Даже горячие приверженцы методов визуализации признают, что, несмотря на возможности определения, «где» именно события происходят в мозге, нам недостаточно информации, чтобы ответить на вопросы «когда» и «как». Директор Института биологической кибернетики Макса Планка Никос Логотетис назвал фМРТ «увеличительным стеклом, которое превращается в столь нужный нам микроскоп»2. Это был отличный старт, и фМРТ действительно помогла получить всю современную информацию о половых различиях мозга. Этот метод отлично подошел для существующего подхода в «картографическом» духе, характерного для поиска различий двух полов, и прочно закрепился в сознании обычных людей как достоверное доказательство существования мужского и женского мозга. Но новые способы моделирования деятельности мозга заставляют нас еще раз пересмотреть это древнее представление.
От BOLD к BOINC, через сельдерей и SQUIDS
В двадцать первом веке мы наблюдаем, как меняются представления о мозге. В научных кругах выражение «синаптические связи» стало расхожим термином, а специалисты по визуализации озадачились составлением «дорожных карт» мозга, отслеживая нервные пути между его структурами3. Теперь мы знаем, как структуры мозга связываются друг с другом, образуют запутанные «узлы» и «сети», обеспечивающие все проявления нашего поведения, и помогают нам воспринимать мир, понимать его и даже (хочется надеяться) друг друга.
Важно понимать, как физически устроена эта связь, и теперь у нас есть метод, который помогает составить карту нервных путей мозга. Он называется «диффузионно-тензорной томографией» (ДТ МРТ) и уже применяется для отслеживания белого вещества мозга – пучков нервных волокон, покрытых жировой тканью, которые соединяют разные части мозга4. В основе этого метода лежит измерение движения воды вдоль этих нервных волокон. (В качестве примера коллеги предложили опыт, который показывают школьникам младших классов: стебель сельдерея ставят в воду, подкрашенную синими или красными чернилами, и наблюдают, как быстро и как глубоко проникают чернила в растение.) С развитием технологий такие «дорожные карты» становятся все более подробными. Теперь мы можем отличить крупные магистрали от второстепенных и даже проселочных дорог. А если применим специальные методы и поэкспериментируем на животных, то увидим, как дороги строят сами себя и нервные клетки тянутся друг к другу, образуя будущие коммуникационные каналы5.
Нейробиологи выясняют, как объединяются для совместной работы различные структуры мозга и как они решают те проблемы, которые постоянно приходят из окружающего мира. Теперь стало ясно, что мозг – это динамическая, активная система (даже во время пребывания в так называемом «состоянии покоя»). Таким образом, нам нужно научиться измерять «трафик» на этих магистралях, улавливать направления движения и понимать закономерности приливов и отливов, связанные с потребностями владельцев мозга6. И еще нам нужны какие-то идеи о природе самого трафика, будь то медленные и глубокие изменения, характерные для сна, или быстрые и поверхностные волны в отдельных областях, свидетельствующие о движениях (или намерениях их совершить). Еще интереснее наблюдать быстрые всплески активности, во время которых сигналы передаются на дальние (по меркам мозга) расстояния, предположительно нефизическими способами, и объединяют отдаленные участки мозга для совместной работы. Может быть, это похоже на синхронизированные сигналы светофора, которые обеспечивают бесперебойное движение по магистралям или железнодорожным путям?7
Если мы проследим развитие таких связей, то увидим прямое подтверждение закрепившихся представлений о том, что «между нейронами, которые возбуждаются одновременно, возникает прочная связь» и «используй или потеряешь». Действительно, мозг постоянно меняется с течением времени. Такие изменения называются пластичностью мозга. Она происходит в течение всей жизни через взаимодействие мозга с окружающим миром, которое отражается в закономерностях синаптических связей.
Чтобы отследить эти связи, нужные другие системы и измерения, которые стали доступны в двадцать первом веке. Нам известно, что между нервными клетками мозга, или нейронами, существуют коммуникационные каналы. Клетки обмениваются сообщениями при помощи примерно 100 триллионов связей, путем почти незаметных электрохимических взаимодействий, длящихся миллисекунды. Эти взаимодействия прекрасно скоординированы при помощи системы «сдержек и противовесов», которая появилась в процессе эволюции.
Чтобы получить общее представление о работе человеческого мозга, нам нужно научиться отслеживать эти изменения в реальном времени, не проникая внутрь мозга. Разработанный в прошлом столетии метод ЭЭГ позволил сделать ряд открытий, но очень трудно получить «чистый» сигнал: он неизбежно подвергается искажениям при прохождении через ткани мозга, его оболочки, кости черепа, кожу и волосы. И вот здесь на сцену выходит магнитоэнцефалография (МЭГ)8. Из базового курса физики известно, что прохождение электрического тока всегда сопровождается образованием магнитных полей. Магнитные поля мозга не искажаются в той мере, в какой меняется электрический ток, поэтому измерение магнитных полей является намного более точным способом наблюдения за мозгом.
Вот только это не так просто, как кажется. Магнитные поля, связанные с деятельностью мозга, трудноуловимы. Они почти в пять миллиардов раз слабее поля магнита, прикрепленного к вашему холодильнику, или любого поля, которое можно получить в лаборатории. Эти магнитные поля изменяются в присутствии любого металла (например, пирсинга бровей, что я, к сожалению, обнаружила у себя во время демонстрации метода). Так что вам нужен чрезвычайно чувствительный прибор, сверхпроводящий квантовый интерференционный датчик (SQUID, в переводе с английского «кальмар»), который работает только при сверхнизких температурах, около 270 °C ниже нуля. Для того чтобы поддерживать такую температуру, SQUID помещают в шлем, который смахивает на старомодный парикмахерский фен-колпак, и заливают жидким гелием. Все это приспособление работает только в специальном помещении, изолированном от проникновения других магнитных полей.
Вы не поверите, но все это работает! Когда я только начала сотрудничать с Центром изучения головного мозга в Астоне в 2000 году, там запустили первую в Великобритании систему МЭГ с колпаком, покрывающим всю голову. Методики, разработанные в Астоне и других центрах, помогли нам получить не только точные измерения в момент колебаний активности головного мозга, но и более точную картину истоков этих изменений. Так мы даже можем уловить и измерить «болтовню» мозга на различных частотах. На самом деле это то, что Ханс Бергер открыл много лет назад, когда изобрел ЭЭГ, и большинству из нас известно как «альфа-волны» и другие, быстрые и медленные волны, связанные с различными типами поведения. Поэтому МЭГ приблизила нас к своего рода Святому Граалю от нейровизуализации: мы теперь знаем, где, когда и как возникает активность мозга. Метод позволяет наблюдать создание и распад различных нервных сетей мозга, а также отслеживать послания, которыми обмениваются отдельные области мозга в процессе своей деятельности9. Например, в Астоне мы разработали «профили синаптических связей» детей, страдающих расстройствами аутистического спектра, и связали эти профили с атипичными проявлениями поведения10.
