МЕХАНИЗМЫ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ МОЗГА
ДОКЛАД ЧЛЕНА-КОРРЕСПОНДЕНТА РАН С.В. МЕДВЕДЕВА
Как человек мыслит, что делает мозг, интересовало людей с глубокой древности. Первые работы по исследованию мозга написал александриец Герофил ещё в 320 г. до н.э. В своём труде "Анатомия" он одним из первых подробно описал нервную систему и внутренние органы человека. Герофил установил различие между связками, сухожилиями и нервами, которые, по его мнению, были продолжением белой субстанции спинного и головного мозга; проследил связь нервов с головным и спинным мозгом. Таким образом, он разграничил спинной мозг и костный, показав, что первый является продолжением головного мозга. Герофил подробно описал части головного мозга (особенно мозговые оболочки и желудочки), а также срединную борозду мозга.
Эразистрат (около 300—240 гг. до н.э.) производил вскрытия и вивисекции, способствовал развитию анатомических, в частности, патолого-анатомических и физиологических знаний. Впервые слово "мозг" как название введено в литературу Эразистратом. Он довольно полно описал макроскопическое строение головного мозга, указал на наличие мозговых извилин и отверстий
между боковыми и третьими желудочками, которые впоследствии получили название монроевых. Эразистрат описал мембрану, отделяющую мозжечок от мозга. Ему принадлежат и первые описания доли мозжечка (термин "мозжечок" он также употребил впервые), и разветвления нервов: он различал нервы двигательные и чувствительные.
Эразистрат первым высказал мысль, что душа (пневма) располагается в желудочках мозга, самым главным из которых он считал четвёртый. Кровь, протекающая через хориоидальные сплетения, приходит в соприкосновение с душой и перерабатывается в сознание. Это была первая в истории человечества психофизиологическая концепция объяснения механизма сознания, которая получила широкое распространение и существовала на протяжении Средних веков.
Почему же людей интересовал и интересует мозг человека? Одной из причин является то, что мозг — это связующий элемент между материальным и идеальным. Именно с помощью мозга наши мысли превращаются в дела.
Однако подлинно научное исследование физиологии мозга началось только в середине
Спокойное бодрствование
Звон колоколов, извещающий о начале службы (стрелка)
Вопрос о молитве
Сколько будет 8 умножить на 12?
Рис. 1. Схема эксперимента А. Моссо по изучению мозгового обеспечения психики. 1870-е годы
У больного с дефектом черепной кости регистрировались пульсации сосудов мозга в спокойном состоянии и при проведении различных тестов. Стрелками отмечено начало эмоциональной и мыслительной деятельности
A
C
A
C
XIX столетия с клинико-анатомических сопоставлений, проведённых французом П. Брока и немцем К. Вернике. Они показали, что повреждение определённых областей мозга приводит к конкретным речевым нарушениям. Эти области мозга вошли в анатомию под их именами. Что касается физиологических исследований мозговой организации психической деятельности, то есть того, как мозг обеспечивает мышление, эмоции и т.п., то один из первых экспериментов в этой области был осуществлён итальянским учёным А. Моссо: "В его экспериментах испытуемый лежал на уравновешенном столе. Когда начиналась мыслительная или эмоциональная деятельность, голова перевешивала, что доказывало перераспределение крови"1. В другом эксперименте у больного с отверстием в черепе регистрировалась пульсация сосудов мозга. В абсолютно современном по дизайну эксперименте было доказано, что изменения мозгового кровотока отражают психические явления2 (рис. 1).
И всё же прорыв в исследовании мозгового обеспечения мыслительной деятельности произошёл значительно позже. Он был связан даже не с изобретением электроэнцефалографа (Г. Бергер), а с прямым контактом с мозгом человека при диагностике и лечении с помощью имплантированных электродов (1950-1960-е годы). У нас в стране этот метод первой применила академик Н.П. Бехтерева в 1962 г. Впервые информация получалась непосредственно из мозга — не со
1 Цитируется по: James W. Principles of Psychology. N.Y., 1890. P. 98.
2
2 Эксперимент описан в: Posner M.I., Raichle M.E. Images of Mind. N.Y.: Scientific American Library, 1994. P. 53-81.
скальпа, а прямо из живущей мозговой ткани. Подчёркиваю, всё это делалось исключительно по медицинским показаниям для лечения тяжёлых заболеваний.
Приведу результаты выполнения психологического задания, в ходе которого регистрировалась текущая частота нейронной активности. В мозге был обнаружен участок, нейроны которого реагировали увеличением текущей частоты разрядов в случае предъявления осмысленной грамматически правильной фразы, уменьшением частоты в случае предъявления осмысленной, но грамматически неверной фразы и не реагировали при предъявлении неосмысленных фраз. Фактически была выявлена группа нейронов — детекторов грамматической правильности осмысленной фразы. Такие достаточно тонкие аспекты обеспечения речи с очень точной степенью локализации удалось обнаружить с помощью этого метода.
