Нейротон. Занимательные истории о нервном импульсе

Чтобы избежать иллюзий и необоснованного оптимизма относительно того что Человечество знает о работе нервной системы придётся остановиться на методах её исследования.

Способ №1– поковыряться непосредственно в мозгах

Всего несколько десятков лет назад у врачей в распоряжении был единственный способ исследования человеческого мозга: дождаться, пока с человеком не произойдёт какое-то несчастье, а потом, если пациент выживет, посмотреть, как изменяется его сознание и восприятие. Несчастные мужчины и женщины, ставшие жертвами инсультов, опухолей, сабельных ударов, неудачных операций и других ужасных инцидентов были единственными источниками све́дений о природе человеческого мозга.

Иногда их тела выживали, но сознание искажалось неожиданным образом. Однако, несмотря на различия, в одном эти изменения всё же были предсказуемы – люди со схожими травмами теряли одинаковые способности, что давало подсказку к разгадке назначения определённых частей мозга.

В 1852 году на встрече Парижского антропологического общества Эрнест Обюртен (Ernest Auburtin) представил описание любопытного опыта, который, по его мнению, был окончательным доказательством локализации функций мозга.

Его пациентом оказался самоубийца, выстреливший себе в голову из пистолета, который умудрился снести себе лобную кость и открыть большие полушария мозга, оставив их неповреждёнными. Пациент был в сознании, у него даже сохранилась способность к речи. Он прожил ещё несколько часов в больнице, этого времени Обюртену хватило провести свой знаменитый эксперимент. Когда раненный говорил, доктор шпателем слегка надавливал на различные участки мозга. Когда надавливанию подвергалась лобная доля способность к речи пропадала, при прекращении давления она восстанавливалась.

Но времена пассивных наблюдений за результатами разрушений, причиняемых мозгу травмами и болезнями безвозвратно уходили в прошлое. Наступала эпоха «высоких технологий».

Когда Алессандро Вольта изобрёл свой источник электричества, одним из первых экспериментов его воздействия на человека было попробовать электричество на вкус, вероятно, каждый из нас тоже пробовал батарейку на язык. Потом Вольта вставлял электроды в нос и даже, с риском для зрения, прикладывал их к глазам. Так что лишь вопросом времени был тот день, когда исследователи начали тыкать электродами в мозг.

Электростимуляция мозга invivo

В начале 1870-х годов появились публикация о том, что двое берлинцев, Густав Фритч и Эдуард Хитциг, провели ряд экспериментов на открытом мозге собак. Стимулируя электричеством различные точки мозга, учёные добивались того, что собаки дёргали лапами и скалили зубы.

Эти эксперименты доказывали, что электричество может возбуждать кору мозга, и давали некоторое представление о расположении центров движения и ощущений.

Несмотря на убедительные демонстрации, эти работы произвели впечатление не на всех, в основном потому, что эксперименты проводились над низшими животными. Несомненно, человеческий мозг имел отличия, возможно, весьма значительные. Для того чтобы убедительно доказать существование локальных зон в мозге человека, учёным требовался «настоящий пациент».

Такой пациент, вернее, пациентка нашлась в 1874 году в Огайо. Последовавшие события могли бы войти в историю как торжество медицины XIX века, но вместо этого стали ярким примером научной гордыни и злоупотребления долгом.

К врачу Робертсу Бартолоу (Roberts Bartholow) обратилась слабоумная тридцатилетняя ирландская горничная Марта Рафферти, в ранней юности та упала в огонь и так сильно обожгла скальп, что волосы так и не отросли. Она скрывала свои шрамы париком, но в декабре 1872 года под ним развилась злокачественная язва. Марта думала, что виной тому был жёсткий каркас парика, вреза́вшийся в кожу; но Бартолоу распознал раковую опухоль. Так или иначе, когда Рафферти была госпитализирована в январе 1874 года, в её черепе образовалась двухдюймовая дыра, и ошеломлённый Бартолоу мог наблюдать пульсацию её теменных долей.

Воспользовавшись слабоумием пациентки, Бартолоу получил её согласие на исследование мозга микротоками. Этот эксперимент подтвердил предыдущие выводы Густава Фрича и Эдуарда Хитцига. И, хотя некоторые полагают, что этот эксперимент дал старт неврологическим исследованиям, Бартолоу подвергся серьёзной критике за использование Марты Рафферти в качестве подопытного и вторжения в «священный о́рган».

Применяя пару электролитических игл, втыкаемых в твёрдую мозговую оболочку и подлежащие ткани, Бартолоу раздражал открытые участки мозга слабым электрическим током. Он заметил, что это вызывало движения в соответствующих частях тела Рафферти. Низкий электрический ток, который он прикладывал к мозгу, похоже, не причинял ей боли. Однако, когда Бартолоу применил более сильные токи, Рафферти испытала судороги и впала в кому. Она вышла из комы через три дня, но на следующий день у неё начался сильный приступ, и она умерла. После её смерти Бартолоу провёл вскрытие и изучил раны от игл. Следы на ранах были заполнены сжиженным веществом головного мозга, это означало, что раны вызвали образование глиального рубца.

Сам он описал эксперимент следующим образом: «Когда игла проникла в мозговое вещество, пациентка пожаловалась на острую боль в шее. Чтобы получить более чёткие реакции, сила тока была увеличена… её лицо выразило сильное страдание, и она начала плакать. Вдруг её левая рука вытянулась, как будто для захвата какого-то предмета перед ней; по руке пробежали судороги; её глаза стали неподвижными, зрачки расширились; губы посинели, на них появилась пена; дыхание стало неровным; наконец она потеряла сознание и по левой стороне тела прошли конвульсии. Судороги длились пять минут и сменились обмороком. Рафферти пришла в сознание через двадцать минут и пожаловалась на слабость и головокружение».

Результаты опытов Бартолоу опубликовал в своей работе «Экспериментальные исследования функций органов человеческого мозга» в апреле 1874 г. Эта публикация была положительно рассмотрена Ферье, который нашёл наблюдения Бартолоу вполне соответствующими результатам собственных опытов на мозге обезьян.

Однако, это известие вызвало и другую реакцию. Врачи по всему миру выражали своё возмущение. Хотя Бартолоу утверждал, что он получил согласие Рафферти, критики отметили, что тот сам же описал Рафферти как «слабоумную», и это ставило под сомнение её способность понимать последствия предложенных экспериментов.

Главным же образом его подвергали резкой критике за проведение экспериментов без намерения исцеления пациента, за то, что он проводил эксперимент без применения анестезии, и до тех пор, пока у Рафферти не произошло нескольких приступов, и она не потеряла сознание.

Бартолоу утверждал, что его действия не стали причиной смерти Рафферти, хотя и признал, что причинил ей некоторую травму. Раздосадованный, но упорствующий, он несмотря на все благочестивые протесты, считал что он доказал, то что, и намеревался доказать: в человеческом мозге есть отделы для специализированных функций, которые учёные могут исследовать с помощью электричества.

Хотя Бартолоу был осуждён Американской медицинской ассоциацией за свои эксперименты, его карьера не пострадала. Он продолжал публиковать книги и статьи, и его практика оставалась весьма популярной. В 1893 году он даже получил звание почётного профессора в Медицинском колледже Джефферсона в Филадельфии.

Общественная реакция, вероятно, затормозила ход исследований на живом человеческом мозге, так как другие учёные не желали себе сомнительной славы экзекуторов очередной Марты Рафферти.

Хотя некоторые исследователи (например, Харви Кушинг) продолжали зондировать живой мозг электричеством, в следующие несколько десятилетий работа продвигалась очень неравномерно. А для полной реабилитации этой области исследований понадобился человек масштаба Уайлдера Пенфилда (Wilder Graves Penfiel).

