НИЦ «Курчатовский институт»

Увидеть мысль

Увидеть мысль
О том, как можно своими глазами увидеть работу мозга - в интервью нейробиологов Бориса Величковского и Вадима Ушакова

Конвергенция наук давно стала визитной карточкой Курчатовского института, а в частности его НБИКС-центра. И если научные прорывы на стыке естественных наук перестали быть чем-то необычным, то объединение естественных и гуманитарных наук в единое целое до сих пор кажется чем-то диковинным. Тем удивительнее результаты такой конвергенции. О том, как это происходит и что из этого может получиться, мы беседуем с начальником отделения нейрокогнитивных и социогуманитарных наук Курчатовского НБИКС-центра Борисом Митрофановичем Величковским и начальником лаборатории нейровизуализации когнитивных функций Вадимом Леонидовичем Ушаковым.

Совместить несовместимое

– Борис Митрофанович, у вас образование в области психологии и IT-технологий. Вы каким-то образом сумели объединить эти две, казалось бы, несовместимые области, и такая конвергенция дала совершенно потрясающий результат. Как вам это удалось?

Б.М. Величковский: Вы знаете, я никогда намеренно их не объединял. Жизнь, развитие науки в последнее десятилетие соединили эти сферы каким-то образом помимо моих сознательных намерений. Я учился в физико-математической школе при мехмате МГУ. Затем по случайному стечению обстоятельств попал на факультет психологии. Вместо последних курсов этого факультета мой учитель – выдающийся нейропсихолог ХХ в. Александр Романович Лурия – послал меня учиться на физический факультет Берлинского университета. Такой была исходная база для моей последующей работы.

Работая уже ассистентом Московского университета, я был вынужден заняться прикладными проблемами – проблемами военной авиации. Через какое-то время я стал профессором факультета естественных наук, в том числе и математики, сначала в Дрезденском университете, потом – это для меня большое счастье – я стал работать в замечательном Курчатовском институте. Должен сказать, что Курчатовский институт всегда, хоть и не в такой явной форме, как сегодня, стремился к междисциплинарным исследованиям. Это те замечательные методы, которые обеспечили колоссальный взлет когнитивных исследований экспериментальной психологии в последние годы, – методы нейровизуализации.

– Прикладные исследования тоже объединяют гуманитарные и технические науки?

– Да, по сути дела, блок гуманитарных и социальных наук погружается в высокотехнологическое естественно-научное окружение. Для каждого отдельно взятого ученого характерна тенденция найти какую-то свою экологическую нишу и хорошо делать свое дело на этом участке. Но наука как целое существует только за счет перекрывания каких-то областей, за счет коммуникации исследователей, сидящих в этих отдельно взятых экологических нишах. Здесь, мне кажется, очень

важно существование мощной и, по-видимому, исключительно значимой, осмысленной корреляции исследований, которые проводятся на разных участках. Мы находимся как раз в лаборатории, где есть несколько замечательных примеров таких мощных инструментов исследований. Они впервые зарождались в Курчатовском институте. Один из этих методов – метод магнитной энцефалографии – впервые был создан в Курчатовском институте. Сейчас это распространенный метод исследования, который обеспечивает очень высокую временную разрешающую способность. Но исходные научные основания такого развития были созданы именно здесь.

 – Магнитная энцефалография – это что-то среднее между МРТ и ЭЭГ?

– Совершенно верно. Мы хорошо помним из курса школьной физики, что там, где есть электрические процессы, есть и магнитный эффект. В каком-то смысле метод магнитной энцефалографии дополняет традиционный метод электроэнцефалографии, обеспечивая более точную локализацию источников активности. Но, конечно, это ни в коей мере даже не приближается к той точности пространственного разрешения, которую мы имеем в случае метода МРТ и его варианта, особенно популярного в нашей области, – метода функциональной магнитно-резонансной томографии.  

– В чем отличие функциональной МРТ от обычной?

– В случае фМРТ мы видим не структуру мозга, а процессы активации. Мы можем оценить изменения интенсивности процесса метаболизма кислорода в связи с решением той или иной задачи. Это не просто некие спекуляции о том, какие процессы, какие структуры участвуют в решении стоящей перед человеком задачи. Мы действительно можем показать, что это за структуры. К сожалению, в случае этого метода хуже обстоит дело с временной разрешающей способностью, поэтому мы здесь обречены, как и во всех сложных областях науки, на комбинацию одновременно нескольких методов исследований.

