Картирование головного мозга - с точки зрения нейрофизиологии

Разработка сложных неинвазивных методов стимуляции, методов регистрации электрической активности мозга и неинвазивных методов нейровизуализации привела к появлению нового направления изучения мозга и поведения — когнитивной нейронауки, изучающей нейронные механизмы познания. В когнитивной нейронауке преимущественно используют высокотехнологичные методы исследования.

Однако данное направление также продолжает применять такие традиционные методы, как нейропсихологическая диагностика — поведенческие тесты, которые позволяют определить влияние различных повреждений мозга на выполнение тех или иных заданий. О преимуществах такого подхода можно прочитать в разд. ниже «Клинические аспекты 3: Нейропсихологическая диагностика».

В когнитивной нейронауке используют инновационные методы нейровизуализации для картирования (картировать — представлять, изображать какие либо данные (информацию); картирование — инструмент, позволяющий увидеть полную картину процесса) головного мозга человека. Методы нейровизуализации помогают специалистам в области социальной психологии понять, как головной мозг опосредует социальные взаимодействия, а экономистам — понять, как мозг принимает решения. Об этом можно прочитать в тексте, приведенном ниже.

а) Клинические аспекты. Нейропсихологическая диагностика. В век высоких технологий (таких как ПЭТ, фМРТ и регистрация потенциалов, связанных с событиями) низкотехнологичная поведенческая диагностика остается одним из наиболее эффективных, простых и экономичных способов оценки когнитивных функций.

Чтобы помочь вам лучше понять суть и возможности нейропсихологической диагностики, мы провели сравнение показателей трех пациентов по итогам серии тестов, выбранных из всего массива применяемых для нейропсихологической диагностики тестов. Представленные в этом разделе пять тестов предназначены для оценки вербальной и зрительной памяти, беглости речи, абстрактного мышления и навыков чтения. Результаты пациентов сравнивали с результатами здорового контрольного испытуемого.

Во время проведения теста на отсроченную вербальную и зрительную память пациентам и контрольному испытуемому зачитывали список слов и две короткие истории. Кроме того, им показывали несколько простых рисунков. Задание состояло в том, чтобы повторить слова и истории непосредственно после прослушивания, а также нарисовать простые рисунки.

Через полчаса без предупреждения испытуемых просили выполнить задание еще раз. Результаты их тестов на отсроченную вербальную и зрительную память представлены в таблице.

Во время проведения теста на отсроченное воспроизведение и беглость речи пациентам и контрольному испытуемому давали пять минут, чтобы записать как можно больше слов, начинающихся с буквы «с», кроме чисел и человеческих имен. За этим следовал Висконсинский тест сортировки карточек, предназначенный для оценки абстрактного мышления (см. рис. ниже). В завершение испытуемым предлагали тест на навыки чтения.

Висконсинский тест сортировки карточек. Испытуемый получает набор карточек, подобных представленным на рисунке. Ему предъявляют четыре карточки, выбранные из этого набора. Задание состоит в том, чтобы сложить каждую карточку в стопку под соответствующей карточкой-шаблоном, отсортировав карточки в соответствии с одним из трех критериев сортировки. Перед началом теста испытуемым не сообщают, какой критерий для сортировки был выбран — цвет, количество элементов или форма элементов. Им сообщают лишь, был ли их выбор карточки верным или неверным. Когда испытуемые начинают сортировать карточки в соответствии с одним критерием, проводящий тестирование специалист внезапно меняет критерий сортировки

Первый пациент, Дж. Н., 28-летний мужчина с опухолью, затрагивающей передний и медиальный отделы левой височной доли. Психологическое тестирование перед операцией выявило высокие показатели интеллекта. Значимые нарушения были выявлены только при тестировании на вербальную память.

Когда мы обследовали Дж. Н. через год после успешной операции по удалению опухоли, он уже вернулся к работе в должности менеджера по персоналу. Его интеллект по-прежнему был высоким, однако, как показывают результаты тестов, его вербальная память по-прежнему была нарушена — он мог вспомнить лишь 50% той информации, которую вспоминали другие пациенты и контрольный испытуемый.

Вторая пациентка, Э. Б., была специализировавшейся на психологии студенткой-старшекурсницей. У нее произошел разрыв аневризмы в правой височной доле. Передняя часть пораженной доли была удалена. Интеллект Э. Б. был выше среднего — она окончила бакалавриат с хорошими оценками. Ее показатели в тесте на отсроченную зрительную память были почти вполовину ниже, чем у других испытуемых, что свидетельствовало о наличии остаточного дефицита.

Третьим пациентом, также с интеллектом выше среднего, был Дж. У., 42-летний полицейский детектив, имевший высшее образование. Из его левой лобной доли удалили доброкачественную опухоль.

