сканера стали считаться сомнительными. Однако это также грозит упустить из виду неоспоримые достижения нейробиологии. Картинка говорит больше, чем 1000 слов, но что в итоге говорят яркие изображения, полученные с помощью сканера мозга?
Сканер мозга - что это такое на самом деле?
Прежде всего: процессы визуализации используют тот факт, что мозг довольно пожирает энергию. Куда бы ни двигались нейроны, они расходуют энергию. Это в основном генерируется глюкозой, которая метаболизируется с помощью кислорода. Хотя наш мозг составляет всего 5 процентов от массы тела, он потребляет около 20 процентов глюкозы. Так, измеряя потребление мозгом глюкозы, можно косвенно узнать об активности нервных клеток.
Для этого исследователи используют позитронно-эмиссионную томографию (ПЭТ), которая включает в себя введение в кровоток радиоактивно меченной глюкозы, которая затем накапливается в активных областях. Но это занимает около получаса. Лучшее временное разрешение при ПЭТ может быть достигнуто путем измерения мозгового кровотока. Когда нервные клетки активны, им необходимо снабжение кислородом, что стимулирует кровообращение в ограниченном пространстве. Это можно обнаружить с помощью ПЭТ, вводя радиоактивно модифицированную молекулу с периодом полураспада примерно две минуты в кровоток, чтобы пометить ее.
Но ПЭТ-исследование довольно дорогое по сравнению с ним и влечет за собой определенное облучение. По этим причинам функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ), которая в настоящее время является почти синонимом сканирования мозга, все чаще используется в повседневных нейробиологических исследованиях. Он имеет ряд преимуществ: не требует использования радиоактивных веществ и позволяет регистрировать сигналы практически одновременно в любом участке мозга. При измерении ученые используют разные магнитные свойства богатого и бедного кислородом гемоглобина. Вскоре после того, как скопления нейронов начинают двигаться, усиление кровотока вызывает поглощение гемоглобина, богатого кислородом. При этом концентрация низкокислородного гемоглобина там снижается.
Пресловутые разноцветные пятна - результат измерения с помощью математических расчетов на компьютере. Таким образом, изображение со сканера мозга - это не просто несколько крупнопиксельный снимок работы аналитического центра. За итоговой картиной стоит целая цепочка метрологических решений и сложных статистических расчетов. Если вы примете другое решение в любой точке этой цепочки, вы можете получить совершенно другую картину мозга.
Что показывает сканер мозга?
Одна из проблем с ПЭТ и фМРТ заключается в том, что они регистрируют активацию нейронов только косвенно через связанные метаболические процессы и работают гораздо медленнее, чем сам мозг. Например, кровоток и потребление кислорода изменяются только в течение несколько сотен миллисекунд - в лучшем случае. Однако из записей мозговых токов известно, что активность в коре головного мозга изменяется в диапазоне нескольких миллисекунд, когда, например, серые клетки сталкиваются со зрительным стимулом. В то время как пространственное разрешение фМРТ довольно хорошее и составляет несколько миллиметров, временное разрешение оставляет желать лучшего. Исследователи постоянно работают над оптимизацией временного разрешения. Но одно остается неизменным: от степени кровотока до мозговой активности и, в конечном счете, возможно, даже для вывода о сложной умственной деятельности, все обдумывается за тем или иным углом.
Еще одна проблема заключается в нашем гиперактивном мыслительном аппарате, который никогда не отдыхает. Ключевой вопрос заключается в том, какие нейроны активируются в данный момент, потому что они в данный момент работают над обработкой стимула, а какие нет. В нейронных сетях происходит множество разрядов клеток, которые регистрируют процессы воображения, но которые в конечном счете не участвуют в обработке стимула. Если исследователь хочет знать, какие области задействованы, например, когда человек двигает рукой, он должен вычесть постоянную фоновую активность. Поэтому он сравнивает два состояния - состояние относительного покоя и активное состояние мозга во время этого движения. В идеале с помощью методов статистического тестирования он может получить «больше активности», которая идет рука об руку с рассматриваемой умственной деятельностью.
