От случая к случаю
Информация о работе мозга до XIX века не носила систематического характера. Не все исследователи связывали психику человека с его мозгом. Мало кто отрицал, что мозг управляет организмом через нервы, но творческие способности и эмоции было принято относить к свойствам бессмертной души. Отсутствие методик, не вредящих человеку и дающих представление о деятельности мозга, очень тормозило процесс исследования. Часто врачи получали новую информацию о работе нашего серого вещества, сравнивая прижизненные наблюдения и результаты патологоанатомического вскрытия.
Поль Пьер Брока
Французский врач Поль Пьер Брока в середине XIX века наблюдал двух пациентов, словарный запас которых сводился буквально к паре слов. После их смерти он обнаружил, что мозг пациентов был повреждён в одном и том же месте — в задней части нижней лобной извилины левого полушария, если человек правша. Эти случаи позволили французу Брока назвать это место центром речи, а заболевание — моторной афазаией. При этой болезни у человека остаётся способность понимать речь, но он не может ничего произнести. В англоязычной медицинской литературе этот диагноз называют афазией Брока или экспрессивной афазией (expressive aphasia).
Карл Вернике
В1873-ом году молодой немецкий врач Карл Вернике стал обследовать одного пациента, перенёсшего инсульт. Конкретную специализацию Карла сложно объяснить в современных терминах. Особенностью немецкой медицинской школы была тесная связь психиатрии и неврологии, так что Вернике можно назвать психоневрологом. Общение с пациентом вызывало у Карла Вернике определённые сложности. Его слух и голос были в порядке, но из уст мужчины доносились искажённые слова. К тому же он не понимал обращённой к нему речи и не мог ничего прочесть.
К сожалению, лечение в то время зачастую сводилось к наблюдению и записям об их состоянии, так что никакой помощи пациент Вернике не получал. После его смерти, во время вскрытия Карл Вернике обнаружил поражение мозга на стыке височной и теменной долей. Через год после первой встречи с пациентом Вернике выпустил свою работу «Афазический симптомокомплекс». Впоследствии состояние, вызванное таким поражением стали называть сенсорной афазией, т.е. невозможностью говорить из-за отсутствия адекватного восприятия речи, или афазией Вернике. Зоны мозга, отвечающие за разные компоненты речи, также принято называть зоной Брока (центр моторного компонента речи) и зоной Вернике (центр сенсорного компонента речи).
Поля, гомункулусы и волны
В XX веке мозг также изучали методом повреждения или прямого воздействия на его отделы. Повреждали, как правило, мозг животных, что не давало в полной мере применять полученные знания к животным. Эксперименты над людьми были запрещены в этой области, поэтому исследователи изучали людей после нейрохирургических операций, инсультов или травм.
Уайлдер Грейвс Пенфилд
Так, например, выдающийся канадский нейрохирург Уайлдер Грейвс Пенфилд проводил операции для лечения эпилепсии. Он удалял пациенту тот отдел мозга, в котором регистрировалась наибольшая электрическая активность, чтобы предотвратить приступы. Для того, чтобы определять такие отделы, Пенфилд и электрофизиолог Герберт Джаспер разработали интересную методику.
Пациенту вскрывался череп, и на кору головного мозга подавался небольшой разряд электрического тока. Особой «изюминкой» такого исследования было то, что пациент оставался в сознании и мог рассказывать о своих ощущениях.
Пенфилд и Джаспер заметили, что одни и те же отделы коры у разных пациентов отвечают за одинаковые ощущения и действия. Лёгкий электрический сигнал в схожих участках прецентральной извилины лобной доли вызывал у людей сокращение одной и той же группы мышц. Если стимулировать током постцентральную извилину, которая находится возле прецентральной и идёт параллельно ей, то пациент будет сообщать об ощущениях в конкретных частях своего тела.
