Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. Женский мозг - о мозге Как звали человека мозг которого изучают ученые

ВКонтакте Facebook Одноклассники

Как известно, человеческий мозг, а также его деятельность таят в себе множество загадок, которые ученые пытаются разгадать уже довольно долгое время

Мы решили познакомить вас с пятью последними открытиями в этой области.

Когда мозг работает наиболее эффективно?

Ученые из Университета Монреаля выяснили, что мозг человека начинает работать наиболее продуктивно и эффективно в возрасте после 55 лет.

Такой вывод исследователи сделали, проведя серию различных тестов с участием людей разного возраста.

Как оказалось, именно у людей, чей возраст находится в пределах от 55 до 75 лет, при решении сложных проблем мозг работает в т. н. особом режиме - в сложной ситуации возвращается к начальной точке и действует очень точно. Таким образом, когда пожилой человек анализирует проблемы, то у него этот процесс отличается большой точностью, и, как правило, решение находится быстрее.

Мозг же молодых людей, наоборот, чтобы найти выход из сложной ситуации, начинает перебирать все возможные варианты, что зачастую приводит к путанице в голове.

По словам руководителя исследований Ури Мончи, мозг человека в возрасте 55-75 лет работает так, чтобы сохранить как можно больше своей энергии и направить ее точно на решение появившихся проблем.

Из этого ученые и сделали вывод о том, что именно с момента достижения человеком 55-летнего возраста мозг человека начинает работать более эффективно, и именно с этого возраста к человеку начинает приходить мудрость.

Настоящее счастье - только после 74 лет

Напомним, что не так давно ученые из США и Германии сделали еще одно открытие, касающееся людей в возрасте. Оказалось, что настоящее счастье человек способен испытывать только после 74 лет.

Связано это, по мнению ученых, с тем, что уже в 15 лет среднестатистический европеец начинает терять ощущение счастья, и этот процесс набирает обороты вплоть до 40 лет; именно в эти годы, по данным экспертов, у большинства людей происходит пик разочарования в жизни.

После преодоления рубежа в 40 лет уровень счастья постепенно начинает стабилизироваться и держится в подобном состоянии несколько следующих лет, а после 46 лет начинается его медленный подъем. Пик гармонии и мира в душе наступает как раз именно в 74 года. Специалисты считают, что 74 года - это именно тот возраст, когда люди начинают по-настоящему ценить жизнь.

IQ меняется с возрастом

По мнению британских ученых из Центра нейровизуализации при Лондонском университетском колледже, с возрастом уровень интеллекта (IQ) может значительно изменяться.

Вряд ли кто-либо считал иначе, но исследователи утверждают, что именно они установили, что развитие умственных способностей человека продолжается всю его жизнь, и уровень интеллекта можно значительно повысить с помощью постоянных тренировок мозга.

В своей работе ученые исследовали 33 здоровых детей в возрасте от 12 до 16 лет, которым было предложено пройти тест на определение как вербального (память, арифметические и языковые способности, общие знания), так и невербального IQ (включает решение головоломок).

Первые тесты прошли еще в 2004 году, а затем в 2008 году их повторили. Отметим, что при повторном исследовании, помимо оценки интеллекта, ученые при помощи магнитно-резонансной томографии проследили, как изменилась структура мозга молодых людей за эти 4 года.

В результате оказалось, что у подростков, которые во время тестов на IQ показывали хорошие результаты, присутствуют положительные изменения в структуре мозга: количество их нервных клеток, регулирующих мыслительный процесс, заметно возросло. По словам ученых, это результат постоянных умственных тренировок (нагрузок), к которым, в частности, относятся занятия в школе.

По словам исследователей, люди не останавливаются в своем развитии, и с возрастом уровень интеллекта может повыситься, но только при условии постоянных тренировок.

Умный будильник - просыпайтесь с радостью

Еще одно событие, о котором мы хотим вам рассказать, не имеет прямого отношения к исследованиям мозга, однако, на наш взгляд, оно довольно интересно.

Речь идет о разработке индийских ученых, которые придумали т. н. умный будильник, основной задачей которого является дать возможность человеку высыпаться и сделать так, чтобы вынужденное пробуждение больше не являлось пыткой.

Изобретение ученых отслеживает активность головного мозга и будит своего хозяина именно на фазе быстрого сна. Это позволяет человеку проснуться полным энергии, а его организму не потребуется времени для «раскачки».

Ранее уже были подобные будильники, но все они реагировали на движения человека во сне. Разработка индийских ученых работает по другому принципу: перед сном на голову человека надевается специальная лента с датчиками.

За 45 минут до заданного времени пробуждения этот умный будильник начинает анализировать состояние мозга, и когда человек будет больше всего готов к пробуждению, подаст сигнал.

«Дранкорексия» - новое подростковое заболевание

Еще одна вещь, о которой мы хотели бы рассказать, также не является открытием, имеющим прямое отношение к мозгу, однако оставлять его без внимания, особенно в современном мире и в нашей стране в частности, нельзя.

Дело в том, что ученые из Университета Миссури нашли у подростков новую проблему, которую они причислили к разряду заболеваний и назвали «дранкорексией».

Дело в том, что, согласно данным ученых, порядка 16% подростков ограничивают потребление калорий, поступающих вместе с едой (перестают нормально питаться) ради т. н. «алкогольных» калорий. По мнению молодых людей, это помогает им похудеть, и, разумеется, подобной тактикой чаще всего пользуются девушки.

Разумеется, такое неупорядоченное питание и чрезмерное употребление алкоголя не проходят бесследно и имеют опасные когнитивные, поведенческие и физические последствия. В итоге это все приводит к риску развития более серьезных расстройств пищевого поведения или даже наркомании.

По словам ученых, лишение мозга адекватного питания и употребление большого количества алкоголя может быть опасно: все вместе это может привести как к краткосрочным, так и к долгосрочным когнитивным проблемам, включая трудности с концентрацией внимания, учения и принятия решений. Также не исключены агрессия и различные психические нарушения.

Каждый день ваш мозг генерирует напряжение, достаточное для образования молнии. Когда вы смотрите телевизор, мозг практически не работает, а когда решаете задачки начальной школы - трудится вовсю. А если вы пытаетесь делать несколько дел одновременно, то можете потерять часть серого вещества.

Рассказываем о результатах любопытных исследований в сфере нейробиологии, описанных в наших книгах.

Гендиректор мозга

Когда мы чему-нибудь учимся, в мозге задействуется целый ряд связанных между собой участков и отделов. Например, гиппокамп почти всегда работает под плотным «присмотром» со стороны префронтальной коры. Вообще префронтальная кора контролирует нашу активность - и физическую, и мыслительную, - получая сигналы извне и затем отдавая команды через нейронную сеть мозга. Префронтальную кору можно представить в виде своеобразного начальника. Она прежде всего отвечает за оценку окружающей ситуации, задействуя рабочую память, формируя импульсы и отдавая команды к действиям, суждениям, планированию, предвидению и так далее - то есть разнообразным исполнительным функциям.

Иллюстрация из книги «Как работает тело»

В качестве генерального директора мозга префронтальная кора всегда находится в тесном контакте с исполнительным директором - двигательной зоной коры головного мозга, а также с другими его отделами.

Гиппокамп представляет собой нечто вроде штурмана, который получает сведения из рабочей памяти, связывает их с уже имеющимися данными, сравнивает, создает новые ассоциации и направляет в префронтальную кору. Ученые полагают, что память - это набор фрагментов информации, рассредоточенных в мозге.

Гиппокамп, как некое депо, получает фрагменты информации из коры, связывает и направляет назад в виде новой карты нейронных связей.

Сканирование мозга человека показывает: когда он заучивает новое слово, префронтальная кора его головного мозга активизируется (как и гиппокамп, и некоторые другие прилегающие участки, например слуховая кора). После того как благодаря химическим сигналам глутамата создана новая нейронная цепочка и слово зафиксировано в памяти, активность префронтальной коры снижается. Она проконтролировала начальные этапы проекта, а теперь может переложить ответственность на других членов команды и заняться очередными проблемами.

У подростков мозг переформатируется

Постоянно работающий нейрон с течением времени покрывается оболочкой из особого вещества, которое называется миелин. Он значительно повышает эффективность нейрона как проводника электрических импульсов. Это можно сравнить с тем, что изолированные провода могут выдерживать значительно большую нагрузку, чем оголенные.

Покрытые миелиновой оболочкой нейроны работают без затраты излишних усилий, что свойственно медленным, «открытым» нейронам. В основном покрытие нейронов миелином завершается у ребенка к возрасту двух лет, по мере того как его тело научается двигаться, видеть и слышать.

К семи годам выработка миелина снижается, а в период полового созревания активизируется вновь.

Это происходит из-за того, что млекопитающему предстоит осуществить новую настройку своего мозга на поиск наилучшего брачного партнера. В это время наши предки нередко были вынуждены перемещаться в новые племена или кланы и постигать новые обычаи и культуру. Рост выработки миелина в период полового созревания как раз всему этому и способствует. Естественный отбор устроил мозг таким, что именно в этот период он меняет ментальную модель окружающего мира.

Мозг = движение

Мозг нужен только двигающемуся живому существу. Это доказывает исследование маленького, похожего на медузу морского животного под названием асцидия. Имеющее от рождения примитивный спинной мозг и три сотни нейронов, это мешкообразное существо плавает в неглубоких местах, пока не находит подходящий отросток коралла, к которому и прирастает. После появления асцидии на свет у нее всего 12 часов, чтобы сделать это, иначе она погибает. Прикрепившись к кораллу, асцидия медленно съедает свой мозг. Бóльшую часть жизни она выглядит скорее как растение, а не как животное. Поскольку асцидия не передвигается, мозг ей не нужен.

По мере того как человеческий вид эволюционировал, чисто физические навыки его представителей превращались в абстрактные способности предвидеть, оценивать, проводить связь между явлениями, планировать, наблюдать за собой, выносить суждения, исправлять ошибки, менять тактику, а затем и запоминать все, что делалось в целях выживания. Те нейронные цепочки, которые наши далекие предки использовали, чтобы добывать огонь, мы сегодня применяем, например, для изучения французского языка.

Молнии и белые вороны

Хотя электрический потенциал покоя у клеток мозга меньше, чем у обычной пальчиковой батарейки, заряд, проходящий через их мембраны, имеет колоссальное напряжение - около 50 милливольт на одну клетку. Умножьте это на 100 миллиардов клеток - минимум в четыре раза больше, чем нужно для появления молнии во время грозы!

С момента рождения мозг генерирует такие электрические импульсы во всей своей структуре. Каждая мысль, ощущение и действие сопровождаются различными их комбинациями в виде волн. Врач видит их на электроэнцефалограмме (ЭЭГ), так же как сердечный ритм - на электрокардиограмме (ЭКГ). На графике генерируемые мозгом волны выглядят как непрерывные линии с повышенной или пониженной частотой, то есть быстрые и медленные.

Общаться. Передние части лобных долей активны и во время общения, особенно если беседовать глядя друг другу в глаза.

Во время телефонных разговоров лобные доли почти не действуют. Именно поэтому так важны личные встречи и живое общение.

Развивать мелкую моторику. Отлично «включает» мозг, когда человек, например, готовит еду, играет на музыкальных инструментах, рисует, пишет, шьет или занимается другим рукоделием. Но если просто перебирать пальцами, то есть совершать движения, при которых не задействовано зрение, передние части лобных долей мозга вообще не работают, поэтому такие движения неэффективны.

Кишечник защищает мозг

На риск развития болезней головного мозга оказывают большое влияние бактерии кишечника. Их баланс и разнообразие регулируют степень воспалительного процесса в организме. А именно воспаление - основа дегенеративных состояний, в том числе диабета, рака, заболеваний сердечно-сосудистой системы и болезни Альцгеймера.

Здоровый уровень разнообразия полезных бактерий ограничивает продуцирование воспалительных химических веществ. Кишечные бактерии также производят важные для здоровья головного мозга химические вещества, в том числе BDNF, различные витамины, такие как В12, и даже нейромедиаторы, такие как глутамат и GABA. Кроме того, они ферментируют определенные вещества, получаемые организмом с пищей, например полифенолы, на более мелкие противовоспалительные компоненты, которые путем абсорбции попадают в ток крови и защищают головной мозг.

КНИГА К ДЕСЯТИЛЕТИЮ ИНСТИТУТА МОЗГА ЧЕЛОВЕКА

Медведев Святослав Всеволодович
Институт мозга человека РАН

Проблема исследования мозга человека, проблема соотношения мозга и психи ки одна из самых захватывающих задач, которые ставились в науке. Поставлена цель познать нечто, равное по сложности самому инструменту познания. Ведь все, что до сих пор исследовалось: и атом, и галактика, и мозг животного - было проще мозга человека. С философской точки зрения неизвестно, возможно ли в принципе решение этой задачи. Есть ли у нас вообще принципиальная возможность исследовать этот мозг, понять до конца, что в нем происходит. Ведь главное средство познания - не приборы и не методы, им остается опять-таки наш человеческий мозг. Обычно мозг+прибор, который изучает какое-то явление или объект, сложнее этого объекта, в данном случае мы пытаемся действовать на равных - мозг против самого себя.

Именно грандиозность задачи привлекала великие умы. Свои представления о принципах работы мозга высказывали и Гиппократ, и Аристотель, и Декарт, и многие другие. В прошлом веке на основе клинико-анатомических сопоставлений были обнаружены области мозга, отвечающие за речь (Брока и Вернике). Однако настоящее научное исследование мозга началось в работах нашего гениального соотечественника И.М.Сеченова. Далее В.М.Бехтерев, И.П.Павлов. . . Здесь я остановлюсь в перечислении имен, так как выдающихся исследователей мозга в двадцатом веке было много и слишком велика опасность кого-нибудь (особенно из ныне здравствующих, не дай Бог) пропустить. Были сделаны великие открытия. Однако основной сложностью в исследовании именно мозга человека оставалась крайняя бедность методических подходов: психологические тесты, клинические наблюдения, и начиная с тридцатых годов, электроэнцефалограмма. По сути, это либо парадигма черного ящика, либо попытка узнать, как работает телевизор по гудению ламп и трансформаторов и по температуре футляра, либо, наконец, функциональная роль блока исследовалась на основе того, что происходит с устройством, если этот блок разбить. При этом, однако, следует заметить, что морфология мозга была уже исследована довольно хорошо.

Существовала и другая сложность - неразвитость представлений о функционировании отдельных нервных клеток. Таким образом, не было полноты знаний о кирпичиках и не было необходимых инструментов исследования целого. В известной мере можно сказать, что теор етические представления были развиты существенно полнее, чем экспериментальный базис. С тех пор поистине гигантские успехи были достигнуты трудами Экклса и П.Г.Костюка в понимании механизмов функционирования нервной клетки. Стало существенно понятнее, как устроен нейрон . Однако вопрос о том, как функционирует сообщество нервных клеток, при этом автоматически не решался.

Реально первый прорыв в изучении функционирования мозга человека (по определению академика Н.П.Бехтеревой) был связан с исследованиями в условиях прямого многоточечного контакта с мозгом человека при применении метода долгосрочных и краткосрочных имплантированных электродов для диагностики и лечения больных. По времени развертывание этого метода совпало с началом понимания того, как работает отдельный нейрон , как происходит передача информации от нейрон а к нейрон у и по нерву. Впервые в нашей стране в условиях непосредственного контакта с мозгом человека стала работать академик Н.П.Бехтерева и ее сотрудники.

Результаты, полученные при этом первом прорыве, позволили получить важнейшую информацию о механизмах работы мозга по обеспечению высших видов деятельности. Получены данные о жизни отдельных зон мозга, о соотношении коры и подкорки, о компенсаторных возможностях мозга и многое другое. Однако и здесь была проблема: мозг состоит из десятков миллиардов нейрон ов, а с помощью электродов можно было наблюдать за десятками, и то не всегда теми, которые нужны для исследования, а теми, рядом с которыми оказался лечебный электрод.

В семидесятые годы в связи с резким усовершенствованием элементной базы электроники в мире совершилась техническая революция. Появились персональные компьтеры. Появились методические возможности еще более полно исследовать внутренний мир нервной клетки, и, что очень важно для нас, появились новые методы интроскопии. Это магнитоэнцефалография, функциональная магнито-резонансная томография и позитронно-эмиссионная томография. Новые вычислительные возможности практически реанимировали исследования мозгового обеспечения высших функций с помощью электроэнцефалографии и вызванных потенциал ов. Таким образом, новые технологические возможности построили фундамент для нового прорыва. Реально это произошло в середине восьмидесятых годов.

Таким образом, научный интерес и возможность его удовлетворения наконец совпали. Видимо, поэтому Конгресс США объявил девяностые годы декадой изучения человеческого мозга. Эта инициатива быстро стала международной. Сейчас во всем мире над исследованием человеческого мозга трудятся сотни лучших лабораторий.

Надо сказать, что у нас в то время (здесь не проведение сравнения, а констатация) в верхних эшелонах власти было много умных и болеющих за державу людей. Профессионалов, думающих и о благе страны. Поэтому и у нас поняли необходимость исследования мозга человека и предложили на базе коллектива, созданного и руководимого академиком Н.П.Бехтеревой, организовать Институт мозга человека РАН как научный и практический центр по исследованию именно человеческого мозга и созданию на этой основе новых методов лечения его заболеваний.

Что отличает ИМЧ РАН от других физиологических и медицинских институтов сходного профиля?