На первый взгляд, его работа напоминала эксперименты Бартолоу на Марте Рафферти, так как Пенфилд пользовался электричеством для возбуждения поверхности открытого мозга. Однако Пенфилд применял более низкое напряжение, и вместо того, чтобы просто электрифицировать мозг и посмотреть, что из этого выйдет, он чутко взаимодействовал с каждым пациентом. Аккуратно стимулируя разные участки коры мозга, он спрашивал, какие чувства испытывает человек. Когда тот что-то чувствовал, Пенфилд опускал маркёр – нумерованный кусочек конфетти – на квадратный миллиметр ткани, а ассистентка за стеклянной перегородкой записывала результат.

На основе ответных реакций осуществлялось картирование мозга. Когда Пенфилд раздражал участки зрительной коры, пациенту могли видеться линии, тени или кресты – составные элементы зрения. Если он стимулировал слуховую кору, пациент мог слышать звон, шипение или топот.

Целью этого неврологического зондирования было не простое любопытство. Прежде всего, Пенфилду требовалось найти участки мозга ответственные за возникновение эпилептических припадков с целью их последующего удаления.

И что очень важно, в результате Пенфилд знал, какие области мозга не следует удалять. Проводя операции, он всегда старался держаться в стороне от центров движения и речи у пациента. Определение границ запретных участков стало обязательным условием операций.

Такой подход позволил Пенфилду с исключительной детализацией картировать двигательные и тактильные центры мозга. До Пенфилда учёные не догадывались, что территория лица находится рядом с территорией руки или что лицо, губы и руки представлены огромными территориями. Эти открытия продемонстрировали, как необычно представление мозга о собственном теле.

Для пущей наглядности Пенфилд нарисовал своего знаменитого «моторного гомункулуса» – карикатурное изображение того, как бы выглядели люди, будь размер каждой части тела пропорционален размеру территории коры головного мозга, которая ею управляет. Получается, что мы имели бы тоненькие ноги, раздутый язык и огромные перчатки вместо кистей рук: внутри мозга все мы похожи на неудачные скульптуры Джакометти.

Рисунок 22. Моторный и сенсорный гомункулусы Пенфилда.

Позднее выяснилось, а́тлас человеческого мозга, составленный Пенфилдом, был идеализированным. К примеру, языковой узел у одного человека может находиться на несколько сантиметров выше или ниже, чем у другого. И даже у одного и того же человека он постоянно смещается. Пенфилд сам отметил это у пациентов, подвергавшихся повторным операциям. Выяснилось, что вопреки ожиданиям большинства учёных, каждый мозг и каждый разум обладает уникальной географией. И эта география непрерывно меняется, поскольку территории мозга дрейфуют, как континентальные плиты. [6]

Однако, не всё поддавалось картированию. Ещё американскому нейробиологу Карлу Лешли удалось убедить научное сообщество в том, что высшие когнитивные функции представляют собой результат «массового действия» нейронов, и, следовательно, не поддаются локализации.

Первоначально он исходил из предположения о равнозначности разных участков. В своей книге «Механизмы мозга и интеллект» (Brain Mechanisms and Intelligence) опубликованной в 1929 году, учёный отстаивал два важнейших принципа:

принцип массового действия – состоит в том, что некоторые типы обучения задействуют весь головной мозг вцелом. Этот принцип противоположен представлениям, что каждая психическая функция локализована в определённой зоне коры. Лешли экспериментально удостоверился, в невозможности локализовать механизмы памяти в каком-то из отделов мозга, то есть память распределена в коре головного мозга.

принцип эквипотенциальности (равноценности) – состоит в том, что при повреждении участков коры головного мозга, ответственных за определённые органы чувств, другие участки мозга могут брать на себя функции повреждённых зон.

В общем, Лешли весьма авторитетно отстаивал несостоятельность представлений о мозговой локализации, противопоставляя ей положение о пластичности высших отделов головного мозга и функциональной многозначности его структур. К чести учёного, позднее он смягчил своё крайне негативное отношение к принципу локализации.

Карл Лешли отдал тридцать лет своей плодотворной жизни попыткам раскрыть природу следа памяти в мозге. Он охотился за энграмой – записью этого следа. Иначе говоря, «структурным следом, который психический опыт оставляет на протоплазме». Безуспешные поиски закончились тем, что Лешли стал иронично подсмеиваться над собственными усилиями, лукаво задаваясь вопросом, способны ли животные и даже люди вообще обучаться. [2]

Ампутация мозга

Если неизлечимая болезнь какой-либо части тела угрожает жизни пациента, то врачи прибегают к радикальным мерам – ампутации. Но что делать если эта часть тела – мозг?

В 1928 г. американский хирург Уолтер Эдвард Денди (Walter Edward Dandy, 1886—1946) впервые провёл радикальное удаление поражённого полушария головного мозга так называемую гемисферэктомию, в попытке излечить пациентов с неоперабельными опухолями (глиомами) которые то время считались неизлечимыми.

Из пяти пациентов, оперированных Денди, первый умер в течение 48 часов в результате кровотечения из-за смещения сосудистого зажима; 2-й скончался от пневмонии через две недели; двое умерли от рецидива опухоли; и пятый пациент был потерян по окончании 2-й послеоперационной недели.

В 1933 г. другой хирург, Уильям Джеймс Гарднер, провёл подобные операции на троих пациентах с эпилепсией. Один из них спустя два года полностью избавился от приступов, хорошо соображал, двигался и обошелся без рецидивов.

Но вскоре от процедуры отказались и не использовали в течение многих лет из-за тяжёлых последствий и высокой смертности.

Позднее, в 1950 году к ней возвратился южноафриканский нейрохирург Роланд Крынау, который применил её для лечения детской гемиплегии – полной потери возможности произвольных движений в ноге и руке с одной стороны тела.

Хирурги пробовали различные вариации гемисферэктомии, то оставляя немного ткани на месте, то лишая полушария связи с мозолистым телом – толстой полосой нервных волокон, которая соединяет левое и правое полушария.

Удаление мозолистого тела в 1960-х годах даже доказало свою эффективность в лечении тяжёлых форм эпилепсии. Это было менее экстремально, чем удаление целого полушария, и означало, что две половины мозга могут функционировать независимо друг от друга, не имея возможности взаимодействовать. При этом случайное возбуждение нервов во время эпилептических приступов не могло передаваться из одного полушария в другое.

В обычной жизни мы используем оба глаза, оба уха, обе руки и т.д., поэтому – наши полушария работают одновременно и совместно. Тем более было интересно наблюдать их несогласованную работу.

Этим и заинтересовался нейропсихолог Роджер Сперри (1913—1994). Он обнаружил, что, если какой-либо предмет сначала показать одному глазу, а затем другому, пациент с разделёнными полушариями и не вспомнит, что видел его раньше, будто каждое полушарие формирует собственные воспоминания.

При дальнейшем тестировании больных с «раздвоенным» головным мозгом было выявлено, что правое и левое полушария выполняют различные функции.

Именно благодаря работам Сперри, стало известно, что познавательные функции левого и правого полушарий во многом различаются. Левое (доминирующее) полушарие обрабатывает информацию последовательно и аналитически. Оно занято математическими расчётами, абстрактным мышлением, вербальным функциями и интерпретацией символических понятий. Напротив, правое (недоминирующее) полушарие обрабатывает информацию интуитивно и одновременно.

За работу с пациентами с расщепленным мозгом Сперри получил в 1981 Нобелевскую премию.

PS Invitro

В следующих главах я расскажу о многих хитроумных методах исследования живого мозга, основанных на наблюдении за реакцией в ответ на стимул. Но самая детально изученная модель нервной системы нематоды Caenorhabditis elegans была создана скальпелем и микроскопом. На основании серии электронных микрофотографий, на которых запечатлены срезы тела червя на разных уровнях.

