Механизмы деятельности мозга

Как человек мыслит? Какие процессы происходят при этом в мозге? Эти вопросы интересовали людей еще с глубокой древности. Одна из причин в том, что мозг — связующий элемент между материальным и идеальным. Именно с его помощью наши мысли превращаются вдела.

Древнегреческий анатом и хирург Герофил в 320 г. до н.э. одним из первых в труде «Анатомия» подробно описал нервную систему и внутренние органы человека, показал, что спинной мозг — продолжение головного. Его соотечественник врач Эразистрат (ок. 300 — 240 гг. до н.э.) производил вскрытия и вивисекции, способствуя тем самым развитию патолого-анатомических и физиологических знаний. Именно он ввел в литературу термины «мозг», «мозжечок», описал разветвления нервов, различая среди них двигательные и чувствительные. Он также высказал мысль, что душа (пневма) располагается в желудочках мозга, а кровь, проходящая через хориоидальные (относящиеся к сосудистой оболочке глаза) сплетения, приходит в соприкосновение с душой и перерабатывается в сознание. Это была первая в истории человечества попытка объяснения механизма сознания с психофизиологических позиций, причем подобные представления получили широкое распространение и продолжали существовать даже в средние века.

На протяжении столетий ученые выдвигали различные концепции о связи мозга и психики, из которых я бы отметил френологию. Ее сторонники выдвинули предположение, что за каждую функцию отвечает определенный участок мозга — такие взгляды имели широкое распространение вплоть до середины XX в. И хотя в этом органе действительно существуют области, связанные с обеспечением конкретных видов деятельности, в настоящее время концепция «центров» признана несостоятельной и большинством ученых принят системный подход.

Подлинно научное исследование психофизиологии мозга началось только с середины XIX в. с клинико-анатомических сопоставлений, проведенных французским антропологом и хирургом Полем Брока и немецким врачом-психиатром Карлом Вернике. Они показали, что повреждение определенных областей мозга приводит к речевым нарушениям. Во второй половине того же века началось изучение и других физиологических аспектов психической деятельности, т.е. как обеспечивается мышление, эмоции и т.п. Одни из первых экспериментов в этой области провел итальянский ученый Анджело Моссо. Когда у испытуемого, лежавшего на уравновешенном столе, активизировалась мыслительная или эмоциональная деятельность, голова одновременно начинала перевешивать, что свидетельствовало о перераспределении крови. И другое наблюдение: у больного с раневым отверстием в черепе регистрировали пульсацию сосудов мозга. Было доказано: изменения кровотока в нем отражают психические явления.

Однако первый реальный прорыв в изучении мозгового обеспечения мыслительной деятельности произошел значительно позже. Он был связан даже не столько с изобретением элекгроэнцефалографа в 1928 г. австрийским психиатром и психофизиологом Гансом Бергером, хотя этот подход нашел широкое применение, сколько с прямым контактом с мозгом человека, ставшим возможным в 1950 — 1960-е годы при диагностике и лечении тяжелых заболеваний с помощью имплантированных электродов. В нашей стране этот метод впервые применила академик Наталья Бехтерева в 1962 г. Информацию исследователь получал не со скальпа, а прямо из живой мозговой ткани. Подчеркиваю: все это делалось исключительно по медицинским показаниям.

Имплантированные электроды позволили регистрировать и в дальнейшем анализировать широкий спектр сигналов мозга. Это прежде всего импульсная активность популяций нейронов — ее принципиально нельзя зарегистрировать со скальпа. Далее назовем электрокортикограмму и электросубкортикограмму (аналог электроэнцефалограммы), регистрируемых с коры и подкорковых структур соответственно. А еще — сверхмедленные физиологические процессы длительностью в секунду и выше, напряжение кислорода* и т.д. И вот пример результатов, полученных в нашем институте в 1990 — 1991 гг. При выполнении психологического задания регистрировалась текущая (реальная) частота нейронной активности, т.е. количество импульсов в последовательных временных интервалах по 50 мс каждый. Обнаружен участок в мозге, нейроны которого реагировали увеличением текущей частоты в случае предъявления осмысленной грамматически правильной фразы, уменьшением при предъявлении осмысленной, но грамматически неверной и вовсе не реагировали при предъявлении неосмысленных фраз. То есть мы обнаружили группу нейронов — детекторов грамматической правильности осмысленной фразы. Иными словами, с помощью указанного метода удалось выявить достаточно тонкие аспекты обеспечения речи.