Мы исследуем прежде всего именно то, что делает человека человеком. Наш институт специально ориентирован на исследование того, что нельзя изучать на животных. Традиционно большая часть исследований мозга проводится на животных, однако данные, полученные на кроликах или крысах, не всегда дают адекватн ое представление о работе мозга человека. Есть явления, которые могут быть изучены только на человеке. Например, одна из тем, разрабатываемых в лаборатории позитронно-эмиссионной томографии, это исследование мозговой организации обработки речи, ее орфографии и синтаксиса. Согласитесь, что это трудно исследовать на крысе. Мы проводим психофизиологические исследования на добровольцах с применением т.н. неинвазивной техники. Проще говоря, не «залезая» внутрь мозга и не причиняя особенных неудобств: например, томографические обследования или картирование мозга с помощью электроэнцефалографических методик.

Но бывает, что болезнь или несчастный случай “ставят эксперимент” на человеческом мозге: например, у больного нарушается речь или память. В этой ситуации можно исследовать те области мозга, работа которых оказалась нарушена. Или наоборот, у пациента утерян или поврежден кусочек мозга, и ученым предоставляется уникальная возможность изучить, какие свои “обязанности” мозг не может выполнять с таким нарушением. Эта методолог ия появилась еще в незапамятные времена, расцвела во второй половине XIX века и успешно используется по сей день. Недопустимо ставить эксперименты на человеке, но болезнь - это как бы эксперимент, поставленный самой природой, и в процессе ее лечения получается неоценимая информация о механизмах работы мозга.

Главные направления деятельности института - фундаментальные исследования организации мозга человека и его сложных психи ческих функций: речи, эмоций, внимания, памяти, творчества. У здоровых испытуемых и у больных. Одновременно ученые должны вести поиск методов лечения тех больных, у которых эти важные функции мозга нарушены. Именно поэтому одним из главных направлений нашей работы является оптимизация диагностики и лечения болезней мозга. Для этой цели при институте существует клиника на 160 коек. Две задачи - исследование и лечение - неразрывно связаны в работе наших сотрудников. Соединение фундаментальных исследований и практической работы с больными было одним из основных принципов работы института, разработанных его научным руководителем Натальей Петровной Бехтеревой.

Именно наличие клиники во многом определяет возможности фундаментальных и прикладных исследований ИМЧ. Поэтому прежде всего несколько слов о ней. У нас прекрасные высококвалифицированные доктора и медсестры. Без этого нельзя: ведь мы на переднем крае, и нужна высочайшая квалификация, чтобы выполнять нерутинное, новое. У нас выполняются практически все стандартные манипуляции и наряду с ними и хирургическое лечение эпилепсии и паркинсонизма, проводятся психохирургические операции, в том числе и хирургическое лечение обусловленного героином обсессивно-компульсивного синдрома, знаменитая «пересадка мозга», точнее имплантация фетальной мозговой ткани, лечение магнитости-муляцией мозга, лечение афазии с помощью электростимуляции и многое другое. Накоплен десятилетний опыт клинических обследований с помощью позитронно-эмиссионной томографии. На рисунках приведена малая толика того, что может диагносцировать этот метод томографии. У нас лежат тяжелые больные, и мы стараемся помочь с помощью вышеперечисленных методов даже тогда, когда все остальные попытки были неудачны. Конечно, это удается не всегда. Но безграничных гарантий в лечении людей дать невозможно, а если кто-то дает их, это всегда вызывает очень серьезные сомнения.

Последствия острого нарушения мозгового кровообращения. Зона, лишенная кровотока, типичной конусообразной формы (красные стрелки), характерной для последствий острого нарушения мозгового кровообращения. Впереди от нее зона снижения кровотока (белая стрелка).	Височная эпилепсия. Выраженное снижение уровня потребления глюкозы (красные стрелки) в коре левой височной доли, где расположен очаг эпилепсии.
Дифференциальный диагноз опухолей головного мозга. В зоне поражения (красные стрелки) не накапливается радиофармпрепарат, что исключает опухоль головного мозга.	Злокачественная опухоль головного мозга. Очерченный очаг резко повышенного неоднородного накопления 11 С-метионина в злокачественной опухоли левой височной доли (красные стрелки), которая неотчетливо контурировалась на магнитно-резонансных томограммах.

Практически каждая лаборатория института замкнута на отделения клиники, и это залог непрерывного появления новых методик и подходов в лечении.

Своего рода неизбежное для нашего Института мозга человека направление - исследование высших функций мозга: внимания, памяти, мышлени я, речи, эмоций, творчества. Этими проблемами занимаются несколько лабораторий, в том числе та, которой руковожу я, лаборатория академика Н.П. Бехтеревой, лаборатория доктора биологических наук лауреата Государственной премии СССР Ю.Д.Кропотова. Эти фундаментальные исследования - одна из основных теор етических линий ИМЧ. Присущие только человеку или особенно ярко проявляющиеся у человека функции мозга исследуются с помощью различных подходов: «обычная» электроэнцефалограмма, но на новом уровне картирования мозга, вызванные потенциал ы также на новом уровне, регистрация этих процессов совместно с импульсной активностью нейрон ов при непосредственном контакте с мозговой тканью в условиях лечебно-диагностического применения имплантированных электродов и, наконец, техника позитронно-эмиссионной томографии.

Работы академика Н.П.Бехтеревой в этой области достаточно широко освещались в научной и научно-популярной печати. Она начала планомерное исследование мозгового обеспечения психи ческих явлений еще тогда, когда подавляющее большинство ученых считало это практически невозможным, то есть «можно, конечно», но только в принципе, в далеком будущем, на другой технике. Как хорошо, что хотя бы в науке истина не зависит от позиции большинства, которое, кстати, теперь говорит, что эти исследования необходимы, приоритетны и т.д.!

Хотел бы отметить некоторые интересные результаты, не наиважнейшие, а те, о которых хочется упомянуть в рамках статьи. Детектор ошибок. Каждый из нас сталкивался с его работой. Вы уходите из дома, и уже на улице Вас начинает терзать странное чувство: «Что то не так.» Вы возвращаетесь - так и есть, забыли выключить свет в ванной. То есть вы пропустили стереотипное действие, и в мозге сразу включается контрольный механизм. Этот механизм был найден в середине шестидесятых, описан Н.П.Бехтеревой и сотрудниками в литературе, в том числе и западной. В начале девяностых была обнаружена детекция ошибок не только в глубоких структурах, но и в коре. В исследованиях нейрон ных механизмов детекции ошибок в процессе мыслительной деятельности статистически достоверно подтверждено отличие реакции ограниченного количества нейрон ных популяций теменной коры правого полушария (поле 7) и роландовой борозды (поле 1- 4) в виде фазического увеличения частоты разрядов только в пробах с ошибочным выполнением задачи. В верхнетеменной коре обнаружены две нейрон ные популяции, в которых селективные реакции на ошибочное выполнение теста наблюдали только во время извлечения из краткосрочной памяти. В одной нейрон ной популяции, в перироландовой коре, такого рода реакции обнаружены только во время запоминания, а в другой, в теменно-височной области, эти реакции обнаруживались и во время запоминания, и во время извлечения из краткосрочной памяти при ошибочном выполнении теста.

В исследованиях мозга человека посредством интрацеребральных электродов были достоверно обнаружены популяции нейрон ов, избирательно реагирующие на ошибочную классификацию предъявляемых образов - «детект оры ошибок». На представленных постстимульных гистограммах (паттернах текущей частоты) разрядов можно видеть достоверные различия в поведении такой нейрон ной популяции (граница putamen и globus pallidum) при различной реакции на стимулы. М1 - правильная класификация; М2 - отсутствие классификации (неопознание); М3 - ошибочная классификация. По оси ординат гистограмм - относительные отклонения от средней частоты разрядов в фоне. По оси абсцисс - время (бины размечены точками на нижележащей линии, каждая точка - 100мс). Зеленый пунктир - моменты предъявления изображения, сигнала начала ответа, сигнала окончания ответа испытуемого. Красные линии - индикаторы статистически значим ого различия частоты нейрон ных разрядов в соответствующих бинах: под гистограммами - от частоты в фоне; на линиях, отмеченных М12, М13, М23, - между соответствующими типами реакций. Длина красной линии соответствует уровню достоверности.

Сейчас детект ор ошибок «вновь открыт» на Западе людьми, знающими работы наших ученых, но не гнушающимися прямым, скажем, заимствованием у «those russians». Он даже назван был именно так, как в работах Н.П.Бехтеревой. Вообще, кстати, исчезновение великой державы, мягко говоря, изменило отношение к нам. Случаев прямого плагиата стало больше.

Исследование по так называемому микрокартированию мозга. В наших исследованиях были обнаружены микрокорреляты различных видов деятельности. Микро- здесь значит на уровне отдельных групп клеток. Мы нашли даже такие неожиданные механизмы, как детект ор грамматической правильности осмысл енной фразы. Например, «голубая лента» и «голубой лента». Смысл понятен в обоих случаях. Но есть одна маленькая, но гордая группа нейрон ов, которая «взвивается», когда грамматика нарушена и сигнализирует об этом мозгу. Зачем это нужно? Вероятно, затем, что понимание речи часто идет именно при анализе грамматики (вспомним «глокую куздру» академика Щербы), и, если с грамматикой что-то не так, надо проводить добавочный анализ.

При микрокартировании мозга человека посредством интрацеребральных электродов были обнаружены корреляты различных видов деятельности на уровне отдельных групп клеток (микрокорреляты). На постстимульных гистограммах (паттернах текущей частоты) разрядов в этом случае видно достоверные различия в поведении нейрон ной популяции в поле 1-4 коры левого полушария у одного из пациентов при сравнении реакции на грамматически правильную и грамматически неправильную фразу (разность 1-2). По оси ординат гистограмм - относительные отклонения от средней частоты разрядов в фоне. По оси абсцисс - время (бины размечены точками на нижележащей линии, каждая точка - 100мс). Зеленый пунктир - моменты предъявления изображения, сигнала начала ответа, сигнала окончания ответа испытуемого. Красные линии - индикаторы статистически значим ого различия частоты нейрон ных разрядов в соответствующих бинах: под гистограммами - от частоты в фоне; на линиях, отмеченных 1-2, 1-3, 1-4, 2-3, 2-4, 3- 4, - между соответствующими типами реакций. Длина красной линии соответствует уровню достоверности.

Найдены корелляты разницы между конкретными и абстрактными словами, счета. В дополнение к широко распространен-ной точке зрения о локализации центров счета и арифметических операций в коре головного мозга человека показано, что определенные нейрон ные популяции в подкорковых структурах играют важную роль в мозговых механизмах обеспечения процессов переработки цифр. При этом в подкорковых структурах так же, как и в коре головного мозга человека, существуют нейрон ные популяции, селектив-но обеспечивающие различные этапы процессов переработки цифр: такие как восприятие физических характеристик предъявляемой информации, собственно операции счета и арифметические операции, называние цифр, подготовка будущего моторного ответа. Полученные данные подтверждают теор ию мозгового обеспечения психи ческой деятельности корково-подкорковой системой со звеньями различной степени жесткости.

Показаны различия в работе нейрон ов при восприятии слова родного языка (чашка), квазислова родного языка (чохна) и слова иностранного (вахт - время по азербайджански). Это означает, что нейрон ная популяция (совместно со всем мозгом, конечно) практически мгновенно анализирует фонетическую(?) сруктуру слова и относит ее к типам: понимаю, не понимаю, но что-то знакомое и явно не понимаю.

Обнаружено различное вовлечение в обеспечение деятельнос-ти нейрон ов коры и глубоких структур. В глубоких структурах в основном наблюдается увеличение частоты разрядов не очень специфичное относительно зоны. Как если бы каждую задачу решают всем миром. Совершенно другая картина в коре. Высокая локальная специфичность ответов. Нейрон говорит: «А ну-ка, ребята, помолчите, это мое дело, и я буду его решать сам». И действительно, все нейрон ы, кроме некоторых, понижают частоту импульсации, а только избранные мозгом для данной деятельности ее повышают.

Применение методов регистрации взаимодополняющих физиологических показателей при одинаковой структуре теста позволяет видеть локализацию, временную структуру и характеристики пространственного взаимодействия процессов развития эмоциональных реакций в мозге человека. Слева вверху - вызванные потенциал ы (ВП) в тестах с предъявлением положительных и отрицательных оценок деятельности в различных структурах височной доли мозга человека, зарегистрированные посредством интрацеребральных электродов. Усредненные потенциал ы семи пациентов. Красная линия – средние ВП на предъявление оценок "5". Голубая линия – средние ВП на предъявление оценок "2". Заштрихованные области – области статистически достоверных различий между ВП на предъявление положительных и отрицательных оценок. Наиболее ранние достоверные различия в реакции на эмоционально положительные и эмоционально отрицательные стимулы обнаруживаются в височной коре и миндалине. Справа вверху - пространственные различия возрастания локального мозгового кровотока при выполнении серии проб, в которых испытуемые получали 90% положительных оценок и серии проб, где испытуемые получали 90% отрицательных оценок.

Одним из основных направлений работы лаборатории является исследование механизмов мозгового обеспечения эмоций. С помощью анализа вызванных потенциал ов, зарегистрированных из имплантированных электродов и со скальпа, с помощью анализа результатов ПЭТ показано участие ряда образований коры и подкорки в обеспечении запуска эмоций, развития положительных и отрицательных эмоций. На рисунке продемонстрирована сложная система связей между корковыми структурами, возникающая при обеспечении эмоций.

В настоящее время под руководством Н.П.Бехтеревой организованы исследования мозгового обеспечения творчества, то есть деятельности, результатом которой не являются механические или заранее запрограммированные действия с информацией, предъяв-ляемой в задании. Поясним на примере задания, похожего на то, которое нами реально использовалось в исследовании. Если испытуе-мому предъявить слова: “я, вечер, выходить, сад, дышать, свежий, воздух” и попросить составить из них рассказ, то его содержание очевидно. А если то же задание, но слова: “я, вечер, экзистециализм, электрон, утка, радар, балет, кабан?” Попробуйте связать их в историю. В настоящее время нельзя еще говорить о законченности этого исследования, но можно сказать, что удалось обнаружить корреляты творческой деятельности и в ЭЭГ, и в мозговом кровотоке, исследуе-мом с помощью ПЭТ. А ведь это значит, что удалось подсмотреть организацию, может быть, самой человеческой из известных деятельностей.

Исследование мозговой организации творческого мышлени я. При сравнении физиологических процессов мозга, зарегистрированных в процессе составления испытуемыми рассказа из слов разных семантических полей (задание с выраженными элементами творчества) и в процессе восстановления связного текста с изменением словоформ (такие элементы отсутствуют), выявлены достоверные локализованные различия. В левой части представлены различия характеристик межзональных связей ЭЭГ по оценкам межзональных кросскорреляционных функций.

Средние данные по группе испытуемых. Связи отображены линиями, соединяющими места размещения соответствующих электродов. Красный цвет соответствует усилению связей, голубой - уменьшению. Толщина линий отражает уровень статистической достоверности различий связей. Достоверные различия обнаруживаются главным образом в межполушарных связях. Наиболее выражен эффект творческих элементов задания в возрастании связей левой передневисочной зоны, охватывая и другие зоны передней доли мозга. При этом связи передневисочной и переднелобной зон правого полушария усиливаются с передними зонами коры и ослабляются с задними. Ослабляются также связи теменных и затылочных структур коры между собой. В правой части показаны различия в возрастании локального мозгового кровотока при выполнении таких же заданий испытуемыми. Средние данные по группе испытуемых. Сверху - левое полушарие, Внизу - правое. Электродное картрирование активности мозга хорошо демонстрирует, что одно из полушарий у человека вовсе не молчит, как утверждают некоторые "ученые"-мист ики, а активно наравне с противоположным.

Вообще, благодаря технике позитронно-эмиссионнной томографии (или сокращенно ПЭТ), стало возможно детальное изучение одновремено всех областей мозга, отвечающих за сложные “человеческие” функции мозга. Суть метода состоит в том, что малое количество изотопа вводят в вещество, участвующее в химических превращениях внутри клеток мозга, а затем наблюдают, как меняется распределение этого вещества в интересующей нас области мозга. Если к этой области усиливается приток глюкозы с радиоактивной меткой - значит, увеличился обмен веществ, что говорит об усиленной работе нервных клеток на этом участке мозга.

А теперь представьте, что человек выполняет какое-то сложное задание, требующее от него знания правил орфографии или логического мышлени я. При этом у него наиболее активно работают нервные клетки в области мозга, “ответственной” именно за эти навыки. Усиление работы нервных клеток можно зарегистрировать с помощью ПЭТ косвенно, по увеличению локального кровотока в активированной зоне. (Более ста лет назад было показано, что усиленная работа нервных клеток приводит к увеличению локального мозгового кровотока в этой области.)

Таким образом, удалось определить, какие области мозга “отвечают” за синтаксис, орфографию, смысл речи и за решение других задач. Мы предъявляем испытуемым различным образом организованные задания, при выполнении которых необходимо «задействовать» определенные свойства речи. Например, отдельные слова, предложения, связный текст. Сравнивая ПЭТ изображения, получаемые при этой деятельности, мы можем определить, где в мозге происходит обработка отдельного слова, где синтаксиса, а где смысл а текста. Видны зоны, активирующиеся при предъявлении слов, неважно, надо ли было их читать или нет. Зоны, отвечающие за смысл текста, и другие. Интересно, и это будет рассмотрено ниже, что удалось обнаружить зоны, активирующиеся, чтобы «ничего не делать».