Способ №2. Исследования с помощью приборов Электроэнцефалография (ЭЭГ)

4 августа 1875 года Ричард Катон впервые исследовал открытый живой мозг при помощи гальванометра и сумел зарегистрировать электрические импульсы. Им были обнаружены отчётливые вариации тока, которые становились более заметными во время сна.

Спустя несколько лет суммарную активность полушарий мозга животных зафиксировали Адольф Бек и Наполеон Цибульский в конце 1880-х годов. Правда в своих экспериментах они помещали электроды непосредственно на поверхность мозга животного, а на ритмичность изменений они не обратили внимания.

Продолжил электроэнцефалографические исследования В.В.Правдич-Неминский, опубликовав 1913 году первую электроэнцефалограмму, записанную с мозга собаки. В своих исследованиях он использовал струнный гальванометр. А также Правдич-Неминский ввёл термин электроцереброграмма.

Первая же запись ЭЭГ человека была создана немецким психиатром Гансом Бергером (1873—1941). И, хотя ЭЭГ снимается через электроды с поверхности головы, Г. Бергер сумел доказать, что часть электрической активности обусловлена деятельностью мозга, а не покрывающих его поверхностных тканей.

Бергер всерьёз увлекался идеями магнетизма и возможностью телепатии, передачи мыслей на расстояние. Не исключено, что его интерес к регистрации и записи биотоков головного мозга был продиктован именно увлечением магнетизмом.

Бергер точно зафиксировал дату первой записи биотоков мозга человека – 6 июля 1924 года. Эти записи он называл «электроэнцефалограммой», а сами электрические сигналы – «мозговыми волнами». Бергер исследовал записи ЭЭГ не только у здоровых людей, но и у пациентов с различными неврологическими патологиями, положив тем самым начало технологии клинической электроэнцефалографии.

Для работы Ганс Бергер самостоятельно изобрёл и сконструировал оригинальный прибор (первый электроэнцефалограф) и с помощью игольчатых электродов, подведённых под кожу головы, регистрировал суммарную электрическую активность мозга. Он сразу обратил внимание наличие в ЭЭГ непрерывных регулярных колебаний.

Год спустя Бергер обнаружил эффект уменьшения амплитуды активности в ответ на сенсорное стимулирование, таким образом, подтвердив результаты, полученные Беком и Правдич-Неминским на животных.

Ганс Бергер для записи ЭЭГ с поверхности скальпа применял электроды из разных металлов, а в качестве центрального электрода выступала серебряная ложечка, помещённая в рот пациента.

Первая выявленная им частота мозговых волн находилась в диапазоне от 8 до 12 Гц. Впоследствии эти ритмические колебания были названы ритмом Бергера, более известный сегодня как «альфа-ритм».

Признание пришло к Гансу Бергеру достаточно поздно, в Германии его исследования были недооценены. Бергер неоднократно подвергался нападкам и обвинениям в бессмысленности ЭЭГ для медицины. Лишь в 1937 году его метод получил признание после того, как британские учёные барон Эдгар Дуглас Эдриан и сэр Брайан Харольд Кабот Мэтьюс (Bryan Harold Cabot Matthews) смогли непосредственно продемонстрировать его на заседании Английского физиологического общества в Кембридже. Сам Эдриан выступил в качестве испытуемого. Открывая и закрывая глаза, он продемонстрировал появление альфа-ритма на ЭЭГ.

Научные работы Бергера получили значительно большее признание за рубежом, чем на родине в Германии. В 1941 году во время тяжёлой депрессии Бергер принял решение свести счёты с жизнью. Несомненно, при более благоприятных условиях, он наверняка стал бы Нобелевским лауреатом за своё эпохальное открытие.

В бытовом представлении при ЭЭГ на голову накладывают сеть датчиков, которые считывают «всё, что творится внутри черепной коробки» и передают «умному» прибору полный объём информации. На самом же деле электроды записывают изменения разности потенциалов между парами датчиков в различных отведениях. Взрослым предусмотрено симметричное прикрепление к поверхности головы 20 датчиков +1 непарный, который накладывается на теменную область.

Система «10—20%» – стандартная система размещения электродов на поверхности головы, которая рекомендована Международной федерацией электроэнцефалографии и клинической нейрофизиологии. Схему предложил в 1950-х годах канадский нейрофизиолог Герберт Генри Джаспер.

Рисунок 23. Система «10—20%»

Этот метод исследования базируется на предположении, что наблюдаемая электрическая активность – есть совокупность электрических реакций головного мозга, отражающих функции целого мозга и его отдельных образований.

Когда какой-либо участок головного мозга возбуждается, то, меняется его электрическая активность. Это местная электрическая активность мозга. Наряду с которой существует и общая электрическая активность коры головного мозга – ритмичные волны, захватывающие всю кору. Примером регистрации местной электрической активности служит метод вызванных потенциалов, а общей – электроэнцефалография.

Локальные изменения электрической активности, возникающие в каком-либо участке ЦНС в ответ на поступление возбуждения, называются вызванными потенциалами. Чаще всего их регистрируют в ответ на раздражение сенсо́рных рецепторов, например, тактильных, зрительных или слуховых. Измерение вызванных потенциалов может быть использовано как в исследовательских, так и в диагностических целях.

Потенциалы регистрируют путём наложения электродов на кожу головы. Будучи небольшим по амплитуде вызванный потенциал тонет в общей электрической активности мозга. В связи с этим применяются разнообразные методы выделения сигнала из шума, позволяющие фиксировать вызванные потенциалы не только коры, но даже подкорковых структур.

Местная электрическая активность отражает деятельность отдельных участков коры, например, восприятие и анализ раздражителя, формирование команды, направляемой к отдельным группам мышц. В состоянии бодрствования мы одновременно видим, слышим, думаем, осуществляем какие-то движения, следовательно, активны все отделы коры. Правда, если какие-либо участки коры в данный момент ничем не занимаются, то им будет сопутствовать простая ритмичная электрическая активность.

До недавнего времени ЭЭГ оставался единственным методом, позволявшим исследовать мозг в динамике. Но записи, получаемые с его помощью, по мнению самих медиков, с трудом поддаются анализу, и поэтому чаще всего ЭЭГ даёт лишь примерное представление об активности популяции нейронов, расположенных под электродом.

Парадоксально, но собственно нервные импульсы в мозге никак не проявляются в колебаниях электрического потенциала на поверхности черепа человека. Причина в том, что импульсная активность нейронов несопоставима с ЭЭГ по временны́м параметрам. Длительность импульса (потенциала действия) нейрона составляет не более 2 мс. Периоды ритмических составляющих ЭЭГ могут исчисляться десятками и даже сотнями миллисекунд. За неимением иного, принято объяснять, потенциалы, регистрируемые на поверхности открытого мозга или кожи головы, наличием некоей синаптической активности нейронов. То есть речь идёт не о потенциалах действия, а о возбуждающих и тормозных постсинаптических потенциалах.

Несколько упрощая картину, можно сказать, что положительные колебания потенциала на поверхности коры связаны либо с возбуждающими постсинаптическими потенциалами в её глубинных слоях, либо с тормозными в поверхностных.

Кроме естественных колебаний потенциала мозга, наблюдаемых на ЭЭГ при отсутствии специальных воздействий, существует ещё и другая форма активности мозга – вызванные потенциалы (ВП). ВП – биоэлектрические колебания, возникающие в нервных структурах в ответ на внешнее раздражение (вспышку света, звук и т. д.) Так как на громкий звук отвечают почти одновременно сразу много нейронов мозга, то суммарные ВП обычно имеют гораздо большую величину, чем ЭЭГ. Фактически именно они и были обнаружены первооткрывателями ЭЭГ.

