Опыты на людях: как исследуют человеческий мозг

Еще не так давно по историческим меркам о мозге говорили как о «черном ящике», процессы внутри которого оставались тайной. Достижения науки последних десятилетий уже не позволяют заявлять об этом столь же категорично. Однако по-прежнему в области исследования мозговой деятельности куда больше вопросов, чем однозначных ответов.

Распознать в этой, имеющей космические численные параметры и находящейся в постоянном движении системе механизмы, которые можно было бы соотнести с тем, что мы называем памятью и мышлением, крайне сложно. Порой для этого приходится проникать непосредственно в мозг. В самом прямом физическом смысле.

Что бы там ни говорили защитники живой природы, но экспериментировать над мозгом макак и крыс исследователям пока никто не запрещал. Однако когда речь идет о мозге человека — живом мозге, разумеется, — эксперименты на нем практически невозможны по соображениям права и этики. Проникнуть внутрь «серого вещества» можно лишь, что называется, за компанию с медициной.

Провода в голове

Одним из таких шансов, предоставленных исследователям мозговой деятельности, стала необходимость хирургического лечения тяжелых случаев эпилепсии, которые не поддаются медикаментозной терапии. Причиной заболевания становятся пораженные участки срединной височной доли. Именно эти области необходимо удалить методами нейрохирургии, однако прежде всего их надо выявить, чтобы, так сказать, не «отхватить лишнего».

Американский нейрохирург Ицхак Фрид из Калифорнийского университета (Лос-Анджелес) еще в 1970-х стал одним из первых, кто применил для этой цели технологию введения непосредственно в кору головного мозга электродов толщиной 1 мм. По сравнению с размером нервных клеток электроды имели циклопические размеры, однако даже такого грубого инструмента было достаточно, чтобы снять усредненный электросигнал от некоторого количества нейронов (от тысячи до миллиона). В принципе, для достижения чисто медицинских целей этого было достаточно, но на каком-то этапе инструмент было решено усовершенствовать. Отныне миллиметровый электрод получал окончание в виде разветвления из восьми более тонких электродов диаметром 50 мкм. Это позволило увеличить точность замеров вплоть до фиксации сигнала от сравнительно небольших групп нейронов. Были также разработаны методы, позволяющие отфильтровать из «коллективного» шума сигнал, посылаемый одной-единственной нервной клеткой мозга. Все это было сделано уже не в медицинских, а в чисто научных целях.

Именные нейроны

Объектом исследований становились люди, ожидавшие операции по поводу эпилепсии: пока внедренные в кору мозга электроды считывали сигналы от нейронов для точного определения зоны хирургического вмешательства, попутно проводились весьма интересные эксперименты. И это был тот самый случай, когда реальную пользу науке принесли иконы поп-культуры — голливудские звезды, чьи образы легко узнаваемы большинством населения планеты. Сотрудник Ицхака Фрида — врач и нейрофизиолог Родриго Киан Кирога — демонстрировал испытуемым на экране своего ноутбука подборку широко известных зрительных образов, среди которых были как популярные личности, так и знаменитые сооружения, вроде оперного театра в Сиднее. При показе этих картинок в мозге наблюдалась электрическая активность отдельных нейронов, причем разные образы «включали» разные нервные клетки. Например, был установлен «нейрон Дженнифер Энистон», который «выстреливал» всякий раз, когда на экране возникал портрет этой актрисы романтического амплуа. Какое бы фото Энистон ни демонстрировали испытуемому, нейрон «ее имени» не подводил. Более того, он срабатывал и тогда, когда на экране появлялись кадры из известного сериала, в котором актриса снималась, пусть даже ее самой в кадре не было. А вот при виде девушек, лишь похожих на Дженнифер, нейрон молчал.

Исследуемая нервная клетка, как оказалось, была связана именно с целостным образом конкретной актрисы, а вовсе не с отдельными элементами ее внешности или одежды. И это открытие давало если не ключ, то подсказку к пониманию механизмов сохранения долговременной памяти в человеческом мозге. Единственное, что мешало продвигаться дальше, — те самые соображения этики и права, о которых говорилось выше. Ученые не могли разместить электроды ни в каких других областях мозга, кроме тех, что подвергались предоперационному исследованию, да и само это исследование имело ограниченные медицинской задачей временные рамки. Это весьма затрудняло поиски ответа на вопрос, действительно ли существует нейрон Дженнифер Энистон, или Брэда Питта, или Эйфелевой башни, а может быть, в результате замеров ученые случайно натыкались лишь на одну клетку из целой связанной друг с другом синаптическими связями сети, отвечающей за сохранение или узнавание определенного образа.