 – То есть, по сути, фМРТ – это та же МРТ, только в динамике?

– Да, именно динамика - в смысле активации структур и того, какие функции задействованы в решении тех или иных задач. Поэтому помещение, в которой мы находимся, называется «Лаборатория нейровизуализации когнитивных функций».

Увидеть невидимое

– Расскажите подробнее о методах нейровизуализации.

В.Л. Ушаков: Существуют два способа нейровизуализации. Один – инвазивный, когда вы вынуждены вскрывать череп, погружать в мозг какие-то датчики, регистрировать сигналы. Второй – неинвазивный, когда вы ничего не делаете и получаете сигнал с помощью внешних устройств, фактически не притрагиваясь к головному мозгу.

Инвазивный метод обычно используют на животных. Вам нужно знать, как у животного работают отдельные нейроны. Что вы делаете? Вы вживляете электроды. Недостаток этого метода: когда вы вживляете электрод в какую-то зону, то регистрируете только локальный сигнал с того участка, куда вы вживили. Так что хотя метод и инвазивный, он не позволяет увидеть, как работает весь

мозг. А чтобы визуализировать, что происходит в головном мозге, у нас есть метод функциональной магнитно-резонансной томографии. Что он делает? Когда нейроны работают и передают сигналы один другому, один нейрон выделяет то, что называется нейромедиатором. Нейромедиатор попадает от одного нейрона на рецептор соседнего нейрона. Таким образом происходит изменение мембранного потенциала на нейроне и рождается электрический импульс. Электрический сигнал идет дальше, к другому нейрону. И в тех местах, где выделяется нейромедиатор, находятся глиальные клетки, которые его тоже улавливают и дают команду капиллярам головного мозга – они расширяются, и изменяется кровоток. Метод функциональной магнитно-резонансной томографии и регистрирует эти локальные изменения кровотока на тех участках, которые действительно необходимо задействовать в выполнении той или иной задачи. С помощью этого метода мы получаем подход к изучению работы систем головного мозга.

Есть еще два метода: электроэнцефалография и магнитная электроэнцефалография. Какие у них недостатки? В ЭЭГ электрический сигнал снимается с помощью электродов, которые регистрируют электрические колебания от происходящих внутри процессов. Но поскольку у нас ткани неоднородные, у каждой из них разная электрическая проницаемость - у костной ткани своя, у белого вещества своя, у спинномозговой жидкости своя, - сигнал приходит сильно искаженным. Попытка с помощью ЭЭГ восстановить источник электрической активности терпит неудачу. Магнитная энцефалография немного лучше это локализует, потому что там регистрируются магнитные поля, которые в решении нашей задачи более устойчивы. Однако ее недостаток в том, что она не может взять сигнал глубоко внутри головного мозга, а только где-то на миллиметр, но у мозга есть внутренняя структура. Значит, получается, что МЭГ тоже не в состоянии отследить все системы, которые работают внутри головного мозга.

Теперь представим, что у нас для нейровизуализации есть комбинация этих методов. ЭЭГ и МЭГ регистрируют сигналы каждую миллисекунду. Разряд нейронной клетки – тоже одна миллисекунда, а потом еще пять миллисекунд клетка восстанавливает свой потенциал. Значит, с помощью ЭЭГ и МЭГ мы можем регистрировать быстрые процессы, проходящие в коре, и оценивать состояние головного мозга.

А визуализировать то, какие сети работают внутри, нам поможет фМРТ. Комбинация этих двух методов, записанных синхронно, и позволяет сделать видимыми те сети, которые работают. У нас МЭГ и ЭЭГ отражают функциональное состояние, а МРТ в этот же момент показывает, какие зоны при этом работают.