С помощью ВП можно решать интересные научные задачи. Например, после яркой вспышки света вариабельный потенциал проявляется в затылочной области мозга. Отсюда следует вывод, что именно в этой области обрабатываются сигналы о свете. Раздражая разные участки кожи тела можно даже составить карту ответов на эти раздражения. Интересно, что при этом нарушаются привычнее пропорции, например, зона кисти руки на этой карте оказывается непропорционально большой (здесь уместно будет вспомнить о карикатурном «сенсо́рном гомункулусе» Пенфилда).

Вызванные потенциалы обычно смешаны с ЭЭГ, но на фоне спонтанной биоэлектрической активности одиночные ВП трудно различимы (их амплитуда в несколько раз меньше амплитуды фоновой ЭЭГ). В связи с этим их регистрация возможна техническими устройствами, позволяющими выделять полезный сигнал из шума специальными методами.

Использовать результаты ЭЭГ для точной локализации нейрофизиологических процессов в мозге почти невозможно – это как пытаться идентифицировать личности пловцов по волнам на поверхности бассейна. Зато на характерный, нездоровый плеск или наоборот, его пугающее отсутствие – можно обратить внимание. Именно поэтому в наши дни ЭЭГ уже крайне редко используется исследователями, а вот у медиков она по-прежнему популярна.

О точности выводов можно судить, например, по таким косвенным данным. «Детектор лжи», использующий те же принципы работы, что и ЭЭГ, позволяет выявить до 71% случаев обмана.

На мой взгляд, ЭЭГ является самым грубым и малоинформативным, но до недавнего времени единственным способом исследования мозговой деятельности, как совокупности работающих нейронов. (О более совершенном методе – МЭГ, поговорим ниже.) Все другие методы более современные, более точные, дают нам информацию об общей структуре мозга, о его сосудистой системе (кровоснабжении), о его активности по активности опять же кровоснабжения, но ничего не говорят нам о работе собственно нейронов.

По поводу неэффективности ЭЭГ бытует байка о том, как в 1956 году директор Государственного института мозга профессор Виктор Петрович Осипов попросил коллег-профессоров дать заключение по предложенной им энцефалограмме. После пяти совершенно разных диагнозов – рак мозга, эпилептические припадки, развёрнутая эпилепсия, тяжёлая травма мозга – профессор Осипов сознался, что снял энцефалограмму с мокрой тряпки.

Электромиография – ЭМГ

Скелетные мышцы тела тоже генерируют потенциалы, которые можно регистрировать с поверхности кожи. Для этого требуется более совершенная аппаратура, чем для регистрации ЭКГ. Отдельные мышечные волокна обычно работают асинхронно, их сигналы, накладываясь друг на друга, частично компенсируются, и в результате получаются меньшие потенциалы, чем в случае ЭКГ. Электрическая активность скелетной мышцы называется электромиограммой – ЭМГ.

Сейчас её пытаются применить в науке, спорте, а также для биоуправления – создания приборов в которых естественные потенциалы организма управляли бы теми или иными искусственными устройствами.

Нейрорентгенология

Открытые в 1895 году Рентгеном лучи совершили революцию в диагностике заболеваний различных органов. Первые рентгенограммы черепа и позвоночника вселяли надежду на получение информации о состоянии мозговых тканей.

Нейрорентгенология выделилась из общей рентгенологии как самостоятельный раздел, а в истории её развития можно выделить три этапа.

На первом этапе производилась рентгенография черепа и позвоночника. Этот метод годился для диагностики заболеваний или повреждений костей, но сам мозг на рентгеновском снимке невидим.

Этот печальный факт подтолкнул учёных к разработке методик искусственного контрастирования.

Стартовал второй этап нейрорентгенологии – исследование головного и спинного мозга методами контрастирования. Началось с того, что в 1918 году Dandy предложил для получения их изображения вводить воздух непосредственно в желудочки головного мозга. Позднее он разработал методику введения воздуха в субарахноидальное пространство спинного мозга с помощью люмбальной пункции. Так появились пневмоэнцефалография головного мозга, а для спинного мозга – пневмомиелография.

Среди российских учёных пионером был А. Н. Бакулев – основатель института нейрохирургии, носящего его имя. В 1923 году он опубликовал статью о диагностике опухолей головного мозга с помощью вентрикулографии. Воздух (кислород, закись азота) вводился через просверленные заранее отверстия в боковые желудочки мозга. Перемещение газа осуществлялось изменением положения головы больного.

Помимо газового контрастирования были предложены методики с использованием высокоатомных соединений, масляных или водорастворимых йодсодержащих контрастных веществ (йодолипол, майодил).

Несмотря на некоторый прогресс в диагностике, методики контрастирования ликворных путей таили в себе определённые опасности. Их воздействие на чрезвычайно чувствительные ткани центральной нервной системы вызывали серьёзные осложнения, такие как головная боль, рвота, потеря сознания. Случались и более тяжёлые осложнения вплоть до летального исхода.

Следующим шагом в исследованиях головного мозга с использованием контрастных веществ стала ангиография – внутривенное введение контрастного вещества на основе йода. Впервые ангиографию сосудов головного мозга произвёл Эгаш в 1927 году, он использовал для этого 25% раствор йодистого натрия. В нашей стране первую ангиографию мозга выполнили Б. Г. Егоров и М. Б. Копылов в 1930 году

Совершенствование ангиографии шло по нескольким направлениям: поиску и применению малотоксичных контрастных веществ, способов их введения, а также методов анализа результатов для целей диагностики.

Сегодня благодаря внедрению неионных контрастных веществ, обладающих минимальными побочными эффектами, ангиография стала вполне безопасным методом исследования.

В настоящее время применение ангиографии сокращается, уступая более современным методам компьютерной и магнитно-резонансной диагностики.

Третий этап истории нейрорентгенологии начался в 1972 году, когда Годфри Хаунсфилд и Аллан Кормак предложили компьютерную томографию. За эту разработку оба были удостоены Нобелевской премии. Метод основан на измерении и последующем компьютерном анализе разности затухания рентгеновского излучения в различных по плотности тканях. Сегодня компьютерная томография стало основным методом исследования внутренних органов человека с применением рентгеновского излучения.

Эта технология даёт возможность получения изображений тонкого слоя исследуемой области, позволяя увидеть детали в пределах 1—2 мм. С помощью реконструкции изображение может быть представлено в 2 плоскостях. Можно воссоздать и объёмное изображение. Нередко изображение при компьютерной томографии называется виртуальным, поскольку создаётся не прямым взаимодействием рентгеновского луча с фотоплёнкой, а генерируется компьютером. Стало удобно хранить и передавать изображения на любые расстояния для их обработки и более тонкого анализа.

Эхоэнцефалоскопия и нейросонография

Эхоэнцефалоскопия – это ультразвуковой метод диагностики головного мозга, позволяющий оценить наличие патологии в нём. Открытие обычно связывают с именем шведского нейрохирурга Ларса Лекселла (1907—1986), который ввёл этот метод в клиническую практику в 1956 году.

По сути это УЗИ головного мозга. Метод основан на том же принципе, что и эхолокатор или современный парктроник автомобиля. Есть генератор и приёмник ультразвука. Ультразвук распространяется в теле человека, но встречая неоднородности тканей отражается в обратном направлении. На основании отражённых сигналов, с использованием компьютерных технологий строится изображение на экране монитора.

У метода есть одно серьёзное ограничение – ультразвук не может эффективно проникать сквозь костную ткань, в том числе кости черепа. Но он может использоваться для исследований головного мозга у младенцев через роднички (нейросонография) и швы черепа.

Магнитно-резонансная томография МРТ

Магнитно-резонансная томография (МРТ) – метод визуализации внутренних органов человека, основанный на явлении ядерно-магнитного резонанса (ЯМР).

Ткани человеческого тела содержат большое количество протонов – ядер атомов водорода: в составе воды, в каждой молекуле органического вещества – белках, жирах, углеводах, других молекулах… Протон же – это элементарная частица, обладающая собственным магнитным моментом в заданном однородном магнитном поле. В отсутствие внешнего магнитного поля магнитные моменты протонов ориентированы случайным образом.

