Читать книгу: «Мозг против мозга. Mind vs brain»

Name: Мозг против мозга. Mind vs brain
Author: Святослав Медведев
ISBN: 978-5-00116-996-3

Шрифт:

От автора

Моя мама – академик Наталья Петровна Бехтерева – занималась исследованием функций здорового и больного мозга человека, а отец – член-корреспондент РАН Всеволод Иванович Медведев – работой мозга при адаптации организма к чрезвычайным условиям.

Совершенно естественно, что я вырос в атмосфере бесконечных разговоров о физиологии мозга, о его заболеваниях. Кроме того, я провел бесконечные часы в лабораториях отца и матери просто потому, что меня, особенно во время каникул, было некуда деть.

Рис. 1. Наталья Петровна Бехтерева и Всеволод Иванович Медведев

Рис. 2. Наталья Петровна Бехтерева и Грей Уолтер (в центре), академик Петр Кузьмич Анохин (справа), Бристоль, 1961 год

Помню лабораторию академика Л.А. Орбели, где работал отец. Кстати, после печально знаменитой «павловской» сессии, на которой отечественная физиология была отброшена на десятилетия назад, он был одним из немногих сотрудников Орбели. Смутно помню празднование Нового года в доме миниатюрного генерала с седыми усами. Помню электрофизиологическую лабораторию в Ленинградском нейрохирургическом институте им. А.Л. Поленова, которой заведовала мама. Там стояли огромные приборы с ручками, которые забавно трещали, когда я их крутил (электроэнцефалографы). Сказки, которые мне рассказывали, тоже были из мира физиологии.

Когда я стал старше, то уже более внимательно слушал разговоры родителей, задавал вопросы. Это было подобием игрового семинара. К окончанию школы я нетвердо знал школьную программу, но довольно свободно ориентировался (естественно, дилетантски) во многих вопросах, которые изучали родители. Мама научила меня думать, она объясняла мне логику явлений. Позже такие разговоры были и с отцом.

Авторы, на которых мать ссылается в книгах, в большинстве своем для меня не абстрактные имена, а знакомые лица. В Ленинград приезжали крупнейшие советские и зарубежные ученые, приходили к нам домой, и я слушал их беседы. Академики П.К. Анохин, М.Н. Ливанов, иностранцы М. Брейжие, Грей Уолтер и многие другие (рис. 2). Не скажу, что я их понимал, но эти воспоминания детства и ранней юности стали очень важным, значимым фоном впоследствии. Я вырос в этом мире, в этом окружении и во многом воспринял не науку, не факты, а саму идеологию, подобно тому как ребенок учится языку. Этот мир стал моим миром.

Рис. 3. Святослав Медведев за работой над кандидатской диссертацией

Потом я окончил кафедру теоретической физики, и это образование позволило мне по-новому осмыслить то, что я уже знал о мозге (рис. 3). По-новому поставить вопросы.

Я люблю рассказывать об изучении мозга, о его загадках. Поэтому всегда охотно давал интервью журналистам, которые часто расспрашивали меня о самых разных вещах. О том, как процессы в обществе, поведение человека связаны с процессами в его мозге. До сих пор я так или иначе отвечаю на вопросы журналистов практически каждую неделю. Постепенно я начал все чаще получать предложения написать книгу о мозге человека.

В принципе, я не возражал, но все как-то не было времени. Кроме того, один из моих девизов звучит так: «Если человек не глуп и не ленив, то он опасно болен». Если бы не влияние моей жены, профессионального научного журналиста, я бы не принялся за эту рукопись.

А если серьезно, я долго собирался рассказать о том, что меня интересует, интригует в исследованиях мозга человека. Рассказать о самом загадочном объекте в мире. Конечно, что-то я упустил. Но нельзя объять необъятное, как, возможно, нельзя «объять» и мозг…

Предисловие

«Люблю тебя всем сердцем», «печенкой врага чую», «камень в желудке» – эти примеры показывают, как люди издавна пытались связать процессы сознания и мышления с чем угодно, только не с мозгом. Почему это так? Да потому, что, естественно, процессы мышления и психики хотелось ассоциировать с работой определенного органа. Понятно, что главный кандидат – сердце. Далее – глаза: они начинают «сиять» в минуты возбуждения. Далее – легкие: дыхание «замирает». Пятки – туда «уходит» сердце. А с головой вроде ничего не происходит. Ну, иногда болит, хотя чему там болеть – кость. Даже сейчас тот факт, что именно мозг является органом, который обеспечивает процесс мышления, признается только почти всеми (то есть не всеми) учеными. Почему не всеми? Да потому, что ни один ученый до сих пор не смог построить непротиворечивую концепцию того, как работает мозг. Мы видим, что на входе и что на выходе. А внутри происходит чудо. Так как мы в чудеса не верим, то и появляются сомнения.

Нет на свете более странного и загадочного органа (да что там органа, объекта во Вселенной), чем мозг. С другой стороны, это небольшой кусочек студенистой массы, с которым внешне ничего не происходит. Он не начинает пульсировать быстрее, как сердце, при повышении нагрузки (на самом деле начинает, но это очень трудно заметить). Не напрягается, подобно мускулам. В него не «сваливается камень», как в желудок. С точки зрения наблюдателя, при решении сложнейшей задачи с мозгом ничего не происходит.

Вообще, можно сказать, что мозг больше всего похож на гипертрофированный грецкий орех – поверхность с бороздами и маленькое внутреннее образование. Настолько, что это вызвало забавную мистификацию. В одной газете была напечатана история, что грецкий орех – потомок инопланетян, давших нам мозг; но в дальнейшем из-за неблагоприятных для них условий нашей планеты инопланетяне не дозревают до конца и их мозг недоразвит. Некоторые поверили, и были созданы общества защиты грецкого ореха и т. д.

Мозг заключен в прочную оболочку, защищающую его от окружающего мира, – череп. Хотя он и не очень толстый (по сравнению с черепом слона или буйвола), но ведь задача пробивать лбом стенку не стоит. А от многого другого он надежно защищает. Внутри черепа мозг, укутанный в три оболочки: твердую, мягкую и паутинную, – «плавает» в специальной жидкости. Эта жидкость также стабилизирует его состояние. Существует специальная система кондиционирования: и в покое, и при сильном сердцебиении, вызванном тяжелой физической работой, объем циркулирующей крови в мозге меняется незначительно.

Можно сказать, что в механизме человеческого тела существует специальная изолированная защищенная «комната», в которую сходится поток информации и которая управляет всеми действиями этого механизма.

Информация к мозгу приходит от органов чувств. Как известно, у человека их пять (не считая мистического шестого). Это обоняние – специальные датчики в носу, осязание – датчики на коже, вкус – сложно распределенные датчики во рту, слух (кстати, здесь не только уши) и, наконец, зрение, по которому мы получаем до 90 % всей информации. Интересно заметить, что глаза – это часть мозга, «вылезшая» наружу. Так что мозг можно еще и видеть, и сам мозг может видеть. Сегодня число чувств не ограничивают пятью. Ведь есть температурная чувствительность, чувство равновесия, чувство времени и т. д. – и все это обеспечивает наш мозг.

Кроме того, имеются сигналы, идущие от внутренних органов и сообщающие мозгу об их состоянии. На основе обработки как этих сигналов, так и собственных «умозаключений» и чувств мозг сам испускает сигналы, идущие к различным органам, вызывающие, например, сокращение мышц – движение.

Принципиально также возможен (хотя никем научно не доказан) внечувственный (экстрасенсорный) обмен информацией. Это общее название феноменов телепатии, выхода души из тела, эмпатии и тому подобного. Экстрасенсорный – значит не проходящий через упомянутые пять органов чувств. Теоретически он не запрещен, но не все разрешенное сбывается. Возможно, что он биологически невыгоден. (Об этом мы подробнее поговорим позже.)

Итак, можно представить себе некое подобие сети, в центре которой находится защищенный штаб, слушающий все сигналы и отдающий приказы.

Надо сказать, что чем сложнее устроен мозг живого существа, тем сложнее его поведение, но практически у каждого животного нервная система адекватно обеспечивает жизнь в окружающей среде. Мне довелось слушать увлеченные рассказы академика В.Л. Свидерского об исследовании поведения и нервной системы насекомых, у которых всего-то по сравнению с человеком раз-два и обчелся нервных клеток – нейронов (несколько сотен тысяч у мух, а у человека – 10 миллиардов!). Оказывается, эти несколько нейронов обеспечивают сложнейшее поведение, позволяющее виду не только выживать, но и процветать.

Каким же образом мозг обрабатывает информацию? Как устроен «штаб»? Вынужден признать, что, несмотря на многолетние (и многовековые) исследования с помощью разных техник и методик, мы до сих пор этого до конца не знаем. Далеко не все понятно даже у насекомых. А если бы поняли? Представьте себе: несколько нервных клеток в головке мухи управляют полетом современного самолета. Мне кажется, что муха способна на более сложные эволюции, чем самолет. Ни один из современных роботов не может превзойти по уровню интеллекта крысу, кошку или собаку, а мозг кошки действительно размером с грецкий орех.

Нет, конечно, современные компьютеры значительно превосходят даже человека во многих областях. Но это вообще свойственно творениям человеческого разума: автомобиль быстрее, чем бегун; кольт сильнее, чем кулак; а компьютер быстрее считает. Однако когда говорят о полете к Марсу, то рассматривают возможность отправить именно человека, а не робота, хотя это несравненно дороже и сложнее. Почему? Да потому, что мы не знаем, с чем там столкнемся, а значит, потребуется МОЗГ с его возможностями решать нетривиальные задачи.

Практически для любой стереотипной деятельности легко заменить человека роботом. Но измените условия игры или вообще отмените большую часть правил. Даже не очень высокоорганизованное животное приспособится. А робот? Попробуйте уничтожить городских крыс, которые, несмотря на все наши усилия и ухищрения, выживают в любых условиях!

Зайдите в игрушечный магазин. Там сейчас такие мягкие игрушки, что диву даешься. Монстры! Но любой ребенок, не думая, просит дать ему «вон ту» собачку и «вон того» мишку. Как он их различает? Почему это собака, а это мишка? А все мои собаки прекрасно ориентировались в обстановке, классифицируя объекты и мгновенно вырабатывая к ним свое отношение. Так вот, до сих пор мы не понимаем, чем обусловлены эти способности мозга. Почти невозможно представить себе, что все наше «я», весь наш внутренний мир заключен в этом органе. И не только потому, что он относительно мал (всего 1–2 килограмма), но еще и потому, что он очень противоречиво, с нашей точки зрения, устроен. Многим ученым казалось, что еще немного, и они разгадают его тайны, но в самый последний момент четкие построения рушились. Разочарования были очень сильны. Даже некоторые нобелевские лауреаты не могли поверить, что человек мыслит мозгом. Джон Экклс, легендарный австралийский нейрофизиолог, в какой-то момент научной карьеры пришел к мысли, что существует дух, витающий вне мозгового субстрата и управляющий деятельностью мозга человека.