Оба экспериментальных условия - задание и контрольное - должны повторяться бесчисленное количество раз. Методы визуализации, такие как фМРТ, производят много «шума»: на сигнал фМРТ влияет ряд разрушительных факторов, таких как нежелательные движения головы добровольцев. Поэтому исследователи статистически усредняют полученные сигналы, чтобы они выделялись на фоне биологического фонового шума. Кроме того, мозговые паттерны сильно различаются от субъекта к субъекту. При одинаковых постоянных экспериментальных условиях и на том же томографе отдельные результаты могут выглядеть очень по-разному.
Чтобы найти какие-либо релевантные результаты, такие как специфические мозговые паттерны группы психически больных людей по сравнению с группой здоровых людей, индивидуальные различия между испытуемыми внутри группы также статистически усредняются и таким образом попадают под лабораторный стол. Впечатляющие, красочные изображения записей мозга, которые можно увидеть в средствах массовой информации, заставляют слишком часто забывать одну вещь. Эти изображения обычно показывают среднестатистический мозг из записей различных испытуемых в исследовании. Эти «средние мозги» не всегда имеют отношение к функциям индивидуального мозга.
Существует ли средний мозг?
Пример этого из исследования депрессии был предоставлен психологом Стефаном Слаймом из Голландского университета Гронингена и его коллегой Джонатаном Ройзером из Университетского колледжа Лондона в обзоре от 2009 года. Миндалина, которая важна для эмоций, реагирует в среднем по статистике у людей с острой депрессией усиливается при восприятии ими лиц с эмоционально негативным выражением лица. Однако нельзя просто взять любого депрессивного человека и определить, что у него или у нее повышена активность миндалевидного тела. И наоборот, человеку со сверхактивной миндалевидным телом не нужно впадать в депрессию.
Так что это не так, поскольку сообщения в прессе иногда заставляют нас поверить, что вы можете просто поместить субъекта в МРТ и увидеть, как работает мозг напрямую. Более того, сканеры мозга не дают живого представления о том, что чувствуют или думают испытуемые. Там много статистики и интерпретаций. Вы далеки от истинного чтения мыслей.
Чтение мыслей сложно или невозможно?
Тем не менее, это не так, как если бы ученые дико тыкали что-то в мазни сканирования мозга, как на картинке Роршаха. Скорее, их интерпретации зависят, среди прочего, от точной экспериментальной установки - от того, какую задачу должны были выполнить испытуемые. В целом интерпретация сигналов мозга в некоторых случаях довольно проста. Часто сравнительно легко идентифицировать основные функции мозга и те, которые возникли в начале истории развития. В сенсомоторной области, например, области, которые обрабатывают прикосновение или движение и которые относительно жестко связаны с мозгом, могут быть очень хорошо локализованы с помощью фМРТ..
В целом, введение фМРТ, в частности, означало огромный шаг вперед в исследованиях. До появления современной визуализации ученые в основном полагались на пациентов с поражениями головного мозга. Они смогли только вывести нормальную функцию пораженной области мозга из повреждения мозга. Однако, поскольку в распоряжении ученых имеется лишь ограниченное число пациентов с определенными черепно-мозговыми травмами, определенные психологические функции неоднократно ошибочно приписывались определенной области мозга. Долгое время гиппокамп рассматривался исключительно как хранилище памяти. Только процедуры визуализации у здоровых добровольцев показали, что префронтальная кора также играет важную роль в памяти.
Визуализация также может помочь раскрыть ранее необъяснимые явления. Фантомные боли в результате ампутации части тела известны с доисторических времен. Однако существование фантомных конечностей не удалось ни доказать, ни найти им объяснение. Однако, если сравнивать пациентов с ампутацией с фантомной болью и без нее, фМРТ может хотя бы косвенно зафиксировать призрачную часть тела: активация в так называемой соматосенсорной коре при восприятии фантомной руки аналогична активации реальной руки. Для мозга ампутированная рука, по-видимому, все еще там.
Даже если вам нужно быть осторожным при интерпретации изображений мозга, теперь они незаменимы для неврологии.