 Излечить неизлечимое

Б. М. Величковский: Позвольте мне сказать несколько слов про ту область, где я лично много работал в последние годы. Есть такое заболевание - аутизм. Это очень специфическое нарушение когнитивных функций, которые связаны селективным образом именно со сферой социального интеллекта. При этом общий уровень интеллекта вне социальной области может быть крайне высоким. Давно известно, что ранний признак опасности аутизма - отсутствие контакта «глаза в глаза». Если у младенца нарушен этот механизм, то через три-четыре года можно ожидать расцвета всех классических симптомов аутизма. Мы какое-то время назад захотели посмотреть, как аутисты разглядывают лицо человека. Были подготовлены специальные образцы лиц. Мы проводили анализ движения глаз пациентов с аутизмом при предъявлении таких социально значимых стимулов, как человеческое лицо. В середине 1990-х гг. мною был предложен метод построения «ландшафтов внимания». По регистрации движения глаз мы смотрим, где на самом деле лежали фиксации. Зная параметры разрешающей способности сетчатки, мы можем построить очень красивые функции, которые говорят, что же на самом деле привлекло внимание человека в данной ситуации. Оказалось, все не так просто. В первые десятки и сотни миллисекунд ландшафты зрительного внимания на лице другого человека у аутистов и контрольной группы испытуемых совершенно не различаются. Но затем, начиная с 400 миллисекунд, возникают изменения. Они становятся наиболее выражены через 600 миллисекунд. Это говорит о том, что есть какая-то структура, какой-то механизм, который селективно нарушен в этом случае.

В последнем номере журнала Nature были приведены исследования с младенцами, аналогичные нашим со взрослыми испытуемыми. Оказалось, что у детей, которые через несколько лет оказываются аутистами, в первые месяцы жизни распределение зрительной фиксации на лице другого человека абсолютно такое же, как у нормальных младенцев. Но примерно через четыре-пять месяцев возникают значимые и диагностически важные различия, т.е. существует некая селективная структура в когнитивном процессе социального опознания, которая специфическим образом нарушена. И мы можем предположить, что это за структура: скорее всего, это миндалина. Ее еще называют «эмоциональным компьютером» в мозге человека. Это все, несомненно, поможет в понимании механизмов аутизма.

 – Как может понимание механизма аутизма способствовать в поиске возможного лечения?

– В первую очередь, это путь к ранней диагностике. Мы можем разработать методы превентивного лечения и изменения этих процессов - точно так же, как в случае многих соматических генетических заболеваний. Скажем, изменение диеты позволяет преодолеть те или иные сложности. Однако считать, что все это связано только с мозгом, – большая ошибка в области прикладных когнитивных исследований. Есть такое правило: «Не спрашивай, что внутри твоей головы, а спрашивай, внутри чего твоя голова». Изменение окружения имеет огромное значение. Существует такое понятие, как экстрацеребральные процессы. Многие процессы связаны именно с нашим окружением, прежде всего социальным. И вполне вероятно, что удастся найти такие формы взаимодействия младенцев и детей с их социальным окружением, которые будут смягчать возможные последствия такого полномасштабного развития этого дефекта.

 – Можно ли говорить о том, что внешние факторы влияют на развитие аутизма? И может ли своевременное изменение этих факторов предотвратить заболевание?

– Изменение внешних факторов, изменение среды, разработка специальной формы социальной поддержки могут повлиять на эти последствия. Позвольте мне сделать еще одно замечание. Сейчас мы очень много говорим о другом конце онтогенеза – о нейродегенеративных заболеваниях, которые возникают на продвинутых этапах индивидуального развития, таких как болезнь Альцгеймера – нарушения памяти. После 60 лет они очень значимые, и к 80 годам вероятность достигает почти 50%. Это такое народное заболевание. Во всем мире ищутся фармакологические средства уменьшения вероятности возникновения заболевания, выделяются огромные средства. Но самое мощное средство, отодвигающее, отсрочивающее статистический момент возникновения заболевания, - это двуязычие. Полноценный билингвизм сдвигает момент возникновения нейродегенеративных заболеваний на пять лет. Нет ни одного фармакологического средства, которое было бы столь же эффективно. Каждый новый язык добавляет еще один год полноценной социальной и когнитивной жизни.

– Некоторые ученые говорят о прионной природе болезней Альцгеймера и Паркинсона. Что вы можете сказать на этот счет?