Надо отметить, что структурно человеческий мозг исследован довольно хорошо. Известно, что он состоит из двух симметричных полушарий (на самом деле все сложнее, но не будем на этом – как и на многом другом, для науки важном, а для нас малозначимом – останавливаться), в каждом из которых есть кора и глубокие структуры. Кора каждого полушария делится на четыре доли (по-английски – lobe) (рис. 4).

Рис. 4. Области коры мозга человека: 1 – лобная доля; 2 – височная доля; 3 – ствол мозга; 4 – мозжечок; 5 – затылочная доля; 6 – теменная доля

Считается, что каждая область отвечает за что-нибудь только свое. Это неверно, как неверны и рассуждения о строгом разделении функций между полушариями – миф, который возник на ранних этапах исследования мозга и сохранился до наших дней. К примеру, можно услышать о том, что вся речь «размещается» в левом полушарии. Ничего подобного! Я сам во время эксперимента наблюдал возбуждение нейронов, расположенных в правом полушарии, связанное с обеспечением речи. На самом деле для обеспечения любого действия в мозге человека складывается сложнейшая система, состоящая из нейронов правого и левого полушарий. Жестко анатомически к полушариям привязаны движения и чувствительность. Один из величайших ученых мира, Луи Пастер, перенес серию инсультов, в результате чего у него висела левая рука и волочилась левая нога. Но его сознание, ум оставались кристально четкими. Он сделал все открытия, его прославившие, задействовав лишь одно полушарие. Это за счет того, что система перестроилась и сохранные участки мозга взяли на себя часть функций пораженных.

Глубокие структуры также неоднородны и состоят из большого количества скоплений определенных клеток, называемых ядрами, например хвостатое ядро, бледный шар. Между собой структуры связаны проводящими путями. Также известно, что мозг состоит из определенных клеток (нейронов), свойства которых достаточно хорошо исследованы. К настоящему моменту изучены анатомия мозга и анатомические связи между его элементами. Более или менее понятно, как в мозг приходят и как из него уходят сигналы. Более того, понятно, как происходит начальная обработка этих сигналов. Нейроны называют «кирпичиками» мозга, но каждый нейрон – чрезвычайно сложное образование, живущее своей жизнью, общающееся с соседями, близкими и дальними. Считается, что его основное предназначение и свойство – испустить импульс. Он может это делать и сам по себе (спонтанная импульсация), и в ответ на сигналы других нейронов. Как он это делает, тоже достаточно хорошо, но далеко не полностью изучено.

Итак, мы знаем вход и выход системы, мы знаем ее архитектуру и ее составные элементы. Но мы не знаем главного – КАК ВСЕ ЭТО РАБОТАЕТ.

Мы знаем, что нейроны обмениваются информацией. Но как они организуются в систему? Длительность импульса нейрона – 1 миллисекунда. Скорость передачи информации – порядка полутора километров в секунду. Сравните с компьютером: гигагерцы и скорость света. Есть понятие тактовой частоты – времени совершения одного действия, одного шага. Так вот, время шага мозга – миллисекунды, то есть частота порядка килогерца. А у современного ПК – гигагерцы, в миллиард раз больше. От одного элемента мозга к другому информация идет со скоростью 1,5 км/с. А у ПК – 300 000 км/с.

Разница в двести тысяч раз, а мозг работает лучше! Значит, мы до сих пор не понимаем основных принципов его работы. Кроме того, это показывает неправильность всяких аналогий «мозг – компьютер». Скорее всего, деятельность мозга строится на других принципах. Каких? Мы еще не знаем.

Вообще – это философский вопрос. Мозг человека – самый сложный объект из известных нам во Вселенной. Значит, все, что мы до сих пор исследовали с его помощью, было проще? А можно ли вообще с помощью мозга познать мозг? Может быть, и нельзя, но надо пытаться, да мы просто не можем остановиться на полпути! И если мы познаем законы мозга, то это будет открытием, сравнимым с открытием колеса или приручением огня, только гораздо более значимым, последствия которого мы сейчас не можем предсказать.

Глава 1. Думающий «грецкий орех»
Научный взгляд на извилины

В сочинении «О частях животных» Аристотель писал, что мозг – орган «холодный, недвижимый, нечувствительный» и служит лишь для того, чтобы охладить кровь, происходящую из сердца.
Его младший современник Герофил, личный врач Птолемея I, в труде «Анатомика» рассматривал мозг в качестве вместилища человеческой души и воли.
Первый опирался исключительно на логику, второй – на эксперимент. Логика тогда восторжествовала над экспериментом, и это на несколько веков определило развитие науки о мозге…

Надо сказать, что, в отличие от остальных органов, мозг наиболее загадочен уже с первого взгляда. Если взять автомат Калашникова или простой автомобиль, то даже человеку, не знакомому с техникой («физиологией машин»), нетрудно, во-первых, определить их назначение; во-вторых, понять функциональную роль каждой детали. Однако если взять современный навороченный автомобиль или современное оружие, то там появляются элементы, которые выглядят просто ящичками. Что они делают – неясно. Это приборы управления, бортовые компьютеры. Если вскрыть корпус компьютера («трепанация»), то появятся еще ящички, открыв которые мы ничего механически понятного не увидим: кристаллы и проводники.

Так и с мозгом. Несмотря на невероятную сложность физиологии почки, печени и других органов, в общем понятно, для чего они существуют и как работают. А заглянув под черепную коробку, можно увидеть лишь слабо пульсирующую субстанцию, пронизанную сосудами. Можно также заметить, что мозг состоит из двух симметричных полушарий. Дальше мы обнаружим деление на глубокие структуры и покрывающую их кору, образующую извилины и борозды. Однако понять, опираясь на эти наблюдения, даже простейшие принципы работы мозга совершенно невозможно.

Как же, с помощью каких методов исследователям удалось в определенной степени сложить из отдельных деталей картину (или по крайней мере нарисовать эскиз)? Это была чрезвычайно кропотливая и сложная работа. Каждый, кто распутывал «бороду» из лески на спиннинге или моток шерсти, знает, как это непросто. А теперь представьте себе, что нервная клетка (нейрон) состоит из тела клетки (сомы) и длинного отростка (аксона), уходящего вдаль (рис. 5). И вот все эти аксоны перепутаны. Их по меньшей мере 10 миллиардов. Ничего себе клубочек!

Клубок этот начали распутывать еще древние. Марк Твен был прав, когда говорил, что знания, которыми не обладали древние, были огромны, но и знания, которыми они обладали, были немалыми. В царствование Птолемея I Лагосского (IV–III вв. до н. э.) было разрешено вскрывать трупы и даже исследовать анатомию живых преступников. Врач Герофил именно на основе этих исследований пришел к выводу, что головной мозг представляет собой орган мышления и является центром нервной системы. В труде «Анатомика» он подробно описал нервную систему, показал, что спинной мозг является продолжением головного, описал части головного мозга, его оболочки и желудочки. Он считал, что движения связаны с нервами, а параличи вызваны нарушениями в их работе.

Рис. 5. Строение нейрона: 1 – дендрит; 2 – ядро; 3 – клеточное тело (сома); 4 – аксон; 5 – миелиновая оболочка

К сожалению, в Средние века практически полное главенство захватила концепция действительно величайшего ученого Античности Аристотеля. Это сыграло отрицательную роль в развитии науки вообще и науки о мозге в частности. В то время преобладало пренебрежение опытом и возвышение логики. Так, исходя из логики, Аристотель считал, что у женщин меньше зубов, чем у мужчин. Даже будучи дважды женатым, он не удосужился пересчитать у своих жен зубы. Однако учение и философия Аристотеля столь огромны и запутаны в многочисленных комментариях, что в этой книге я не буду его приводить. А логику человеческого организма мы не понимаем до сих пор.

Прошло два тысячелетия, прежде чем догадки Герофила и его последователя Галена утвердились в умах европейских ученых. Немного позднее врач-исследователь Эразистрат из Кеоса (около 300–240 гг. до н. э.) развил исследования Герофила. Он также проводил вскрытия, на основе которых описал макроскопическое строение головного мозга, в том числе – мозговые извилины, отверстия между третьим и боковыми желудочками, мембрану, отделяющую мозжечок от мозга. Он обнаружил двигательные и чувствительные нервы. Кстати, именно он впервые ввел термины «мозг» и «мозжечок» (1)¹, «паренхима» (2), «плетора» (3), «булимия» (буквально – «бычий голод») (4), «анастомоз» (5) (точнее, «synanastomosis»; приставку «syn» позднее отбросил Гален), «артерия». Эразистрат (рис. 6) обратил внимание на извилины коры мозга, связав их количество с умственным превосходством человека над животными. Он впервые создал психофизиологическую концепцию механизма сознания, согласно которой душа располагается в желудочках мозга, и кровь, проходя сквозь мозг, соприкасается с душой и «вырабатывает» сознание.

Рис. 6. Портрет Эразистрата (Дидье Декуэн, 1860). Эразистрату принадлежит первая в истории попытка сформулировать психофизиологическую концепцию механизма сознания: душа (пневма) располагается в желудочках мозга, самым главным из которых является четвертый

Гиппократ (рис. 7) считал, что в мозгу имеется три желудочка, каждый из которых занят обеспечением конкретного вида деятельности. Провидение гения: интеллект он «разместил» в переднем желудочке, то есть во фронтальной коре (рис. 8), куда его «помещают» и по сей день.

Рис. 7. Гиппократ (ок. 460 до н. э. – ок. 370 до н. э.). Крупнейший врач эпохи Античности, прозванный «отцом медицины»

Рис. 8. Модель трех желудочков Гиппократа. В переднем желудочке – интеллект

Скорее всего, представления древних о роли мозга связаны с тем, что функции остальных органов были более или менее понятны (сердце – насос и т. п.). С другой стороны, наблюдения показывали, что повреждение именно мозга приводило к расстройствам психики. Кстати, именно это соображение и, конечно, боевые раны привели к развитию нейрохирургии у древних. Пластинками закрывали травмы черепа, и наоборот, для выпускания «злого духа» в черепе сверлили отверстия. Последнее уже в чистом виде можно назвать психохирургией. Несмотря на общий уровень медицины того времени, археологи находят черепа людей, не только выживших, но и долго проживших после таких операций (рис. 9, 10).

Рис. 9. Трепанация черепа в эпоху неолита (археологические находки, Южная Америка)

Рис. 10. Трепанация черепа в эпоху Средневековья (иллюстрация из медицинской рукописи, Франция, XIV век)

В XVII веке Декарт (1596–1650), задаваясь вопросами о том, как «животные духи», содержащиеся в нервах и мышцах, обеспечивают управление организмом, как мозг регулирует бодрствование и сон, как внешний мир с его разнообразием звуков, цветов, запахов воздействует на ощущения и влияет на мир идей, по сути, предложил идею рефлекса. Разделяя понятия тела и разума, он пытался решить проблему их соотношения, то есть психофизиологическую проблему, и предложил эпифиз (6) на роль вместилища души.

Однако, пожалуй, первой научной гипотезой обеспечения мозгом психической деятельности – не психологической, а именно физиологической гипотезой, основанной на анализе работы мозга, – была многократно высмеянная френология (7). Основателем ее был Франц Йозеф Галль (1758–1828) – австрийский врач и анатом (рис. 11).