Если же поместить атомы водорода в сильное постоянное магнитное поле, магнитные моменты протонов ориентируется либо по направлению магнитного поля, либо в противоположном направлении.

Теперь воздействуя на эти протоны электромагнитным излучением резонансной частоты (к счастью, эта частота радиоволн, абсолютно безопасная для человека), мы заставляем часть протонов поменять свой магнитный момент на противоположный. А после снятия внешнего магнитного поля они возвращаются в исходное состояние, выделяя при этом квант энергии в виде электромагнитного излучения, которое и регистрируется томографом.

Эффект ЯМР можно получить не только на протонах, но и на любых изотопах, имеющих ненулевой спин (то есть вращающихся в определённом направлении), достаточно распространённых в природе. К таким изотопам можно отнести 2Н, 31Р, 23Na, 14N, 13C, 19F и некоторые другие.

История МРТ

В 1937 году Исидор Айзек Раби, профессор Колумбийского университета обнаружил явление поглощения электромагнитной энергии, ядрами атомов, помещённых в сильное магнитное поле. За это открытие он получил Нобелевскую премию по физике в 1944 году.

Чуть позже две группы физиков первая под руководством Феликса Блоха, вторая – Эдварда М. Парселла, зарегистрировали обратный эффект – излучение электромагнитной энергии после отключения сильного магнитного поля. За это оба в 1952 глду также удостоились Нобелевской премии по физике.

В 1949 году Норман Фостер Рамзей (Norman Foster Ramsey, 1915– 2011) сформулировал теорию химического сдвига, суть которой в том, что ядро любого атома может быть опознано по изменению резонансной частоты, а любую молекулярную систему может описать её спектр поглощения. Эта теория стала основой магнитно-резонансной спектроскопии. С 1950 по 1970 годы ЯМР использовался именно для молекулярного анализа в спектроскопии. Спустя сорок лет, в 1989 году Рамзей получил за свою теорию Нобелевскую премию по химии.

В 1971 году физик Раймонд Дамадьян открыл возможность применения ЯМР для обнаружения опухолей. В опытах над животными он показал, что сигнал магнитного резонанса протонов водорода в злокачественных тканях сильнее, чем от здоровых. Семь лет ушло у команды Дамадьяна ушло на разработку и создание первого магнитно-резонансного сканера для медицинских целей. В 1972 году химик Пол Кристиан Лотербур сформулировал принципы отображения ЯМР, предложив использовать переменные градиенты магнитного поля для получения двумерных изображений.

В 1975 году Ричард Эрнст (Ernst Richard, 1933) предложил использовать в МРТ фазовое и частотное кодирование и Фурье-преобразования. Методы, используемые в МРТ и в настоящее время. В 1991 году Ричард Эрнст удостоился Нобелевской премии по химии за вклад в развитие методологии спектроскопии ЯМР высокого разрешения.

В 1976 году Питер Мэнсфилд (Великобритания) предложил эхо-планарное отображение (EPI) – методику, основанную на сверхбыстром переключении градиентов магнитного поля. Благодаря которой время получения изображения сократилось с нескольких часов до нескольких десятков минут.

В 2003 году Питер Мэнсфилд и Поло Лотенбур разделили Нобелевскую премию по физиологии и медицине за изобретение метода магнитно-резонансной томографии.

Типы МРТ

Трактография или диффузионно-тензорная МРТ – метод позволяет определять направление и тензор (силу диффузии) молекул воды в тканях: клетках, сосудах, нервных волокнах. Результатом сканирования является карта диффузии. Этот метод популярен в исследованиях ЦНС, он позволяет хорошо визуализовать нейронные связи между различными отделами головного мозга и оценить целостность проводящих путей мозга.

МР-ангиография. Метод визуализации кровеносных сосудов, базируется на отличии сигналов протонов в движущейся крови от сигналов протонов в неподвижных тканях.

Функциональная МРТ. Метод основан на регистрации кровообращения активно работающих участков мозга.

МР-спектроскопия. Метод позволяет проводить молекулярный анализ с целью выявления определённых метаболитов (лактата, креатинина, N-ацетиласпартата и многих других) в тканях, на основании чего делаются выводы о наличии заболеваний и их динамике.

Высокая разрешающая способность, безвредность и безопасность делают МРТ самым популярным и перспективным методом исследования в клинической практике, несмотря на относительную дороговизну.

Применение МРТ, а особенно функциональной МРТ (фМРТ) имеет огромные перспективы в нейронауках. С помощью фМРТ можно исследовать зависимость активности участков мозга от уровня насыщения его тканей кислородом. Снова можно строить карту мозга.

Последние три метода исследования головного и спинного мозга – рентген, компьютерная томография и МРТ дают колоссальные возможности в диагностике патологий и исследовании активности мозга, но ни на шаг не приближают нас к пониманию принципов возникновения, передачи и хранения информации в нервной ткани.

Магнитоэнцефалография (МЭГ)

Появившиеся в последние десятилетия современные методы отображения гемодинамических процессов, такие как, функциональная магниторезонансная томография (фМРТ) или позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ), позволяют получить точную (до нескольких миллиметров) пространственную локализацию активности участков мозга. Однако их временное разрешение (единицы секунд) на несколько порядков ниже скорости реально протекающих нейронных процессов. В отличие от метода фМРТ, в котором активность нейронов оценивается опосредованно, т. е. по изменению локального кровотока за счёт определения разницы в насыщении крови кислородом (так называемого Blood Oxygen Level Dependent, или BOLD signal), МЭГ способна почти мгновенно обнаруживать источники, связанные с изменением суммарной постсинаптической активности нейронов.

Лишь технологии ЭЭГ и МЭГ, обладающие возможностью непосредственной регистрации электрической нейронной активности, могут обеспечить получение точной временной информации о мозговых процессах неинвазивным путём. ЭЭГ и МЭГ фиксируют, соответственно, электрические и магнитные поля, порождаемые согласованной активностью групп нейронов мозга.

МЭГ – одна из современных технологий нейроимиджинга. Данный метод обладает уникальными характеристиками, позволяющими с высокой точностью локализовать источники активности нейронных популяций коры головного мозга человека в пространстве и времени.

История

Отцом МЭГ общепризнан канадский учёный Дэвид Коэн и, хотя изначально до 1965 года, он был физиком-ускорителем в Аргоннской лаборатории, специализируясь на сильных магнитных полях и использовании мощной ядерной защиты именно он сделал многие из первых новаторских измерений в области магнитных полей, создаваемых органами человека: сердцем, лёгкими и, наконец, мозгом).

На каком-то этапе своей карьеры он заинтересовался измерением очень слабых магнитных полей, которые, например, могли бы создаваться слабыми естественными токами в человеческом теле. Для исследования в качестве детектора он применил гигантскую медную индукционную катушку с миллионами витков провода.

Основной проблемой биомагнетизма оказалась слабость сигнала по сравнению с чувствительностью детекторов и конкурирующим шумом окружающей среды.

В 1963 году Коэн предложил метод использования специального помещения с магнитной защитой для исключения влияния внешних магнитных возмущений, например, магнитного поля Земли и излучений промышленных объектов.

Примерно в то же время появились сообщения о первом «биомагнитном измерении сердечных токов» (магнитокардиограммы).

Рисунок 24 Экранированная комната

В период с 1963 по 1975 год производились многочисленные измерения электрических свойств сердца человека. Существовало процветающее сообщество, изучающее электрическое поле сердца (ЭКГ), так что первые магнитные измерения (магнитокардиограммы), полученные Баулем и МакФи, считались любопытным побочным эффектом процветающей ЭКГ. Считалось что в магнитном поле сердца не может быть новой информации.