Как выяснили учёные, наше тело неравномерно «представлено» в этих извилинах. Очень много «двигательной» площади занимают руки, губы и язык. Это соответствует нашей развитой мелкой моторике пальцев, которая отличает нас от почти всех животных, а также отражает нашу способность к речи. Она во многом реализуется засчёт мелких движений губ и языка, формирующих звуки нашего голоса. Человечек, отражающий наши чувствительные способности, тоже не пропорционален. У него также гипертрофированы губы и руки, что зависит от количества рецепторов в коже этих частей тела. Чем больше рецепторов на коже, тем больший объём информации поступает в мозг и тем больше требуется места, чтобы обработать эту информацию.
Такие человечки называются гомункулусами Пенфилда.
Другим учёным внёсшим вклад в изучение мозга был ещё один немец. Корбиниан Бродман в 1909 году опубликовал результаты своих долгих исследований. Он исследовал клеточное строение различных отделов мозга. Кора мозга состоит из шести слоёв клеток: молекулярный слой, наружный зернистый слой, слой пирамидальных нейронов, внутренний зернистый слой, внутренний пирамидный слой и слой полиморфных клеток. Бродман считал, что в зависимости от функции области в ней будут наблюдаются гистологические изменения: каких-то клеток будет больше, каких-то меньше. Выделенные им поля соответствовали уже найденным функциональным центрам. Поля с первого по третье совпали с постцентральной извилиной и отвечали за сенсорное восприятие. Четвёртое поле полностью покрыло прецентральную извилину, чья функция — управление движениями человека. Корбининан Бродман насчитал пятьдесят два поля, но поля с тринадцатого по шестнадцатое есть только у некоторых приматов, в число которых человек не вошёл.
Учёные представляли структуру головного мозга, но о функционировании, о динамических процессах в мозге они не имели представления. С конца XIX века начинают накапливаться данные, что мозг обладает собственной электрической активностью. Сигнал в нервной системе передаётся при помощи слабых токов, которые можно зарегистрировать при помощи электродов. Если животным в опытных условиях можно внедрить электроды в мозг, то с человеком такое проделать не позволяют научная этика и закон. Электроды размещаются на голове в соответствии со специальной схемой, которую придумал уже знакомый нам Герберт Джаспер, соратник Уайлдера Пенфилда.
Так мы получаем информацию об изменении электрической активности мозга, а значит и о его деятельности. Подобный метод называется электроэнцефалограммой (ЭЭГ). ЭЭГ значительно упрощает диагностику эпилепсии или опухолей головного мозга, но обладает малой ценностью в изучении функционирования центральной нервной системы. Электрическая активность мозга сложна: существует несколько ритмов, отражающих работу мозга. Есть медленный альфа-ритм, возникающий в спокойном состоянии при закрытых глазах, когда мы ни на чём не сосредоточены. Более быстрый бета-ритм — это состояние активного бодрствования. Сейчас существуют программы, раскладывающие электроэнцефалограмму на ритмы в автоматическом режиме, что существенно упрощает исследователям работу.
Радиоактивная помощь
К середине XX века учёные и врачи проделали огромную работу по изучению мозга и его структуры. Они знали из чего состоит мозг, какие отделы отвечают за те или иные функции, как они связаны между собой. По симптомам опытные неврологи могли определить конкретный поражённый участок мозга, но до полного понимания было ещё далеко.
В 1972-ом году Годфри Хаунсфилд и Аллан Кормак предложили метод компьютерной томографии (КТ), за что через семь лет получили Нобелевскую премию. Физическая и математическая часть их изобретения может занять не одну страницу, поэтому не будем на ней останавливаться.
Главное, что сделали Хаунсфилд и Кормак — они дали миру безопасный метод исследования внутренних органов, в том числе и мозга.
До этого врачи пользовались обычным рентгеном. Иногда они вводили в полость черепа воздух, чтобы получше разглядеть возможные опухоли мозга. Такое вмешательство было чревато рядом осложнений, вплоть до смерти пациента. КТ избавило медицину от этого опасного метода. Теперь можно было увидеть мозг живого человека и уточнить некоторые анатомические данные. Несмотря на этот прорыв до исследования активности мозга было ещё далеко. Учёным было необходимо увидеть, как мозг функционирует в режиме реального времени, и вскоре они получили такую возможность.