Рис. 11. Франц Йозеф Галль (1757–1828) – австрийский врач и анатом, основатель френологии – учения о взаимосвязи между психикой человека и строением поверхности его черепа

В ее основе лежит здравая мысль о том, что определенные функции обеспечивают конкретные участки мозга. По сути, такое направление современных нейронаук, как картирование мозга, основано на развитии этой гипотезы (рис. 12). Строго говоря, локализационизм (так называется это направление по-научному) в чистом виде не прошел проверку временем, так же как и холизм (представление, что весь мозг занимается каждой из задач), и сегодня говорят скорее о системном подходе. То есть каждая функция обеспечивается не одним участком, а распределенной системой. (Об этом чуть позже.) Однако двести лет назад такая гипотеза была более чем прогрессивна.

Рис. 12. Американский френологический журнал (1880)

Далее делался логичный вывод, что если какая-то функция развита сильнее, то и соответствующий участок будет больше. (Сейчас можно было бы сказать, что не участок больше, а система сложнее, что усложнение – это не обязательно гипертрофия.) Гипотеза была ошибочна, но вполне правдоподобна и логична. И далее предполагалось, что гипертрофия участка коры «выдавит» череп и в этом месте появится шишка. Для измерения головы даже был изобретен специальный прибор, определяющий локализацию неровностей (рис. 13).

Рис. 13. Психограф – френологический аппарат для считывания рельефа головы

Сегодня, когда опубликованы результаты исследований, доказывающие отсутствие какой-либо корреляции между формой мозга и черепа, легко критиковать гипотезы френологии. Но в то время она, несомненно, сыграла положительную роль, поскольку способствовала поиску закономерностей в работе мозга.

Кстати, это один из хороших примеров опасности применения логики в науке о мозге. Дело в том, что логика имеет дело скорее с моделью, чем с реальной системой. Поэтому логические построения хороши тогда, когда мы знаем принципы и правила работы системы. А мы-то их не знаем! Именно поэтому логичная и правдоподобная френология оказалась несостоятельной. Логичность или нелогичность теории в науке о мозге не может считаться критерием ее верности. Хотя нам известно о мозге достаточно много, мы не знаем основных принципов его работы, и в частности – как поведение нейронов преобразуется в мысль. Логика – наука точная, где существуют строгие правила. Если они применяются правильно, то ее выводы непогрешимы. Однако крайне важны исходные основания для ее применения. Если мы постулируем, что пространство плоское, то появляется евклидова геометрия (8), если рассматриваем сферу, то геометрия Римана (9). Вообще почти все законы физики и химии представляют собой упрощенные модели. Даже в точной физике закон Ома гласит: «Сила тока пропорциональна напряжению». На самом же деле, если делать его экспериментальную проверку, то в результате получим, что сила тока при определенных условиях, в определенном диапазоне напряжений приблизительно пропорциональна приложенному напряжению. (Именно такой результат я получил, когда на физфаке нас учили проводить экспериментальные исследования.)

Огромное преимущество физики в том, что, как правило, мы знаем, чем можно пренебречь при построении модели, поскольку существует общая теория. В биологии (тем более в физиологии мозга человека) мы еще далеки от создания такой теории. Мы не всегда знаем, что оказывает значительное влияние, а чем можно пренебречь. Кроме того, есть множество данностей, которые не объяснить логически. Например, почему у человека пять пальцев? Шесть пальцев были бы также логичны. Очень многие особенности строения организма человека и животных, по-видимому, обусловлены мутацией в генах, которая закрепилась, и дальше развитие пошло в ту или иную сторону, то есть обусловлено случайностью. А затем уже начинают действовать логичные законы. Пример френологии показывает, как правильные логические построения приводят к неверному выводу, поскольку базируются на неверных предпосылках.

И все же вернемся к локализационизму. Значимым до сего дня прорывом в исследованиях работы мозга были клинико-анатомические сопоставления, сделанные учеными Полем Брока (рис. 14) и Карлом Вернике (рис. 15).

Рис. 14. Поль Пьер Брока (1824–1880) – французский хирург, этнограф, анатом и антрополог

Рис. 15. Карл Вернике (1848–1905) – немецкий психоневролог

Они сопоставляли локализацию некоторых поражений мозга (травм) с изменениями психических функций. Оказалось, что поражение определенных областей в левом полушарии приводило к нарушениям речи. Поль Брока в 1861 году опубликовал результаты исследования больного с поражением мозга, потерявшего способность говорить. В 1873 году Карл Вернике опубликовал результаты исследования больного с поражением мозга, потерявшего способность понимать речь. Эти области, отвечающие за речь, так и названы: областями Брока и Вернике (рис. 16).

Рис. 16. Области головного мозга, отвечающие за обработку речи: 1 – зона Брока, отвечающая за артикуляцию; 2 – зона Вернике, отвечающая за понимание речи на слух

Казалось бы, вот оно: найдены центры речи! Задумаемся, что это такое – области, отвечающие за речь. Это зоны мозга, поражение которых приводит к нарушениям в артикуляционной речи (Брока) и в восприятии речи на слух (Вернике).

Вспоминается известный анекдот про исследование слуха у тараканов. Хлопнули в ладоши – они побежали. Оторвали ноги. Снова хлопнули в ладоши – не бегут. Значит, слух в ногах. Абсурд. Это показывает ограниченность клинико-анатомических сопоставлений. Кстати, позже выяснилось, что слуховыми органами у тараканов и правда являются ноги. Вот так…

Последующие исследования и многочисленные сопоставления показали, что области Брока и Вернике действительно имеют отношение к речи. Но оказалось также, что система мозгового обеспечения речи ими далеко не ограничивается. Дело в том, что клинико-анатомические сопоставления основаны на соотношении крупных поражений мозга и серьезных нарушений функций. Однако современный набор методов исследования позволяет регистрировать тонкие сигналы, связанные с работой мозга. В нашей лаборатории мы наблюдали сигналы, связанные с обеспечением грамматики речи в области, традиционно ассоциировавшейся с обеспечением движения и чувствительности. Это значит, что деятельность мозга управляется не центрами, а распределенной в пространстве и изменчивой во времени системой. (Это один из результатов моей докторской диссертации.)

Тем не менее исследователям удалось описать различающиеся между собой области мозга. В коре – это зоны, состоящие из клеток определенного вида, отличающихся одна от другой (рис. 17). Это так называемые поля, или зоны, Бродмана, названные по имени описавшего их ученого.

Рис. 17. Корбиниан Бродман в 1909 году разделил кору головного мозга на 52 зоны по функциональному значению

В различных областях мозга преобладают нейроны различного вида (рис. 18). Плотность клеток определенного типа изменяется от одной области к другой. Это было использовано Бродманом для выделения определенных областей коры мозга.

Рис. 18. Типы нейронов: 1 – мультиполярные нейроны; 2 – биполярные нейроны; 3 – униполярные нейроны; 4 – безаксонные нейроны

Сейчас благодаря развитию технологий гистологических исследований известно, что поля Бродмана не являются однородными образованиями и подразделяются на области и зоны. Особенно это характерно для лобной доли.

Описаны сегодня и так называемые ядра в глубоких структурах и образования в коре. У них странные названия: зрительный бугор, или таламус, гиппокамп, что в переводе означает «морской конек», бледный шар, миндалина, скорлупа – ну прямо как названия созвездий. Русский нейрофизиолог и психиатр В.М. Бехтерев (рис. 19) описал «проводящие пути головного мозга». В 1887–1893 годах, работая в Казани, он открыл эти пути, показав связь между отдельными участками коры больших полушарий и определенными внутренними органами и тканями. Эта работа принесла ему мировую известность. Бехтерев исследовал сотни препаратов мозга, в результате из тонкой металлической проволоки была создана первая трехмерная схема проводящих путей (рис. 20).

Рис. 19. Владимир Михайлович Бехтерев (1857–1927) – крупнейший невролог и психиатр, исследователь мозга человека

Рис. 20. Модель проводящих путей головного мозга, собственноручно сделанная В.М. Бехтеревым в 1893 г. Хранится в музее истории Казанского государственного медицинского университета

Это направление работ продолжается до сих пор. В 1994 году в Университете Гэйнсвилла (Флорида) я видел препараты мозга, с которыми работали исследователи именно для решения этой задачи.

Итак, несмотря на ограниченность клинико-анатомических сопоставлений, были обнаружены центры или области, имеющие отношение к обеспечению различных функций. Стало известно, что затылочная кора (место расположения ясно из названия) имеет отношение к зрению, и так и была названа – зрительной корой. Обнаружены области, в которые приходит информация о различных участках тела, рядом с ней «через борозду» – область, «командующая» этими участками. Наиболее полно это иллюстрирует рисунок великого канадского нейрохирурга Уайлдера Пенфилда. Данные, полученные в ходе сотен операций на мозге, он использовал для создания функциональных карт коры (поверхности).

Пенфилд впервые точно нанес на карту корковые области, касающиеся речи. С помощью метода электрической стимуляции отдельных участков мозга Пенфилд установил точное «представительство» в коре головного мозга различных мышц и органов тела человека. Схематично его изображают в виде гомункулуса (человечка), части тела которого пропорциональны зонам мозга, в которых они представлены (рис. 21). Поэтому пальцы рук, губы и язык с большим числом нервных окончаний изображают крупнее, чем, например, туловище и ноги.

Вот и торжество логики френологии: можно найти если не «шишку», то мозговую область, отвечающую за любую деятельность. Эта концепция и называлась локализационизмом. Вроде бы действительно нашли центры. Но на самом деле это не центры, а области, которые непосредственно соединены с мышцами и чувствительными окончаниями. Они не могут управлять. Это, образно говоря, разъемы для управления.

Элементы обеспечения деятельности стали находить практически везде в мозге, что вызвало другую крайность: большинство исследователей опять кинулись в холизм и начали думать, что любая функция обеспечивается сразу всем мозгом. Особенно процветал холизм после открытия голографии (10). Голографическое изображение распределено по всей пластинке – может быть, так же и в мозге? Доходило до абсурда. На одной из конференций, которую проводил крупный советский нейрофизиолог профессор А.Б. Коган в начале 1980-х в Ростове-на-Дону, докладчик, показывая полосатую структуру мозга, утверждал, что эти полосы и есть голограмма (на голографической пластинке обычно видны бессистемные полосы). На это его оппонент рванул рубаху на груди и, показав тельняшку, сказал, что это тоже голограмма и она думает, как и мозг.

Рис. 21. Схема представления в сенсорной и моторной коре тела человека, созданная канадским нейрохирургом Уайлдером Грейвсом Пенфилдом (гомункулус Пенфилда)

Последующие исследования (в частности, нашего института) показали, что для обеспечения мыслительной деятельности мозга формируется достаточно разветвленная (холизм), имеющая много центров (локализационизм) система из жестких и гибких звеньев, принципиально меняющаяся во времени. Задумаемся, что такое в этой логике центры? Согласно концепции клинико-анатомических сопоставлений, центры – это области, повреждение которых приводит к резкому изменению (разрушению) данного вида деятельности. Но подумаем, сколько элементов существует в любой радиосхеме (тем более в современном компьютере), воздействие на которые изменяет или сводит на нет выполнение задач.