В исследованиях мозговых механизмов восприятия речи по результатам ПЭТ исследования с использованием локального кровотока обнаружено, что при чтении текста основные изменения происходят в области левой височной доли (38, 22, 43, 41, 42, 40 и 38 поля), 3, 4, 6, 44, 45, и 46 полей и справа в области 22, 41, 42, 38, 1, 3, и 6 полей. Сопоставление с данными других исследователей позволяет соотносить некоторые из этих результатов с процессами запоминания, чтения слов, понимания смысл а. Появилась возможность выделить области, связанные с восприятием смысл а и запоминанием текста, от областей, которые связаны с обработкой отдельных слов. Эти результаты коррелируют с полученными ранее с помощью анализа нейрон ной активности. Были также подтверждены результаты, полученные при исследовании нейрон ной активности, о вовлечении в обеспечение речи, наряду с классическими зонами, участков мозга, расположенных в других областях. При исследовании мозгового обеспечения речи картированы области коры мозга человека, участвующие в обеспечении различных стадий анализа орфографиче-ских и синтаксических характеристик. Показано, что медиальная экстрастриарная кора вовлечена в обработку орфографической струк-туры слов; значительная часть левой верхневисочной коры (зона Вернике) наиболее вероятно участвует в произвольном семантическом анализе, и менее вероятно - обработке синтаксической структуры; нижняя лобная кора левого полушария является звеном системы вербального семантического анализа, ее возможное участие в синтаксической обработке ограничено обработкой словоформ и функциональных слов, но не порядка их следования в предложении; в определение синтаксической структуры фразы на основе анализа порядка следования слов вовлечена передняя часть верхневисочной коры. На основе анализа мозгового кровотока удалось показать, что, когда человеку предъявляется связный текст даже без необходимости его читать,- задание было считать появления определенной буквы - мозг тем не менее существенно, более интенсивно вовлекается в обработку лингвистических характеристик стимулов, что выражается в активации определенных зон, чем при предъявлении с тем же заданием тех же слов, но несвязанных, перемешанных в случайном порядке.

Мозговая система непроизвольной синтаксической обработки. Проекции на латерал ьные поверхности полушарий мозга областей активации (p < 0,01), полученных в условиях поиска буквы в связном тексте, предъявляемого бегущей строкой, в сравнении с аналогичной задачей при предъявлении синтаксически

Активация мозга в условиях обработки текста. Области локального повышения функциональной активности нервной ткани, полученные в условиях задачи на понимание читаемого текста, по сравнению с задачей поиска буквы в бессмысл енной буквенной последовательности. Показаны проекции зон значим ых (p < 0,0001) активаций на три ортогональных плоскости (вид справа, сзади и сверху, соответственно, в верхнем ряду справа и слева, в нижнем ряду - слева). Внизу справа показаны проекции кортикальных латерал ьных активций в левом полушарии на реконструированную поверхность левого полушария «стандартного» мозга.

Активации мозга в покое. Области повышенной функциональной активности (p < 0,0001) в состоянии спокойного бодрствования с закрытыми глазами по сравнению с прослушиванием связного текста. Для примера показаны два горизонтальных ПЭТ- «среза» на уровнях, обозначенных красными линиями на схеме «стандартного» мозга в стереотаксической системе координат.

Очень важна проблема мозгового обеспечения внимания у человека. Ею в нашем институте занимается и моя лаборатория, и лаборатория Ю.Д.Кропотова. Исследования ведутся совместно с коллективом ученых под руководством финского профессора Р.Наатанена, который открыл электрофизиологические корреляты так называемого механизма непроизвольного внимания. Чтобы понять, о чем идет речь, представьте ситуацию: охотник крадется по лесу, выслеживая добычу. Но он и сам является добычей для хищного зверя, которого не замечает, потому что настроен только на поиск оленя или зайца. И вдруг случайный треск в кустах, может быть, и не очень заметный среди птичьего щебета и шума ручья, мгновенно переключает его внимание, подает сигнал: “рядом опасность”. Механизм непроизвольного внимания сформировался у человека в глубокой древности как охранный механизм, но работает и сейчас: например, человек ведет машину, слушает радио, слышит крики детей, играющих на улице, воспринимает все звуки окружающего мира, внимание его рассеянно, и вдруг тихий стук мотора мгновенно переключает его внимание на машину - он осознает, что с двигателем что-то не в порядке (кстати, это принципиально схожее с детект ором ошибок явление). Такой переключатель внимания работает у каждого человека. Нами обнаружены ПЭТ корелляты этого механизма, а Ю.Д.Кропотовым - электрофизиологические корелляты у больных с имплантированными электродами. Смешное. Мы закончили эту работу перед очень важным и престижным симпозиумом. В спешке. Поехали туда, и там, где у нас двоих были доклады, мы с удивлением и «чувством глубокого удовлетворения» неожиданно заметили, что активация в одних и тех же зонах. Да, иногда двоим сидящим рядом надо поехать в другую страну, чтобы поговорить.

Что же мы получили? Исследованы ПЭТ корреляты неосознанного внимания, т.н. феномена негативности рассогласования - непроизвольное переключение внимания к девиантным акустическим стимулам. Проведены иследования негативности рассогласования при предъявлении как простых слуховых стимулов (тонов), так и более сложных: аккордов и фонем. При всех этих видах стимулов обнаружены сходные корреляты негативности рассогласования. Первый паттерн активаций расположен в верхневисочных отделах (слуховой коре) обоих полушарий, что указывает на реакцию на изменение тональности, даже незначительную, причем более выраженная активация височной коры имеет место, когда девиантные стимулы перемешаны со стандартными, чем при предъявлении только девиантных стимулов. Более выраженная активация присутствовала в правом полушарии, что соотвествует предшествующим электрофизиологическим данным. Второй паттерн - активации лобной доли, причем они присутствовали как при стимуляции только девиантными, так при сочетании стандартных и девиантных стимулов. В лобной доле имелись фокусы префронтальной активации, что тоже соотвествует предшествующим электрофизиологическим данным, а также в области средней и верхней лобной извилин. Также отмечались активации передних отделов поясной извилины и билатерал ьные активации задних теменных областей (правосторонняя теменная активация была описана при магнитоэнцефалографии). Активации лобной доли, скорее всего, лежат в основе сознательной уверенности субъекта в изменении стимула, который уже был неосознанно выделен слуховой корой обоих полушарий. Такая роль лобной доли как структуры, обеспечивающей переключение внимания, подтверждается выраженными паттернами активаций, которые вызываются девиантными тонами, когда их предъявляют в чистом виде с относительно длинными, нерегулярными интервалами, что известно из предыдущих исследований. Активации передних отделов поясной извилины и теменной коры могут включаться в мозговые механизмы переключения внимания. Дополнительно была выявлена активация коры островка Рейли, что не было известно по предыдущим электро- и магнитоэнцефалографическим исследованиям, но подобные активации были получены и по результатам прямой регистрации через вживленные электроды вызванных потенциал ов с этих структур в лаборатории программирования действий ИМЧ РАН. Роль этой структуры в обеспечении процессов внимания в настоящее время неизвестна и подлежит дальнейшему изучению. Таким образом, были выявлены паттерны мозговых активаций, проливающие свет на механизмы, с помощью которых девиантные слуховые стимулы вызывают непроизвольное переключение внимания.

Если механизмы внимания нарушаются, то можно говорить о болезни. В лаборатории Ю.Д. Кропотова изучают детей с так называемым дефицитом внимания и гиперактивностью. Это трудные дети, чаще мальчики, которые не могут сосредоточиться на уроке, их часто ругают дома и в школе, а на самом деле их нужно лечить, потому что у них нарушены некоторые определенные механизмы работы мозга. Еще недавно это явление не рассматривалось как болезнь, и лучшим методом борьбы с ним считались «силовые» методы. Мы сейчас можем не только определить наличие этого заболевания, но и предложить лечение таких трудных детей.

Синдром дефицита внимания характеризуется тремя компонентами: 1) невнимательностью - невозможностью в течение длительного времени концентрироваться на одном каком-либо деле; 2) импульсивностью - невозможностью задержать ответную реакцию на изменения в окружающей среде с целью более внимательного анализа этих изменений; 3) патологической отвлекаемостью - чрезмерной ориентировочной реакцией на любой внешний раздражитель, не имеющий отношения к заданию. Очень часто эти нарушения сопровождаются гиперактивностью, т.е. таким состоянием, когда общая двигательная и речевая активность значительно превышает таковую в норме. Он отмечается у 5-10% школьников. Это нарушение поведения не позволяет детям, страдающим этим заболеванием, адаптироваться в школе и семье, оно вызывает негативные реакции у родителей, учителей и даже сверстников, влечет за собой плохую успеваемость и очень часто в конечном счете приводит к алкоголизму, наркомании и другим антисоциальным проявлениям. Именно из-за этих последствий, синдром дефицита внимания находится под пристальным вниманием у медиков, учителей и ученых в США, Японии и западной Европе. В этих странах значительные средства из бюджета и частного капитала тратятся на профилактику, диагностику и лечение этого заболевания. Начиная с 1995 года лаборатория нейробиологии программирования действий Института мозга человека РАН включила в план своей научной работы исследования электрофизиологических коррелят дефицита внимания с целью использования их для объективной диагностики этого заболевания.

Однако хочется огорчить некоторый молодых читателей. Далеко не каждая шалость связана с этим заболеванием, и тогда. . . «силовые»методы оправданы.

Человек, живя в сложном и постоянно меняющемся мире, обладает огромным репертуаром программ действий, которые он способен выполнять в различных ситуациях. Эти действия охватывают простые и сложные перцептивные функции (такие как оценка цвета или формы зрительного изображения), различные мыслительные операции (такие как арифметический счет или игра в шахматы), целенаправленные двигательные акты (такие как поворот головы в нужном направлении и передвижение шахматной фигурки). В каждый момент времени человек выбирает (селектирует) из всего этого огромного набора программ действий только те, которые наиболее адекватн ы в данной ситуации. Мозговые процессы, ответственные за этот выбор, обычно объединяются под названием процессы управления (в широком смысл е) или селективное внимание и двигательная установка (в узком смысл е). В исследованиях лаборатории Кропотова показано, что механизмы центрального контроля разделяются на процессы вовлечения в необходимое действие (инициация, селекция сенсорно-двигательно-когнитивного акта) и процессы подавления ненужного действия. Эти два механизма связаны с прямым и обратным путями в цепях, соединяющих кору, базальные ганглии, таламус и кору в сложную петлю обратной связи. Показано, что процессы вовлечения и подавления обнаруживаются в положительных компонентах вызванных потенциал ов, регистрируемых с поверхности кожи головы, причем у детей с синдромом нарушения внимания и гиперактивностью компоненты вовлечения и подавления значим о уменьшены по амплитуде. На основе результатов этих исследований можно предположить, что у детей с синдромом дефицита внимания и гиперактивностью механизмы вовлечения и подавления действий нарушены вследствие гипофункции базальных ганглий.

Почему это важно сейчас? Потому, что появился объективный критерий для диагностики этого синдрома и контроля за его лечением. Как оказалось в ходе мночисленных исследований, в некоторых случаях лечить надо не детей (у них-то как раз все в порядке с мозгом), а их родителей, которые предъявляют слишком высокие требования к своим чадам. Применение нового метода диагностики позволило не только правильно поставить диагноз, но и проследить, насколько тот или иной метод эффективен для лечения заболевания.

Кроме того в лаборатории предложен новый метод лечения, основанный на феномене биологической обратной связи, когда рассогласование между теми биопотенциал ами, которые должны быть в норме, и теми, которые реально есть, выводится в той или иной форме на монитор, и пациент пытается «тренировать» свой мозг так, чтобы максимально приблизиться к норме. Как ни странно это описание звучит, но этот метод приносит неплохие результаты и, что особенно важно, в отличие от медикаментозной терапии абсолютно безвреден. В лаборатории Ю.Д. Кропотова также пытаются найти другие эффективные методы лечения. Используются методы активизации метаболической активности мозга: метод микрополяризации и электростимуляции мозга через накожные электроды, а также методы фитотерапии.

Прямые и непрямые пути в корково-подкорково-корковых взаимодействиях (слева), перестимульные гистограммы (PSTH) и таламические вызванные потенциал ы (ERPs) в ответ на стимулы, требующие вовлечения в действие (GO) и подавление подготовленного действия (NOGO) (справа). “Включение” прямого пути приводит к активизации таламических нейрон ов и позитивной волне в вызванных потенциал ах. “Включение” непрямого пути приводит к торможению таламических неронов и негативной волне в вызванных потенциал ах. AC - ассоциативная кора, Cd - хвостатое ядро, GPi и GPe - внутренний и внешний членики бледного шара, Th - таламус.

Проведенные психофизиологические исследования с регистрацией вызванных потенциал ов мозга показали наличие нескольких подгрупп больных с поставленным диагнозом нарушения внимания, относящихся к нарушению различных функций внимания у человека, причем каждая из этих подгрупп требует своих адекватн ых методов лечения. То, что может давать хорошие результаты у детей с доминирующим нарушением процессов вовлечения в деятельность, не работает у детей с доминирующим нарушением процессов торможения и наоборот. Вот почему важно наличие целого спектра методик лечения синдрома нарушения внимания. Вылечивая таких детей, мы вносим свой вклад в дело профилактики наркомании и алкоголизма, поскольку именно эти дети входят в группу риска по этим порокам. Как показывает зарубежная статистика, вероятность стать наркоманом или алкоголиком у таких детей на порядок выше, чем у нормальных детишек. Дети без “тормозов” легко вовлекаются в преступные компании, начинают стимулировать себя наркотиками и алкоголем. Заметим в скобках, что на западе для лечения детей с нарушением внимания используются психостимуляторы (такие как Ритлин), механизм действия которых сходен с действием кокаина. Поэтому в США в шутку говорят о двух наркомафиях: колумбийской и фармацевтической. Мы в России в нашем Институте пытаемся найти другие альтернативные способы лечения. И нам это удается!

Кроме непроизвольного внимания есть еще и селективное. Так называемое внимание на коктейль приеме. Все говорят разом, а вы следите только за собеседником, подавляя неинтересную вам болтовню соседа справа. Похожая ситуация изображена на рисунке. В оба уха расказывают истории. Разные. В первом случае следим за историей в правом ухе, а во втром - в левом. Видно, как меняется активация областей мозга. Заметим, кстати, что активация на историю в правое ухо значительно меньше. Почему? А потому, что большинство людей берут телефон в правую руку и прикладывают его к правому уху. Поэтому следить за историей в правом ухе проще.

Латерализация мозгового обеспечения селективного внимания. Слева внимание на левое ухо, справа естественно на правое. Видно, что активированы различные зоны.

Сравнение слухового и зрительного селективного внимания. В задании на левостороннее слуховое селективное внимание по сравнению со зрительным вниманием при дихотическом прослушивании и одновременном зрительном предъявлении различных текстов также определяется активация слуховой коры противоположного полушария, что, как и на предыдущем рисунке, отражает селективную настройку слуховой коры, не зависящую от вида и сложности предъявляемых стимулов. Процесс же подавления обработки иррелевантных, но значим ых зрительных стимулов при слуховом внимании вызывает выраженные активации зрительной коры (затылок).

Показано, что слуховое селективное внимание при бинауральной стимуляции избирательно активирует области височной коры, специфичные для слухового предъявления сигналов. Эти результаты согласуются с мировыми данными, подтверждая, что и степень выраженности этой полушарной латерал изации также зависит от направления внимания. Наши данные указывают, что этот эффект латерал изации (односторонности) сконцентрирован в первичной слуховой коре, причем селективное внимание к латерал изованным звукам усиливает активность слуховой коры преимущественно в первичных слуховых зонах контрлатерал ьно направлению подачи стимулов. То есть слуховая кора селективно настраивается в соответствии с направлением внимания, что обычно не определяется при экстракраниальной регистрации электрической или магнитной активности мозга. Наиболее вероятно, что имеющая место полушарная латерал изация активации слуховой коры, ассоциирующаяся с пространственно сфокусированным слуховым вниманием, вызвана подготовительной настройкой на внимание левой и правой слуховой коры в соотвествии с направлением внимания, предшествующей предъявлению стимулов и происходящей при фокусировке пространственого внимания. Префронтальная кора представляется вовлеченной в контроль за вниманием, т.к. в ряде работ в ней было выявлено усиление локального мозгового кровотока и усиление электрической активности. В наших исследованиях усиление префронтальной активности, особенно в ее дорзолатерал ьном отделе, ассоциируется с контролем настройки внимания правой и левой слуховой коры, причем большая выраженность активаций в лобной области при слуховом по сравнению со зрительным селективным вниманием вызвана, скорее всего, большим когнитивным усилием для выполнения слуховой дискриминации, когда внимание должно было быть направлено на один из двух конкурирующих потоков стимулов, тогда как выполнение задания на зрительное внимание не требовало внутримодального селективного внимания. Таким образом, было показано: слуховая кора селективно настраивается в соотвествии с направлением внимания. Эта настройка контролируется префронтальным исполнительным механизмом, что проявляется усилением префронтальной активности при слуховом селективном внимании.

А что будет, если еще и на мониторе третий текст, а следить нужно за слуховым или за текстом на мониторе. Мы упоминали о зонах, активированных, чтобы не делать что-то. Вспомните знаменитое «не думай о белой обезьяне». Оказалось, что если предъявлять одновременно три рассказа: один в одно ухо, один в другое и один на мониторе, и просить следить за одним (селективное внимание), то появляющиеся активации не так просто объяснить. Казалось бы, при внимании к зрительно предъявляемому рассказу должны сильнее активироваться затылочные (зрительные) отделы коры, а при внимании к рассказу, предъявляемому в ухо, височная (слуховая) кора. Так нет! При слуховом внимании активированы область клина и предклинья, то есть ассоциативная зрительная кора. Почему? Мы еще точно не можем ответить, но очень вероятным представляется, что значим ая и адекватн ая, зрительно предъявляемая информация все равно анализируется мозгом и она проходит различные структуры, сравнивается с содержимым памяти и возвращается обратно в область клина с вердиктом: «Да, это осмысл енная и значим ая информация, и она означает то-то и то-то”. Но задание-то другое, эта информация не просто не нужна, наоборот, она вредна, она мешает. И наблюдаемая активация и отражает работу в «нештатном» режиме, когда “нельзя думать о белой обезьяне”.