Игра с картинками

Как бы то ни было, эксперименты продолжились, и к ним подключился Моран Серф — личность крайне разносторонняя. Израильтянин по происхождению, он попробовал себя в роли бизнес-консультанта, хакера и одновременно инструктора по компьютерной безопасности, а еще художника и автора комиксов, писателя и музыканта. Вот этот-то человек со спектром талантов, достойным эпохи Возрождения, взялся создать на основе «нейрона Дженнифер Энистон» и ему подобных нечто вроде нейромашинного интерфейса. В качестве испытуемых и на этот раз выступили 12 пациентов медицинского центра им. Рональда Рейгана при Калифорнийском университете. В ходе предоперационных исследований им внедрили в область срединной височной доли по 64 отдельных электрода. Параллельно начались эксперименты. Сначала этим людям показали 110 изображений поп-культурной тематики. По итогам этого первого тура были отобраны четыре картинки, при виде которых у всей дюжины испытуемых четко фиксировалось возбуждение нейронов в разных частях исследуемого участка коры. Далее на экран выводились одновременно два изображения, наложенных друг на друга, причем каждое обладало 50%-ной прозрачностью, то есть картинки просвечивали друг через друга. Испытуемому предлагалось мысленно увеличить яркость одного из двух образов, чтобы тот затушевал своего «соперника». При этом нейрон, отвечающий за образ, на котором сосредотачивалось внимание пациента, выдавал более сильный электрический сигнал, чем нейрон, связанный со вторым образом. Импульсы фиксировались электродами, поступали в декодер и превращались в сигнал, управляющий яркостью (или прозрачностью) изображения. Таким образом, работы мысли вполне хватало, чтобы одна картинка начинала «забивать» другую. Когда испытуемым предлагалось не усилить, а, наоборот, сделать один из двух образов бледнее, связка «мозг — компьютер» вновь срабатывала.

Светлая голова

Стоила ли эта увлекательная игра необходимости проводить опыты над живыми людьми, тем более имеющими серьезные проблемы со здоровьем? По мнению авторов проекта — стоила, ибо исследователи не только удовлетворяли свои научные интересы фундаментального характера, но и нащупывали подходы к решению вполне прикладных задач. Если в мозге существуют нейроны (или связки нейронов), возбуждающиеся при виде Дженнифер Энистон, значит, должны быть и мозговые клетки, отвечающие за более существенные для жизни понятия и образы. В случаях, когда пациент не в состоянии говорить или сигнализировать о своих проблемах и потребностях жестами, непосредственное подключение к мозгу поможет медикам узнать о нуждах больного от нейронов. Причем чем больше ассоциаций будет установлено, тем больше сможет сообщить о себе человек.

Однако внедренный в мозг электрод, пусть даже 50 мкм в поперечнике, — это слишком грубый инструмент для точной адресации конкретному нейрону. Более тонкий метод взаимодействия с нервными клетками уже отрабатывается, хотя трудно сказать, когда нечто подобное может быть широко применено в отношении человека. Речь идет об оптогенетике, которая предполагает преобразование нервных клеток на генетическом уровне. Одними из пионеров этого направления считаются Эд Бойден и Карл Диссерот, начинавшие свои работы в Стэнфордском университете. Их замысел заключается в том, чтобы воздействовать на нейроны с помощью миниатюрных источников света. Для этого клетки, разумеется, необходимо сделать светочувствительными. Поскольку физические манипуляции по пересадке светочувствительных белков — опсинов — в отдельно взятые клетки относятся к области практически невозможного, исследователи предложили… заражать нейроны вирусом. Именно этот вирус внедрит в геном клеток ген, синтезирующий светочувствительный белок. У этой технологии есть несколько потенциальных применений. Одно из них — это частичное восстановление зрения глаза с пораженной сетчаткой за счет сообщения светочувствительных свойств сохранившимся несветочувствительным клеткам (есть успешные опыты на животных). Получая вызванные падающим светом электросигналы, мозг вскоре научится работать с ними и интерпретировать их как изображение, пусть и худшего качества. Другое применение — работа с нейронами непосредственно в мозге с помощью миниатюрных световодов. Активируя разные нейроны в мозге животных с помощью пучка света, можно проследить за тем, какие поведенческие реакции эти нейроны вызывают. Помимо этого, «световое» вмешательство в мозг в будущем может иметь и терапевтическое значение.

Что такое пластичность мозга? Из каких отделов состоит и как выглядит мозг в разрезе, наука знает давно. Однако о механизмах мышления и памяти до сих пор известно немного.