Остановимся подробнее на этом определении – прежде всего на словах «жесткие и гибкие звенья». Что это такое? Мозг одновременно выполняет много работы. Вы должны думать, вести машину или идти, говорить и т. д. Есть очень много реализуемых одновременно и взаимоподчиненных видов деятельности. Представить себе, что для каждого из них есть один или пусть два мозговых центра обеспечения – слишком много центров понадобится. А если все занимаются всем – неразбериха, «толпа».

Концепция жестких и гибких звеньев вносит понятие штаба. Это определенные нервные клетки, которые являются «главными». В них зашита матрица того, как нужно выполнять определенный класс действий. Это жесткие звенья. Они «рекрутируют» солдат – другие нейроны – и организуют из них систему. При этом в систему входят те нейроны, которые в данный момент свободны. Поэтому каждый раз система меняется. Эти «рекруты» и называются гибкими звеньями. Именно поэтому система принципиально изменчива во времени. Система жестких и гибких звеньев – один из базовых механизмов работы мозга, открытый Н.П. Бехтеревой.

Для понятного объяснения на лекциях я обычно привожу следующую аналогию. Командир военного корабля принимает новобранцев, которые еще ничего не умеют. Он говорит: «Ты хорошо видишь – будешь впередсмотрящим; а у тебя умелые руки – будешь механиком. Ты стоишь ближе к камбузу – будешь коком». И так далее. Через несколько месяцев (это практически онтогенез) они становятся узкими специалистами. И в обычной обстановке каждый занимается своим делом под руководством командира своей БЧ. Но случись боевая тревога – кок и механик начинают подносить патроны под руководством штаба. После битвы кок возвращается в камбуз, но члены штаба всегда готовы к следующему бою.

Степень этой изменчивости может быть больше или меньше. Если взять стереотипную, часто повторяющуюся деятельность, то система ее обеспечения достаточно устойчива, иногда просто прошита анатомически. Это, кстати, относится и к очень важным для мозга и организма видам деятельности; понятно, что очень важную и прецизионную работу абы кому не доверишь. Например, работа гипоталамуса, который регулирует жизненно важные функции автономной нервной и нейроэндокринной систем, прошита наглухо. Чем сложнее и необычнее деятельность, тем изменчивее система ее обеспечения. Почему? Если мы начинаем необычную работу, мы еще не знаем, сколько сил нам потребуется. Поэтому берем с запасом.

Однако поскольку эта книга – не учебник по истории психофизиологии, то в нашу задачу не входит логическое повествование обо всех изгибах и узловых точках развития науки о мозге. Мы будем давать иллюстрации скорее интересным и проблемным моментам современного представления о том, как работает мозг.

Так вот, локализационизм – это очень логичное и очень удобное учение, но, как выяснилось, не совсем верное. Однако до сих пор приходится слышать о существовании различных постоянных центров в мозге. Пресловутого «центра удовольствия», например. Ну нет его! А что есть? Что мы считаем центрами? Обычно то, что называют центром чего-либо, на самом деле является частью системы обеспечения этого «чего-либо». Несомненно, области Брока и Вернике имеют прямое отношение к речи, но дальнейшие исследования, в том числе наши, показали, что зоны, связанные с ее обеспечением, распределены по всему мозгу (рис. 22). (Хорошо помню, как на одном высокоученом заседании в РАМН я случайно, оговорившись, употребил слово «центр». Реакция председательствующего – мэтра, академика Г.Н. Крыжановского – была такой, как если бы я вслух сказал что-то непечатное.)

К сожалению, в отличие от достаточно сложного восприятия системного подхода, представление о центрах хорошо понятно и доступно неспециалистам. Как и предельно ясна френология. Из-за этого, что бы я ни рассказывал о мозге, журналисты всегда переводят мою речь в терминах центров. До сих пор в популярных журналах появляются статьи о нейронах, узнающих одну актрису во всех позах и не реагирующих на других актрис. Или узнавание определенной фотографии. Это, конечно, следствие неправильной интерпретации результатов эксперимента.

Итак, мозг – это системы. Что это значит? Предположим, что в мозге 10 миллиардов нейронов. (На самом деле эта цифра лишь приближение и точно никто не знает, сколько их.) Причем заметьте, что все нейроны разные (в отличие от атомов или молекул одного элемента или вещества). У каждого нейрона есть уйма связей с другими нейронами, близкими и далекими. Разнообразие возможных рисунков, которые могут составлять эти связи, больше числа частиц во Вселенной. И «плохая новость» состоит в том, что эти рисунки постоянно меняются.

Рис. 22. Области коры головного мозга, «отвечающие» за различные фазы обработки речи: 1 – фонологическая обработка; 2 – субвокальная артикуляция; 3 – семантическая обработка слов; 4 – восприятие цвета; 5 – необходимость подавления лексико-семантической обработки слов; 6 – категоризация слов по критерию грамматического рода; 7 – синтаксическая обработка предложений; 8 – обработка орфографической структуры слов. Пунктиром обозначены поля Бродмана – отделы коры больших полушарий головного мозга, отличающиеся по своей цитоархитектонике (строению на клеточном уровне)

А систем, задействованных и работающих одномоментно, много. Мы одновременно вовлечены во множество деятельностей. Ведем машину, разговариваем, думаем о чем-нибудь третьем, планируем остаток дня, поддерживаем позу – и для каждой из этих работ складывается своя «паутина». Причем очень часто из-за свойства полифункциональности нервных клеток (об этом ниже) эти паутины пользуются одними и теми же нейронами. Вот и разберись тут!

Очевидно, что ни одну систему целиком никто никогда не видел. Что видели? Либо области, где наблюдается скопление элементов определенной системы (с помощью различных средств нейровизуализации (позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) (11), функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) (12), современных видов количественной электроэнцефалограммы (ЭЭГ) (13)), либо отдельные нейроны с помощью внутримозговых электродов, которые имплантируют в мозг пациента в лечебных и диагностических целях. Но это всего лишь несколько нейронов из миллиардов! (В одной из следующих глав я более подробно расскажу о том, как функционируют системы, и о том, что показали самые свежие исследования в этой области. А пока идем дальше.)

Прорыв, произошедший в последние десятилетия в области технического оснащения исследований, как ни странно, не привел к кардинальному изменению ситуации в понимании работы мозга. Да, резко увеличилось число научных статей. На крупных конференциях по картированию мозга человека ежегодно представляют около 3000 докладов (фактически три километра постеров).

Но в абсолютном большинстве эти работы сообщают нам о том, что в определенной зоне мозга обнаружена реакция на определенный раздражитель или что при выполнении определенной деятельности изменился рисунок ЭЭГ. Существенно меньше исследований, где показано, как именно происходит реорганизация работающих структур мозга при том или ином действии, мыслительный контроль какой-либо деятельности, как обнаруживается конфликт, и подготовленное действие либо разрешается, либо запрещается, или выбирается наиболее целесообразное поведение.

По пальцам можно пересчитать статьи, где сообщается о механизмах работы мозга, какими законами он управляется, как взаимодействуют его структуры.

Интересно, что большинство этих законов были открыты до технологического прорыва, который существенно расширил наши методические возможности. Причем некоторые из них были открыты буквально «на кончике пера», то есть при минимуме известных фактических данных.

В этом огромное преимущество российской физиологической школы. Она шла не только от эксперимента, как большинство западных, но от глубокого познания физиологии и от концепций. Например, концепция «светового пятна» И.П. Павлова:

Если бы можно было видеть сквозь черепную коробку и если бы место с оптимальной возбудимостью светилось, то мы увидели бы на думающем сознательном человеке, как по его большим полушариям передвигается постоянно изменяющееся в форме и величине причудливо меняющихся очертаний световое пятно.

Вдумайтесь: это было написано за 70 лет до появления возможности экспериментального подтверждения!

Рис. Пример современного исследования в парадигме «светового пятна». ПЭТ-исследования произвольного и непроизвольного внимания

Глава 2. Сквозь замочную скважину
Как мы исследуем мозг

Он задумался, между прочим, о том, что в эпилептическом состоянии его была одна степень, почти перед самым припадком, когда вдруг, среди грусти, душевного мрака, давления мгновениями как бы воспламенялся его мозг и с необыкновенным порывом напрягались разом все жизненные силы его. Ощущение жизни, самосознания почти удесятерялось в эти мгновенья, продолжавшиеся, как молния. Ум, сердце озарялись необыкновенным светом; все волнения, все сомнения его, все беспокойства как бы умиротворялись разом, разрешались в какое-то спокойствие, полное ясной гармоничной радости и надежды, полное разума и окончательной причины. Но эти моменты, эти проблески были еще только предчувствием той окончательной секунды (никогда не более секунды), с которой начинался самый припадок.
Ф. М. Достоевский. Идиот

ЭЭГ больного эпилепсией обычно отличается от нормальной. Альфа-ритм в типичных случаях бывает нарушен нерегулярными флуктуациями. Если припадок случайно наступает во время записи ЭЭГ, кривые принимают совершенно необычный вид.
Д. Вулдридж. Механизмы мозга

Выше говорилось об архитектуре мозга, о том, из чего он состоит, за что отвечают его отдельные части. Вначале эту архитектуру воссоздавали путем так называемых клинико-анатомических наблюдений – сопоставления состояния больного, симптомов и изучения препаратов мозга. А как же заглянуть внутрь черепной коробки – этого «грецкого ореха», подсмотреть за работой живого мозга, за его динамическими перестройками в процессе обеспечения различной деятельности, мышления?

Многие исследователи пытались это сделать, изобретая различные методы, в том числе ставя эксперименты на себе. Можно сказать, что первые современные экспериментальные работы по исследованию механизмов и принципов работы мозга начались в 70-е годы XIX века в университете Пизы, одном из старейших медико-хирургических факультетов мира, профессором Анджело Моссо (рис. 23).

Рис. 23. Анджело Моссо (1846–1910) – итальянский физиолог, исследователь мозга

Кстати отступление: почему не медицинского, а медико-хирургического? Почему известнейшая Военно-медицинская академия в Петербурге раньше называлась медико-хирургической? Да потому, что медицина и хирургия в Средние века были различными специальностями. Медицина изучала болезни человека, законы его жизнедеятельности, то есть то, что мы понимаем под медициной сейчас. Отдельно существовала хирургия с узконаправленными задачами: что-то удалить, зашить рану (не более). Занимались ею в основном цирюльники. До сих пор в Англии к врачу обращаются словом «доктор», а к хирургу – «мистер». Когда меня в первый раз спросили, доктор я или мистер, я ничего не понял.

Итак, Анджело Моссо. У него был пациент с дефектом (попросту говоря, с отверстием) черепа, человек крайне религиозный. Моссо заметил, что при звоне колоколов, созывающих прихожан к молитве, у этого больного под кожей в области дефекта начиналось шевеление. Врач положил на это место чувствительную к колебаниям мембрану и вывел получившиеся колебания воздуха на самописец (рис. 24).