Другое исследование на ПЭТ, имеющее выход в клинику. Есть такое понятие как тревожность. В общем из названия можно понять, что это такое. Каждый человек характеризуется в какой-то момент определенным ее уровнем, определяемым с помощью специального и довольно простого опросника. Условно можно разбить опрашиваемых на три группы: высокий уровень, средний и низкий. Какими структурами мозга определяется этот уровень? Оказалось, что не одной структурой, а целым набором. Именно их согласованное состояние и определяет уровень тревожности. При этом логично было бы предположить, что чем выше тревожность, тем больше (или меньше) активация структуры. Оказалось, что все сложнее и интереснее. Действительно, в одной области уровень активации линейно коррелирует с уровнем тревожности. Зато в парагиппокампальной извилине слева активация минимальна при среднем уровне тревожности, а при его повышении или понижении она возрастает. Таким образом, налицо система из большого числа структур, причем каждое звено играет свою особую роль.

Отдельно хочу сказать о методе электрической стимуляции при восстановлении зрения и слуха. Это, казалось бы, невозможное при почти полной атрофии зрительного или слухового нерва - после серии стимуляций человек начинает видеть или слышать. Теоретическое обоснование этого явления еще далеко от полного понимания, однако показано, что при электростимуляции глаза происходят сложные перестройки в электрической активности всего мозга, то есть включаются сложные компенсаторные процессы, и выделяются различные биологически активные вещества, которые резко стимулируют восстановление поврежденных нервов.

Динамика полей зрения в ходе курса лечения. Расширение полей зрения после курса импульсных модулирующих электрических воздействий на афферентные входы зрительной системы.
	Картирование спектральной мощности электроэнцефалограммы до (А) и после (В) лечения. Появление регулярного альфа-ритма в задних отделах мозга у больного с положительной клинической динамикой зрительных функций.

Здесь хочу рассказать о методе лечения, который называется фантастически: пересадка мозга. Эта операция впервые в нашей стране была сделана в ИМЧ. Суть ее схематически заключается в том, что в мозг пересаживается участок мозга человеческого эмбриона и начинает продуцировать вещества, недостаток которых приводит к болезни, например болезни Паркинсона. Этот чужой кусочек мозга может прижиться потому, что в мозге нет реакции отторжения. Однако оказалось, что не только такая прицельная пересадка мозга, когда чужие клетки берутся из определенных структур мозга эмбриона (полученного при легальном аборте) и вводятся в определенные структуры мозга реципиента, оказывает лечебный эффект. Если «просто» взять и подсадить нервную ткань эмбриона в брюшную стенку, он, конечно, не приживется, однако содержащиеся в нем активные вещества оказывают чрезвычайно стимулирующее действие на организм человека, и такое лечение помогает при эпилепсии, коматозном состоянии и т.п.

Эта задача связана с тем, что мозг человека находится в его теле. Нельзя понять его работу, не рассматривая все богатство взаимодействия мозговых систем с различными системами всего организма. Иногда это очевидно: выброс в кровь адреналина заставляет мозг перейти на новый режим работы. В здоровом теле - здоровый дух - это именно о взаимодействии тела и мозга. Однако далеко не все здесь понятно. Это взаимодействие, безусловно, важно исследовать.

Сегодня можно сказать, что многое известно о том, как работает одна нервная клетка, многие белые пятна насыщены смысл ом на карте мозга, определены области, отвечающие за многие психи ческие функции. Но между клеткой и областью мозга находится еще один, очень важный уровень - совокупность нервных клеток, ансамбль нейрон ов. Здесь пока еще много неясного. С помощью ПЭТ мы можем проследить, какие области мозга “включаются” при выполнении тех или иных задач, а вот что происходит внутри этих областей, какие сигналы посылают друг другу нервные клетки, в какой последовательности, как они взаимодействуют между собой, об этом мы пока знаем мало. Хотя определенный прогресс есть и в этом направлении. Здесь микрокартирование позволило расшифровать, какие физиологические процессы происходят в нижне-задних отделах лобной доли, по ПЭТ данным связанным с обеспечением семантики.

Раньше считали, что мозг поделен на четко разграниченные участки, каждый из которых “отвечает” за свою функцию, - это зона сгибания мизинца, а это зона любви к родителям. Эти выводы основывались на простых наблюдениях: если данный участок поврежден, то нарушена и связанная с ним функция. Со временем стало ясно, что все более сложно: нейрон ы внутри разных зон взаимодействуют между собой весьма сложным путем, и нельзя осуществлять везде четкую “привязку” функции к области мозга в том, что касается обеспечения высших функций. Можно только сказать, что эта область имеет отношение к речи, к памяти, к эмоциям. А сказать, что этот нейрон ный ансамбль мозга (не кусочек, а сеть, распределенная), и только он отвечает за восприятие букв, и в нем происходит то и то (определенно на уровне клеток), а этот - слов и предложений, задача будущего.

Обеспечение мозгом высших видов деятельности похоже на вспышку салюта: мы видим сначала множество огней, а потом они начинают гаснуть и снова загораться, перемигиваясь между собою, какие-то кусочки остаются темными, другие вспыхивают. Так же и сигнал возбуждения посылается в определенную область мозга, но деятельность нервных клеток внутри нее подчиняется своим особым ритмам, своей иерархии. В связи с этими особенностями разрушение одних нервных клеток может оказаться невосполнимой потерей для мозга, а другие вполне могут заменить соседние, “переучившиеся” нейрон ы. Каждый нейрон должен рассматриваться обязательно внутри всего скопления нервных клеток. Сейчас основная задача - расшифровка нервного кода, то есть понимание того, как конкретно обеспечиваются высшие функции. Скорее всего это можно будет сделать через исследование кооперативных эффектов в мозге, взаимодействия его элементов. Исследование того, как отдельные нейрон ы объединяются в структуру, а структура в систему и в целостный мозг. Это главная задача следующего века.

Лаборатория функциональных состояний, которой руководит профессор, лауреат Государственной премии СССР В.А.Илюхина, ведет разработки в области нейрофизиологии функциональных состояний головного мозга. Что это такое? Каждый знает, что одно и то же воздействие, одна и та же фраза иногда диаметрально противоположно воспринимается человеком в зависимости от того, что называется текущим функциональным состоянием мозга и организма. Это похоже на то, как одна и та же нота, извлекаемая из органа, имеет разный тембр в зависимости от регистра. Наш мозг и организм - сложнейшая многорегистровая система, где роль регистра играет состояние. Практически можно сказать, что весь спектр взаимоотношений человека с окружающей средой во многом определяется его функциональным состоянием. Это касается и того, возможен ли «срыв» человека-оператора за пультом управления сложнейшей машиной и особенностей реакции больного на принимаемое лекарство.

Задачей лаборатории и является исследование функциональных состояний, того, какими параметрами они определяются, как эти параметры и сами состояния зависят от состояния регуляторных систем организма, как внешние и внутренние воздействия изменяют состояния, иногда вызывая болезнь, и как в свою очередь состояния мозга и организма влияют на течение заболевания и действие лекарственных средств. Показано, что, как и реакция целостного организма, реакции отдельных структур модулируются, зависят от их состояния или, по терминологии автора, от уровня относительно стабильного функционирования (УОСФ). На основе этих исследований сформулированы представления о иерархическом принципе организации мозговых систем и о роли сверхмедленных процессов как управляющих состоянием мозговых структур. Обнаружено, что пространственное распределение УОСФ на больших территориях мозга и удержание относительной устойчивости состояния мозга обусловлено реципрокным уравновешиванием уровней относительно стабильного функционирования зон мозговых структур. Этот феномен работает таким образом, чтобы сохранить без существенных изменений текущее состояние структуры и ряда функционально связанных структур при возможности его локальных изменений в отдельных зонах. В количественном выражении УОСФ определяется по знаку, величине, времени устойчивости значений одного из видов сверхмед-ленных физиологических процессов - устойчивого потенциал а милливольтового диапазона (омега-потенциал а). В условиях длительных многодневных и многомесячных исследований было обнаружено, что УОСФ определяет амплитудно-временные характеристики спонтанной мультиклеточной импульсной активности нейрон ов (мощность импульсного потока), тип ЭСКоГ или ЭКоГ, амплитудно-временные характеристики сверхмедленных колебаний потенциал ов в диапазоне от 0,05 до 0,5 колебаний в секунду (дзета-, тау-, эпсилон-волны), регистрируемых одновременно в тех же зонах мозговых структур. Спонтанное или вызванное изменение состояния и физиологической активности зон мозговых образований отражалось в вариативности разных видов нейродинамики, что позволяло наблюдать сложноорганизованные пространственно-временные преобразования параллельно протекающих с разными скоростями нейрофизиологических процессов, их соподчиненность и относительную независимость, то есть реально наблюдать динамическую работу этой сложной иерархической системы.

При выполнении экстренных стереотипных видов деятель-ности (активация внимания, готовность к действию, мобилизация краткосрочной памяти) мозговые системы их обеспечения формируют-ся из потенциал ьно физиологически активных звеньев, т.е. готовых в конкретных условиях проявить эту активность. При этом, в зависимости от структуры деятельности, физиологическая активность звеньев систем развертывается в определенной временной последова-тельности с возможным появлением реакции сначала в динамике импульсной активности нейрон ов и ранних фазах вызванных потенциал ов (ВП). Далее, отставлено во времени (латентный период - десятки и сотни мсек) могут возникать изменения поздних компонен-тов ВП, слабых по интенсивности (амплитудой десятки мкВ) сверхмедленных физиологических процессов секундного диапазона (СNV, типовые фазические изменения дзета-волн). Обнаружено, что звенья системы обеспечения экстренных стереотипных видов деятельности сохраняют физиологическую активность до тех пор, пока в связи с экзогенным или эндогенным воздействием не изменится их текущее состояние (УОСФ). Следует подчеркнуть, что изменение УОСФ зон мозговых структур в этих условиях влечет за собой исчезновение физиологической активности одних звеньев и, наоборот, проявлением физиологической активности других.

Реципрокность изменений в различных зонах и перераспределение их активации, по-видимому, является одним их базовых свойств мозга, определяющих его устойчивость и богатство возможностей и защитные функции. Особенно ярко это проявилось в исследованиях мозгового обеспечения эмоций, проведенных под руководством Н.П.Бехтеревой в восьмидесятые годы. Было обнаружено, что у эмоционально сбалансированного человека при развитии какой либо эмоции определенные сдвиги сверхмедленных физиологических процессов, определяемые по величине и знаку омега-потенциал а в одних структурах, обычно сопровождаются противоположными по знаку изменениями этого показателя в других структурах. Этот механизм предотвращает запредельное развитие какой-то эмоции, сохраняет человека эмоционально уравновешенным и сбалансированным. При его нарушении развиваются тяжелые эмоциональные расстройства именно потому, что не работает механизм, позволяющий сдержать чрезмерное развитие определенной эмоции. В исследованиях импульсной активности (Медведев, Кроль) было показано, что даже при выполнении чрезвычайно монотонной деятельности при попытке полностью стабилизировать работу мозга происходят эндогенные самопроизвольные перестройки в работе его структур. Другими словами, даже при выполнении монотонной стереотипной психи ческой деятельности система ее обеспечения непрерывно реорганизуется. Таким образом, можно сказать, что для выполнения задачи формируется как бы временный трудовой коллектив, который все время меняется, и все его члены, во-первых, тренированы для выполнения различных задач, а, во-вторых, регулярно имеют возможность передохнуть.

При учете особенностей состояний мозга и организма можно правильно делать выбор между альтернативными путями лечения. Интересно определение адаптационных возможностей человека: можно предсказать, насколько устойчив будет данный индивидуум при каком-либо воздействии, стрессе. Оказалось, что некоторые, даже молодые люди, уже исчерпали свои адаптиционные возможности и даже умеренные нагрузки могут вызвать у них патологическую реакцию. Можно выявлять таких людей и вовремя оказывать им корректирующее лечение.

Актуальной задачей занимается лаборатория нейроиммунологии (профессор, д.м.н. И.Д.Столяров). Сейчас известно, что многие нервные болезни связаны с неправильной работой иммунной системы. Нарушения иммунорегуляции часто приводят к возникновению тяжелых заболеваний головного мозга. Нервная и иммунная системы осуществляют свои защитные функции, находясь в тесном взаимодействии. Их объединяют общие принципы организации, общие молекулы-посредники, значим ые для организма в целом регуляторные функции. Обнаруженные закономерности нейроиммунной реакции на чужеродный стимул позволили использовать полученные данные для диагностики и лечения ряда заболеваний головного мозга. Клиницисты и раньше отмечали, что, с одной стороны, разрушение или недоразвитие мозговых стуктур сопровождается иммунодефицитом, с другой стороны, первичные и вторичные иммунодефициты ведут к функциональным нарушениям или заболеваниям головного мозга. В развитии многих хронических болезней нервной системы гораздо большее значение, чем предполагалось, имеют инфекционно-вирусные и далее - иммунопатологические механизмы.

Рассеянный склероз - тяжелое хроническое заболевание головного и спинного мозга, поражающее сравнительно молодых людей 20 - 40 лет. Неясность многих вопросов возникновения и механизмов развития заболевания, трудности диагностики на ранних стадиях развития, разнообразие клинических вариантов течения с быстрой инвалидизацией, отсутствие эффективных методов лечения вывели изучение рассеянного склероза в круг наиболее актуальных задач современной медицины. В лаборатории нейроиммунологии Института мозга человека РАН разработан новый подход, позволяющий одновременно с использованием специфичных иммунологических методов оценки поражения клеток центральной нервной системы применять магнитно-резонансную и позитронно-эмиссионную томографию для визуализации патологического процесса. Принципиальная новизна состоит в том, что данный подход позволяет одновременно оценивать как системные аутоиммунные нарушения при рассеянном склерозе, так и локальные функциональные и морфологические изменения в центральной нервной системе. Комплексное нейроиммунологическое, инструментальное, клиническое обследование пациентов с рассеянным склерозом позволило установить важную роль поражений коры и подкорковых структур в механизмах развития этого заболевания.

Если раньше диагноз «рассеянный склероз» звучал как приговор, то в настоящее время применение современных генноинженерных иммунокорригирующих препаратов позволяет значительно улучшить качество жизни пациента, длительное время сохранять трудоспособность. Для повышения эффективности применения этих препаратов в лаборатории нейроиммунологии были разработаны иммунологические критерии оценки эффективности иммунокорригирующих и генноинженерных лекарственных средств у пациентов с рассеянным склерозом.

Иммунологические механизмы играют роль не только при рассеянном склерозе. Разрушение части мозговой ткани при инсультах также вызывает иммунологические сдвиги. Причем вызванные вторичным иммунодефицитом инфекционные осложнения являются одним из тяжелых, нередко заканчивающимся смертью пациента от этих осложнений инсульта. Исследованиями сотрудников лаборатории нейроиммунологии было показано, что сторона поражения головного мозга при церебральных ишемиях в эксперименте и клинике может определять особенность изменения иммунологической реактивности. А в рамках комплексного развития новых методов лечения и реабилитации постинсультных больных впервые доказано, что применяющиеся теперешними сотрудниками ИМЧ с 1972 года электрические стимуляции структур коры головного мозга при подострых ишемических инсультах сопровождаются нормализацией иммунологических показателей. Своевременно проведенная иммунокорригирующая терапия позволяет существенно снизить тяжесть осложнений или вообще их избежать. Не так давно руководитель этой лаборатории вошел в совет Европейского комитета, занимающегося исследованием и лечением рассеянного склероза.

Вторая половина девятнадцатого и большая часть двадцатого века имели девизом победу над природой. И действительно, человек праздновал одну за другой победу над природой. Он покорял реки и побеждал болезни. Но оказалось, что это были не подчинения природы, а тактическое отступление для перегруппировки ее сил. Сейчас можно привести много примеров, так сказать успешных контратак природы. Это и СПИД, и гепатит С, и многое другое. Природа ответила в частности и тем, что сейчас особенно обострились проблемы, созданные самим человеком, так называемые техногенные. Мы живем в сильных магнитных полях (трамвай, метро, линии электропередач и т.п.), при свете газосветных ламп - мигание 50 герц, часами смотрим на дисплей компьютера - те же герцы, говорим по мобильному телефону и далее. . . Все это далеко не безразлично для человека, и повышенная утомляемость еще не самое страшное. Этими исследованиями занимается лаборатория под руководством д.м.н. Е.Б.Лыскова.

Мы уже не можем жить без телефона, телевизора, без электрического тока и прочих достижений цивилизации. Поэтому необходимы исследования того, как мирно сосуществовать с ними. Например, хорошо известно, что мигающий свет способен вызвать даже эпилептический припадок. Однако удивительно, как самые простые меры могут резко снизить опасность. Противодействие - закройте один глаз, и генерализации не произойдет. Чтобы резко снизить «поражающее действие» радиотелефона - кстати, оно еще точно не доказано, можно просто изменить конструкцию так, чтобы направить антену вниз, и мозг не будет облучаться. Например, в лаборатории показано, что воздействие переменного магнитного поля отрицательно сказывается на обучении. Однако не любого поля, а обладающего определеной частотой и амплитудой. Поэтому именно этих параметров надо стараться избегать. Монитор с частотой развертки 50-60 гц оказывает вредное влияние, особенно если вы сидите близко к нему. Однако, если частоту сделать хотя бы 80 гц, то вредное действие резко уменьшится. Сейчас уже научились выявлять людей группы риска - повышенно чувствительных к техногенным воздействиям. Тем самым объясняя, казалось бы, беспричинные, нервные расстройства. Эта работа проводится в рамках очень тесного международного сотрудничества.