Современные технические достижения резко усилили наши возможности исследования мозга человека. Используются позитронно-эмиссион-ная томография (ПЭТ), магнитно-резонансная томография (МРТ), в том числе функциональная (фМРТ), магнитоэнцефалография (МЭГ), электроэнцефалография (ЭЭГ) и непосредственная запись с вживлённых электродов.
Современная ЭЭГ далеко ушла от того, что было даже 20 лет назад. С помощью множественных электродов, современных методов обработки данных удалось увидеть, как очаг возбуждения (соответственно, деятельность мозга) перераспределяется в пространстве мозга с течением времени (рис. 2). Эти данные помогают понять, как мозг обрабатывает информацию.
Метод позитронно-эмиссионной томографии предоставил огромные возможности для нейро-
200 мс 330 мс 480 мс
Рис. 2. Точное картирование электрической активности коры головного мозга с помощью электроэнцефалографа (данные Института мозга человека РАН) На трёх различных проекциях мозга можно видеть, как очаги возбуждения (светлые участки) перемещаются в процессе мыслительной деятельности
визуализации как отдельных органов, так и реакций на уровне молекул (биохимия мозга). А поскольку весь мозг, вся его деятельность - это биохимия, то ПЭТ может исследовать практически любую физиологическую функцию. Суть метода заключается в высокоэффективном слежении за распределением в мозге радиоактивного изотопа, являющего частью молекулы вещества, поведение которого изучается в мозге. В частности, при картировании психических функций используется меченная радиоактивным кислородом-15 вода. С её помощью можно исследовать локальный мозговой кровоток, который, как было показано ещё очень давно, отражает активацию нейронов при обеспечении мыслительной деятельности.
Ровно то же самое, то есть мозговой кровоток, исследует функциональный магнитно-резонансный томограф, который, в отличие от обычного МРТ, позволяющего изучать анатомию мозга, исследует функции мозга. Эти приборы достаточно большие: вес ПЭТ-комплекса превышает 50 т. Он
включает циклотрон, радиохимическую лабораторию, которая определяет, что мы можем исследовать, какую биохимическую функцию мозга, и сканер для получения изображений. Чуть меньше по размерам, но тоже достаточно большой магнитно-резонансный томограф 3-тесловый. Магнитные поля больше 3 Тл в клинике использовать не рекомендуется. Это физиологический предел для человека.
Принцип построения изображения позитрон-но-эмиссионным и магнитно-резонансным томографами следующий. Осуществляются два ска-на - выполнение задания и контрольная деятельность, далее строится их разность, производится усреднение по группе испытуемых и статистическая оценка. При этом выявляются области мозга, активирующиеся при выполнении именно исследуемой деятельности. Результаты ПЭТ-исследований приведены на рисунке 3. Видно, как активируется мозг при непроизвольном внимании, когда мы замечаем неожиданное изменение звукового фона (рис. 3, слева). Например, мы не обращаем внимания на звук двигателя, пока не появился какой-то странный шум. Это так называемая негативность рассогласования (о ней пойдёт речь ниже). Можно проследить за тем, что происходит в мозге, когда мы обращаем внимание на слуховые (рис. 3, справа, вверху) или зрительные (рис. 3, справа, внизу) стимулы. Примеры активации мозга, зарегистрированные магнитно-резонансным томографом, даны на рисунке 4. Подчеркну, что и позитронно-эмиссионная, и магнитно-резонансная томография измеряют один и тот же физический процесс - мозговой кровоток.
Установлено, что позитивные и негативные эмоции меняют состояние некоторых зон мозга. И мы видим разницу между покоем и позитивной
Hordes: mixed - standart
Рис. 3. Активизация различных участков мозга, зарегистрированная позитронно-эмиссионным томографом (данные Института мозга человека РАН)
Слева — непроизвольное внимание к стандартным и девиантным аккордам (негативность рассогласования); справа — селективное внимание к слуховым (вверху) и зрительным (внизу) стимулам
Рис. 4. Активизация различных участков мозга, зарегистрированная магнитно-резонансным томографом (данные Института мозга человека РАН)
Активизация при моторном обучении (вверху) и на различные аспекты речи (внизу)
эмоцией, покоем и негативной эмоцией, но не отличаем позитивную эмоцию от негативной. Это означает, что на самом деле развитие положительной и отрицательной эмоции — результат работы одних и тех же областей мозга. Таким образом, с помощью ПЭТ показано, что одни и те же области мозга обеспечивают и положительные, и отрицательные эмоции.
Метод ПЭТ позволил получить большой объём данных о распределении в мозге зон, причастных к мозговому обеспечению речи. Определены области, где происходит обработка семантики, синтаксиса, орфографии, грамматики и т.п.
В экспериментах по исследованию мозгового обеспечения селективного внимания (внимание, необходимое при разговоре с собеседником на фоне многих других разговоров, так называемый эффект вечеринки) испытуемому одновременно в оба уха читались разные рассказы и перед е
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.