Таким образом Моссо зафиксировал мощные пульсовые колебания под мембраной именно в момент звона колоколов. При этом пульс в руке не менялся, то есть колебания были локальными; источником их был именно мозг. Дальнейшие эксперименты соответствовали самому современному сегодняшнему уровню. Врач задал пациенту вопрос о молитве и получил образцовую вызванную реакцию в мозге. Далее был проведен тест на счет и также получена вызванная реакция.

Эти эксперименты показали, что в процессе интеллектуальной деятельности при неизменности общего кровотока в организме кровоток в мозге не просто меняется, но меняется коррелированно во времени с фазами деятельности. Таким образом, Моссо доказал, что именно мозговой кровоток коррелирует с процессом мышления.

Следующий эксперимент был уникален по своей простоте и значимости. Пациента укладывали на своеобразные качели, устанавливалось равновесие, так что он располагался параллельно поверхности земли; затем просили выполнить тест, требующий интенсивной умственной работы (рис. 25). Кровь к голове приливала, и верхняя половина туловища начинала перевешивать.

Рис. 24. Регистрация пульсации сосудов головного мозга у пациента с дефектом черепа (эксперимент Анджело Моссо)

Рис. 25. Первый эксперимент Анджело Моссо по «картированию мозга» – исследование мозгового кровотока

Эти эксперименты привели к тому, что все последующие сорок лет большинство исследователей занимались изучением мозгового кровотока. Собственно, не потому, что он был как-то особенно связан с деятельностью мозга, а потому, что других возможностей изучать живой мозг просто технически не было. К сожалению, в то время исследование мозга человека с помощью мозгового кровотока далеко не продвинулось.

На рубеже XIX–XX веков британские ученые Чарлз Смарт Рой (рис. 26) и Чарлз Скотт Шеррингтон (рис. 27) нашли объяснение зависимости мозгового кровотока от интенсивности работы нейронов.

Рис. 26. Чарлз Смарт Рой (1854–1897) – британский физиолог, профессор Кембриджского университета

Рис. 27. Чарлз Скотт Шеррингтон (1857–1952) – британский нейрофизиолог, лауреат Нобелевской премии «за открытия, касающиеся функций нейронов» (1932 г.)

Они показали, что при локальном увеличении активности нейронов за счет выделения ими определенных химических веществ происходит расширение капилляров и приток крови увеличивается (рис. 28). На этом открытии основаны современные ПЭТ-исследования мозговой активности и функциональная магнитно-резонансная томография.

Рис. 28. Подтверждение гипотезы о связи между локальным увеличением нейрональной активности и увеличением кровотока. Эксперимент Роя и Шеррингтона

Этот пример как нельзя лучше отражает соотношение фундаментальных и прикладных исследований. На протяжении ста лет сведения о мозговом кровотоке имели исключительно научную ценность, а теперь приборы для его измерения стоят в каждой уважающей себя клинике. Это показывает, с одной стороны, силу человеческого разума, а с другой – зависимость реализации идей от развития техники. Леонардо да Винчи придумал и вертолет, и многое другое, но его изобретения невозможно было воплотить в жизнь. Не было двигателей, сплавов и еще много чего. Не было должной культуры производства. Изобретатель паровой машины Уатт считал, что машина собрана удовлетворительно, если в щель между поршнем и цилиндром пролезает только монета размером в шиллинг. Сравните с современными двигателями. Человеческий мозг обладает потрясающей особенностью «парить» высоко в небе с твердой уверенностью, что все сегодняшние проблемы в конце концов будут преодолены. Это, конечно, не всегда случается, но если все-таки происходит, то неминуемо означает прорыв.

Физиологическое действие электрического тока было известно еще со времен Алессандро Вольта и Луиджи Гальвани. Тысячи студентов-биологов касались препарированной лапки лягушки и видели ее сокращение. В начале ХХ века прецизионным вольтметром измеряли потенциалы с поверхности кожи, но их значение было не очень понятным. В первой четверти ХХ века изобретение радио потребовало создания усилителей переменного тока. Вот он, технический прорыв! Появилась возможность регистрировать колебания не вольтовой, а милли- и микровольтовой амплитуды.

Немецкий ученый Ганс Бергер (рис. 29) положил электроды на скальп человека, подсоединил их к усилителю и записал первую в мире электроэнцефалограмму (рис. 30). Электрические сигналы, генерируемые мозгом, были записаны с поверхности кожи головы.

Рис. 29. Ганс Бергер (1873–1941) – немецкий физиолог и психиатр, один из создателей метода электроэнцефалографии

Рис. 30. Запись первой в истории электроэнцефалограммы, сделанной Гансом Бергером в 1924 г.

Опять же роль технического прогресса: тот факт, что мозг генерирует электричество, открыл еще в 1875 году английский врач Ричард Катон, но без соответствующей техники было непонятно, что с этим открытием делать. А «волны Бергера» – так их называли – сразу произвели революцию в исследованиях мозга. Хотя стоит заметить, что какое-то время ему не верили: столь невероятным казалось, что это сигналы прямо из мозга, проходящие сквозь мозговые оболочки, череп и кожу. Чтобы доказать свою правоту, Бергер решился на отчаянный шаг: сделал трепанацию черепа своему 15-летнему сыну и сравнил сигналы ЭЭГ с поверхности головы с сигналами, поступающими непосредственно с поверхности мозга (рис. 31).

Рис. 31. Схема регистрации электроэнцефалограммы с использованием подкожных игольчатых электродов

С тех пор благодаря трудам Анри Гасто, Грея Уолтера, Михаила Ливанова и многих других выдающихся ученых ЭЭГ стала основным инструментом исследования мозга. Я назвал только троих замечательных исследователей, на самом деле их много больше. Просто двоих из них мне посчастливилось знать лично.

Появление ЭЭГ стало прорывом. Еще бы! Мы можем наблюдать за работой мозга не опосредованно, а напрямую, следя за дрожанием пера самописца на бумаге. Мы видим, как она меняется при переходах от состояния к состоянию. Ощущение при записи ЭЭГ такое, что мозг пытается что-то нам сказать, а мы не понимаем. Позже была обнаружена неоднородность ЭЭГ – ритмы, сменяющие друг друга, которые назвали буквами греческого алфавита (альфа, бета, гамма), по возрастанию частоты. А потом были открыты еще дельта- и тета-ритмы, уже так называемые медленные. Обнаружение каждого ритма стало микросенсацией. Грей Уолтер открыл один из основных ритмов ЭЭГ – альфа-ритм. Кстати, сам он очень гордился, что у него его не было, считая данную особенность признаком гениальности.

Сейчас эти ритмы подразделяются еще более узко и имеют важное значение как в диагностике заболеваний, так и в исследованиях высших видов деятельности. Например, локализация активности медленных волн в какой-то области может указывать на наличие опухоли. Этому, в частности, посвящена монография Н.П. Бехтеревой «Биопотенциалы больших полушарий головного мозга при супратенториальных опухолях». Сейчас при подозрении на опухоль или гематому больного тут же направляют на КТ- или МРТ-исследование. В большинстве случаев опухоль видна. А тогда это было настоящее мастерство, искусство – поставить диагноз при помощи ЭЭГ. Помню, как моя мать, которая в то время руководила лабораторией электрофизиологии Института нейрохирургии им. А.Л. Поленова, поздно вечером приходила домой и гордо сообщала, что опухоль была обнаружена именно в том месте, где она указала.

Французский невролог и исследователь Анри Гасто (рис. 32) был настоящим подвижником ЭЭГ. Он считал, что с помощью этого метода можно раскрыть все тайны мозга. В 50-е годы прошлого века он даже пытался организовать межцентровую (как мы сказали бы сейчас) программу по изучению мозговой организации мышления с помощью ЭЭГ. К сожалению, программа провалилась не по причине логического и научного несовершенства, а из-за отсутствия материальной базы (компьютеров). ЭЭГ давала 10 минут сигнала с частотой порядка 20 Герц (3–30), да еще по двадцати каналам. Чтобы все это проанализировать, были необходимы ЭВМ. Визуальный анализ, на который надеялся Гасто, оказался малоинформативным. Вот еще один пример гениальной идеи, опередившей свое время; сейчас компьютерная ЭЭГ стала мощным инструментом изучения процессов мышления в мозге.

Рис. 32. Анри Гасто (1915–1995) – французский невролог и эпилептолог

Целую эпоху в науке о мозге составляют труды Грея Уолтера, которого многие ученые называли просто Грей. Одно перечисление лишь некоторых его достижений выглядит впечатляюще. Еще будучи студентом, он увлекся «волнами Бергера» и занялся электроэнцефалографией. Его можно назвать одним из основателей клинической ЭЭГ. Имея биологическое образование, он прекрасно разбирался в технике и собирал приборы специально для этих измерений. Это, в частности, позволило ему внедрить автоматический частотный анализ ЭЭГ и метод топоскопии – пространственного изучения электрических процессов в мозге. Именно Грей впервые зарегистрировал электрическую активность обнаженного головного мозга человека во время нейрохирургических операций и с помощью так называемых вживленных электродов (14). Одним из первых он применил метод хронического вживления электродов в головной мозг по клиническим показаниям и открыл с его помощью новую форму электрических реакций – Е-волну, известную как «волна ожидания» (15), открыл и проанализировал медленные электрические колебания ЭЭГ – дельта-волны, характерные для очагов патологии, и тета-волны, сопровождающие эмоциональные реакции.

Грей Уолтер создал несколько кибернетических обучающихся моделей. В детстве я видел по телевизору одну из первых его кибернетических черепашек, которая передвигалась по комнате, обходя препятствия. Это, конечно, не современный марсоход, но ведь и времена были другие. Он хорошо относился к нашей стране, пытался создать взаимную кооперацию (рис. 33), поставить свой топоскоп в одну из наших лабораторий, привлекая к этой деятельности даже леди Клементайн Черчилль. Однажды по приглашению Н.П. Бехтеревой прожил неделю у нас дома, в Ленинграде. Как я жалею сейчас, что в 1963 году не был способен оценить уникальность этого общения!

Не могу не сказать о Грее Уолтере более подробно, настолько яркой и запоминающейся личностью он был. Анархист по убеждению, он не хотел связываться с официальными университетами и всю жизнь проработал в полунищем институте, существовавшем на завещанные деньги. Причем условием контракта было отсутствие пенсии. Был трижды женат, имел пять детей. Ездил на скутере, что привело к трагическому финалу. Был крайне привлекательным. С другой стороны, было немало людей, относившихся к нему с настороженностью, которых шокировал его бьющий идеями разум, парадоксальность мышления – качества, характерные для выдающегося ученого.

Рис. 33. Н.П. Бехтерева и Грей Уолтер руководят симпозиумом в Ленинграде (1974 г.)