Исследования мозга существенно затруднены сложностью прямого доступа к нему.

При обычной полостной операции рассекается кожа, и практически сразу хирург имеет доступ к интересующему его органу. По окончании операции кожу зашивают и через две - три недели остается только рубец. Мозг закрыт черепом, и для доступа к нему хирургу приходится проводить трепанацию черепа, то есть разрушать какую-то его, иногда не малую, часть. Но это еще не самое страшное. Если поражение находится в глубине мозга, то необходимо до него дойти, раздвигая (и иногда разрушая «по дороге») другие области мозга. Это резко увеличивает травматичность операции и иногда делает ее невозможной, так как этот попутный ущерб может вызвать худшие последствия, чем сама болезнь.

Разрешить это противоречие возможно с применением стереотаксической техники. Стереотаксис - наукоемкая медицинская технология, обеспечивающая возможность малотравматичного, щадящего, прицельного доступа к глубоким структурам головного мозга и дозированное воздействие на них. Стереотаксис вомногом - нейрохирургия будущего, он способен заменить целый ряд “открытых” нейрохирургических вмешательств с широкими костно-пластическими трепанациями на малотравматичные щадящие воздействия.
Современная нейрохирургия использует проверенные временем методики точной локализации поражения в мозге и сегодня это, в первую очередь, осуществляется методами магниторезонансной томографии, разрешение которой перекрывает потребности для определения места хирургического вмешательства. В типичных условиях современной клиники http://госпиталь.укр/нейрохирургия выполняется практически весь спектр нейрохирургической помощи, включая самые современные методы локализации места воздействия.

Суть стереотаксиса: очень точно знать, где в мозге находится структура (мишень), на которую необходимо воздействовать - коагулировать, заморозить, эвакуировать, стимулировать, и через маленькое отверстие в черепе - около сантиметра - ввести тонкий, около двух миллиметров в диаметре, инструмент, который чаще не прокалывает, а как бы раздвигает ткань мозга с минимальным травматическим воздействием. На конце этого инструмента размещен эффектор , который и производит необходимое воздействие. При этом еще исключительно важно точно попасть инструментом в структуру-мишень.

В развитых странах, прежде всего в США, клинический стереотаксис занял достойное место в нейрохирургии. В настоящее время в США насчитывается около 300 нейрохирургов-стереотаксистов, членов Американского стереотаксического общества. Основа стереотаксиса - математика и точные приборы, обеспечивающие прицельное погружение в мозг тонких инструментов. Важную роль в стереотаксисе играют современные методы и приборы интроскопии, которые позволяют “заглянуть” в мозг живого человека. Как указывалось выше, это - позитронно-эмиссионная томография, магнито-резонансная томография, компьютерная рентгеновская томография. “Стереотаксис- мерило методической зрелости нейрохирургии” - мнение ныне покойного нейрохирурга Л.В.Абракова. И, наконец, очень важно для стереотаксического метода лечения знание роли отдельных ядер, «точек» в мозге человека, понимание их взаимодействия, т.е. знание того, где и что именно нужно сделать в мозге для лечения той или иной болезни.

Лаборатория стереотаксических методов Института мозга человека РАН под руководством д.м.н. лауреата Государственной премии СССР А.Д.Аничкова - ведущий стереотаксический центр России. Здесь родилось самое современное направление стереотаксиса - компьютерный стереотакcис с программно-математическим обеспечением, реализуемым на ЭВМ (до этих разработок стереотакси-ческие расчеты проводились нейрохирургами во время операции, или же больной в травматичной раме должен был непосредственно перед операцией подвергаться интроскопии (МРТ или КТ)). Здесь же разработаны десятки стереотаксических приборов, некоторые из которых прошли клиническую апробацию и с помощью которых решались самые сложные задачи стереотаксического наведения. Совместно с коллегами из ЦНИИ “Электроприбор” создана и впер-вые в России серийно выпускается компьютеризированная стереотак-сическая система, которая по ряду основных показателей превосходит аналогичные зарубежные образцы. “Наконец робкие лучи цивилизации осветили наши темные пещеры”, - неизвестный автор.

В нашем Институте стереотаксис применяется при лечении больных, страдающих двигательными нарушениями (болезнью Паркинсона, хореей Гентингтона, другими гемигиперкинезами и др.), эпилепсией, неукротимыми болями (в частности фантомно-болевым синдромом), некоторыми психи ческими нарушениями. Кроме того, стереотаксис может применяться и применяется для уточненной диагностики и лечения некоторых опухолей головного мозга, лечения гематом, абсцессов, кист мозга. Важно подчеркнуть, что стереотаксические вмешательства (как и все остальные нейрохирургические вмешательства) предлагаются больному только в том случае, если исчерпаны все возможности нехирургического (медикаментозного) лечения, и само заболевание представляет для пациента опасность (или лишает его трудоспособности, десоциализирует его). Естественно, что все операции производятся в клинике ИМЧ только при согласии больного и его родственников, после консилиума специалистов разного профиля.

Можно говорить о двух видах стереотаксиса. Первый, нефункциональный, применяется тогда, когда в глубине мозга имеется какое-то органическое поражение. Например, опухоль. При попытке ее удаления с помощью обычной техники придется проходить через здоровые, выполняющие важные функции структуры, и больному может быть нанесен вред, иногда даже несовместимый с жизнью. Однако эта опухоль хорошо видна с помощью современных средств интровидения: магниторезонансного и позитронно-эмиссионного томографов. Можно рассчитать ее координаты и разрушить ее, или, например (еще один метод, развиваемый в ИМЧ), ввести с помощью малотравматичного тонкого щупа радиоактивные источники, которые выжгут опухоль и за это же время распадутся. Повреждения при проходе сквозь мозговую ткань минимальны, будет уничтожена только опухоль, причем иногда очень сложной формы, очень агрессивная, и уничтожена радикально. Мы провели ряд таких операций несколько лет назад, и до сих пор живут больные, у которых при традиционных методах лечения не было никакой надежды.

Суть этого метода в том, что мы устраняем «дефект», который четко виден. Задача состоит в том, как до него добраться, какой путь выбрать, чтбы не задеть важные зоны, какой адекватн ый метод устранения «дефекта» выбрать: имплантацию источников, термокоагуляцию или криодеструкцию, но суть одна: мы устраняем то, что четко видим.

Принципиально другая ситуация при «функциональном» стереотаксисе, который применяется при лечении ряда заболеваний, описанных выше. Причина болезни часто заключается в том, что одна маленькая группа клеток или несколько групп, расположенных близко или далеко друг от друга, работают неправильно. Они либо не выделяют необходимые вещества, либо выделяют их слишком много. Они могут быть патологически возбужденными и провоциро-вать здоровые клетки на «нехорошую» активность. Эти нехорошие клетки надо найти и либо уничтожить, либо изолировать, либо (что очень интересно) «перевоспитать» с помощью электростимуляции. Важно то, что здесь нельзя увидеть пораженный участок. Мы должны его вычислить, как Леверье вычислил орбиту Нептуна.

Именно здесь критически важны фундаментальные знания о принципах работы мозга, о взаимодействии его участков, о функциональной роли каждого участка мозга. Важно использовать результаты нового направления, разработанного участником нашей команды, покойным профессором В.М.Смирновым, - стерео-таксической неврологии. Это высший пилотаж. Однако именно на этом пути лежит возможность лечения многих тяжелых заболеваний, в том числе и психи ческих.

Результаты, в том числе, и наших исследований показали, что практически любая сколь-либо сложная деятельность, и особенно психи ческая, обеспечивается в мозге сложной, распределенной в пространстве и принципиально изменчивой во времени системой, состоящей из звеньев различной степени жесткости . Понятно, что вмешиваться в работу системы значительно сложнее. Тем не менее, сейчас в ряде случаев, о которых будет рассказано ниже, мы это умеем.

Есть нервные клетки, от рождения готовые к своей работе. Это, например, нейрон ы первичной зрительной коры. Другие воспиты-ваются по ходу онтогенез а и научаются чему-то. Как это происходит? Сначала в обеспечение новой деятельности вовлекается большая группа клеток. Потом по мере ее «стереотипизации» происходит минимизация территорий и количество нейрон ов, ее обеспечивающих, радикально уменьшается. Остальные клетки как бы забывают то, что они умели делать. Но, как нам удалось показать, не навсегда. Даже после этой специализации они в принципе способны взять на себя выполнение каких-то других задач, они не окончательно “забыли”, как можно работать по-другому. Поэтому можно попытаться заставить их взять на себя работу утраченных нервных клеток, заменить их.

Нейроны мозга работают как команда корабля: один хорошо умеет вести судно по курсу, другой - стрелять, третий - готовить пищу. Но ведь и стрелка можно научить готовить борщ, а кока - наводить орудие. Нужно только объяснить им, как это делается. В принципе это естественный механизм: если травма мозга произошла у ребенка, у него нервные клетки самопроизвольно “переучиваются”. У взрослых же для “переучивания” клеток нужно применять специальные методы.

На этом и основан метод лечения: с помощью точечной электрической или распределенной магнитной стимуляции обучают одни нервные клетки выполнять работу других, которые уже нельзя восстановить. Скорее всего электрическая стимуляция здесь резко и неспецифически активирует область мозга, повышая при этом уровень его пластичности. В этом направлении уже получены хорошие результаты: например, некоторых пациентов с травматическими поражениями областей Брока и Вернике, отвечающей за формирование речи, удалось обучить говорить и понимать речь заново.

Это было перевоспитание нейрон ов. Но ряд заболеваний мозга, в частности, приводящих к серьезным психи ческим расстройствам, таким как обсессивно-компульсивный синдром (навязчивые сосотояния), болезнь Жиля де ля Туретта, патологическая агрессивность, возникают из-за гиперактивности определенных структур мозга. Здесь задачей стереотаксической операции является устранение этого очага возбуждения. Это, в принципе, «своя» задача для функционального стереотаксиса. В отличие от метода электростимуляций он применяется тогда, когда имеется «плюс» явление (патологическое возбуждение, перепроизводство какого-либо вещества и связанные с этим гиперкинезы, эмоциональные возбуждения и т.п.) и его нужно уничтожить, и не применяется при «минус» явлениях, когда из-за гипоактивности какого-либо участка мозга возникает, например, плегия.

Рассмотрим это на примере, который сейчас стал очень злободневным: хирургическое лечение обусловленного потреблением наркотиков обсессивно-компульсивного синдрома. Одним из страшных свойств наркотика является привыкание к нему, привыкание настолько, что наркоман становится зависим от него, не может без него жить. Есть два типа зависимости: физическая и психологическая. Первый тип зависимости обусловлен встраиванием героина в механизм потребления энерги и клеткой мозга. Клетка привыкает питаться по облегченному (но не эффективному) варианту и не хочет возвращаться к старому и эффективному. Поэтому при прекращении приема наркотика происходит «ломка» - абстиненция, которая крайне мучительна и может кончиться даже смертью наркомана. Однако современная медицина научилась относительно легко и безболезненно справляться с этим, существуют различные, очень эффективные способы устранения физической зависимости, которые с успехом применяются во многих клиниках. Итак, наркоман «отмыт». Его организм более не нуждается в наркотиках. Но он помнит о том великолепном ощущении, которое он испытывал при их употреблении, и всеми фибрами своей души мечтает еще раз его испытать. Это не блажь, это тяжелое психи ческое заболевание: обсессивно-компульсивный синдром - и противиться этому влечению невозможно. На него не действуют разумные доводы. К сожалению, до сих пор эффективность лечения психологической зависимости от наркотика чрезвычайно низка и составляет от 3 до 8 процентов. Учитывая то, что средний срок жизни героинового наркомана четыре года, можно сказать, что больной обречен. В этом смысл е героин можно сравнить с злокачественной опухолью, и, как правило, можно говорить не об излечении, а о сроке выживания, отсрочке страшного конца.

В нашей клинике используется хирургический метод лечения героиново обусловленного обсессивно-компульсивного синдрома. Теоретическое объяснение и самого синдрома, и механизма действия предложенного метода лечения еще не может считаться полностью завершенным, поэтому ниже будет приведена одна из концепций, которую мы считаем наиболее вероятной. Естественно, что в данной статье, рассчитанной на массового читателя, она будет приведена в упрощенной форме, за что приношу свои извинения специалистам.

Патологическое влечение к наркотикам обусловлено запечатлеванием эмоциональной памяти о чувствах, испытанных после его приема. Это эмоциональное возбуждение настолько сильно, что заслоняет собой практически все. Вся жизнь наркомана подчинена идее достижения еще раз такого же состояния. Как и всем психологическим феноменам, этому соответствуют определенные нейрофизиологические процессы. Важнейшей системой, обеспечивающей эмоции, является лимбическая система. Схематически она может быть изображена в виде замкнутого круга, состоящего из различных мозговых структур, и эмоциональные феномены соответствуют определенной импульсации (активации или деактивации) нейрон ов этих структур. Согласно концепции, которой мы придерживаемся, навязчивое состояние проявляется в появлении в этом круге патологического гипервозбуждения, которое, циркулируя по кругу, по механизму положительной обратной связи выходит на уровень насыщения, подавляет любые другие эмоции и становится неуправляемым . (См. выше о сбалансированности эмоций.) Этот механизм одинаков для навязчивого состояния любой природы. Это то самое реверберирующее возбуждение, которое и определяет основную суть кратковременной памяти. Только обычно такие возбуждения гасятся во время сна, а навязчивое состоянии настолько сильно возбуждено и поддерживается какими-то внешними стимулами, что -нет. Оно продолжает быть активным и после сна, чем и проявляется как навязчивое, постоянное. Естественно напрашивается идея разорвать этот порочный круг. Поэтому еще в шестидесятые годы структуры лимбической системы были предложены в качестве структур-мишеней для операций по поводу обсессивно-компульсивного синдрома. В частности мишень, используемая нами при лечении наркоманов, была предложена в 1962 году. Однако недостаточный методический уровень, существовавший в то время, не позволил этой операции стать широко применяемой. Положение радикально изменилось при внедрении современного стереотаксиса, разработанного, в том числе, и в нашем институте. Оказалось возможным посредством малотравматичного доступа с помощью криозонда наружным диаметром 2.6 мм заморозить небольшой участок поясной извилины между передней и средней ее отделами и тем самым перерезать этот порочный круг. Сама операция предельно малотравматична, это как бы укол в мозг. Выбранный метод воздействия - замораживание выгодно отличается от термокоагуляции и других разрушающих ткань воздействий тем, что оставляет неповрежденными стенки артерий и артериол, тем самым минимизируя опасность кровотечения. Как правило, больной уже на опрерационном столе говорит, что его больше не тянет к наркотикам. Почему? Да потому, что несмотря на то, что он помнит о наркотиках, уже нет этой патологической гиперимпульсации, и эта память эмоционально не окрашена. Да. Он помнит, что кололся, но почему это так здорово, не помнит. Исчезает это сметающее все на своем пути эмоциональное возбуждение, и остается просто память. Интересно, что специально проведенные исследования показали, что профиль личности при этом не меняется, кроме, пожалуй, естественного расширения эмоциональной сферы. Естественно, он думал только о наркотике, а теперь заметил, что есть еще и красивые девушки.

Таков возможный механизм стереотаксического лечения навязчивых состояний разной природы. Это и фантомно болевой синдром, при лечении которого мы и обнаружили исчезновение тяги к наркотикам (больные для облегчения болей вынуждены были принимать наркотики), и другие.

Естественно, однако, что операция остается операцией. Она всегда потенциал ьно опасна, поэтому мы идем на нее только, когда исчерпаны все остальные методы консер-вативного лечения. Таким образом, механизмы лечебного воздействия психохирургических операций, направленных на выключение структур лимбической системы, можно объяснить частичным прерыванием патологической импульсации, которая циркулирует по нервным путям. Эта импульсация, которая является следствием гиперактивности (чрезмерной активности) разных (при разных болезнях) зон мозга, является механизмом, общим для целого ряда хронических заболеваний нервной системы, таких как эпилепсия, навязчивые состояния. Эти пути надо найти и максимально щадяще выключить. Стереотаксические психохирургические вмешательства (их проведено многие сотни и больше всего в США) - современный метод лечения больных, страдающих некоторыми психи ческими нарушениями (прежде всего - ОКР- обсессивно-компульсивные расстройства, т.е. навязчивые состояния), для которых оказались неэффективными нехирургические методы лечения.

На уровне клеток вся работа мозга связана с химическими превращениями различных веществ, поэтому для нас важны результаты, полученные в лаборатории молекулярной нейробиологии, руководимой профессором С.А.Дамбиновой. В лаборатории исследуют нейрохимические основы функциональной целостности мозга и организма с помощью современных молекулярных подходов. Другими словами, в лаборатории изучают молекулярные процессы, которые связаны с преобразованием простых химических сигналов в сложные интегративные, обеспечивающие функции целого организма. Рассмотрим, как это происходит.

Например, параллельно с физиологическими исследованиями деятельности мозга при двигательных нарушениях проводили изучение метаболизма нейромедиаторов (веществ, передающих информацию от нейрон а к нейрон у): глутамата, ГАМК, дофамина и серотонина. Было выявлено, что их клиническая динамика у больных паркинсонизмом стабилизировалась при положительном эффекте лечебных электрических стимуляций (ЛЭС). Однако компенсация дефицита дофамина и серотонина с помощью фармтерапии не давала ожидаемого эффекта у больных паркинсонизмом. Только после того, как впервые были обнаружены низкомолекулярные пептидные фракции, которые появлялись непосредственно после ЛЭС и сопровождали улучшение клинического состояния больных - снижение тремора, ригидности и появление положительных эмоциональных реакций, стала ясна их основополагающая роль в нейрохимии движения.