Мы обследовали Дж. У. через 10 лет после операции. Он по-прежнему был полицейским, но занимался бумажной работой. Беглость его речи была значительно снижена, как и его способность справиться с заданием по сортировке карточек. При этом навыки чтения нарушены не были. То же можно сказать и о других пациентах.

Результаты рассмотренной выше нейропсихологической диагностики позволяют вывести два принципа:

1. В головном мозге существует локализация функций. Повреждения различных областей головного мозга приводят к появлению разных симптомов.

2. Головной мозг асимметричен. Повреждения левого полушария в основном приводят к нарушению вербальных функций, а повреждения правого полушария — к нарушению невербальных функций.

б) Картирование головного мозга. Одним из наиболее амбициозных и интригующих научных проектов XXI в. является картирование коннектома головного мозга человека. С этой целью Национальные институты здоровья США (NIH) предоставили гранты на общую сумму 40 млн долларов специалистам, занимающимся картированием структурных и функциональных связей головного мозга человека in vivo.

Исследователи, принимающие участие в проекте «Коннектом человека» (Human Connectome Project, НСР), применяют диффузионно-тензорную томографию и МР-метод функциональных корреляций (fcMRI) для картирования таких связей в живом человеческом мозге. К концу 2016 г. ученые из проекта «Коннектом человека» провели исследование мозга 1200 здоровых взрослых людей, в т. ч. 300 пар близнецов.

На первом этапе картирования необходимо было точно разграничить зоны коры больших полушарий. Исследователи создавали карты головного мозга более 100 лет, однако число зон на этих картах варьировало между 50 и 200, в зависимости от используемого метода анализа. Ученые из проекта «Коннектом человека» использовали классификатор машинного обучения для анализа данных исследования мозга 500 человек, чтобы разделить кору больших полушарий на 180 зон, которые были выявлены примерно у 97% новых участников проекта (Glasser et al., 2016).

Такое разделение на зоны позволит значительно улучшить качество структурных и функциональных исследований коры головного мозга человека.

Кроме того, наблюдается бурный рост числа исследований, не относящихся к проекту «Коннектом человека», которые направлены на изучение специфических процессов и расстройств с использованием технологий картирования. Например, в одном из обзоров Росер Сала-Лонч и ее коллеги (Roser Sala-Llonch, 2015) сообщают, что у пожилых людей меньше функциональных связей, чем у молодых людей. Ученые предполагают, что такие результаты позволяют объяснить возрастные изменения когнитивных способностей. (В 2018 г. в издательстве «Лаборатория знаний» вышла переводная книга Себастьяна Сеунга «Коннектом»)

в) Применение фМРТ для картирования мозга. МР-метод функциональных корреляций (fcMRI) основан на использовании фМРТ в состоянии покоя для оценки функциональных корреляций между различными отделами мозга. Объединение данных фМРТ в состоянии покоя, полученных в ходе исследований тысяч здоровых молодых людей, позволяет выявить в головном мозге паттерны функциональных связей, или нервные тракты. Используя данные фМРТ в состоянии покоя, полученные в результате исследования 1000 испытуемых, Томас Ео и его коллеги (Thomas Yeo, 2011) обнаружили в коре больших полушарий 17 корковых сетей, которые изображены на рис. 1.

Рисунок 1. Корковые сети. Около 17 корковых сетей, обнаруженных путем анализа данных фМРТ-исследований функциональных корреляций 1000 испытуемых. Каждая сеть обозначена своим цветом. Некоторые сети, такие как обозначенные синим слуховые зоны височной доли, локализованы; другие сети распределены в коре, например обозначенные желтым области, показывающие связи между префронтальной и задней теменной корой.

Кору больших полушарий образуют первичные сенсорные и моторные сети, а также множественные крупные сети, которые составляют ассоциативную кору. Сенсорные и моторные сети в основном локализованы — смежные области чаще образуют устойчивые функциональные связи друг с другом. На рис. 1 такие связи иллюстрируют обозначенные бирюзовым и синим/серым зоны соматосенсорной и моторной коры, а также обозначенная фиолетовым область зрительной коры.

Ассоциативные сети, напротив, распределены в зонах, разбросанных по всей префронтальной коре, теменной коре, передней височной области и области срединной линии. На рис. 1 обозначенные желтым участки демонстрируют связи между префронтальной и задней теменной корой. Некоторые обозначенные красным распределенные в коре сети задействуют височные доли, заднюю теменную кору и префронтальную кору.