Современные технические достижения — позитронно-эмиссионная томография, магнитно-резонансная томография, в том числе функциональная, магнитоэнцефалография, электроэнцефалография — резко усилили возможности исследователей. Надо отметить: сегодняшняя электроэнцефалография далеко ушла от уровня двадцатилетней давности. С помощью множественных электродов, новых способов обработки сигнала удается видеть, как с течением времени очаг возбуждения перераспределяется в пространстве мозга. Оказалось реальным разделить наблюдаемый процесс на этапы — определить, что делает мозг в один, другой, в третий момент. Это необходимо для понимания, как он обрабатывает информацию.

mehanizmy-deyatelnosti-mozga
С помощью современных методов обработки сигнала удается видеть, как очаг возбуждения перераспределяется в мозге с течением времени.

Сейчас появились огромные возможности для нейровизуализации. Остановлюсь на позитронно-эмиссионной томографии. Она позволяет эффективно наблюдать за биохимией мозга. А поскольку в основе всей его деятельности, даже электрических явлений — биохимические реакции, то на основе этого метода можно изучать практически любую физиологическую функцию. Суть подхода — в высокоэффективном слежении за распределением в мозге радиоактивного изотопа, являющегося частью молекулы вещества, поведение которого исследуется. В частности, при картировании психических функций используют меченную радиоактивным кислородом (15О) воду. А с ней можно исследовать локальный мозговой кровоток, отражающий активацию нейронов при обеспечении мыслительной деятельности. Практически тот же физический процесс, т.е. изменения мозгового кровотока, отслеживает функциональный магнитно-резонансный томограф.

Следует отметить, приборы эти довольно большие: вес позитронно-эмиссионного томографа немногим более 50 т. Он включает циклотрон, радиохимическую лабораторию и сканер для получения изображений. Чуть меньше по размерам 3-тесловый магнитно-резонансный томограф (считается, что поля с индукцией магнитного поля больше 3 Тл в клинике использовать нежелательно).

Принцип построения изображения функциональной активности мозга приблизительно такой. Делают два сканирования: одно при выполнении задания, другое при контрольной деятельности. Далее строят их разность, производят усреднение по группе испытуемых и статистическую оценку. При этом выявляют области мозга, активирующиеся при анализируемой деятельности. Метод позитронно-эмиссионной томографии позволил получить большой объем данных по распределению в мозге зон, обеспечивающих различные аспекты речи. Определены области, где обрабатывается семантика, синтаксис, орфография, грамматика и т.п.

Принципиально важно, что ни один из упоминавшихся методов нельзя признать универсальным, у каждого свои преимущества и недостатки. Приведу для иллюстрации конкретный пример. При изучении селективного внимания (оно обеспечивает разговор с собеседником на фоне многих других разговоров — так называемый «эффект вечеринки») испытуемым одновременно в оба уха читали разные рассказы, а перед глазами ставили экран, где предъявляли третий рассказ. И сравнивали, что происходит, когда внимание в ходе одного задания направлено на восприятие информации левым (или правым) ухом, а в другом — текста на экране. В итоге в первом случае фиксировали активацию в слуховой коре, что и понятно при внимании к слуховым стимулам. Но вот парадокс: зрительная кора активируется при этом больше, чем во втором задании, при внимании к зрительным стимулам.

Эта ситуация удивляла нейрофизиологов на протяжении нескольких лет. Объяснение удалось найти только при сочетании всех упоминавшихся выше методов исследования. Совместно с членом-корреспондентом РАН Алексеем Иваницким (Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН) мы доказали, что ранее казавшаяся загадочной активация зрительной коры при слуховом внимании на самом деле означает запрет выдачи на уровень сознания принципиально важной информации. Это видно из латентности (времени возникновения) активации затылочных областей. Она возникает именно тогда, когда распознанная зрительная информация должна выдаваться на уровень сознания (передаваемая по зрительному каналу обычно более приоритетна, чем получаемая по слуховому). И поскольку по заданию ее запрещено воспринимать, то это, по сути дела, оказывается работой в нештатном режиме и вызывает большую активацию.