При дальнейшем изучении этих пептидных фракций были выделены и охарактеризованы пептиды тахикининовой группы или пептиды группы субстанции Р. Введение этих пептидов в спинномозговую жидкость больного с помощью разработанного нами совместно с нейрохирургами метода аутогемоликворотрансфузии повторило лечебный эффект ЛЭС и одновременное стимулирование положительных эмоций у больных паркинсонизмом.

Оказалось, что именно эти пептиды регулируют холинолити-ческие и дофаминергические пути и обладают свойствами, тормозящими гиперфункцию пролактина. Долгосрочные эффекты ЛЭС связаны, прежде всего, с нормализацией и компенсацией молекулярного дефицита в системе нейромедиаторы-нейропептиды-нейрогормоны в организации двигательных и тесно связанных с ними эмоциональных реакций. Особенно интересно, что подобные закономерности обнаружились позднее у больных героиновой наркоманией, у которых были выявлены существенные изменения содержания дофамина и серотонина в биологических жидкостях. Поэтому создание новых фармакологических средств на основе обнаруженных нейропептидов является весьма перспективным направлением в лечении паркинсонизма, наркомании и депрессивных состояний.

Для того, чтобы понять конкретные механизмы, лежащие в основе двигательных и эмоциональных функций мозга, необходимо было изучить следующий, по иерархии передачи сигнала, межклеточный нейрорецептор ный уровень.

Нейрорецептор ы - это макромолекулы на мембране нейрон а, мозаика которых определяет специфичность его функций, функции зоны или структуры мозга. Полирецептор ность структуры мозга отражает полифункциональность систем обеспечения разнообразной деятельности одних и тех же клеток и зон в нервной ткани.

Локализация мю- и дельта опиатных рецептор ов в структурах мозга.	Введение опиатов приводит к активации дофаминергических нейрон ов и выделению дофамина в вентральной тегментальной области и прилежащем ядре. Этот эффект опиатов опосредуется через ингибирование активности ГАМК-ергических нейрон ов.

Поэтому в лаборатории особое внимание уделено изучению структуры и функций нейрорецептор ов глутамата, опиатов и их метаболитов, которые участвуют в развитии ишемии мозга и судорожных реакций и появлении психи ческой и физической зависимости от психотропных средств. Предполагается, что именно эти возбуждающие рецептор ы мозга принимают первоочередное участие во взаимодействии и реорганизации систем обеспечения сложных функций мозга человека, связанных с движением и эмоциональным поведением.

Каким образом нейрорецептор ы работают в клетке, как они осуществляют взаимодействие внутри системы и их межсистемные связи, каковы их свойства в норме и патологии, составляет предмет глубоких нейрохимических исследований.

На основании многолетних исследований в лаборатории удалось установить, что рецептор ы глутамата и опиатов изменяют свои функции в ткани мозга при гипервозбуждении и способны изменять состояние целостного организма при стимуляции фармакологическими агонистами и антагонистами. Изучение молекулярных свойств этих рецептор ов обнаружило их сходство в динамике реорганизации разных функций в системе «мозг-организм», связанной с нарушением обмена в биологических жидкостях метаболитов рецептор ов (глутамата, аспартата, опиатов). Приведем следующие примеры участия опиатных рецептор ов в механизмах организации эмоциональных переживаний на экспериментальной модели самовведения героина у крыс. Были выявлены следующие закономерности:

Установлено, что вознаграждающие эффекты наркотиков (героина и морфина) опосредствованы через опиатные рецептор ы, располагающиеся в мезолимбической системе и регулирующие увеличение содержания дофамина в межклеточном пространстве.
-показано, что хроническая активация героином опиатных рецептор ов приводит к стимуляции дополнительных рецептор ов, которые требуют для выполнения своих функций новых порций наркотика и участвуют в формировании непреодолимого влечения к потреблению героина.
-выявлено, что на начальной стадии идет усиление экспрессии генов опиатных рецептор ов и существенная стимуляция деятельности мозга - активация поведенческих реакций, стимуляция эмоциональных переживаний (отсутствие страха, боли, эйфория).

С другой стороны, длительное и систематическое потребление героина нарушает стабильность в системе «мозг-организм» и постепенно приводит к разрушению избыточных, а затем и необходимых количеств нейрорецептор ов, которые отражают перестройку системы организации функций мозга и степень деструктивных процессов нервных клеток в его структурах. Организм реагирует на эти нарушения выработкой «аутоантител» к специфическим фрагментам опиатных рецептор ов, как «свидетелей» к «чужеродным» антигенам нервной ткани. Оказалось, что появление и количество аутоантител к отдельным фрагментам опиатных рецептор ов коррелирует со степенью выраженности симптомов наркотической зависимости. Поэтому по анализу крови на содержание аутоантител к нейрорецептор ам мозга стало возможным определять функциональное состояние мозга и организма животных и человека и был создан диагностический набор «Наркотест», позволяющий объективно оценивать степень зависимости от наркотика и проводить контроль за эффективностью лечения наркоманов.

Аналогичные закономерности были выявлены при изучении молекулярных механизмов развития эпилепсии и ишемических поражений мозга, которые позволили разработать оригинальные и объективные показатели оценки функции мозга (ПА-тест и CIS-тест) для ранней лабораторной диагностики пароксизмальной активности и церебральной ишемии у человека. Эти методы лабораторной диагностики уже применяются в некоторых научно-лечебных учреждениях страны и за рубежом.

Таким образом, фундаментальные исследования в области нейрохимии уже дают практические результаты для медицины. В этом случае нейрохимия выступает как молекулярный базовый «язык», позволяющий расшифровать сложные интегративные процессы в головном мозгу и организме при патологических состояниях у человека.

Следует отметить, что лаборатория молекулярной нейробиологии является одним из ведущих нейрохимических центров России и имеет свои исследовательские группы в Италии и США. В последений год меня, как и, наверное, многих, спрашивали о крупнейших достижениях уходящего века и о перспективах века грядущего. Можно спорить о конкретных достижениях, но в целом можно сказать, что ХХ век был веком технологии и физики. Однако последние годы ясно показали, что следующий век будет веком биологии, и можно ожидать, что понимание механизмов деятельности мозга и прежде всего кода нервной деятельности будет занимать приоритетные позиции. То, что я здесь рассказал вкратце об институте и о его лабораториях, гораздо полнее изложено в статьях, список которых прилагается.

1

В данной обзорной статье представлены научные достижения многих известных ученых по изучению мозга человека. Организм человека представляет собой слаженную работу мозга с другими органами и системами. Исследования функций мозга человека проводились такими известными учеными, как И.М. Сеченов, И.П. Павлов, Н.П. Бехтерева и многими другими. Ими были исследованы и показаны основополагающие представления о функциях мозга. Несмотря на множество проведенных исследований, человеческий мозг остается самым загадочным и малоизвестным науке органом. Он не так легко раскрывает свои тайны. Серое вещество мозга определяет уникальный, разнообразный внутренний мир с воспоминаниями, фантазией, эмоциями и желаниями. С развитием современных методов исследования в области нейрофизиологии, возможностью применения новейшей аппаратуры ученым удалось раскрыть некоторые тайны мозга.

нейрофизиология

медицина

сигнал возбуждения

1. Бехтерев В.М. Психика и жизнь // Книжный клуб Книговек. – 2015. – С. 220–221.

2. Бехтерева Н.П. Магия мозга и лабиринты жизни. – М., 2013. – C. 156–168.

3. Кобозев Н.И. Исследование в области термодинамики процессов информации и мышления. – М., 1971. – С. 58–59.

4. Сеченов И.М. Рефлексы головного мозга. – М.: АСТ, 2014. – С. 70–80.

5. Медведев С.В. Тайны мозга человека // Вестник РАН – 2005. – № 6.

6. Страук Б. Тайны мозга взрослого человека. Удивительные таланты и способности человека, достигшего середины жизни. – М.: Карьера Пресс, 2011.

7. Стюар-Гамильтон Я., Рудкевич Л.А. Психология старения // Питер, 2010. – С. 155–169.

С развитием новых методов в нейрофизиологии скрытые возможности мозга человека становятся объектом научных исследований. В.М. Бехтерев , Н.П. Бехтерева , Н.И. Кобозев и многие другие в своих исследованиях доказали, что физиологический мозг не способен полностью обеспечивать сознательные и тем более бессознательные функции из-за низкой скорости передачи электрических импульсов в межнейрональных синапсах. Известно, что в синапсах импульсы задерживаются на 0,2-0,5 миллисекунд, тогда как человеческая мысль возникает гораздо быстрее.

На данном этапе развития нейрофизиологии мы хорошо представляем, как работает одна нервная клетка. Основываясь на данных научных исследований академика П.К. Анохина, в возникновении временной связи при образовании условных рефлексов лежит сенсорно-биологическая конвергенция импульсов на каждой клетке коры. Метод ПЭТ дает возможность проследить, какие области функционируют при выполнении тех или иных психических функций, но все же недостаточно известным остается то, что происходит внутри этих областей, в какой последовательности и какие сигналы посылают друг другу нервные клетки и как они взаимодействуют между собой. На карте мозга, определены области, отвечающие за те или иные психические функции. Но между клеткой и областью мозга находится еще один, очень важный уровень - совокупность нервных клеток, так называемый ансамбль нейронов, функции которых представляют большой научный интерес.

В своей работе «Рефлексы головного мозга» И.М. Сеченов впервые утверждал, что в основе психических процессов лежит рефлекторный принцип деятельности. Он приводил утвердительные доказательства рефлекторной природы психической деятельности, то есть все переживания, мысли, чувства, возникают в результате воздействия на организм какого-либо физиологического раздражителя. И.П. Павлов создал свою теорию условных рефлексов, согласно которой горизонтальная корковая временная связь при образовании условных рефлексов основывается на свойствах нервных центров - иррадиации, доминантного возбуждения центров безусловных раздражителей и проторении пути. Много исследований было проведено В.М. Бехтеревым, который занимался строением мозга, связывал с ним его функции. Им предложен метод, позволяющий досконально изучить пути нервных волокон и клеток, по которым создан «атлас головного мозга». Настоящий прорыв в изучении мозга происходит тогда, когда удается войти в прямой контакт с клеткой мозга. Метод представляет собой непосредственное вживление в мозг электродов в диагностических и лечебных целях. Электроды вживляются в различные отделы мозга, при раздражении которых происходит повышение его активности, что позволяет детально изучить процессы, происходящие в нем.

Предполагалось, что мозг поделен на четко разграниченные участки, каждый из которых «отвечает» за свою определенную функцию. Например, это зона, отвечающая за сгибание мизинца, а это зона, ответственная за любовь. Эти выводы основывались на простых наблюдениях: если данный участок повреждался, то и соответственно функция его нарушалась.

В настоящее время становится ясным, что все не так просто: нейроны внутри разных зон взаимодействуют между собой весьма сложным путем, и нельзя осуществлять везде четкую «привязку» функции к области мозга в том, что касается обеспечения высших функций, то есть можно лишь сказать, что данная область имеет отношение к памяти, речи, эмоциям. Пока трудно объяснить, что этот нейронный ансамбль не кусочек мозга, а широко раскинутая сеть и только он отвечает за восприятие букв, а другой ансамбль - за восприятие слов и предложений. Сложная работа мозга по обеспечению высших видов психической деятельности похожа на вспышку салюта: мы видим сначала множество огней, а потом они начинают гаснуть и снова загораются, перемигиваясь между собою, какие-то кусочки остаются темными, другие вспыхивают. Таким же образом и сигнал возбуждения посылается в определенную область мозга, но деятельность нервных клеток внутри нее подчиняется своим особым ритмам, своей иерархии. Благодаря этим особенностям разрушение одних нервных клеток может оказаться невосполнимой потерей для мозга, а другие вполне могут заменить соседние «переучившиеся» нейроны, то есть проявляется свойство нервных центров - пластичность. К выполнению своей работы ряд нейронов готов с самого рождения, а есть нейроны, которые можно «воспитать» в процессе развития, поэтому можно попытаться заставить их взять на себя работу утраченных клеток.

Нейроны подкорковых глубоких структур мозга решают задачу всем миром, сообща. Тогда как нейроны коры, которые эту проблему решают самостоятельно, в действительности повышают ее активность, а частота импульсаций нейронов глубинных структур понижается. Высшие функции мозга обеспечиваются расшифровкой нервного кода, то есть пониманием того, как отдельные нейроны объединяются в структуры, а структура - в систему и в целостный мозг .

По мнению ученых, вокруг головного мозга было выявлено высокочастотное поле, отличающееся от общего биополя человека. Оно получило свое название - психополе. Психополе обеспечивает нормальное высокоскоростное протекание всех нейрофизиологических процессов. Определено, что это психополе настолько высокоэнергетично, что нуждается в особых носителях, которыми являются кристаллы эпифиза. Они дают возможность держать в белковом теле огромный энергоинформационный объем без денатурации белка.

В 60-х годах 20-го столетия профессор МГУ Н.И. Кобозев , исследуя феномен сознания, пришел к выводу, что материальная физиология мозга сама по себе не обеспечивает мышления и другие психические функции. Это возможно за счет внешних источников сверхлегких частиц-психонов, которые являются энергетической основой мыслительных и эмоциональных импульсов. В исследованиях был определен органоид, способный улавливать потоки психонов. Было установлено, что кристаллики эпифиза являются носителями голограмм, которые определяют пространственно-временное развертывание всех психогенетических программ, заложенных при рождении. Огромное количество информации о различных позитивных и негативных программах жизни человека хранится в кристалликах эпифиза. Силы психического и духовного воздействия на кристаллики эпифиза определяют, как и какие программы будут реализованы человеком в течение жизни. У многих людей этот процесс протекает неосознанно, и они не могут полностью реализовать свой энергоинформационный потенциал. И по этой причине даже гениальные люди реализуют свои задатки всего лишь на 5-7 процентов.

В критической ситуации, когда проблему надо решать немедленно, начинается активная выработка психической энергии огромной силы. И тогда совершается спонтанный неуправляемый психоэнергетический процесс воздействия на кристаллики эпифиза и в них активируется программа выхода из кризисной ситуации. Только выработка мощных высокодуховных энергий кратковременна, и когда кризис разрешается, забывается величайшие мгновения психоэнергетического напряжения. И не многие могут осознанно управлять психической энергией и решать с ее помощью различные проблемы .

Современная нейрофизиологическая наука уделяет особое внимание изучению психоэнергетических процессов в головном мозге. Есть множество институтов и лабораторий, разрабатывающих теоретические проблемы данного направления, разработки которых позволяют практической психологии заниматься проблемами активации резервов психики человека, опираясь не только на эмпирический опыт, но и на научные данные. Сложные нестандартные проблемы могут быть эффективно решены только при активации программ развития, в пробуждении скрытых резервов психики. Данный подход дает возможность проявить весь потенциал личности и предоставить эффективные способы его реализации.

В возрасте 40-70 лет мозг имеет свои особенности. Интеллектуальная «мощь» при здоровом образе жизни не падает с возрастом, а только возрастает. Максимальное проявление когнитивных функций находится в интервале 40-60 лет. С 50 лет человек при решении проблем использует одновременно не одно полушарие, как у молодых, а оба (мозговая амбидекстрия). Считается, что в среднем возрасте человек становится более устойчив к стрессам и может более эффективно работать в условиях сильной эмоциональной нагрузки. Нейроны головного мозга не отмирают как полагали до 30 %, а могут пропадать связи между ними в том случае, если человек не занимается серьезным умственным трудом. Количество миелина (белое вещество мозга) с возрастом в головном мозге возрастает, и достигает максимума после 60 лет, при этом значительно возрастает интуиция.

Мозг в 40-70 лет принято рассматривать не как зрелый, целостный и готовый к работе, а как находящийся на спаде и не вполне справляющийся со своими функциями. Ряд российских ученых-психологов пришел к такому же выводу: с возрастом мозг человека начинает работать эффективнее, чем в молодости.

Библиографическая ссылка

Жумакова Т.А., Рыспекова Ш.О., Жунистаев Д.Д., Чурукова Н.М., Исаева А.М., Алимкул И.О. ТАЙНЫ ЧЕЛОВЕЧЕСКОГО МОЗГА // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2017. – № 6-2. – С. 230-232;
URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=11656 (дата обращения: 19.09.2019). Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»

В XXI веке перед учеными стоит, возможно, самая сложная задача за всю историю существования науки: понять мозг. Наш век уже окрестили веком наук о мозге и сознании по аналогии с тем, как прошлый век называли веком генетики. Задача невероятно сложная хотя бы потому, что обычно инструмент, с помощью которого проводят исследования, сложнее объекта исследования. Сейчас же с помощью разума мы пытаемся понять сам разум. Удастся ли?

Что такое мозг, для чего он нам нужен?

Мозг - это наиболее сложный и наименее изученный орган нашего тела. Имея массу всего 1–2 кг (среднестатистический вес где-то посередине), он потребляет 20% энергии, вырабатываемой нашим телом. В его клетках активно работают более 70% генов нашего генома (в других клетках эта цифра гораздо меньше). Серое вещество состоит более чем из 90 млрд нейронов, каждый из которых имеет до 10 тыс. связей с другими нейронами (не обязательно соседними - например, отростки двигательных нейронов имеют длину более метра).

Но все это биология, не так интересно. А как быть с сознанием?

Этим вопросом еще с античных времен занималась только философия. Платон и Аристотель считали, что разум существует как отдельная от материи онтологическая реальность. Парменид, напротив, утверждал, что бытие и мышление едины. Сейчас к этому процессу подключились естественные науки.