Все эти ранние биомагнитные измерения, как правило, были слишком «зашумлёнными», по причине низкой чувствительности детекторов, и неполного магнитного экранирования.

Для решения второй проблемы в 1969 году Коэн построил тщательно экранированную комнату в Массачусетском технологическом институте. Но ему все ещё требовался более чувствительный детектор.

К счастью, Джеймс Циммерман (1923—1989) только что разработал чрезвычайно чувствительный детектор, названный SQUID – сверхпроводящее устройство квантовой интерференции.

Коэн и Циммерман установили этот детектор в экранированной комнате, чтобы исследовать магнитные поля сердца (MCG). Теперь сигналы были почти такими же разборчивыми, как и сигналы ЭЭГ. Это стимулировало интерес физиков, которые искали возможности использования СКВИДов. После этого начали измеряться различные типы спонтанных и вызванных биомагнитных излучений. Так открылась новая эра в биомагнетизме.

Сам Дэвид Коэн утверждал, что ему удалось обнаружить биомагнитные излучения не только отдельных органов, но и «постоянное магнитное поле человека». Интересен и тот факт, что, заставив «тихую комнату» вибрировать с частотой 60 Гц, ему удалось значительно повысить её эффективность в защите от внешних магнитных полей.

Сначала с помощью одного СКВИД-детектора последовательно измеряли магнитные поля перемещая его вокруг головы испытуемого. Это было громоздко и неудобно, поэтому в 1980-х производители МЭГ стали объединять датчики в массивы, покрывающие большую площадь головы. Современные массивы МЭГ устанавливаются в шлемообразной форме, и обычно содержат 306 датчиков, погруженных в термос с жидким гелием при температуре около -269° С.

Сегодня большинство биомагнитных измерений применяется к человеческому мозгу. Обычные амплитуды магнитных полей, создаваемых мозгом, чрезвычайно малы, они не превышают нескольких сотен фемтотесла (10 ^—15 Тл). Для сравнения, магнитное поле Земли составляет от 10 ^-4 до 10 ^-5 Тл, а магнитно-резонансная томография обычно составляет 1,5—3 Тл.

Модель современного помещения с магнитным экраном состоит из трёх вложенных основных слоёв: из чистого алюминия с высокой проницаемостью, ферромагнитного слоя, близкого по составу к молибдену и пермаллоя.

МЭГ регистрирует магнитные поля, создаваемые электрическими токами в головном мозге. Электрический ток всегда связан с магнитным полем, перпендикулярен его направлению согласно правилу правой руки (о том какие токи протекают в нервных клетках мы поговорим позже).

Магнитная проницаемость биологических тканей почти такая же, как у пустого пространства, поэтому магнитное поле не искажается скальпом или черепом. Однако магнитные поля быстро уменьшаются – обратно пропорционально кубу расстояния (как 1 / r ³).

Когда нейроны активируются синхронно, они генерируют электрические токи и, следовательно, магнитные поля, которые затем регистрируются МЭГ вне головы.

Считается что, источником магнитных полей является дендритный ток пирамидных нейронов, которые срабатывают синхронно и параллельно. Аксональные и синаптические токи и их магнитные поля взаимно компенсируются.

Для генерации измеримого сигнала необходимо около 50 000 активных нейронов. Поскольку токовые диполи должны иметь одинаковую ориентацию для создания магнитных полей, усиливающих друг друга, часто это слой пирамидных клеток, которые расположены перпендикулярно поверхности коры головного мозга, что создаёт детектируемые магнитные поля. Связки этих нейронов, ориентированных тангенциально к поверхности кожи головы, проецируют достаточно сильные магнитные поля способные выходить за пределы головы.

Объяснение возникновения магнитных полей, как и электрических в случае ЭЭГ, не слишком вразумительны, но приходится радоваться тому факту, что они реально существуют.

Рисунок 25 Первое измерение МЭГ с помощью SQUID в комнате доктора Коэн

Но современное представление результатов МЭГ это визуализация зон активности групп нейронов на 3D-модели мозга.

Рисунок 26. 3D-модели мозга

При анализе данных МЭГ возникает проблема решения так называемой обратной задачи, которая состоит в восстановлении распределения активности нейронных источников на поверхности коры головного мозга на основе сигналов, принятых большим количеством датчиков. Решение этой задачи по определению некорректно, поскольку любая поверхностная запись может объясняться бесконечным числом различных конфигураций внутренних источников.

Но активно развиваются методы на основе различных вариантов, сканирующих адаптивных фокусирующих лучей, позволяющие достичь пространственного разрешения до 0,5 см. (Напомню, что Уильям Пенфилд, проверяя реакцию нервной системы на открытом мозге, выделял участки с точностью до 1 мм², т.е. в 5 раз точнее. Но в отличие от экспериментов Пенфилда учёные впервые получили возможность наблюдать реакцию участков мозга на внешние раздражения и мысленные образы.)

Сейчас исследователи работают над совершенствованием методов обработки сигнала в поисках возможности обнаружения глубокой мозговой (то есть некортикальный) активности, однако пока нет клинически полезного результата.

Дальнейшее развитие метода, вероятно, будет направлено и на разработку новых математических алгоритмов обработки сигнала.

Последние разработки в области аппаратного совершенствования нацелены на повышение портативности сканеров MEG за счёт использования SERF-магнитометров. Магнитометры SERF достаточно малы, при этом им не нужны громоздкие системы охлаждения. В то же время их чувствительность, эквивалентна СКВИДам.

ПЭТ

Позитро́нно-эмиссио́нная томогра́фия (позитронная эмиссионная томография, она же двухфотонная эмиссионная томография) – радионуклидный томографический метод исследования внутренних органов человека или животного. ПЭТ также называют функциональной томографией.

Метод основан на регистрации пары γ-квантов, возникающих при аннигиляции позитронов с электронами.

По сути, ПЭТ-сканер представляет собой трёхмерный детектор γ-частиц, вылетающих из тела пациента. Ключевой компонент метода – радиофармпрепарат – вещество содержащее изотоп, способный к позитронному β-распаду. Кроме того, это вещество-метаболит, должно быть способно к накоплению в исследуемой ткани. Так, для исследования тканей мозга, активно поглощающих глюкозу, а также для поиска некоторых типов опухолей часто используют 18F флудеоксиглюкозу (фтор-18).

В момент β-плюс (позитронного) распада протон ядра превращается в нейтрон, одновременно испуская нейтрино и позитрон. Нейтрино свободно улетает, никак не взаимодействуя с тканями, а вот позитрон далеко улететь не может. Он очень скоро встречается с электроном, происходит их взаимная аннигиляция, с испусканием пары γ-частиц. Эти частицы и фиксируются сцинтилляционными детекторами, установленными в кольце ПЭТ-сканера.

Первую установку, использующую γ-датчики для локализации опухолей мозга, описал Уильям Свит в 1953 году. Практически в то же время Фрэнк Ренн с соавторами опубликовал в Science результаты исследования опухолей мозга с использованием аннигиляции. Однако современная ПЭ-томография стала возможна только с появлением методов реконструкции изображения на основе множественных сечений. Эту работу начали Дэвид Кул и Рой Эдвардс в конце 1960 года, а закончили в 1975 году Тер-Погосян, Фелпс и Хоффман постройкой первого полноценного томографа.

Большинство современных изотопов для ПЭТ имеют очень короткий период полураспада, их даже изготавливают на циклотроне непосредственно перед введением в организм.

Введение радиофармпрепарата в организм человека проводится внутривенно. После того, как препарат попал в кровь, пациенту нужно находиться в полном спокойствии на протяжении 30—60 минут, что обеспечит оптимальное распределение введённого вещества.

После подобного «отдыха» пациента перевозят в камеру томографа, именно там при помощи специального детектирующего оборудования (ПЭТ-сканера) можно отслеживать распределение в организме биологически активных соединений, меченных позитрон-излучающими радиоизотопами.