ЭЭГ развивалась очень быстро, особенно мощный толчок ей дало применение вычислительных мощностей. Появилась даже ЭЭГ-томография – так называемая LORETA (16), суть которой заключается в построении на скальпе полей в мозге по потенциалам. Сначала записывают электрические потенциалы с поверхности головы. Затем, используя законы электродинамики, рассчитывают, какие потенциалы внутри мозга могут генерировать подобные потенциалы на скальпе, и таким образом можно получить информацию о поведении корковых структур. Появился и активно применяется метод вызванных потенциалов (ВП). На основе их исследования можно многое сказать о процессах в мозге и даже определить вероятность будущих заболеваний. Что это такое? Предполагается, что мы регистрируем электрический сигнал, состоящий как бы из двух составляющих: сигнала, отражающего работу мозга по обеспечению исследуемой деятельности, и «шума». Далее предполагается, что сигнал возникает каждый раз, когда мы «дергаем за веревочку» – заставляем испытуемого выполнять определенное задание. А шум не зависит от стимулов, поэтому будет расти медленнее. Говоря математически, сигнал будет расти пропорционально числу повторений эксперимента, а шум – пропорционально корню из этого числа. Этот метод называется методом вызванных потенциалов или потенциалов, связанных с событием. Его применяют сегодня повсеместно.

С помощью анализа ЭЭГ и анализа вызванных потенциалов были получены интересные результаты. Существует большое число различных приемов, с помощью которых можно пролить свет на многие аспекты деятельности мозга. Академик М.Н. Ливанов исследовал, как различные зоны мозга объединяются в системы. Речь идет о больших зонах, поскольку пространственное разрешение ЭЭГ невелико. Начинали со снятия биопотенциалов с восьми точек. Вот он записывал восемь (а позже и больше) отведений и смотрел, как соотносятся ритмы в этих зонах. Если наблюдал какую-то взаимосвязь, полагал, что эти зоны так или иначе связаны. Он даже создал прибор, который назывался «телевизор мозга», разновидность топоскопа Грея Уолтера, на экране которого перемигивались звездочки отведений в зависимости от взаимовлияния (рис. 34). Эта идеология исследования системной организации мозга используется до сих пор.

ЭЭГ и его аналоги в настоящее время стали мощным методом исследования работы мозга благодаря в первую очередь применению компьютерной техники. Именно она позволяет выделять сигнал из внешне беспорядочных колебаний биопотенциалов мозга в его динамике.

Рис. 34. Н.П. Бехтерева с сотрудниками перед «телевизором мозга» М.Н. Ливанова (середина 1950-х гг.)

А что же с кровотоком, с разговора о котором началась глава? До середины 80-х годов прошлого века – практически ничего, за исключением исследований на животных и исследований у больных с имплантированными долгосрочными интрацеребральными электродами (17). Последнее – только в отделе Н.П. Бехтеревой и еще в двух лабораториях в мире. Но в целом эти работы были на обочине столбовой дороги. ЭЭГ затмевала все. Это, кстати, очень поучительная история. С появлением качественно других методов – МРТ и ПЭТ – ЭЭГ, напротив, приходится доказывать свою значимость.

Это избитая фраза, но подлинной революцией стало использование для диагностики рентгеновских лучей, за открытие которых, как известно, была присуждена первая Нобелевская премия по физике. С тех пор стало традицией присуждать Нобелевские премии за создание новых методов интровидения. Суть рентгеновской диагностики, напомню, состоит в том, что степень проницаемости (прозрачности) различных тканей человеческого тела для рентгеновских лучей, во-первых, значительно выше, чем для световых лучей (поэтому они проходят сквозь тело); во-вторых, различна для разных тканей. Поэтому в этом театре теней хорошо видны переломы, так как имеется существенная разница в проницаемости целой и дефектной кости. Несколько сложнее, но опытным глазом можно достаточно четко различить и другие особенности, причем не только костей, но и мягких тканей.

Тем не менее рентгеновский снимок – это проекция трехмерного объекта на плоскость со всеми вытекающими искажениями и неопределенностями; возникло большое число приемов, улучшающих качество изображения. Каждый, кому делали рентгеновские снимки (а их делали почти всем), помнит, что его специально «укладывали» перед источником лучей. Для каждой части тела существует своя «укладка», предоставляющая врачу оптимальный вид. Правда, это были несущественные улучшения, как любое рацпредложение по сравнению с созданием нового метода, но они стимулировали интерес к созданию новых аппаратов. Хотелось получить в полном виде картину внутренних органов живого организма, не разрушая его.

Закономерно возникает вопрос о предпочтительном способе изображения трехмерной картины расположения внутренних органов. Трехмерный объект наиболее удобно отражать на двухмерном носителе (рентгеновская пленка, экран дисплея) в виде набора срезов, или томограмм. Отсюда и появилось название для приборов, позволяющих получить такую картину, – томографы.

В 1917 году австрийский математик Иоганн Радон предложил теоретическое решение осуществления томографии с помощью рентгеновских лучей. (Правда, сама рентгеновская томография возникла почти полвека спустя.) Были выведены математические формулы (так называемое прямое и обратное преобразования Радона), позволяющие по интенсивности поглощения луча от источника, описывающего окружность вокруг объекта, восстановить его внутреннюю структуру. Теоретически проблема была решена почти девяносто лет назад. Заметьте: опять почти столетие!

Принципиальная схема рентгеновского (или, как его чаще называют, компьютерного) томографа (КТ) заключается в следующем. Внутрь кольца помещают пациента, лежащего на специальном столе, подвижном по направлению центральной оси кольца. По диаметру кольца друг напротив друга расположены рентгеновская трубка (излучатель) и приемник, регистрирующий интенсивность прошедшего сквозь тело излучения. Излучатель описывает полную окружность вокруг пациента и по зарегистрированной зависимости поглощения от расположения излучателя вычисляет распределение рентгеновской плотности внутренних органов, то есть срез, на котором видны эти органы.

Томограф не только позволил увеличить количество проекций, но резко повысил разрешающую способность изображения, на котором стали различимы не видимые прежде ткани. Сегодня КТ стал чуть ли не самым распространенным прибором для рутинного обследования. Его внедрение ознаменовало настоящий прорыв в диагностике, прежде всего – в диагностике заболеваний головного мозга, так как только с его помощью удалось заглянуть сквозь кости черепа. Впервые появилась возможность без инвазии получить прижизненное изображение головного мозга, его оболочек и сосудов в норме и при различных патологических состояниях.

Здесь следует сделать важное замечание. КТ заменил собой множество обычной рентгенографии и методик искусственного контрастирования, но не отменил их полностью. Например, мы изредка пользуемся краниограммами (обычными рентгеновскими снимками головы и черепа) для выяснения продолжительности существования патологии. Также при помощи краниограмм проще и дешевле оценить координаты введенных в мозг электродов. Это обычная ситуация. Все методы интровидения имеют четко определенную нишу, в ней они вне конкуренции. Но ни один из них пока не может претендовать на абсолютную ценность.

Однако различия в рентгеновской плотности выражены недостаточно, чтобы уверенно отличить, например, одну мозговую структуру от другой. Опухоль или гематома чаще всего видны, а более тонкие особенности – не всегда. Кроме того, это исследование нельзя назвать полностью безвредным, поскольку пациент все-таки получает определенную дозу облучения. Поэтому в течение нескольких десятилетий постоянно шли поиски безопасного метода, который к тому же обладал бы гораздо большей чувствительностью.

В 1940-х годах американцы Феликс Блох и Эдвард Перселл обнаружили явление ядерного магнитного резонанса (ЯМР), за что в 1952 году были удостоены Нобелевской премии. ЯМР – это физическое явление, основанное на свойствах некоторых атомных ядер при помещении их в магнитное поле поглощать энергию в радиочастотном диапазоне и излучать ее после прекращения воздействия РЧ-импульса. Поместив объект в условия резонанса, мы как бы закачиваем в него энергию. Если поле снять, то энергия высвободится, и это можно зафиксировать. Напряженность постоянного магнитного поля и частота радиочастотного магнитного поля должны строго соответствовать друг другу. Это и называется ядерным магнитным резонансом: ядерным – поскольку взаимодействие происходит с магнитными моментами атомных ядер, магнитным – так как эти моменты ориентированы постоянным магнитным полем, резонансом – поскольку параметры этих полей строго взаимосвязаны.

Явление ЯМР послужило основой для создания магнитно-резонансного томографа (МРТ), который сегодня также стал незаменимым и в медицинской диагностике, и в фундаментальных исследованиях. История его создания довольно драматична. Впервые концепцию МРТ предложил советский ученый В.И. Иванов в 1960 году, но его публикации не были приняты во внимание. Во-первых, потому, что ему не дали публиковать статьи в зарубежных журналах; во-вторых, просто не хотели замечать. Непосредственно первый МРТ был создан в 1977 году в США Реймондом Дамадьяном, который попал во все энциклопедии как его изобретатель. Однако Нобелевскую премию за изобретение МРТ получили в 2003 году совсем другие исследователи – П. Лотербур и П. Мэнсфилд за работы, приведшие к его созданию.

Суть МРТ заключается в том, что магнитные свойства ядра атома водорода (протона) зависят от его окружения, поэтому ЯМР (резонанс) наступает при различных соотношениях параметров постоянного и переменного полей. При поточечном сканировании сигнал, зарегистрированный томографом, зависит от типа ткани, которая окружает или в которую встроен данный атом водорода. Вместо параметра, описывающего поглощение рентгеновских лучей, как в КТ, регистрируется сигнал, зависящий не только от плотности ткани, но и от ее структуры. Оказалось, что полученное таким способом изображение высокоинформативно. Оно позволяет разграничить серое и белое вещества мозга, дифференцировать подкорковые структуры, тонко визуализировать неоднородное строение опухолей, абсцессов, динамику травматических изменений и инсультов и многое другое. Появилась возможность увидеть мозговые сосуды, измерить их диаметр и скорость кровотока. Многочисленные дополнительные программы объективизируют структуру опухоли.

И на МРТ-, и на ПЭТ-томограммах видна обширная опухоль. На ПЭТ показан объем щадящей криодеструкции. Внизу – томограммы этой больной сразу после операции, через год и через пять лет. Видно, что опухоль исчезла

Конечно, всегда есть ограничения. Опухоль при росте сдавливает окружающие ткани, и получается околоопухолевый отек. Так вот его на МРТ практически не отличить от вещества опухоли, а это необходимо для последующего лечения.

С чего же начинались исследования функционирования мозга и что долгое время было в загоне? Правильно, исследования мозгового кровотока! Так, может быть, мы можем с помощью МРТ посмотреть величину или скорость локального кровотока и тем самым определить, где нейроны работают интенсивнее? Оказалось, да!

Зачем увеличивается кровоток? Чтобы доставить работающим нейронам больше кислорода. Как? Кислород доставляется в составе гемоглобина – особого элемента крови, о котором каждый слышал. Кислород «садится» на гемоглобин и превращает его в оксигемоглобин; когда гемоглобин отдает кислород, он превращается в так называемый неоксигенированный гемоглобин. Величайшим фактом для функциональных исследований мозга явилось то, что магнитные ответы от этих двух веществ различаются. Таким образом, исследователи получили возможность изучить изменение в соотношении оксигенированного и неоксигенированного гемоглобинов, что очень близко к величине локального мозгового кровотока при выполнении различных видов деятельности (рис. 35).