Как мы знаем, атом любого вещества обладает массой. Она является суммой масс протонов и нейтронов, находящихся в нём. Количество протонов определяет принадлежность атома к конкретному веществу. Если протон один, то это водород, если их восемь, то это кислород. С нейтронами сложнее: их может быть больше или меньше, и тогда мы имеем дело с изотопами. «Нормальный» водород имеет один протон. При добавлении одного нейтрона мы получим дейтерий, а, присоединив ещё один, он превратится в тритий. Проблема в том, что многие изотопы не стабильны и быстро распадаются, превращаясь в другие вещества. Очень часто такой распад происходит с выборосом большого количества энергии. В некоторых случаях процесс распада специфичен.
Так выглядит мозг при ПЭТ.
Подобный распад учёные используют в позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ).
Процедура приблизительно такова. Человеку вводится вещество, содержащее метку. Метка — это изотоп, выбрасывающий при распаде определённую энергию. Эта энергия и будет регистрироваться датчиком на аппарате ПЭТ, который может быть совмещён с компьютерным томографом. Фиксируя получаемое излучение, мы можем понять, как метаболизируется это вещество в нашем организме. В августе этого года вышла работа, в которой изучался метаболизм дофамина (главного вещества, отвечающего за удовольствие в нашем мозге) после выкуренной сигареты.
При помощи ПЭТ были определены конкретные области головного мозга, в которых повышалась выработка дофамина при выкуривании сигареты после запрета курения на ночь.
Даже специалистам не всегда понятна ценность таких исследований, но они помогают более точно подобрать лекарство, чтобы избежать побочных действий и нежелательных эффектов.
Значительным минусом КТ и ПЭТ является радиоактивность этих методов. Для КТ она минимальна, но её достаточно, чтобы не проводить исследование беременным. В отношении ПЭТ существенной трудностью является получения изотопов. Для этого нужны ускорители частиц, которые есть даже не в каждом большом городе. К тому же время жизни этих изотопов ограничено, что дополнительно усложняет работу врачей и учёных.
Магниты и кровь
В 70-ых годах Полом Лотербуром был описан принцип магнитного резонанса и создание изображения на его основе. Если на ядро атома водорода, состоящего из одного протона, воздействовать сильным магнитным полем, то у протона изменится одна из базовых физических характеристик. При прекращении воздействия она вернётся к прежним показателям, но при этом выделится энергия. Эту энергию и зарегистрирует датчик внутри аппарата магнитно-резонансной томографии (МРТ). Чем больше в ткани атомов водорода, тем интенсивнее от неё будет сигнал. Мозг, в котором много воды, а значит и водорода, идеально подходит для подобных исследований.
МРТ стала хорошей альтернативой КТ. Она более безопасна, но также даёт представление лишь о структуре мозга, а не о его работе. Выходом стала разработка функциональной МРТ (ФМРТ). При работе мозг активно использует глюкозу и кислород, которые приносит кровь. Рост активности отделов мозга хорошо коррелирует с увеличением притока крови к ним. Датчик аппарата МРТ регистрирует изменения в кровотоке по разнице магнитных показателей крови, насыщенной и не насыщенной кислородом.
ФМРТ — это метод исследования активности головного мозга, который сейчас активно используется по всему миру. Если вы зайдёте на Google Scholar и введёте в поиске «fMRI» (фМРТ), то вы получите почти 400.000 результатов. В одном немецком исследовании с использованием ФМРТ было обнаружено, что мозг пациенток с нервной анорексией обрабатывает информацию о собственном теле не так, как у здоровых людей.
Благодаря ФМРТ, мы можем увидеть, как человек принимает решение, влюблён он или нет.
Этот метод позволил раскрыть одни тайны человеческого мозга и приблизил нас к разгадке других. Я думаю, что ФМРТ не предел возможностей, и скоро мы с вами узнаем ещё больше о самом удивительном органе — человеческом мозге.