При сканировании ПЭТ-КТ облучение может быть значительным – около 23—26 мЗв (для 70 кг веса). Для пациентов с большей массой тела доза вводимого радиофармпрепарата увеличивается.

В общем ПЭТ можно скорее назвать методом поиска опухолей мозге, нежели методом исследования. Но если вспомнить, что для рентгена мозг прозрачен, а кости черепа экранируют ультразвук, то этот метод обследования по-своему уникален. И уж точно менее опасен, чем введение в мозг воздуха (пневмоэнцефалография) или контрастного вещества (ангиография) [19].

Генное исследование мозга. Транскриптом

В сентябре 2003 года Пол Аллен видный филантроп и один из основателей «Майкрософта» основал Институт исследований мозга Аллена, выделив 100 миллионов долларов на изучение того, как работает человеческий мозг, конкретнее – на том, каким образом гены создают мозг.

Но для начала выбрали модель попроще – мозг мыши. И в 2004 году стартовал проект – Атлас транскриптома головного мозга мыши (Allen Mouse Brain Atlas). Завершились работы в сентябре 2012 года.

Транскрипт – молекула РНК, образующаяся в результате экспрессии соответствующего гена или участка ДНК. Соответственно, транскрипто́м – это совокупность всех транскриптов, синтезируемых одной клеткой или группой клеток.

Итогом стала база данных (фотографий срезов мозга, и цифровых трёхмерных изображений), в которой была собрана информация о том, в каком участке мозга какие гены работают. Все результаты по решению участников проекта были размещены с сети Интернет для открытого доступа (www.brain-map.org). [29].

Работа над генной картой мозга мыши позволила Институту Аллена благодаря приобретённому накопить достаточный опыт и создать технологии позволившие приступить к созданию основного проекта – построению транскриптомной карты головного мозга человека. [30]

Транскриптом мозга человека

Схема работы над генным атласом человеческого мозга мало отличалась от таковой для мозга мыши. Для исследования экспрессии генов был использован метод РНК-микрочипов (тогда как в случае мозга мыши применялся метод гибридизации in situ). После исследования структуры, срезы разделялись на более мелкие фрагменты – в итоге их было чуть более 900 для каждого из двух образцов. Затем из ткани выделялись все молекулы РНК, и полученный раствор наносился на специально разработанные микрочипы. В общей сложности было использовано 20 тысяч разных проб, покрывающих 93% известных генов человека (такое странное число можно объяснить тем, что, несмотря на почти полностью прочтённую последовательность генома человека, некоторые гены все ещё не представлены в молекулярных базах последовательностей).

Следующим этапом после всестороннего молекулярно-биологического исследования был биоинформационный анализ данных. Данные по транскриптому были сопоставлены с конкретными зонами мозга. После этого было проверено, существуют ли зоны и отделы мозга, идентичные по своему транскриптому, и можно ли выделить внутри традиционных анатомических зон мозга области с разными профилями экспрессии.

Между транскриптомами отдельных зон мозга были выявлены большие различия. А вот все клетки коры больших полушарий человеческого мозга экспрессируют один и тот же набор генов, независимо от принятого деления на функциональные зоны (зрительные, соматосенсорные, моторные).

Поразило исследователей и сходство между транскриптомами мозга двух людей (пока были исследованы только двое).

Благодаря двум проектам стало известно, что на построение мозга взрослого человека экспрессируется около 84% всех его генов и у мыши примерно столько же. При том, что в построении всех других органов задействовано лишь оставшиеся 16 процентов генов. А если учесть ещё и гены, которые были активными в процессе развития нервной системы, но потом замолкли, – создаётся впечатление, что практически весь геном находится на службе у мозга. [30]

Сегодня ещё рано судить обо всех возможностях, открывающихся с появлением атласа транскриптома мозга человека, однако не будет преувеличением сказать, что нейробиологи получили новый мощный инструмент для своих исследований. По своему масштабу проект Алленовского атласа человеческого мозга сопостави́м с проектом «Геном человека».

Коннектом

Какова цель исследований мозга? Вероятно, это всё то же его картирование – составление подробной карты. А каков предел детализации этой карты? Полное описание структуры связей нейронов в нервной системе организма или – Коннекто́м.

Область исследований, включающая в себя картографирование и анализ архитектуры нейрональных связей, называется «коннектомика».

Понятие о коннектоме как совокупности всех связей в мозгу ввели в 2005 году. Олаф Спорнс, Джулио Тонони вместе с Рольфом Кёттером из Фогтовского института исследований мозга в Дюссельдорфе опубликовали программную статью, которая называлась «Человеческий коннектом. Описание структуры мозга человека» [31]. В том же году независимо от них Патрик Хагман в тезисах своей кандидатской диссертации использовал то же слово и дал то же определение: «Коннектом мозга – совокупность всех связей в нем как единое целое». Мы не можем понять, как работает прибор, пока не получим его схему.

На смену лозунгу «Я – это мой геном» пришёл новый: «Я – это мой коннектом». В самом деле, геном – это лишь точка отсчёта, а карта связей в мозге человека – итог реализации генетической программы, взаимодействия индивида со средой, нечто более близкое к ответу на вопрос «что есть личность».

Появление коннектомики стало возможным благодаря появлению современных инструментов исследования, позволивших построить картину связей между нейронами. Это направление называется микроконнектомикой. Понятно, что любые методы установления связей между отдельными нейронами чрезвычайно трудоёмки – проделать такую работу для целого мозга в обозримом будущем нереально.

Полный коннектом, до клеточного уровня, пока расшифрован только для нематоды Caenorhabditis elegans (C. elegans) – прозрачного червячка длиной около миллиметра. Caenorhabditis elegans – прекрасный объект для исследования. Его геном был расшифрован ещё в 1998 году, а теперь настала очередь коннектома.

Нематода Caenorhabditis elegans – один из самых популярных модельных объектов не только нейробиологов, но и биологов вообще. С помощью этого довольно примитивно устроенного червя учёные смогли разобраться в механизмах программируемой клеточной гибели, ответить на многие вопросы биологии развития, поведения и других областей биологии. И вот, наконец, получилось полностью расшифровать его коннектом, о чем исследователи рассказали в журнале Nature. Точнее, два коннектома: обоих полов. [32]

Этого червя совсем нетрудно выращивать в лаборатории, но главное их свойств это – удивительное постоянство клеточного состава. Например, в теле взрослых самцов всегда насчитывается ровно 1031 клетка, из которых 302 – это нейроны. За годы изучения учёные смогли изучить червя буквально по-клеточно.

Жёстко фиксированное число нейронов у C. elegans и относительная простота устройства его нервной системы открыли перед учёными заманчивую перспективу – построить полный коннектом его нервной системы, то есть установить абсолютно все нейронные связи.

По серии электронных микрофотографий послойных срезов тела червя была построена модель коннектома, правда некоторые «белые пятна» всё же были восполнены методом экстраполяции.

Полученные сетевые карты можно изучать методами теории графов. Весь коннектом нематоды был представлен как граф из 579 узлов, в узлах которой расположены нейроны, мышечные или другие возбудимые клетки. Ребра, соединяющие вершины такого графа – это синапсы, причём, их число также чётко фиксировано у всех особей, в данном случае мужского пола.

Но кроме микроконнектомики продолжают развиваться исследования связей между разными структурами мозга – «региональная коннектомика».

Для этого есть несколько методов, самый популярный из них – трактография, с помощью которой определяют ход пучков нервных волокон и моделируют картину связей между разными областями живого мозга.

Рисунок 27 Коннектом мужской особи нематоды

Исследования в области коннектомики ведут несколько проектов, один из крупнейших – Human Connectome Project. Он был запущен в 2009 году, рассчитан на пять лет, а финансировался Национальным институтом здравоохранения США. В проекте участвовало 1200 взрослых добровольцев.