Рис. 35. Компенсаторное увеличение кровотока после активации нейронов

Даже в очень сильных магнитных полях разница в сигнале мала, и это понятно: нейроны мозга вовлечены во множество операций и вынуждены «говорить приглушенно». Как сказал мне однажды один из ярчайших исследователей мозга, великий испанец Хосе Дельгадо, на ухо, но достаточно громко: «Нейроны шепчут друг другу». Шепот трудно расслышать, поэтому его повторяют много раз. В реальности, когда идет запись сигнала на МРТ, человек попеременно то выполняет заданную деятельность, то не выполняет ее. А дальше мы ищем не сигнал, а колебания сигнала с той же частотой, что и частота повторения деятельности. Там, где это обнаружено, и происходит искомая работа нейронов (рис. 36).

Рис. 36. Типичная структура фМРТ-исследования

Когда мы установили МРТ в нашем институте, то решили сделать простейший тест – задали испытуемому два вида деятельности: нажатие пальцем на кнопку и трение пальца грубой щеткой для волос (рис. 37). Из учебника известно, куда идет сигнал при сенсорном раздражении пальца и откуда идет сигнал при его движении. Получилось полное совпадение с учебником. Плюс активации при движении, связанные с тем, что человек должен приказать пальцу двигаться. Действительно, движение отражалось в моторной коре, а ощущение – в сенсорной.

Помимо КТ и МРТ, то есть собственно томографов, существует большое разнообразие приборов для интровидения. Это ультразвуковые устройства, термовизоры, гамма-камеры. За исключением, пожалуй, УЗИ, они ближе к рентгенографии, чем к томографии. Все перечисленные методы интровидения, кроме фМРТ, дают картину физического состояния ткани, ее плотности, состава, однако функциональное состояние, если оно не вызвало грубых физических изменений, на изображении никак не проявляется.

Рис. 37. Демонстрационное фМРТ-исследование (ИМЧ РАН)

Естественно, что потребность в таком знании очень велика. Мало видеть, что где-то есть уплотнение; хорошо бы знать его природу. Что это – опухоль или некроз; если опухоль, то какова ее стадия. При операциях по поводу эпилепсии хирург не может отличить по внешнему виду пораженную ткань от здоровой. Некоторые заболевания вообще проявляются именно как расстройство функции. Условно говоря, если сделать КТ или МРТ телевизора, то можно найти сгоревшее сопротивление или микросхему, но нельзя определить, настроен ли аппарат на требуемый канал. Любое функциональное изменение связано с изменениями в биохимии ткани. И активность мозга, и сокращение мышцы, и вообще все – в норме и в патологии – основано на биохимических перестройках. Следовательно, для того чтобы визуализировать функцию, надо научиться следить за биохимией органа. Об этом было известно уже давно. Вся изотопная диагностика основана на том, что при функциональном или патологическом изменении органа в нем меняется концентрация какого-либо вещества. Он аккумулирует это вещество из крови. Поэтому, если вещество пометить, то есть ввести в его молекулу радиоактивный изотоп, его излучение будет выдавать местонахождение всей молекулы.

Метку веществ радиоактивными атомами и последующее слежение за их концентрацией применяют более пятидесяти лет. Наиболее распространенными приборами для изотопной диагностики стали так называемые гамма-камеры. Принципиально гамма-камера состоит из аналога фотопластинки (массива детекторов гамма-излучения) и коллиматоров – специальных устройств, позволяющих достигать детектора только гамма-квантам, летящим по определенному направлению.

Но, несмотря на огромную ценность однофотонных изотопных исследований, они обладают рядом неудобных свойств. Или правильнее будет сказать, что они являются великолепными приборами, занимающими определенную нишу, и вне этой ниши, естественно, имеют недостатки. Основным недостатком гамма-камер, делающих их непригодными для психофизиологических исследований мозга, является низкая эффективность сбора информации. Почему? Да потому, что используются только те гамма-кванты, которые летят вдоль трубочки. Все остальные выбрасываются из рассмотрения. Для получения изображения надо зарегистрировать много квантов. Увеличивать дозу нельзя. Увеличивать время экспозиции тоже нельзя, так как человек думает за доли секунды, а не за десятки минут.

Надо было придумать, как увеличить эффективность сбора информации. И придумали – позитронно-эмиссионный томограф (ПЭТ). С появлением ПЭТ в науке о мозге и в медицине в целом произошла настоящая революция. Наконец-то появился прибор, который позволил нам увидеть не структуру, а «жизнь» ткани, органа, участка мозга, соотнести сведения о событиях в целом мозге со знанием того, что происходит в его микрообъемах.

И гораздо более точную информацию мы получаем, комбинируя эти методы.

Слева на МРТ видно объемное образование (светлое пятно). По всем данным, это может быть опухолью, то есть существуют показания для операции. Справа, при совмещении МРТ и ПЭТ с метионином, видно, что эта область спокойная, то есть это уже не растущая опухоль. Ничего делать не надо

Аппарат позитронно-эмиссионной томографии и компьютерной томографии

ПЭВ-ВП-исследования селективного внимания

Мультимодальные исследования. ПЭТ отвечает на вопрос «где?». ВП отвечает на вопрос «когда?». Комбинируя результаты, понимаем «что»

Глава 3. Статистика или чутье
О несовершенстве наших методов

Это была воистину поразительная форель. Чем больше мы на нее смотрели, тем больше восхищались.
Джордж был так очарован, что взобрался на спинку стула, чтобы получше рассмотреть это чудо.
И вдруг стул пошатнулся; Джордж, чтобы удержаться, судорожно уцепился за шкафчик с форелью, шкафчик с грохотом полетел на пол, а за ним последовал сперва стул, а затем и сам Джордж.
– Рыба цела? – в ужасе вскричал я, бросаясь к нему.
– Надеюсь, что да, – ответил Джордж, осторожно поднимаясь на ноги и осматриваясь.
Но он ошибся. Форель лежала на полу, разбитая на тысячу кусков, – я сказал тысячу, но, возможно, их было только девятьсот. Я не считал. Нам показалось весьма странным и непонятным, как чучело форели могло разлететься на такие мелкие куски. Это и впрямь было бы весьма странно и непонятно, будь перед нами действительно чучело. Но чучела не было. Форель была гипсовая.
Джером К. Джером. Трое в лодке, не считая собаки

Последние три десятилетия ознаменовались невероятным ростом технических возможностей. Представьте себе: полная вычислительная мощность космического корабля «Аполлон» была меньше, чем мощность нынешнего смартфона. Люди старшего поколения восхищаются этим, а более молодое поколение не видит в этом ничего необычного. Но эти понимание и простота приборов кажущиеся. Во-первых, из-за чрезвычайной сложности и приборов, и софта они сделаны максимально, как говорится, user friendly (дружественными). Так, некоторые, на самом деле простейшие, функции представляются интуитивно ясными и логичными; молодежь усвоила эту логику с игрушек. Во-вторых (и это главное), приборы просты, когда вы используете наиболее простые и хорошо запрограммированные их возможности. Эти же приборы пасуют, когда задача становится чуть сложнее (например, до сих пор нет хорошей программы- переводчика).

Казалось бы, для языка, где все по правилам (нет исключений), бери формальную грамматику и словарь – и дело в шляпе. На самом деле это не так. Нужны еще посторонние и немалые знания, не заложенные в программе. Таких примеров множество. Naked conductor runs under the carriage – «голый кондуктор бежит под вагоном» или «неизолированный кабель проходит под тележкой»? И то и другое правильно, но абсолютно различно. Чтобы выбрать правильный вариант, необходимы дополнительные знания, которыми должен обладать человек.

В современной науке это, пожалуй, одна из ключевых проблем. Мы находимся в огромной моральной зависимости от машины. Нам кажется, что она не ошибается и дает правильный результат. Как ни странно, это абсолютно верно. Но мы большей частью не умеем правильно задавать вопрос и правильно трактовать ответ. Надо понимать, что практически все современные компьютеры – это электронно-вычислительные машины, которые не умеют думать, а могут только вычислять по четко заданной программе. Любая программа, в свою очередь, имеет определенные, жестко заданные ограничения на входную информацию и, как правило, очень чувствительна к нарушению этих требований. Например, при использовании параметрической статистики, если входные данные должны иметь нормальное распределение и независимость измерений, а у вас это не выполнено, то результат неверен, хотя и правильно сосчитан. Машина все сделала как надо. Это мы «лопухнулись». Причем в последнее время, как видно из научных статей и выступлений, это происходит все чаще.

Почему? Когда 150 лет назад Анджело Моссо делал пионерские работы по изучению реакции мозгового кровотока на психологические стимулы, он видел значимую реакцию прямо на самописце. Ему не приходилось производить с сигналом какие-либо вычисления или преобразования. Когда Н.П. Бехтерева исследовала обнаруженный ею механизм детекции ошибок, сигнал в каждом последующем испытании практически повторялся. Так было и бывает всегда при изучении важных, основополагающих явлений.

Полет Гагарина принципиально доказал, что человек может находиться в космосе. Для доказательства было достаточно одного примера, а затем множество институтов занимались деталями того, как человек может выжить в космосе. Общие фундаментальные закономерности, в принципе, и должны проявляться достаточно выраженно. Но дальше, когда мы пытаемся разобраться в конкретных, весьма тонких особенностях феномена, каждое новое исследование становится все сложнее и сложнее.

Принципиальный момент возник, когда пришлось перейти к изучению слабо зашумленных и сильно зашумленных сигналов, то есть когда мы перешли к деталям, в которых, как известно, кроется дьявол. Как правило, общая закономерность достаточно хорошо воспроизводима. Но когда вы задаете детальные вопросы, ответы становятся неразборчивыми. Представьте оператора справочной в час пик. У него сотни вопросов и только один из них ваш; он отвечает урывками, проглатывая слова, вы пытаетесь его переспрашивать с переменным успехом.

Вот тут-то и случился «обвал». Мы не можем получить сразу всю информацию о событиях в мозге. При всей зыбкости компьютерных аналогий можно сказать, что мозг работает в мультипрограммном режиме. Он одновременно поддерживает нормальное функционирование внутренней среды, движений, произвольного и непроизвольного внимания и массу других функций, исследование только одной из которых является целью работы физиолога. И вот на этом месте много лет назад (можно сказать, от безысходности) был сделан физиологически неверный шаг, который тем не менее позволил существенно продвинуться в исследовании мозга.

Получилась парадоксальная, но нередкая ситуация, когда, пользуясь в общем-то неверными методами, удалось получить правильные результаты. Кстати, ситуация, характерная не только для физиологии. Высокая физика. Изучение теории поля и элементарных частиц. Р. Йост «Общая теория квантованных полей» (1967 г.): «…мы исходим из уравнений, которые не имеют смысла. Мы применяем к их решениям некоторые определенные предписания и приходим, наконец, к степенному ряду, про который мы не знаем, имеет ли он смысл. Несколько первых членов этого ряда приводят, однако, к наилучшим известным предсказаниям…»

Надо отметить, что именно продуктивная работа в таких условиях является мерилом таланта ученого. Сейчас вывести таблицу Менделеева – тема для диплома, а в то время, когда все было «зашумлено» (и веса элементов, и их свойства), это была эпохальная задача. Сеченов и Бехтерев показали нам пример, как из минимального набора данных можно получить глобальные теории.

