Достижения мозга. Как этот орган стал самой сложной и влиятельной частью тела человека

В биологии часто используются термины с суффиксом «ом» для обозначения совокупности элементов в сложных системах: например, геном – по отношению к генам, определяющим генетическую информацию об организме; протеом – для обозначения совокупности белков, производимых клеткой; микробиом – для обозначения микроорганизмов, населяющих конкретную среду обитания и так далее. На основании этой же словообразовательной модели Олаф Спорнс ввел термин «коннектом» для обозначения нейронных соединений в мозге с учетом их сложной структуры и динамики. Важно иметь в виду, что узлы или вершины коннектома необязательно являются изолированными нейронами (у живого человека определить это трудно). В качестве узлов также могут изучаться совокупности нейронов со структурами различной степени сложности: так, например, часто узлами считаются участки мозга, которые можно увидеть с помощью современных методов мозговой визуализации.

Связи мозга наконец изучены

Эти современные методы медицинской визуализации мозга заслуживают того, чтобы вкратце рассказать о них. Наши представления о сетевой структуре мозга значительно расширились в последнее время благодаря двум основным причинам: с одной стороны, свою роль сыграли теоретические достижения в области математики, статистики и обработки сигнала, которыми воспользовались нейробиологи в целях описания типов взаимосвязей в сфере нейровизуализации; с другой стороны, произошел прорыв в развитии инновационных методов картирования этих взаимосвязей.

Самый распространенный на сегодняшний день метод медицинской визуализации мозга – магнитно-резонансная томография (МРТ) – дает нам информацию с фантастической, постоянно возрастающей точностью об анатомии и функционировании мозга человека. Принцип этого метода основан на феномене ядерного магнитного резонанса, открытого в 1946 году физиками Феликсом Блохом и Эдвардом Миллзом Парселлом. Метод заключается в возбуждении атомов, находящихся в сильном магнитном поле, и последующей регистрации произведенного сигнала. Помимо других факторов, на этот сигнал влияет химический состав среды, а следовательно, и природа исследованных биологических тканей. Сигнал обрабатывается компьютером для получения изображения в двух- или трехмерном пространстве.

15. Виртуальный снимок, полученный с помощью МРТ у одного из пациентов

Различные типы возбуждения, сопровождаемые затем соответствующей цифровой обработкой, позволяют получить изображения, на которых обнаруживаются те или иные свойства. Так, например, метод нейровизуализации, известный как функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ), основан на том принципе, что активность нейронов требует энергии, а необходимость в энергии приведет к изменениям кровотока. При выявлении этих изменений в зарегистрированном сигнале становится возможной визуализация наиболее активных участков мозга в тот момент, когда человек выполняет какую-нибудь когнитивную задачу, например, слушает историю. Основной проблемой фМРТ остается ее временное разрешение, которое оказывается неудовлетворительным: для регистрации изображения нужно несколько секунд, что слишком долго, когда речь идет о мозге в состоянии активности. Чтобы добиться временного разрешения в пределах миллисекунды, что гораздо больше подходит для измерения изменений в токе крови, существует другой неинвазивный способ наблюдения за мозгом – регистрация его электрической или магнитной активности с помощью электродов, прикрепляемых к голове.

Для того чтобы проследить нейронные связи, необходимо проанализировать взаимосвязи активностей мозга, регистрируемую на разных его участках. Так можно установить, проявляют ли сигналы, поступающие из различных участков мозга, один и тот же тип активности во времени. Например, когда человек разглядывает картинку, то в его мозге активизируется особая зона (визуальная кора – о ней будет позднее), а также участки, отвечающие за внимание – следовательно, присутствует позитивная взаимосвязь между соответствующими видами активности. Что касается участков, отвечающих за осязание или слух, то они, напротив, менее активны (негативная взаимосвязь). Поэтому ученые предлагают матрицы N x N, изображающие мозг, разделенный на N различных зон; коэффициенты этой матрицы показывают, как эти зоны взаимодействуют друг с другом.