Для каждого из участников средствами магнитно-резонансной томографии были составлены карты анатомических и функциональных связей мозга, а к 2018 году планировалось полное секвенирование их геномов.

Коннектомика уже сейчас изменяет наши взгляды на психические заболевания. Есть предположение, что многие из них, по сути своей – коннектопатии, связанные с нарушением связей, а не с патологиями тех или иных структур или областей мозга.

Когнитом

Ещё не создан коннектом человека, но мысли и фантазии уносят нас вперёд.

Где хранятся наши врождённые способности дышать, есть, двигаться и чувствовать? Заложены они уже в структуре нервной системы или записаны поверх неё? Наконец, где и как записываются и хранятся наши приобретённые социальные навыки, например, речь и вершина всего – самосознание.

Так родилась идея когнитома.

(Когнитивность, от латинского cognitio, «познание, изучение, осознание», – способность к умственному восприятию и переработке внешней информации.)

«Когнитом в нашем понимании, – рассказывает автор теории Анохин Константин Владимирович, – это весь набор когнитивных элементов мозга, которые составляют нашу личность. Мы полагаем, что каждый из этих элементов представлен в мозге, в нашем коннектоме, в виде функциональной системы. И в этом основная сложность исследования когнитома. Когнитивная единица не лежит на полочке той или иной структуры мозга, каждая из них – это распределённая сеть клеток, причём клетки одной структуры могут входить в самые разные элементы субъективного опыта. А каждый элемент субъективного опыта – масса синхронно активируемых в определённый момент нейронов в разных областях мозга. Элементы когнитома, так же, как и весь когнитом, – это не статическая картина, это постоянно развивающаяся система. В результате нового опыта, обучения в эту сеть добавляются те или иные новые элементы, меняющие как структуру когнитома, так и связи между уже существующими элементами».

Как можно обнаружить эти когнитивные единицы? Как выделить среди миллиардов нейронов мозга группу, отвечающую за элемент субъективного опыта, найти материальный носитель воспоминания, представления, навыка?

Оптогенетика

Оптогенетика – новомодная методика исследования работы нервных клеток, основанная на внедрении в их мембрану специальных каналов – опсинов, реагирующих на возбуждение светом. Давно известно, что нервные клетки способны реагировать на механические, химические, электрические раздражители. Теперь после сложных генетических манипуляций наконец-то нейроны можно заставить возбуждаться светом с определённой длиной волны.

Для создания светочувствительных каналов в мембране задействованы методы генной инженерии. А для возбуждения модернизированных нервных клеток и сетей в ход идут лазеры, световоды и прочая оптическая аппаратура.

На рубеже ХХ века казалось – вот он ещё один прорыв в исследовании нейронов. На практике же очередная игрушка в руках нейробиологов. Демонстрация великолепных научных успехов, но в совсем другой отрасли биологии – генетике.

Брэйнбоу

Более интересное применение оптогенетике нашли американские исследователи Медицинской школы Гарварда под руководством Джеффа В. Лихтмана (Jeff W. Lichtman) и Джошуа Р. Сейнса (Joshua R. Sanes). Они заставили нервные клетки светиться в момент прохождения по ним нервного импульса. Этот метод позволил лучше следить за взаимодействием групп нейронов в мозге.

Исследование опубликовано в журнале Nature Communications [33] в ноябре 2007 года. В статье описывались техники экспрессии флуоресцентных белков в генетически модифицированных животных под названием «Брэйнбоу-1» и «Брэйнбоу-2». Техника «Брэйнбоу-3» была представлена в 2013 году. Название метода происходит от сочетания английских слов brain (мозг) и rainbow (радуга).

Каким образом проводят генную модификацию живых тканей? Чтобы вставить фермент в клетки мозга, учёные соединили его с вирусом, который мог «заражать» нейроны.

Оказалось, что, будучи внедрённым в геном животного, зелёный флуоресцентный белок и его генетически модифицированные варианты могут окрашивать нервные клетки в разные цвета (до 100 разных оттенков), что позволяет значительно точнее и гораздо красивее картировать нейронные связи.

Ещё в конце 19-го века Камилло Гольджи со своей «Чёрной реакцией» впервые в истории визуализировал нейроны. В 1960-х годах И. Тасаки применил красители, флуоресцирующие при электрической стимуляции нейронов «для наблюдения за физическими изменениями в нервных мембранах при передаче импульсов». Целью современных исследователей было улучшение традиционных методов нейровизуализации, поскольку предыдущие техники имели серьёзные ограничения, в первую очередь связанные с небольшим количеством цветов, доступных для окрашивания индивидуальных нейронов.

Свечение индивидуальных нейронов создаёт потрясающий фронт работы – можно выявить мельчайшие особенности морфологии каждого нейрона и даже проследить путь индивидуальных аксонов и дендритов. Всё вместе это дало возможность для полноценного картирования структуры нейронных цепей мозга. А заодно превратило фотографии гистологических препаратов в настоящее арт объекты!

Прозрачный мозг

Нервную систему нематоды (C. elegans) было легко исследовать благодаря прозрачности последней. А, например, мозг мыши, в отличие от этого червячка, велик и непрозрачен.

Основную массу мозга составляют липиды клеточных мембран и миелинового покрытия нейронов, а также глии. Плотная липидная составляющая мозга слабопрозрачна для света – даже двухфотонная лазерная микроскопия, созданная для визуализации глубоких слоёв живых тканей, способна заглянуть вглубь мозга лишь на 800 мкм. Львиная доля гистологических исследования нервных тканей до недавнего времени была обречена начинаться с фиксации и изготовления срезов.

Поэтому исследователи разработали метод, позволяющий буквально прояснять мозг мыши – делать его прозрачным.

Одним из «отцов» нового метода, названного – CLARITY (англ. «ясность») и описанного в 2013 году, является Карл Дейссерот. Технология позволяет свету проходить сквозь ткань и делает её доступной для микроскопа.

Технология CLARITY основана на идее: убрать из ткани основной компонент, который мешает прохождению света – липиды. Попытка просто растворить мембраны без предварительной подготовки приводила к тому, что содержимое клеток вываливалось из них наружу. Чтобы этого избежать, препарированный мозг зафиксировали формальдегидом для фиксации и удержания на своих местах белков и нуклеиновых кислот, а затем насытили раствором мономеров геля-носителя, призванного играть роль «матрицы», после чего запускалась реакция полимеризации. В результате ткани мозга оказались буквально слиты с прозрачным гелем-носителем. Затем блок с мозгом, а точнее – тканево-гелевым гибридом, – подвергают электрофорезу в присутствии ионного детергента (SDS). В течение нескольких дней движимые электрическим полем мицеллы SDS протискиваются через тканево-гелевый гибрид, «вымывая» из него липиды. На выходе получается практически прозрачный блок, пригодный для оптической и флуоресцентной микроскопии. Однофотонная микроскопия позволяет исследовать такой препарат на глубину 3,6 мм, а не на 50 мкм, как в случае с естественным «непрозрачным» мозгом.

Рисунок 28 Технология CLARITY [28]

На картинке – изящная иллюстрация действия метода «опрозрачивания» тканей. Один и тот же мышиный мозг до (слева) и после (справа) обработки этим методом лежит на цитате великого Сантьяго Рамона-и-Кахаля: «Мозг – это целый мир со множеством неизведанных континентов и белых пятен на карте».

Применение CLARITY в сочетании с флуоресцентным окрашиванием позволяет получить чёткую трёхмерную картинку. Сегодня эта технология широко используется при создании 3D-карт мозга.

Остаётся решить задачу – как генномодифицировать единственный нейрон, или цепочку связанных нейронов. Та же проблема с которой столкнулся Гольджи. Но уже на новом уровне – Гольджи изучал срезы мозга, а современные учёные могут послойно просвечивать более-менее «целый мозг».