Конечно, крайне интересен вопрос, как работает механизм, регулирующий работу мозга? Один из очень важных таких регуляторов — детектор ошибок, открытый в 1968 г. Натальей Бехтеревой и Валентином Гречиным. Когда больной, которого лечили с помощью вживленных электродов, делал ошибку при выполнении психологического задания, возникал определенный повторяющийся сигнал, проявляющийся в изменении локального кровотока в некоторых областях мозга. Данный механизм фиксации неосознанной ошибки и был назван «детектором ошибок». Повторно его открыл в 1978 г. финский психолог и нейробиолог Ристо Наатанен, иностранный член РАН, назвав «феноменом негативности рассогласования». Суть его заключается в том, что вы не обращаете внимания на фоновые звуки, пока они повторяются, т.е. одинаковы. Как только происходит их изменение, вы сразу реагируете. Скажем, когда вы ведете машину, то не слышите звука двигателя, но стоит ему «застучать» или «как-то не так» себя повести, тут же спохватываетесь: «что-то не то».

mehanizmy-deyatelnosti-mozga
Пример результатов исследований с помощью позитронно-эмиссионной томографии. Видны активированные участки мозга, обеспечивающие селективное внимание.

Это базовый механизм мозга: стоит произойти чему-то непривычному, возникает сигнал «ошибка». Допустим, в самолете, в котором вы летите, загорелось световое табло «пристегните ремни». Если вы не выполните этого требования на своем кресле, ощутите дискомфорт. Почему? Для большинства видов нашей деятельности существует «матрица стандартов» их выполнения. В частности, «детектор ошибок», обеспечивая мониторинг отклонений от привычной нормы, позволяет нам эффективно совершать рутинные действия: чистить зубы, мыть руки, бриться и при этом параллельно планировать расписание дня, готовиться к предстоящему докладу, другим важным делам. Он продолжает работать даже у человека, находящегося в коме, без сознания. То есть действует независимо от нашего сознания и контролирует фактически всю нашу деятельность. И его поломка приводит к серьезнейшим нарушениям работы не только мозга, но и организма в целом. В частности, к навязчивым состояниям (именно таким является психологическая зависимость от наркотиков, которую трудно, а чаще всего практически невозможно разрушить, ибо она формируется с участием базового механизма мозга).

Навязчивые состояния настолько трудноизлечимы, что международное сообщество, традиционно предвзято относящееся к психохирургии, согласилось с возможностью и даже необходимостью именно такого способа лечения данного класса заболеваний. По разрешению, выданному нашему институту Министерством здравоохранения и социального развития РФ, мы делали соответствующие операции, и успешный исход составлял около 70% через 3 года после такого вмешательства, хотя при иных врачебных методах хорошим результатом считается 7% воздерживающихся в течение полугода. Нами показано: физиологический смысл данной операции заключается в частичном подавлении или разрушении механизма детекции ошибок и, соответственно, увеличении пластичности нервной системы. Однако операция — всегда акт отчаяния, поэтому по-прежнему целесообразен поиск терапевтического воздействия, приводящего к такому же результату.