За последние годы исследования достигли уровня, на котором мы можем позволить себе приступить к изучению мозга в действии. Оно охватывает молекулы, клетки, их связи, а также высшую материю - поведение, которое и есть сознание.

Фантасты уже давно мечтают об искусственном разуме, но чаще всего рисуют его в виде вышедшего из под контроля монстра, действующего отнюдь не на благо человечества (фантастические фильмы «Терминатор», «На крючке», «Я, робот»).

В одном из недавних фильмов, «Превосходство», для создания искусственного интеллекта была использована речевая модель и специальные алгоритмы ее обработки. Такие идеи небеспочвенны. Считается, что именно речевая модель способствует активному развитию полушарий, и она ответственна за нашу способность к обучению и прогнозированию событий и, в конечном итоге, за принятие решений.

Действительно - опираясь на имеющийся опыт, мы принимаем решения о поступках, а после их совершения сравниваем предполагаемый результат с действительным. Так что мозг дает нам возможность заглянуть в будущее.

Восставший искусственный интеллект - тема не одного фантастического романа и фильма

Но как заставить мыслить машину?

Камнем преткновения любого искусственного интеллекта являются именно алгоритмы его обучения. Преимущество людей над всеми остальными обитателями нашей планеты - умение абстрактно мыслить, строить обобщения различного уровня. Сейчас разработка так называемых алгоритмов «глубинного обучения» - весьма востребованная область знаний. Такими алгоритмами активно интересуются крупные IT-компании. Например, Google недавно приобрела компанию DeepMind Technologies, специализирующуюся как раз на таких задачах. Ведь рынок здесь огромен. Они могут использоваться для распознавания речи, лиц, разработки «умных» пользовательских интерфейсов в электронных устройствах, протезировании и пр. Успехи в этой области уже сейчас приносят свои плоды.

Такие идеи как процессор «Терминатора» Т-800 совершенно новой архитектуры или Скайнет, или создание клонов в «Шестом дне» и «Острове» уже не кажутся несбыточными.

Исследования продолжаются. На изучение мозга тратятся колоссальные средства по всему миру. В 2013–2014 гг. в США, Европе и Японии стартовали масштабные проекты по исследованию мозга (Россия на подходе). Кто знает - может, будущее, о котором пишут фантасты, уже не за горами.

Зачем изучать мозг?

Здоровый мозг человека - невероятно сложная, тонко настроенная система, для нормального функционирования которой важен каждый ее элемент, и это не только нейроны и их сети. Мозг - это еще и множество вспомогательных элементов: глиальные клетки, которые осуществляют питательные и защитные функции для нейронов, клетки сосудистой системы, различные внеклеточные белки, нейромедиаторы. Малейшее изменение работы любого компонента мозга может привести к возникновению и развитию его патологий.

Условно патологии мозга можно разделить на три группы.

Нейродегенеративные заболевания - группа медленно прогрессирующих заболеваний нервной системы, связанных с гибелью нервных клеток, внешне выражающиеся в виде деменции и расстройства двигательных функций (болезни Альцгеймера, Хантингтона и Паркинсона - наиболее известные представители данной группы).

Психические расстройства, связанные с нарушениями в сфере чувств, мышления, поведения. К этой группе относятся депрессия, анорексия, булимия, нарушения сна, алкогольные и наркотические зависимости, шизофрения.

Заболевания, связанные с сосудистой системой.

Все перечисленные заболевания возникают по разным причинам, но на уровне нейронов их проявление всегда одно: нарушается передача нервных импульсов. В зависимости от причины таких нарушений требуется и разное лечение. Но проблема в том, что мы до сих пор не знаем причин этих заболеваний.

Есть теории, предположения, некоторые из них частично подтверждаются, другие - нет. Но в настоящее время все без исключения методы лечения этих заболеваний действуют на симптомы, а не на причины. Так что исследования механизмов возникновения и развития таких болезней в прямом смысле жизненно необходимы, это именно те знания, которых так не хватает, и финансирование таких экспериментов - весьма кстати.

Убить Альцгеймера

Cчиталось, что болезнь Альцгеймера развивается по причине недостатка нейромедиатора ацетилхолина (основной медиатор парасимпатической нервной системы). Тогда придумали лечить болезнь ингибиторами фермента ацетилхолинэстеразы. Фермент находится в месте соединения нейронов и разрушает ацетилхолин, обеспечивая таким образом прерывание нервного импульса. К слову, многие сельскохозяйственные пестициды и боевые отравляющие вещества (зарин, зоман и VX) - сильнейшие ингибиторы этого фермента, они вызывают паралич парасимпатической нервной системы (человек просто перестает дышать). Эффект от терапии был минимальным. Другой теорией было образование амилоидных бляшек, их научились растворять с помощью антител, но этот способ также не давал результата. Есть теория, согласно которой нарушается структура тау-белка, поддерживающего структуру транспортной системы внутри нейрона. Сейчас ее активно проверяют.

Новые подходы к лечению расстройств нервной системы

В настоящее время уже существует множество современных технологий лечения заболеваний, некоторые из которых используются в клинической практике, а другие - только проходят адаптацию. Поскольку многие расстройства центральной нервной системы связаны с неправильной работой генов (наличием в них ошибок, нарушением систем регуляции их работы) молекулярные и клеточные технологии терапии направлены на исправление подобных ошибок.

Идея таких методов проста: используя подходящие средства, мы доставляем терапевтический агент к нужному месту и на нужный уровень клетки, где и происходит коррекция. Уровни - ДНК, РНК, белки, простые вещества. Агентами могут выступать простые вещества (большинство современных лекарственных препаратов), активные белки, ферменты, специфические антитела, фрагменты РНК, даже ДНК. В качестве средств доставки могут использоваться, например, вирусы.

Ниже приведены некоторые примеры таких технологий .

Терапия с использованием миРНК. Молекулы миРНК связываются с матричной РНК (промежуточный элемент на пути синтеза белков, основных действующих элементов нашего организма); такие комплексы распознаются клеточными системами и разрушаются (так можно снизить синтез какого-либо белка в клетке).

Синтетические транскрипционные факторы. Эти вещества связываются с ДНК и активируют процесс синтеза матричной РНК (эти средства, напротив, позволяют повысить продукцию белка).

Синтетические нуклеазы для редактирования генов. Данные методы позволяют напрямую осуществлять коррекцию генома (устраняем дефект и вновь синтезируем компоненты клетки будут работать без нарушений).

Использование антител. Антитела вырабатываются нашим организмом в ответ на появление в нем посторонних веществ - например, вирусов, чужеродных белков. Люди уже давно научились синтезировать искусственные антитела. С их помощью можно устранять различные образования в мозге (пример - устранение амилоидных бляшек при болезни Альцгеймера).

Проблемы с активным применением данных методов связаны с недостатком знаний об объекте лечения. Мозг и центральная нервная система слишком сложны и многокомпонентны, а их патологии чаще всего вызваны несколькими факторами. Исследования в данной области позволят разработать и испытать новые прорывные технологии лечения нейропатологий.

Программы исследований мозга

Мозг как объект исследований интересует научное сообщество уже давно. Колоссальное количество проектов завершено, такое же количество находится в активной фазе или на стадии разработки. Их задачи охватывают весь спектр интересов научного сообщества: это и исследования молекулярных механизмов процессов передачи нервных импульсов, и поиск новых терапевтических средств, инструментов, разработка новых методов исследований, диагностики и лечения патологий, разработка карт разной степени разрешения. Пионерами исследований мозга являются Европейский союз, США и Япония.

Общий недостаток всех инициатив - их разрозненность. До настоящего момента исследования проводились в рамках интересов отдельных научных групп. Сейчас эту ситуацию собираются исправить.

В Европе, США и Японии запущены национальные инициативы по исследованию мозга и сознания. Они частично пересекаются, что может способствовать созданию удачных исследовательских консорциумов и получению наиболее полной информации об объекте исследования. Но главные задачи этих проектов хорошо дополняют друг друга, что позволит научному сообществу получить максимальную выгоду.

Европейские программы

Основным инструментом финансирования научных исследований в Европейском союзе являются Рамочные программы исследований и технологического развития (The Framework Programmes for Research and Technological Development, FP). Программы впервые были введены в 1984 году (FP1). С тех пор объем финансирования научных исследований неуклонно рос, и к 2014 году рост составил более 20 раз. Программа FP8, или „Horizon 2020” предполагает общее финансирование в размере более €80 млрд.

Генри Макрам (Henry Markram) - профессор нейронаук в Швейцарском Федеральном Технологическом Институте (EPFL). Он является основателем Института наук о мозге и сознании, инициатором и руководителем проекта Blue Brain и координатором основной подпрограммы (SP6) проекта Human Brain. Его научные интересы лежат в области синоптической пластичности (способности нейронов образовывать связи друг с другом), структурной организации и функций мозга, а также передачи сигналов в неокортексе (новая кора головного мозга). Он первым сформулировал фундаментальные принципы функционирования этих процессов.

Другим невероятно важным его достижением была разработка концепции «Жидкой машины», или «Машины неустойчивых состояний» (Liquid State Machine, LMS). Это особая сеть нейронов (узлов, если мы говорим о машинах), связанных друг с другом случайным образом. Каждый узел непрерывно получает сигналы от других узлов и/ или внешних источников и сразу же начинает их обрабатывать. На выходе система также выдает непрерывный сигнал. Уникальность такого подхода в том, что в единицу времени машина может содержать важную информацию обо всех прошлых входных сигналах, при этом информационные потоки могут обрабатываться одновременно, совершенно не мешая друг другу.

Эту модель Генри Макрам использовал для симуляции работы нейронных сетей в проекте Blue Brain. Данный проект - пример того, как один человек может изменить мир. Благодаря собственным достижениям и энергии Генри Макраму удалось получить грант на исследования, считавшимися до него неосуществимыми.

Объем финансирования научных исследований в Европе

При этом исследования, связанные с мозгом, в период с 2007 по 2013 гг. получили порядка €2 млрд. Для сравнения, к 2005 году общий объем финансовых вливаний в данную область знаний не превысил €4,1 млрд. Эта сумма включает частные и государственные инвестиции; доля последних при этом едва достигает €900 млн (в США частные и государственные инвестиции за тот же период составили $6,1 и $8,4 млрд соответственно).

Среди многих исследовательских программ, одобренных Европейским союзом, стоит выделить несколько наиболее значимых и/или масштабных проектов. Одним из них является программа Blue Brain.

Blue Brain

В данном проекте были разработаны принципы построения моделей мозга, которые, доказав свою эффективность, впервые заставили научное сообщество поверить в их прогностический потенциал. Эти принципы легли в основу платформы «Симуляция мозга» (SP6) проекта Human Brain (см. далее). Идейным вдохновителем и директором программы стал Генри Макрам (профессор нейронаук в Швейцарском Федеральном Технологическом Институте).

Название проекта произошло от названия суперкомпьютера Blue Gene, предоставленного компанией IBM и используемого для распределенных вычислений, и собственно объекта исследований - мозга (англ. brain).

Моделирование как инструмент исследований давно вошло в научную практику. Например, методы молекулярного докинга активно используются для поиска новых мишеней при разработке лекарственных препаратов.

Результатом проекта Blue Brain стала действующая компьютерная модель, которая способна с высокой вероятностью (около 74%) предсказывать расположение синапсов в коре головного мозга. В своих разработках авторы использовали данные, полученные в ходе собственных биологических экспериментов, а не математические модели (таких к моменту реализации проекта было создано довольно много).

Точный механизм образования синапсов до сих пор неизвестен. Есть две гипотезы: связи между нейронами образуются случайным образом в местах соприкосновения их отростков и связи образуются под контролем химических соединений, выделяемых клетками.

В ходе морфологических экспериментов в проекте Blue Brain (модельным животным была крыса) его авторы выделили шесть типов нейронов и их синоптические связи. Далее, используя всего два параметра (удаленность синапса от тела нейрона и расположение на нем отростков), исследователи выявили схему расположения синапсов, характерную для каждого типа нейронов.

В модельном эксперименте внутри строго определенного объема серого вещества нейроны были расположены случайным образом с учетом всего двух параметров: плотность расположения и относительное количество клеток каждого типа. Почти в 75% случаях модель правильно указала на наличие связей между клетками. Отсюда можно сделать вывод о случайном механизме образования синапсов. Оставшиеся проценты могут свидетельствовать о более сложных молекулярных механизмах, вовлеченных в данный процесс.

Изучение процессов работы памяти человека в Sandia National Laboratories (США) путем снятия электроэнцефалограммы головного мозга

Как бы то ни было, работа показала, что для построения коннектома (модели мозга, пространственного расположения клеток и, главное, связей между ними) достаточно разместить нейроны разных типов в правильных областях коры мозга с подходящей плотностью и в необходимом количестве. Получается, нет необходимости картировать положение каждого нейрона в коре, как считалось ранее, а достаточно иметь лишь общее представление об их расположении.

Именно этот вывод дал начало мероприятиям проекта Human Brain. В январе 2013 года было объявлено о его поддержке Европейским Союзом.

Тем не менее на данный момент мы все еще имеем недостаточно знаний о типах нервных клеток, присутствующих в нашем теле, их различиях на молекулярном уровне. А кроме нейронов, есть еще глиальные клетки и клетки сосудистой системы, без которых нейроны не смогут осуществлять своих функций. И одной из приоритетных задач Human Brain является восполнение недостающих данных, с использованием которых работа модели станет более точной.

Проект «Мозг человека»
(The Human Brain Project, HBP)

Проект «Мозг человека» (номер гранта 604102) стартовал в начале октября 2013 года. Данная инициатива является флагманским проектом в исследованиях мозга Европейской комиссии будущего и новейших технологий в течение ближайших теперь уже 8 лет (окончание проекта запланировано на 2023 год). За это время планируется не только проведение научных исследований, но и активное внедрение полученных результатов в виде методов, новых знаний, технологий в жизнь.

Подпрограммы проекта Human Brain

По словам Генри Маркрама (Henry Markram), профессора, основателя Института мозга и разума, в его рамках ученые намерены воссоздать мозг человека в самых мелких деталях.

«От генетического, молекулярного уровня к нейронам и синапсам, далее к цепям нейронов, макроцепям, мезоцепям, долям мозга - до тех пор, пока не возникнет понимание того, как связаны между собой все эти уровни и как они определяют поведение и формируют сознание», - говорит Маркрам.

Таким образом, глобальной задачей проекта HBP является создание точной модели, которая позволит понять, как работает наш мозг, как мы думаем, принимаем решения, чувствуем. Какие процессы лежат в основе памяти. Ведь четкое представление о том, как работает полтора килограмма биоматериала у нас в голове, потребляя при этом 20% энергии, вырабатываемой всем телом, позволит разработать инструменты для лечения нейродегенеративных заболеваний, которыми все больше страдает стареющее человечество.

Более того: имея такие модели, мы сможем приблизиться к идее создания искусственного разума. Но не все так просто. По словам самого же Генри Маркрама, если сознание появляется в результате критической массы взаимодействий - тогда это может быть возможно, но мы действительно не понимаем, что есть сознание, поэтому трудно об этом говорить. По крайней мере, сейчас.

В проекте участвуют 113 организаций-партнеров, 21 организация-исполнитель, среди которых ведущие университеты мира (всего 24 страны), что делает проект международным. Коммерческие компании, специализирующиеся на изучении патологий мозга, разработке и внедрении в практику новых терапевтических подходов к лечению нейродегенеративных заболеваний, основанных на последних достижениях и разработках науки и техники, также принимают активное участие в данном проекте.

Дорожная карта проекта включает следующие задачи:

Симуляция мозга;

Разработка вычислительных и роботизированных систем;

Разработка интерактивной системы вычислений;

Карта патологий мозга;

Создание карт мозга мыши и человека;

Разработка теорий мозга;

Ускорение революционных исследований;

Коллаборация с другими исследовательскими проектами;

Трансляция результатов Программы в технологии, продукты и сервисы;

Проведение политики ответственных исследований и инноваций.

Инициатива разделена на несколько подпроектов (SP1–SP13), каждый из которых исполняет свою функцию. При этом проекты SP5–SP10 по своим масштабам и значимости имеют статус платформ.

Всего на проект «Мозг человека» планируется потратить порядка €1,2 млрд. Финансирование предварительной фазы проекта, в течение которой происходит адаптация новых методов исследований, установление связей, контактов между организациями-участниками, составляет €54 млн.

В апреле 2015 года на сайте проекта после обобщающей встречи основных участников был опубликован технический отчет о работе, проделанной в течение года с момента начала проекта.

Первый год работы программы стал организационным. Ее участники осваивали, разрабатывали новые методы, совершенствовали инструментарий. В целом, результаты каждой исследовательской группы (конечно, всегда есть исключения) укладываются в установленный календарный план. Общее замечание ко всем участникам следующее: между ними не хватает перекрестных коммуникаций. Причем это единственное замечание существенно влияет на планы реализации всего проекта.

Требуемая производительность компьютерного кластера для реализации проектов по моделированию мозга

И не сосчитать!

Участникам платформы «Высокопроизво-дительные вычисления» (SP7) предстоит нелегкая задача. Дело в том, что для реализации амбициозных целей проекта Human Brain потребуются вычислительные системы колоссальной мощности. Использованный в проекте Blue Brain суперкомпьютер Blue Gene от IBM имел достаточно ресурсов (300 тыс. терафлоп и 10 ТБайт оперативной памяти) для симуляции работы одной колонки неокортекса крысы (структурная единица мозга, всего в мозге крысы 100 тыс. таких колонок). Для симуляции работы человеческого мозга потребуется более чем в 100 тыс. раз мощный кластер (см. рисунок). Для сравнения, 6-ядерный процессор Intel Core i7-4930K с частотой 3,7–4,2 ГГц имеет производительность 130–140 гигафлопсов (теоретический пик 177 ГФлопс). Это означает, что теоретически для создания подобного кластера потребуется свыше 7 миллионов таких процессоров.

