Сканирование мозга
«Сканирование мозга» и «нейровизуализация» — понятия, обычно относящиеся к функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ), методу, которым косвенно измеряют активность мозга: его часто используют, чтобы посмотреть, какие части мозга «подсвечиваются» во время выполнения тех или иных умственных задач. Мы по-прежнему не понимаем, как это работает, а методики расшифровки данных фМРТ нередко подвергаются критике.
Словосочетание «сканирование мозга» собирательно относится к множеству методик, применяемых для визуализации структуры живого человеческого мозга и его откликов на раздражители.
Электроэнцефалография (ЭЭГ) регистрирует электрическую активность больших общностей нейронов у поверхности коры головного мозга при помощи электродов, размещенных на черепе.
Магнитная энцефалография (МЭГ) похожа на ЭЭГ, но регистрирует магнитные поля, возникающие в результате электрической активности в мозге. Она чувствительнее ЭЭГ, но и дороже.
Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) — метод, отслеживающий движения радиоактивных «контрастных» веществ, введенных в тело. Его применяют для измерения кровотока, энергопотребления и концентрации белков-рецепторов и других важных молекул.
Магнитно-резонансная томография (МРТ) также применяется для получения изображений структур мозга и для обнаружения структурных изменений, возникающих при заболеваниях типа Альцгеймера. Она почти вытеснила рентген, поскольку безопаснее и дает более подробные изображения.
Диффузионно-тензорная визуализация (ДТВ) — разновидность МРТ, позволяет измерять сигналы, возникающие при движении молекул воды в мозге. Она дает возможность визуализировать нейронные пути в белом веществе мозга, содержащие массивные пучки миелинизированных аксонов, что связывают удаленные участки мозга друг с другом.
Функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ) регистрирует активность мозга по содержанию в крови кислорода. У нее есть свои преимущества перед ЭЭГ и ПЭТ: она показывает деятельность глубочайших слоев мозга, но при этом не требует никакого вмешательства в орган — не нужно впрыскивать радиоактивные вещества. Обычно, когда говорят «сканирование мозга», имеют в виду фМРТ; применение этого метода значительно расширилось в последние десять лет, и сам он чарует публику красивыми картинками. Ежегодно обнародуются тысячи фМРТ-исследований, многие перепечатываются СМИ с кричащими заголовками типа: «Ученые обнаружили область мозга, отвечающую за (то-то и то-то)». В последние годы, однако, нейробиологи осознали, что результаты фМРТ — штука гораздо более сложно устроенная.
Мозг за работой
В фМРТ для регистрации изменений в содержании в крови кислорода применяют мощные магниты. Метод основан на предположении, что задействованные в той или иной деятельности клетки мозга требуют дополнительной энергии в виде кислорода. фМРТ засекает так называемые BOLD-сигналы, и это — косвенное измерение активности мозга.
Типовое фМРТ исследование — сканирование мозга людей, которым поставлена та или иная умственная задача, и сравнение полученных данных с базовым состоянием испытуемого, когда он ничем не занят. Получаемая трехмерная картинка показывает, как деятельность различных областей мозга связана с выполнением задачи. Сканы фМРТ часто выдают десятки тысяч отдельных точек-вокселов. Каждый воксел соответствует крошечному кубику мозговой ткани объемом примерно в один кубический миллиметр, содержащий около 50 000 нейронов. Исследователи, как правило, сосредоточиваются на вокселах из небольшого числа заранее определенных «зон интереса» и сравнивают их активность во время выполнения задачи и в покое, из чего делают выводы об относительных изменениях.
Критика BOLD
С фМРТ есть одна неувязка: этот метод измеряет активность мозга лишь косвенно. Нам по-прежнему неизвестно, как мозг испускает BOLD-сигналы и как они соотносятся с нейронной деятельностью, а предположение, что усиление притока крови к некоему участку мозга означает рост его активности в этой области, вызывает вопросы.
BOLD-сигналы, регистрируемые фМРТ, к тому же мелкие и «шумные», т. е. для распознания активизации мозга необходима сложная статистическая обработка.
При грамотном применении результаты этой статистической обработки состоятельны, однако некоторые исследователи не придерживаются необходимых руководств по обработке. Более того, уже известно, что даже дыхание испытуемого и его движения головой влияют на регистрируемые сигналы, а недавнее исследование показало, что одни и те же данные фМРТ могут приводить к разным результатам обработки, если анализировать их при помощи разных компьютерных программ.
Но сильнейшей критике подвергается интерпретация данных. Ученые, толкуя данные фМРТ, часто производят так называемые «обратные выводы». Представьте некое гипотетическое фМРТ-исследование, показывающее, что участок мозга А активизируется во время выполнения задачи Х. Исследователи смотрят на уже полученные ранее результаты и обнаруживают, что этот же участок активизируется при умственном процессе Y. Из этого они делают вывод, что задача Х зависит от процесса Y. К сожалению, какой бы привлекательной эта логика ни казалась, она ошибочна: даже если участок А бесперебойно «подсвечивается» во время задачи Х, мы не можем заключить, что задача Х выполняется всегда, когда мы видим активность на участке А.
«Чем дольше смотришь на результаты фМРТ, тем больше извлекаешь осмысленных данных. То, что поначалу казалось шумом, теперь вдруг похоже на сигнал» Питер Бандеттини, американский нейробиолог (2012)
Обратный вывод связан с обманчивым и упрощенческим представлением, что каждая отдельная область мозга отвечает за некую конкретную черту поведения. Мозг — сложная структура из сотен выраженных специализированных областей, но ни одна не действует сама по себе, и любое человеческое поведение есть результат объединенной деятельности многих участков. Так, область А, активизировавшаяся в нашем гипотетическом фМРТ-исследовании, вероятно, занята и другими умственными процессами и оживляется при выполнении других задач тоже. Эти критические соображения привели некоторых нейробиологов к пренебрежительному отношению к фМРТ: они даже называют ее «кляксологией» и сравнивают с френологией — псевдонаукой XIX века, связывавшей умственные функции с формой черепа.
На шаг впереди
Метод фМРТ основывается на допущении, что усиление мозговой деятельности связано с усилением притока крови, однако принимать по умолчанию, что всегда так и происходит, не годится. В 2009 году исследователи из Колумбийского университета сделали томограмму мозга обезьян, пока те разглядывали картинки, и обнаружили, что активность зрительной коры довольно точно соответствовала, как и ожидалось, усилению притока крови к этой области. Однако, к своему удивлению, они заметили, что усиление притока крови наблюдалось и когда обезьянам не предлагали никаких зрительных раздражителей. Ученые сделали вывод, что мозг предвосхищает притоком крови деятельность в областях, от которых она ожидается, даже если они потом и не активизируются. Из этого открытия может следовать, что усиление кровоснабжения той или иной области мозга не обязательно связано с повышением активности нейронов, а значит, это ставит под сомнение достоверность данных фМРТ.