В отличие от диффузионно-тензорной томографии, МР-метод функциональных корреляций (fcMRI) предназначен не для оценки статичных анатомических характеристик связей мозга, а для определения временных корреляций между нейрофизиологическими процессами в различных областях и функциональными связями. Одним из очевидных направлений исследований, основанных на применении MP-метода функциональных корреляций (fcMRI), является поиск фенотипических вариантов. Такое картирование позволяет проводить обследование с целью выявить специфические особенности (например, музыкальные способности) или психические заболевания (см. обзор Kelly et al., 2012).

г) Картирование проводящих путей с использованием диффузионнотензорной томографии. Диффузионно-тензорная томография позволяет получать результаты картирования проводящих путей белого вещества мозга, которые дополняют данные картирования сетей с использованием MP-метода функциональных корреляций (fcMRI). Картирование проводящих путей мозга с использованием диффузионно-тензорной томографии, или трактография, позволяет провести измерение реальных проводящих путей головного мозга; данные измерений можно связать со специфическими признаками.

Традиционные посмертные патологоанатомические исследования позволили изучить проводящие пути в отдельно взятом мозге. В наше время трактография позволяет быстро визуализировать живой мозг большого количества людей и одновременно проводить измерения на уровне всего мозга. Такие возможности позволяют исследователям обнаружить связь между специфическими поведенческими признаками и специфическими паттернами мозговых связей.

Психею Луи и ее коллег (Psyche Loui, 2011) интересовали нейронные механизмы абсолютного слуха — способность не только различать музыкальные ноты, но также и умение называть каждую услышанную ноту. Абсолютный слух встречается у человека редко; им обладают люди, одаренные выдающимся музыкальным талантом. Давайте вспомним Моцарта. Развитие абсолютного слуха связано с ранним детским опытом, в том числе с обучением музыке и знакомством с тональными языками, такими как японский.

Группа ученых под руководством Луи исследовала музыкантов, как обладавших, так и не обладавших абсолютным слухом. Музыканты были сопоставимы по полу, возрасту, предпочитаемой руке, этнической принадлежности, показателю IQ и стажу обучения музыке. Испытуемым предложили пройти тест на определение высоты тона, результаты которого позволили исследователям разделить музыкантов с абсолютным слухом на две группы — с более высоким и более низким уровнями точности тонового восприятия.

Результаты испытуемых с более низким уровнем точности тонового восприятия были лучше, чем у участников, не имевших абсолютного слуха и неспособных точно определить ноту.

Исследователи предположили, что абсолютный слух может быть связан с повышенной плотностью нейронных связей между задействованными в обработке звуков областями мозга. Они использовали диффузионно-тензорную томографию для воссоздания образующих белое вещество трактов, соединяющих две задействованные в обработке слуховой информации зоны височной доли — верхнюю и среднюю височные извилины, а также области, не задействованные в обработке слуховой информации (кортикоспинальный тракт).

Результаты, представленные на рис. 2, показывают, что у людей с абсолютным слухом наблюдается более высокая плотность связей в отвечающих за восприятие высоты звука зонах височной доли, чем у людей без абсолютного слуха. Данный эффект наиболее выражен в группе испытуемых с более высоким уровнем точности тонового восприятия.

Рисунок 2. Проводящие пути слуховой коры височной доли, выявленные с помощью трактографии. На полученных с помощью диффузионно-тензорной томографии изображениях мозга трех испытуемых цветом обозначены тракты, идущие между верхней височной извилиной и средней височной извилиной. Испытуемые А и Б с абсолютным слухом, но отличающиеся более высоким и более низким уровнями точности тонового восприятия соответственно; у испытуемого В нет абсолютного слуха. Тракты, соединяющие зоны в левом полушарии (обозначены оранжевым), у испытуемых А и Б крупнее, чем у испытуемого В. Обозначенные фиолетовым тракты соединяют зоны в правом полушарии.

Хотя повышенная плотность нейронных связей наблюдается в обоих полушариях головного мозга музыкантов, сопоставление результатов теста с объемом трактов показало, что спрогнозировать результаты тестирования позволяет лишь объем трактов в левом полушарии. По-видимому, содержащее большее количество локальных связей левое полушарие отвечает за формирование абсолютного слуха.

Идея о том, что и другие выдающиеся таланты человека, такие как творческие способности, связанные с образованием чрезмерного числа нейрональных связей между рядом областей головного мозга, представляется заманчивой. И наоборот, можно предположить, что снижение числа структурных и функциональных связей, возникающих в результате повреждений головного мозга, может быть причиной когнитивных нарушений, нарушений развития нервной системы или психических заболеваний.

- Читать далее "Познание и мозжечок - с точки зрения нейрофизиологии"

Редактор: Искандер Милевски. Дата публикации: 4.12.2023