Пластичностью мозга называется потрясающая способность нашего органа мышления приспосабливаться к изменяющимся обстоятельствам. Если мы обучаемся какому-либо навыку и интенсивно тренируем мозг, в области мозга, отвечающей за этот навык, появляется утолщение. Находящиеся там нейроны создают дополнительные связи, закрепляя вновь полученные умения. В случае поражения жизненно важного участка мозга он порой заново развивает утраченные центры в неповрежденной области.

Создан ли нейромашинный интерфейс, позволяющий парализованным людям управлять роботом-манипулятором?

Да, такой интерфейс создан. Особенно интересны в этой связи работы нейроинженера Джона Донохью из Университета Браун (штат Род-Айленд). В возглавляемой им лаборатории разработана технология BrainGate, помогающая парализованным вырваться из «тюрьмы» своего тела. Чаще всего паралич наступает не в результате поражения головного мозга, а по причине нарушения коммуникации между головным мозгом и периферийной нервной системой — например, из-за повреждения спинного мозга. Если моторная кора цела и функционирует, в нее вставляется небольшой чип с золотыми электродами. Чип считывает сигналы, поступающие от нужных групп нейронов, и преобразует их в команды для компьютера. Если к компьютеру подсоединена роботизированная рука-манипулятор, то достаточно пациенту подумать о том, как он поднимает свою руку, и робот тут же выполнит задуманное движение. Таким же способом парализованный человек может управлять набором текста на компьютере или перемещать курсор по экрану. Единственное неудобство состоит в том, что из верхней части черепа торчат провода, однако это мелочь по сравнению с полной неподвижностью. В будущем, мечтает Донохью, электронный чип, имплантированный в мозг, будет управлять не компьютером, а мышцами тела пациента через систему электростимуляторов, которые будут вживлены в мускулатуру.

Может ли мозг видеть без глаз?

То, что мы считаем зрением, есть на самом деле интерпретация мозгом электросигналов, генерируемых массивом светочувствительных клеток — палочек и колбочек, расположенных на внутренней стороне сетчатки. У сетчатки высокое разрешение — около 126 мегапикселей, если приблизительно выразить его в параметрах, в которых оценивается матрица цифрового фотоаппарата. Однако в строение глаза заложена масса несовершенств, и окончательная картинка — это все-таки результат вычислений, проведенных мозгом. Именно мозг «заботится» о том, чтобы зрительное восприятие создавало нам максимальные удобства при ориентации в пространстве. Но, как выясняется, даже если мозгу предложить картинку куда более низкого разрешения и даже если устройством «ввода» будет не глаз и не светочувствительные клетки, мозг и тогда сумеет нас сориентировать. Доказательство тому — работы американского ученого Пола Бач-и-Рита. Создав матрицу низкого разрешения (144 маленьких золотых контакта), на которую подавалась видеокартинка с разверткой в виде электросигналов разной интенсивности, он приложил контакты… к языку испытуемого, лишенного зрения. Поначалу электросигналы создавали лишь ощущение неприятного пощипывания, но некоторое время спустя мозг научился распознавать в этих раздражителях упрощенные очертания окружающих предметов.

Возможно ли эмулировать головной мозг человека с помощью компьютерной программы или создать компьютер, аналогичный мозгу?

Пока такого аналога не существует, однако наука движется в этом направлении. Надо понимать, что хоть электронные вычислители нередко называют «мозгом», в реальности ЭВМ и мозг конструктивно не имеют практически ничего общего. Кроме того, если компьютер является творением человеческого разума и принципы его работы специалистам досконально известны и описаны до последней запятой, то до полного понимания того, что происходит под черепной коробкой, наука невероятно далека. Задача ученых, задействованных в проекте Blue Brain, профинансированном правительством Швейцарии и осуществляемом в сотрудничестве с корпорацией IBM, заключается, таким образом, не в том, чтобы создать электронного конкурента мозгу. В конце концов, многие специализированные задачи типа математических расчетов компьютер давно делает несравнимо лучше, чем наше «серое вещество». Цель проекта, в котором используется мощнейшая вычислительная техника, — создать компьютерную 3D-модель происходящего внутри мозга и затем с ее помощью проверять различные гипотезы, связанные с его работой. Мозг человека состоит из 100 млрд нейронов, а количество возможных комбинаций, могущих возникнуть при их соединении, превышает число атомов во Вселенной, поэтому браться за задачу таких масштабов исследователи пока не решились. Речь идет лишь о построении модели нейронной колонки неокортекса крысы. Колонка состоит «всего лишь» из 10000 нейронов, образующих между собой 30 млн синаптических связей. Модель строится на основе наблюдений за реальным мозгом, и в ней отражается индивидуальное поведение каждого нейрона. При этом мультипроцессорный искусственный «мозг» нуждается в колоссальном количестве электроэнергии, а потребляемая мощность мозга человека — всего 25 Вт.