В общем, невозможного здесь ничего нет, были бы деньги. К примеру, Intel планирует к 2020 году создать суперкомпьютер производительностью 4 эксафлопса. Тем не менее работа по введению в эксплуатацию и поддержке подобных систем крайне нелегка, поэтому пожелаем исследователям удачи.

Поскольку приоритетным научным результатом проекта Human Brain должна стать модель мозга человека (по ее аналогии легко можно будет разработать модель мозга любого млекопитающего), построенная на данных, полученных из биологических экспериментов, ее авторы (подпрограмма SP6) просто обязаны активно взаимодействовать с другими участниками данной инициативы, чтобы эту информацию получить и использовать. Причем от такого взаимодействия - двойная выгода. С одной стороны, на основании таких данных строится действующая модель (SP6), с другой, по мере ее тестирования становится очевидным, каких исследований еще не хватает (SP1, SP2, SP3, SP4). Такой процесс позволит более целенаправленно планировать эксперименты.

По отзывам экспертов создается впечатление, что SP1 и SP2 проводят работу независимо от целей и задач SP6. Аналогичная ситуация и с SP3 и SP4. При этом именно «сырых» данных пока недостаточно для построения работающей модели мозга.

Группа исследователей из Йельского университета изучает работу мозга с помощью массива из 64 датчиков на голове пациентов

Примечательно, что именно к разработчикам моделей - а они являются сердцем проекта - у экспертов возникло большинство претензий. Досталось и инженерам платформы «Нейророботы» (SP10), построившим модель «Виртуальная мышь», где они использовали упрощенную модель мозга, привязанную к модели тела (все это расположено в виртуальной окружающей среде). В основу модели легли данные института мозга Аллена (Сиэтл, США), Биомедицинской информационной исследовательской сети (Сан-Диего, США) и данные, полученные в результате исполнения проекта Blue Brain (Женева, ЕС). В представленной упрощенной модели было использовано 200 тыс. нейронов (всего в мозге мыши 75 млн нейронов).

Такая модель, несомненно, интересна сама по себе, поскольку, во-первых, является примером решения задачи по интеграции различного рода данных, полученных из различных источников, а во-вторых, представляет собой мощный инструмент не только для проведения исследований, но также для отработки интеллектуального поведения объектов в робототехнике (механизм ответа на внешнее возбуждение).

Однако претензии экспертов к группе SP10 заключались в том, что последние сосредоточились больше на эргономике разрабатываемого инструментария, а также на пакетах визуализации в ущерб свойствам самих моделей (мозг, тело, окружающая среда). Данное обстоятельство, по мнению экспертов, ставит под сомнение возможность использования и научную ценность подобного инструментария.

В защиту проекта можно сказать, что к моменту предоставления результатов прошел лишь год с его начала, и при должных усилиях указанные недочеты легко можно исправить.

Исследования в США

Инициатива B.R.A.I.N.

Название „B.R.A.I.N.” расшифровывается как „Brain Research Through Advancing Innovative Neurotechnologiеs” («Изучение мозга путем развития инновационных нейротехнологий»). Инициатива трансформировалась из программы Brain activity map («Карта активности мозга»), которая предполагала научиться регистрировать импульсы всех нейронов в мозге животных. Задачи инициативы серьезно расширились и теперь данный проект выглядит еще более амбициозным, чем Human Brain, и как большинство американских инициатив.

«Нам предстоит открыть глубокую тайну, и проект B.R.A.I.N. поможет в этом. Он даст ученым возможность составить в динамике картину деятельности головного мозга и лучше понять, как мы думаем, учимся и запоминаем», - заявил президент США Барак Обама, объявляя о запуске программы.

Глобальные цели исследований не новы: углубление научных знаний о болезни Альцгеймера, аутизме, эпилепсии и других расстройствах, связанных с высшей нервной деятельностью, исследование возможности ранней диагностики и лечения этих заболеваний. Но авторы проекта не исключают возможности появления прорывных открытий в процессе исполнения инициативы.

B.R.A.I.N. предполагает создание атласа клеток головного мозга на основе их полных молекулярных характеристик (ДНК, РНК, белки, простые молекулы), карты их связей друг с другом (коннектом), инструментов для объединения этих данных с информацией о когнитивных функциях. Инициатива также предполагает построение моделей здорового мозга и мозга с различными патологиями, что позволит исследовать причины их возникновения и развития. Все это в том или ином виде присутствует в европейском Проекте Human Brain.

B.R.A.I.N. - доступным языком

Сейчас для того, чтобы провести операцию на человеческом мозге (например, удалить эпилептический участок или вживить имплантат для устранения тремора), хирург каждый раз должен проводить его картирование. Происходит это следующим образом. На операционном столе лежит человек в полном сознании, его череп вскрыт. Врач осторожно касается специальным стимулятором различных областей мозга, а пациент должен отвечать ему, что он чувствует, как изменилось его состояние. Во время почти 4-часовой операции в 2008 году врачи стимулировали различные участки мозга американскому музыканту Эдди Эдкоку, а он играл на банджо и сообщал, есть ли эффект от такой стимуляции (у него был тремор, мешающий играть). Локализовав участок, ответственный за проявление патологии, в него вживили электрод. Пациент выздоровел и дал концерт по окончании операции.

Неинвазивные методы картирования головного мозга, его подробные карты, а также методы адресной стимуляции (физической или лекарственной) определенных участков серого вещества могли бы существенно упростить подобные процедуры. Только представьте: пациенту надевают шлем и начинают последовательно с некоторыми интервалами возбуждать те участки мозга, которые предположительно могут быть ответственны за недуг. И все, что нужно пациенту - вовремя нажать на кнопку, чтобы дать системе сигнал: мне стало лучше. Легкая калибровка, точечное воздействие - лечение завершено, пациент здоров.

Основное отличие этих двух проектов в том, что европейцы сосредоточились на создании компьютерных моделей, симулирующих работу мозга, а американцы будут в первую очередь разрабатывать новые технологии, инструменты, методы проведения исследований, точечного воздействия на мозг (по возможности неинвазивные), и только потом приступят к фундаментальным задачам.

О запуске инициативы B.R.A.I.N. стало известно в 2013 г. Сроком начала ее реализации был объявлен сентябрь 2014 г. (с этого месяца начинается финансирование большинства проектов). Программа рассчитана на 12 лет.

В работе над проектом принимают участие пять федеральных агентств: Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA), Агентство передовых исследований в сфере разведки (IARPA), Национальный институт здравоохранения (NIH), Агентство передовых оборонных разработок (DARPA) и Национальный научный фонд (NSF). Помимо этого, участники Национальной инициативы в фотонике, а также компании GE, Google, GlaxoSmithKline и Inscopix предоставили свою инфраструктуру в качестве вклада в B.R.A.I.N., а многие частные фонды, организации и университеты согласились участвовать в финансировании исследований.

Как планируют идеологи инициативы (главный координатор - Национальный институт здоровья, NIH), первые два года (финансовые 2014-й и 2015-й) станут подготовительными, основной фокус первой «пятилетки» (финансовые 2016–2020 гг.) будет направлен на разработку новых технологий исследований мозга, а в течение следующей «пятилетки» (2021–2025 гг.) с использованием разработанных технологий будут, как надеются ученые, сделаны фундаментальные открытия.

Основные цели B.R.A.I.N.

1. Исследование разнообразия: экспериментальное описание всех типов клеток головного мозга, их роли в здоровом и больном мозге. Это необходимо для систематизации клеточного разнообразия. С помощью полученных данных будут разработаны инструменты записи, маркировки и манипуляции нейронами на живом мозге, а также методы избирательной доставки генов, белков и простых веществ в клетки мозга.

2. Картирование в крупных масштабах: создание диаграмм нейронных связей в разрешении от отдельных синапсов до мозга в целом. Такая карта позволит выявлять связи не только между соседними клетками, но также клетками, расположенными в разных участках мозга, исследовать взаимосвязь между отдельными его областями. В перспективе будут разработаны быстрые и менее дорогие технологии реконструкции нейронных сетей в любом масштабе (от неинвазивного исследования целого мозга до исследования отдельных синапсов на субклеточном уровне).

3. Мозг в действии: получение динамических картин функционирования мозга с использованием новых методов мониторинга нейронной активности (запись сигналов всех нейронных сетей в течение длительных временных интервалов). Данные исследования позволят усовершенствовать существующие и разработать новые технологии работы с нейронами, включая методы, основанные на использовании электродов, оптики, молекулярной генетики и др.

4. Демонстрация причинно-следственных связей: соотнесение активности мозга с поведенческими рефлексами с использованием инструментов, изменяющих динамику нейронных сетей (активация или торможение популяций нейронов). Будут разработаны специальные инструменты для манипуляции нейронными сетями модельных животных и впоследствии человека (для оптогенетических, хемогенетических, биохимических и электромагнитных модуляций).

The NPI brings together experts from industry, academia and government to assemble recommendations that will help guide US funding and investment in five key photonics-driven fields: advanced manufacturing, communications & IT, defense & national security, energy and health & medicine.

5. Идентификация фундаментальных принципов: разработка моделей биологических основ психологических процессов с использованием новых теоретических инструментов. Теория, моделирование и статистический анализ позволят провести комплексный нелинейный анализ функциональных особенностей мозга. Разработка новых методов анализа и интерпретации данных будет осуществляться в тесном сотрудничестве с учеными в области статистики, физики, математики, инженерных и компьютерных наук.

6. Исследования человека: разработка инновационных технологий исследования мозга человека и лечения его патологий, создание и поддержка интегрированных исследовательских консорциумов. Разработка системы привлечения людей, страдающих различного рода патологиями мозга и проходящих обследование и лечение в клиниках, к научным исследованиям. Такая система помимо создания инструментов сбора и обработки данных о пациентах потребует формирования строгих этических норм и систем защиты персональных данных о пациентах.

7. От инициативы B.R.A.I.N. к мозгу: новые технологии и подходы, описанные в п. 1–6, продемонстрируют, как динамические массивы нейронной активности трансформируются в такие действия человеческого мозга как познание, эмоции, восприятие и действие. Это станет наиболее важным результатом работы инициативы.

Помимо исследовательских задач, инициатива предполагает развитие инфраструктурных проектов, среди которых наибольшую важность представляют:

Организация параллельных исследований человеческих и «нечеловеческих» моделей;

Механизмы междисциплинарного взаимодействия;

Интеграция данных в пространственных и временных шкалах (динамические модели);

Разработка платформы для хранения и обмена данными;

Валидация и внедрение новых технологий в практику;

Этические последствия применения результатов исследований;

Механизмы налоговой отчетности участников проекта.

Распределение финансирования ФГ14-ФГ25 между дисциплинами.

Две масштабных программы США и Европейского союза, очевидно, дополняют друг друга. Наличие же точек их пересечения позволяет организовывать совместные международные исследования. Например, цели подпрограмм SP1–SP5 проекта Human Brain совпадают с задачами, заявленными в п. 1–5 B.R.A.I.N., а цели SP8 совпадают с задачами п. 6. Что касается инфраструктуры, то она уже давно общая для научных сообществ США и Европы.

Инициатива B.R.A.I.N. предусматривает общее финансирование в объеме $4,9 млрд. Ожидания затрат авторов проекта показаны на рис. ниже. Таким образом, в течение ближайших 10 лет можно ожидать появления прорывных технологий в исследовании мозга и лечении его патологий.

Исследования в Японии

Проект под названием «Картирование мозга с использованием интегрированных нейротехнологий для изучения патологий» (Brain Mapping by Integrated Neurotechnologies for Disease Studies), сокращенно - Brain/MINDS, стартовал в июне 2014 года. Финансирование проекта в 2014 году составило ¥3 млрд ($27 млн), в 2015 году оно должно вырасти до ¥4 млрд.

Программа поддержана Министерством образования, науки и технологии (MEXT). Головной организацией выступит Институт науки о мозге RIKEN (BSI).

本プロジェクトは、神経細胞がどのように神経回路を形成し、どのように情報処理を行うことによって、全体性の高い脳の機能を実現しているかについて、革新的技術を生かし、その全容を明らかにし、精神・神経疾患の克服につながるヒトの高次脳機能の解明のための基盤を構築することを目的として実施します。

Проект направлен на изучение фундаментального вопроса: как работает сознание человека? Инициатива имеет следующие цели: выяснить все функции человеческого мозга; усовершенствовать методы диагностики и лечения его патологий; разработать информационные технологии, основанные на механизмах работы мозга.

Важной особенностью проекта Brain/MINDS является то, что его авторы большинство исследований будут проводить на модельных животных - мартышках Callithrix jacchus. Они небольшого размера и хорошо размножаются, поэтому с ними удобно работать и легко пополнять популяцию. Кроме того, по анатомии мозга, социальному поведению (включая отношения между родителями и потомством) эти обезьяны похожи на людей. Они обладают уникальными голосовыми способностями, к тому же модели их нейродегенеративных заболеваний и человека весьма схожи.

Другие важные преимущества работы именно с модельными животными и именно с мартышками Callithrix jacchus:

Фронтальная лобная кора хорошо развита и более соответствует коре человека, чем у других модельных животных - например, грызунов, часто используемых в экспериментах;

Компактный мозг (весом всего 8 г) является преимуществом при проведении анализа нейронных сетей целого мозга;

Мозг имеет меньше слоев, что упрощает процедуру его изучения методами функциональной магнитно-резонансной томографии, оптическими, контрастными и электрофизиологическими методами;

С мартышками можно проводить генетические эксперименты, модификации и манипуляции - это крайне важный аспект данного проекта, поскольку позволяет in vivo моделировать и изучать многие процессы (например, можно создать линию, которая обязательно будет болеть, скажем, болезнью Альцгеймера).

С помощью исследований трансгенных животных (в Японии, в отличие от США и ЕС, законодательство позволяет проводить подобные эксперименты) ученые смогут определить отправные точки развития нейродегенеративных заболеваний. Когда диагностируется болезнь Альцгеймера, то есть когда начинают проявляться первые ее симптомы, сделать уже ничего нельзя. Процесс деградации нервных волокон запущен, клетки гибнут, мозг сжимается, человек теряет память, наступает смерть. Ранняя диагностика - залог успешного лечения при любых патологиях. Таким образом, определив точку отсчета, изучив процесс возникновения и развития заболевания целиком, можно разработать терапевтические средства не только лечения, но предотвращения подобных патологий в принципе.

Кроме того, на животных будут отработаны современные технологии терапии - все те, которые упоминались в начале статьи.

Подробнее о DTI-MRI

Метод диффузионной тензорной магнитно-резонансной томографии с трактографией основан на измерении величины и направления диффузии молекул воды в веществе мозга. Было установлено, что движение молекул воды вдоль волокон белого вещества происходит гораздо активнее, чем в перпендикулярных направлениях, эта разница и легла в основу получения диффузионных тензорных изображений. С помощью данного метода можно оценить степень поражения мозга. Она позволяет создать трехмерную реконструкцию волокон белого вещества, а также обнаружить и оценить повреждение нервных связей. Кроме того, получаемые с ее помощью данные можно использовать для установления корреляций между поражением нейронных связей и неврологическим дефицитом в соответствующей системе.

Для выявления механизмов, лежащих в основе процессов, происходящих в нашей голове (чувства, поведение, патологии), исследователи должны интегрировать большое количество данных разного уровня.

Для этого задачи проекта разделены на три категории, каждой из которых занимается отдельна группа исследователей:

Группа A - структура и функциональное картирование мозга мартышки Callithrix jacchus;

Группа B - разработка инновационных нейротехнологий для картирования мозга;

Группа C - картирования мозга человека и клинические исследования.

Группа A находится под управлением профессора Хидеюки Окано (Институт наук о мозге RIKEN и Школа медицины университета Кейо). Исследования разделены на несколько уровней: макро-, мезо- и микроскопический.

На макроуровне авторы продемонстрировали потенциал метода диффузионной тензорной магнитно-резонансной томографии с трактографией (DTI-MRI) в диагностике болезни Паркинсона. Исследования, проведенные на модельных животных (мартышках, страдающих паркинсонизмом) показали, что метод позволяет выявить изменения в областях мозга, ответственных за развитие данного заболевания, что может использоваться в клинической практике. С использованием DTI-MRI была построена трехмерная модель мозга мартышки, которую можно использовать для сравнения мозга с патологией и мозга контрольной группы. Авторы намереваются в тесном сотрудничестве с клиницистами (группа В) исследовать возможность использования данного метода в диагностике различных нейродегенеративных заболеваний.

Волокнистая структура белой материи и областей целого мозга мартышки была реконструирована в виртуальном пространстве с использованием данных, полученных с использованием метода DTI-MRI с трактографией. Волокна белой материи содержат множество продолжительных нитей, соединяющих различные области мозга. На структуре целого мозга также можно увидеть связи областей друг с другом

Методами световой микроскопии (уровень среднего разрешения), введением флуоресцентных меток и гибридизации in situ будет исследоваться экспрессия генов, ответственных за возникновение и развитие патологий мозга, а также таких физиологических функций как зрение. С использованием аденовирусов группа будет внедрять гены синтеза разных флуоресцентных белков (эти белки светятся при их возбуждении излучением определенной длины волны) и, таким образом, отслеживать нейроны, распределение их аксонов, связей с другими клетками. Кроме того, специально для целей разработки карт будут созданы уникальные линии мартышек, дефектные по одному или нескольким генам, связанным с организацией работы мозга.