Можно ли целенаправленно вмешиваться в работу «детектора ошибок»? В поисках ответа мы поставили другой вопрос: что происходит, когда ошибка делается сознательно, иначе говоря, когда человек лжет? Для исследования этого процесса предложили испытуемому игру с компьютером. В этом тестовом задании, как в любой игре, испытуемый должен или говорить правду, или обманывать партнера (компьютер). Исследовались реакции мозга с помощью электроэнцефалографии и позитронно-эмиссионной томографии. И оказалось: в мозге возникает реакция, «сообщающая» о том, что ответ ложный. Она появляется, хотя именно данная линия поведения выгодна, и человек сам знает: ответ ложный. С помощью позитронно-эмиссионной томографии мы показали, что источник этой реакции — передняя часть так называемой поясной извилины, то место, где локализована большая часть «детекторов ошибок». То есть действительно при осознанной лжи какой-то из них активируется. И даже при выгодном вранье «детектор ошибок» сообщает о непорядке. Зачем это нужно? Ну, как минимум, для того, чтобы человек понимал: он обманывает и не пойдет туда, куда зовет других. Основываясь на эксперименте, можно сделать вывод: сознательно блокировать «детектор ошибок» нельзя. Потому-то все методы лечения наркоманов, основанные на обращении их к сознательности, неэффективны.

mehanizmy-deyatelnosti-mozga
Реакция в мозге на ложь — в норме (a); после приема алкоголя (b).

Но отсюда следует и важный практический вывод: можно создать «детектор лжи», который, в отличие от обычного его аналога, не обмануть. Если мы сумеем следить за реакциями непосредственно в мозге, что реализуемо с помощью, например, оптической томографии, то реально сконструировать и прибор, безошибочно определяющий, правду говорит ваш визави или лжет.

Но можно ли воздействовать на механизм «детектора ошибок»? Мы попробовали применить для этого такое банальное средство, как алкоголь. Испытуемому давали грамм водки на килограмм веса за 20 мин до тестового исследования (та же игра с компьютером). И оказалось: алкоголь инвертирует реакцию на ложь. Если в норме она более высокоамплитудна, чем реакция на правдивый ответ, то после приема алкоголя соотношение меняется: реакция на ложь активнее, чем на правду. Поэтому выпивший человек начинает с легкостью фантазировать. Отсюда и важный практический вывод, почему водить машину нельзя даже после малой дозы алкоголя. Сознательное действие выполняется даже лучше, чем без него, а вот автоматическая реакция, когда происходит, например, занос, будет неправильной, т.е. «детектор ошибок» подскажет автомобилисту неверную реакцию.

Далее. Наблюдения показывают, что мозг чрезвычайно устойчив. Нам известен случай, когда пострадавший не только не погиб, но и довольно долго жил после того, как в результате несчастного случая его мозг был пронзен ломом. Чем это обусловлено? Прежде всего тем, что мозг — система гибкая: формируется в процессе взросления и развития человека и возможна ее направленная модификация. Помимо этого, она динамична: в ней происходят изменения при каждом повторном выполнении задачи. А еще — распределенная: высшие функции обеспечиваются полифункциональными нейронами, находящимися в удаленных областях и уже занятыми обеспечением других функций.

Между нейронами — огромное количество связей. Используя так называемую диффузную трактографию**, можно увидеть связи на уровне различных структур мозга. Правда, видны только крупные, но существует еще и очень много мелких соединений. Анализируя электроэнцефалограмму, можно видеть, как при различных видах деятельности возникает распределенная, т.е. охватывающая различные области мозга, гибкая система. При чтении слов, предложений, рассказов она усложняется. В процессе взросления человека — минимизируется. Поэтому детям нельзя давать слишком рано сложные задачи: их система еще не созрела для этого. И если мы будем требовать, чтобы мозг выполнял разные виды деятельности, не будучи готовым к ним, то оптимального результата не получим.

В настоящее время показано: каждому психическому явлению соответствуют вполне определенные перестройки в активности клеток мозга — нейронов и связей между ними. Поэтому систему можно искусственно модифицировать, она управляема. Например, при обучении тренировка приводит к модификации функциональной организации активности зон мозга, обеспечивающих определенные действия. Более того, реально целенаправленно менять мозговые системы. Так, с помощью биорегулирования можно модифицировать концентрацию внимания, не развитую у детей с гиперактивностью и синдромом дефицита внимания, превратив ее в такую, при которой это заболевание станет существенно менее выраженным.

mehanizmy-deyatelnosti-mozga
При различных видах деятельности в мозге возникает распределенная гибкая система связей (данные Института мозга человека им. Н. П. Бехтеревой РАН).