– У нас внутри Курчатовского НБИКС-центра есть так называемые внутренние научные проекты. Один из этих проектов рассматривает гипотезу вирусной и биологической природы возникновения нейродегенеративных заболеваний. Кстати, это тоже еще один пример комплексной программы исследований, которые, на мой взгляд, невозможны в других, в том числе и зарубежных научных центрах. Здесь сотрудничают микробиологи, иммунологи и специалисты по нанотехнологиям. Дело в том, что для того, чтобы надежно осуществлять диагностику наличия подобных факторов в организме человека, нужно значительно увеличить разрешающую способность, чувствительность средств биологической диагностики. Только средства нанобиодиагностики позволяют это сделать. В частности, у нас работает очень интересная группа с публикациями в журнале Nature, которая использует для этой цели углеродные нанотрубки. Их чувствительность на пять порядков выше традиционных иммунологических средств.

– То есть теоретически можно в 50 лет сказать человеку, насколько он предрасположен к нейродегенеративным заболеваниям?

– Конечно. Это можно сделать. Другой вопрос, в какой степени люди действительно заинтересованы в такого рода знании. Это уже индивидуальное решение каждого.

 – Знать, чтобы успеть что-то предпринять, например. Понятно, что вряд ли кто-то в 50 лет начнет учить второй язык. Но что-то ведь можно сделать? Или это тот случай, когда сделать ничего нельзя в принципе и в эти 20 лет до начала развития заболевания лучше о нем действительно ничего не знать?

– Об этом можно подробнее расспросить врачей и специалистов в этой области. Но мне кажется, что следует поработать над изменением диеты. Большинство проблем возникают именно в связи с нездоровым образом жизни, поэтому здесь должны быть специальные программы и надежные экспериментальные данные.

 Постичь непостижимое

– Расскажу об одной из самых фундаментальных философских проблем. У нее много имен в истории философии. В Европе ее называют проблемой Юма, потому что впервые ее поставил Дэвид Юм. Это проблема свободы воли, причинности: как возникают наши произвольные и сознательные действия, где тот переход?

Если мы, используя все средства нейровизуализации, геномных и постгеномных исследований, наконец перебросим мостик через пропасть от когнитивных процессов, процессов волевого сознательного действия и объясним это строго естественно-научно, то под ударом будут все наши социальные и гуманитарные дисциплины. Действие может иметь серьезнейшие моральные и этические последствия. Мы объясняем это строго детерминистски и механически, как физико-химический процесс. Возможно, пока это только видение страшного будущего, когда обвиняемый в преступлени, скажет: «А при чем тут я? Это моя миндалина сделала – вот эта маленькая структура моего палеокортекса. Если бы вы мне дали вовремя таблеточку, которая бы уменьшила активацию этой структуры, то ничего бы не произошло. При чем здесь я, почему я нахожусь в этом зале? В чем, собственно, меня обвиняют?» Нас крайне интересует этот переход от познавательных процессов к принятию решения и произвольному действию. Мы хотим поймать с помощью всей нашей аппаратуры этот переход, момент зарождения действия, понять, где совокупность информации приводит к принятию решения, за которым следует действие. Зачем нам это нужно? Не только для того чтобы ответить на философские вопросы, но и для того, чтобы создать современные интерфейсы, которые связывают активность мозга с работой различных технических устройств. Для этого есть серьезные медицинские основания. Дело в том, что есть целый ряд – если точнее, то 11 – различных этиологий, которые ведут к полному параличу человека, когда нет ни речи, ни каких-либо произвольных движений. При этом сознательная мысль работает. Но как ее декодировать?

Мы изучаем этот вопрос, чтобы дать таким людям возможность действовать с помощью различных протезов и инструментов. Вадим Леонидович Ушаков очень интенсивно изучал процессы идеомоторики – внутреннего проигрывания действий. Мы считаем, что в каком-то смысле это проигрывание – особенность человека. Наше сознание – поле экспериментов, которые потом могут, но не должны, приводить к эффективному действию, к каким-то решениям, к некоей внешней деятельности. Иногда наиболее выдающиеся научные открытия прошлого и позапрошлого годов по рейтингам Science и Nature были связаны как раз с созданием таких интерфейсов, но это инвазивные интерфейсы. Это ситуация, когда множество электродов вживляются в сенсомоторные области мозга пациента и он может научиться, например, двигать роботизированной рукой. Для нас это не общий, а очень специальный случай, в котором применение возможно при колоссальном медицинском контроле. Мы разрабатываем неинвазивные интерфейсы такого рода и считаем, что если они будут быстрыми и точными, то смогут найти применение вне области медицины.