Суть общепринятого в нейронауках метода, как уже говорилось, заключается в предположении, что сигнал разделяется на собственно полезный сигнал и шум. Это предположение пришло из радиотехники, где оно в большинстве случаев выполнялось, потому что действительно был сигнал слабенького передатчика и не связанный с ним и не зависящий от него атмосферный шум. В мозге же шум принципиально связан с полезным сигналом. Вместе они отражают мультипрограммную работу одного прибора, одной системы. Поэтому изложенный подход принципиально неверен; все сигналы физиологически значимы. Именно поэтому, чтобы получить с его помощью правильные результаты, требовалось не только нажать правильные кнопки статистического анализатора, но и обладать тонким, предельно четким пониманием метода обработки, интерпретации его результатов и организации эксперимента. К сожалению, сегодня это скорее исключение, чем правило.

Основное противоречие в методах статистической обработки и реальной картины заключается в том, что мозг делает работу с первого предъявления. Он не работает на основе статистического накопления результатов. А мы ищем статистически значимый сигнал, разделяя зарегистрированный сигнал на значимый и незначимый. Говоря физическим языком, мы вводим в мозг аналог демона Максвелла, который отделяет мух от котлет.

Голь на выдумки хитра. Умные исследователи придумали паллиативный выход. Делают набор исследований, в которых явление изучается с разных сторон, и рассматривают весь комплекс результатов. Далее, исходя из принципа, что природа сложна, но не злонамеренна, делаются все более приближенные к реальности оценки.

Надо заметить, что Н.П. Бехтеревой был предложен альтернативный усреднению подход. Она взяла за основу предположение, что каждое событие в мозге имеет физиологический смысл. Каждый нейронный импульс отражает работу мозга по обеспечению какого-либо процесса. Вместе с гипотезой о принципиальной изменчивости мозговых систем это позволяет понять, почему мы видим зашумленный сигнал. И, что очень важно, позволяет выделить группу реально существующих сигналов и доказать их принадлежность к исследуемому процессу. Сотрудники нашего института Ю.Л. Гоголицин и С.В. Пахомов при моем участии разработали метод анализа единичных предъявлений, позволяющий выделять реальные сигналы и оценивать их значимость. В частности, исследуя импульсную активность нейронных популяций, удавалось выделять группы нейронных реакций при выполнении предъявляемых исследователем задач и посторонние реакции тех же нейронов. Точкой отмечается латентность и амплитуда реального пика в нейронной активности или вызванных потенциалах.

При статистически достоверной реакции импульсной активности эта реакция проявляется в достаточно малом количестве проб. Но это реальные импульсы, реальный сигнал, а не его накопленное значение. Видно, что реакция в вызванных потенциалах существенно более единообразная. Но! Количество сигналов существенно меньше количества проб, то есть далеко не в каждой пробе эта область мозга участвовала в исследуемой деятельности. В этой книге я не ставлю задачу разбора результатов применения метода анализа единичных проб. Принципиально важен факт того, что реальные процессы в мозге в единичных пробах далеки от того, что мы обычно изучаем и получаем в результате усреднения.

В этой ситуации наши методы статистического оценивания результатов и вообще почти все используемые математические методы – это лишь методы отбора. Мы договорились обрабатывать результаты именно так, хотя в ряде случаев возможность применения методов недостаточно доказана. Они нужны не для того, чтобы рассчитать значимость события, а чтобы ко всем исследованиям в данной лаборатории и во всех лабораториях, применяющих данные методы оценивания, отбирать результаты для обсуждения одинаковым образом, то есть исключить субъективный фактор.

Еще не так давно старшие по возрасту физиологи широко пользовались выражением «физиологический глаз = чутье», и это считалось доказательным. Не потому, что они были глупыми. Они просто не успели перестроиться с того времени, когда получались простые и ясные результаты. Но так обстоит дело, когда статистика и другие методы обработки применяются правильно. К сожалению, большое количество исследователей, особенно молодых, часто допускают серьезные ошибки не только методического, но и методологического уровня. Почему молодых? В общем, понятно. Старшее поколение эти методы создавало. Сейчас трудно вспомнить, какие дискуссии буквально гремели в среде физиологов. Поэтому большинство ученых старшего поколения уже прошли период ошибок и разочарований. Они хорошо помнят всю «подлость» статистики.

Молодежь в большинстве, к сожалению, слишком привыкла полагаться на всемогущий ПК. Я обозначу основные их ошибки.

1. Неправильное использование формул во всех дополнительных исследованиях, когда не выполняются предположения, лежащие в их основе.

2. Неучет автокорреляций и пространственных корреляций вплоть до применения заведомо неверных для данного исследования методов. Поэтому и в первом, и в проверочных исследованиях делается одна и та же ошибка; ВСЕ результаты оказываются неверными. Наиболее часто это происходит из-за незнания свойств сигнала и шума.

Даже в анализе электрофизиологической информации очень часто встречаются грубые ошибки, а так как рецензенты тоже не всегда звезды с неба хватают, то статьи с ошибками попадают в журналы. И далее на них ссылаются в качестве доказательства своей правоты другие исследователи. Получается снежный ком. Причем многие следующие статьи подтверждают эти неверные результаты, поскольку совершают те же ошибки.

Экспертами были проанализированы статьи, в аннотациях к которым упоминались поведение, когнитивные функции или визуализация мозга. Установлено, что количество статей с правильными и неправильными результатами практически одинаково (см. таблицу).

Таблица. Экспертная оценка работ в области психофизиологии, опубликованных в ведущих журналах

Мы массово столкнулись с этим еще в 80-х годах, при исследовании импульсной активности нейронных популяций и вызванных потенциалов у человека. У одного из моих друзей в кабинете была стена, обклеенная графиками с прекрасными реакциями, но, увы, недостоверными. Эта важная для электрофизиологии проблема приобрела колоссальное значение при исследованиях с помощью позитронно-эмиссионной, функциональной магнитно-резонансной и компьютерной томографии. Здесь одновременно проверяются тысячи вокселей, причем заведомо неизвестны ни свойства распределения регистрируемого в них сигнала, ни пространственная корреляция. По сути, прямой и ясный метод статистической обработки, применимый во всех случаях, фактически отсутствует. Именно поэтому анализ таких данных довольно громоздок и сложен, что автоматически привело к резкому увеличению числа малограмотных работ. Дело в том, что достаточно мало людей с нетехническим образованием дают себе труд разобраться в том, как устроены эти методы. Но самое кошмарное: они считают, что разобрались.

Недавно я был на семинаре, где молодой специалист начала свой доклад с того, что объясняла аудитории (преимущественно психологам), как устроены ПЭТ и МРТ. Это объяснение было таким, что мне пришлось в конце заседания высказать пожелание, чтобы она, пока не изучит вопрос, никогда бы его не касалась. А понимание того, как устроен прибор (конечно, не технических деталей, а базовых принципов), критически важно не только для корректного использования методов обработки сигнала, но и вообще для понимания результатов. Поэтому практически все ее результаты оказались даже не недостоверными, а просто не результатами. В ответ на замечания был стандартный ответ: у нас не было нужного оборудования, поэтому мы сделали так, как получилось.

Зачем знать, как устроен прибор? Да затем, что нужно понимать, что он может измерить, а что – нет. Некоторые вещи данный прибор не может измерить в принципе. Например, когда мы под руководством Н.П. Бехтеревой начали исследовать феномен творчества, то первые результаты на ПЭТ были довольно скромными. И только проведя ЭЭГ-исследования, мы поняли, что происходила активация всего мозга, которая принципиально не может быть обнаружена на ПЭТ нашими методами. Но мы показали это, только досконально зная детали обработки и получения данных. И таких ошибок достаточно много.

Я не стал бы писать об этом, если бы подобные ситуации в многоканальных ЭЭГ-, ПЭТ-, фМРТ-исследованиях не стали регулярными. И при двадцати одном канале математическая обработка ЭЭГ была достаточно сложной, и ошибки были довольно распространены. Радикальное увеличение количества каналов, повоксельное описание мозга на порядок усложнили эту обработку. Мы все еще вынуждены пользоваться методом накопления и дальнейшего статистического оценивания результатов. Но практически все эффективные методы требуют достаточно жестких ограничений на свойства сигнала, которые, как правило, не выполняются, или же проверить их выполнение довольно трудно.

К сожалению, повторяю, мы не знаем самого главного – статистических свойств сигнала, то есть как статистически связана активность в различных вокселях или на электродах, в какой степени процессы в точке зависят от истории процесса. И так далее. Поэтому необходимо детальное понимание физики и физиологии явления, для того чтобы разобраться, что же мы реально видим. Часто пренебрегают поправками на множественность испытаний, то есть на то, что если мы допускаем 5 % ошибок, то в пяти случаях из ста получим ошибочные активации.

Хорошо известен пример с фМРТ форели, у которой в мозге были обнаружены активации на эмоционально значимые стимулы. Единственный «недостаток» исследования заключался в том, что форель была мертвой! Недавно я был на одном семинаре по фМРТ, где только один(!) доклад не содержал грубых ошибок в обработке материала. И эти доклады были опубликованы в приличных журналах!

Мистификация эмоционального ответа у мертвой форели. (Опубликовано: Journal of Serenditous and Unexpected Results / Журнал случайных и неожиданных результатов. 2010)

Следует, однако, заметить, что за последние десятилетия эти вопросы не только активно обсуждались, но были предложены (и продолжают развиваться) более или менее работающие конкретные методы учета указанных особенностей регистрируемого сигнала.

Ситуация повторяется. Я помню довольно агрессивный спор в нашей лаборатории в середине восьмидесятых. Самописец (тогда у нас не было ничего другого) зарегистрировал маленький пик после предъявления стимула. Получивший этот пик исследователь с пеной у рта доказывал, что это реакция. Ему возражали, что, возможно, это случайность. Тогда он взял линейку, померил высоту пика и сказал: «Какая случайность? Семь миллиметров». В то время большинство исследователей свято верили в силу так называемого глаза физиолога, который запросто отличит артефакт от реакции. «Ну вы же видите этот пик! – Да, но на повторном графике его нет. – Ну и что?»

Сейчас методы статистического оценивания стали неизмеримо более сложными. Для того чтобы их полностью понять, надо быть математиком. Но где же взять столько математиков на подхвате? Поэтому очень многие исследователи применяют пакеты обработки, не очень вдаваясь в то, что делает каждый пакет. И часто, получив в промежутке красивый результат (как с форелью), заканчивают дальнейшую обработку и публикуют его. В результате научная литература буквально наводняется некорректно полученными данными, что попросту обесценивает предлагаемую дальнейшую их интерпретацию, которая при соблюдении всего лишь формальных и довольно несложных правил могла бы внести существенный вклад в понимание изучаемых физиологических процессов.

1.Цифрами в скобках отмечены термины, пояснения к которым даны в глоссарии в конце книги.

Бесплатный фрагмент закончился.