Мы можем заново направленно формировать утраченные при травме функции мозга. Например, восстановить речь с помощью создания в других, неповрежденных зонах мозга элементов систем, выполняющих потерянные функции. Это делается с помощью прямой электростимуляции мозга. Допустим, при моторной афазии (неспособности человека говорить), вызванной разрушением центра Брока, воздействие через имплантированные электроды на области, соседствующие с поврежденной, приводит к формированию новой, функционально аналогичной центру Брока.

Систему можно модифицировать и по-другому. Известно, что определенный звуковой ритм вызывает выброс веществ, оказывающих влияние на поведение человека. Значит, в принципе реально написать такую музыку, которая заставит людей рваться в бой под марш. Ас помощью химических веществ, феромонов, можно воздействовать на определенные структуры мозга, и в результате появится самая настоящая любовь. То есть даже столь сложные чувства доступно вызывать искусственно. Не случайно в настоящее время уже совершенно ясен механизм приворотных и отворотных зелий…

Я рассказал о том, чего нам уже удалось достичь. Однако возникли и серьезные трудности. Они заключаются в том, что мы исследуем все более и более интимные виды деятельности — то же творчество. А применяем для этого статистические методы анализа сигналов. И чем интимнее изучаемые нами виды деятельности, тем хуже воспроизводимость, потому что система в целом в каждом опыте складывается по-новому. Вот почему применяемый нами потенциал статистики практически исчерпан и необходимы новые подходы.

У многих зон мозга существуют анатомически заданные функции: движение, болевая и иная чувствительность и т.д. С развитием человека на такую зону накладывается обязанность обеспечения уже других функций — это романтическая любовь, артикуляция, синтаксис, фонетика и др. Но ведь те же самые нейроны участвуют в обеспечении и движений, и, скажем, романтической любви. Отсюда вывод: стимуляция этих нейронов, активация их деятельности усиливает другие функции.

У человека система складывается быстро и экономично, и обычная деятельность осуществляется с малым количеством нейронов. Однако есть ее вид, вовлекающий в работу весь мозг: творчество. При активной мыслительной деятельности активируются большие области мозга, а следовательно, и все другие системы организма, что приводит к его более долгому функционированию, т.е. умные живут дольше. Этому посвящена последняя работа Натальи Бехтеревой, опубликованная в 2009 г.

И последнее, что я хочу сказать. Матрица стандартов, регулирующая работу «детектора ошибок», о которой говорилось выше, развивается со временем. У детей она не развита, именно этим объясняется их бурная фантазия. С взрослением человек все более обрастает ограничениями или самоограничениями. С увеличением продолжительности жизни, особенно в развитых странах, когда люди живут свыше 80 лет, это может привести к серьезным изменениям в обществе. И поэтому необходимы исследования возможности коррекции «детектора ошибок», чтобы человек с возрастом не становился все менее и менее смелым и у него не было бы все больше и больше ограничений в творчестве, а тем самым общество не становилось бы геронтократическим.

* Напряжение кислорода — количественный показатель давления кислорода, растворенного в артериальной крови (прим. ред.).

** Диффузная трактография — метод визуализации хода нервных трактов на основе диффузно-взвешенной магнитно-резонансной томографии (прим. ред.).
Святослав МЕДВЕДЕВ

Об авторе Л.Н.

Президент Ассоциации специалистов сенсорной интеграции Меня зовут Ененкова Любовь Николаевна,на форумах,посвященных проблемам развития детей с ASD (аутичный спектр развития), мои посты всегда идут под ником Л.Н.
Запись опубликована в рубрике Сенсорная интеграция с метками . Добавьте в закладки постоянную ссылку.

Добавить комментарий

Please log in using one of these methods to post your comment:

Логотип WordPress.com

Для комментария используется ваша учётная запись WordPress.com. Выход / Изменить )

Фотография Twitter

Для комментария используется ваша учётная запись Twitter. Выход / Изменить )

Фотография Facebook

Для комментария используется ваша учётная запись Facebook. Выход / Изменить )

Google+ photo

Для комментария используется ваша учётная запись Google+. Выход / Изменить )

Connecting to %s