Допустим, в медицине есть ситуации, когда руки хирурга заняты манипуляциями, но ему нужно что-то сделать дополнительно — предположим, вызвать какие-то данные о состоянии пациента в свое поле зрения или понять какие-то характеристики тех тканей, с которыми взаимодействует его инструменты в теле пациента. Можно себе представить еще и другие ситуации, определенного рода работы, когда руки заняты: скажем, в условиях боевых действий. Очень быстрая и точная, может быть, обгоняющая мысль человека, передача информации, интенции соответствующим инструментом для нас очень важна. Мы пытаемся улучшить существующие показатели. В нашей лаборатории примерно полгода назад мы добились мирового рекорда скорости определения интенции с помощью метода электроэнцефалографии. Это неинвазивный метод, он абсолютно безопасен. Мы попытаемся, я думаю, достигнуть здесь в ближайшее время субсекундного диапазона.

– Но как отличить интенции от каких-то отвлеченных мыслей? Человек, например, занят какими-то манипуляциями, ему понадобились данные, а он взял и подумал о чем-то постороннем. Или вспомнил что-то. О жене, о вчерашнем футбольном матче, о завтрашнем утреннике у ребенка… Как отделить одно от другого, как понять, что вот это – интенция, а вот то – отвлеченная мысль, не имеющая отношения к вопросу?

– На самом деле это центральная проблема. Действительно, и в электрофизиологической активности мозга, и в движениях глаз мы ищем признаки находящихся под сознательным контролем движений и процессов, для того чтобы отличить их от процессов, которые к интенциональным процессам не относятся. Расскажу на примере движения глаз. Действительно, мы лет 20 назад впервые научились неинвазивно и извне, не обременяя человека, регистрировать его движения глаз. И сразу возникла идея: а почему не использовать движение глаз для управления какими-то техническими устройствами?

Мы делаем за средний рабочий день свыше 120 тыс. саккадических движений глаз, соответственно, зрительных фиксаций. Если каждая из них будет приводить к каким-то изменениям во внешнем мире, это будет абсолютно сумасшедший мир. Эта проблема имеет техническое название: «проблема прикосновения Мидаса». Помните, был в греческой мифологии царь Мидас, который был очень жаден. И боги дали ему способность превращать в золото все, до чего он дотрагивался. Управление с помощью движения глаз или некоторой физиологической активности – это прикосновение Мидаса. Мы сейчас нашли признаки произвольных интенциональных процессов и в электрофизиологической активности мозга, и в движении глаз. Это наше главное научное достижение в решении всего комплекса проблем. Я думаю, это позволяет надеяться на создание в ближайшее время очень эргономичных интерфейсов «глаз – мозг – компьютер».

Подготовил Виктор Фридман

СПРАВКА

Борис Митрофанович Величковский

Родился 26 июня в Ногинске Московской области.
Учился на факультете психологии МГУ и на физическом факультете Берлинского университета им. Гумбольдта.
Профессор нейропсихологии (1990), экспериментальной психологии (1992), прикладных когнитивных исследований (1994).
В 2008 г. основал Институт когнитивных исследований в Национальном исследовательском центре «Курчатовский институт».
С 2013 г. — начальник отделения нейрокогнитивных и социогуманитарных наук Курчатовского НБИКС-центра, заведующий кафедрой НБИК-факультета Московского физико-технического института.
Член редколлегий ведущих международных научных журналов.
Действительный член профессиональных мировых научных обществ.
Президент-организатор и первый президент Межрегиональной ассоциации когнитивных исследований (2004-2008).
С 2008 г. - член-корреспондент РАН.

Вадим Леонидович Ушаков

Начальник лаборатории нейровизуализации когнитивных функций Курчатовского НБИКС-центра.
Кандидат биологических наук, доцент.
Преподаватель кафедры биофизики, радиационной физики и экологии МИФИ МГУ.
Куратор направления «Радиационная биофизика».
Область научных интересов: нейробиология, молекулярная биология, когнитивные функции.

болезнь альцгеймера борис величковский вадим ушаков магнитная энцефалография магнитно-резонансная томография нейровизуализация нейродегенеративные заболевания

Назад

Социальные сети

Комментарии

  • Александр, 19 апреля 2015 г. 16:08:32

    Почему-то ученые считают, что для того, чтобы понять принцип работы телевизора, нужно рассмотреть в микроскоп его антенну или ручку регулятора громкости...

Авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий