Когнитивная нейробиология. Мозг против мозга - кто кого

ЧТО ЗНАЕТ НАУКА О МОЗГЕ

Два прорыва в исследованиях мозга человека

Реально первый прорыв в познании мозга человека был связан с применением метода долгосрочных и краткосрочных имплантированных электродов для диагностики и лечения больных. В то же время ученые начали понимать, как работает отдельный нейрон , как происходит передача информации от нейрон а к нейрон у и по нерву. В нашей стране первыми в условиях непосредственного контакта с мозгом человека стали работать академик Н. П. Бехтерева и ее сотрудники.

Так были получены данные о жизни отдельных зон мозга, о соотношении его важнейших разделов - коры и подкорки и многие другие. Однако мозг состоит из десятков миллиардов нейрон ов, а с помощью электродов можно наблюдать лишь за десятками, да и то в поле зрения исследователей часто попадают не те клетки, которые нужны для исследования, а те, что оказались рядом с лечебным электродом.

Тем временем в мире совершалась техническая революция. Новые вычислительные возможности позволили вывести на новый уровень исследование высших функций мозга с помощью электроэнцефалографии и вызванных потенциал ов. Возникли и новые методы, позволяющие "заглянуть внутрь" мозга: магнитоэнцефалография, функциональная магниторезонансная томография и позитронно-эмиссионная томография. Все это создало фундамент для нового прорыва. Он действительно произошел в середине восьмидесятых годов.

В это время научный интерес и возможность его удовлетворения совпали. Видимо, поэтому Конгресс США объявил девяностые годы десятилетием изучения человеческого мозга. Эта инициатива быстро стала международной. Сейчас во всем мире над исследова нием человеческого мозга трудятся сотни лучших лабораторий.

Надо сказать, что у нас в то время в верхних эшелонах власти было много умных и болеющих за державу людей. Поэтому и в нашей стране поняли необходимость исследования мозга человека и предложили мне на базе коллектива, созданного и руководимого академиком Бехтеревой, организовать научный центр по исследованию мозга - Институт мозга человека РАН.

Главное направление деятельности института: фундаментальные исследования организации мозга человека и его сложных психи ческих функций - речи, эмоций, внимания, памяти. Но не только. Одновременно ученые должны вести поиск методов лечения тех больных, у которых эти важные функции нарушены. Соединение фундаментальных исследований и практической работы с больными было одним из основных принципов деятельности института, разработанных его научным руководителем Натальей Петровной Бехтеревой.

Недопустимо ставить эксперименты на человеке. Поэтому большая часть исследований мозга проводится на животных. Однако есть явления, которые могут быть изучены только на человеке. Например, сейчас молодой сотрудник моей лаборатории защищает диссертацию об обработке речи, ее орфографии и синтаксиса в различных структурах мозга. Согласитесь, что это трудно исследовать на крысе. Институт специально ориентирован на исследование того, что нельзя изучать на животных. Мы проводим психофизиологические исследования на добровольцах с применением так называемой неинвазивной техники, не "залезая" внутрь мозга и не причиняя человеку особенных неудобств. Так осуществляются, например, томографические обследования или картирование мозга с помощью электроэнцефалографии.

Но бывает, что болезнь или несчастный случай "ставят эксперимент" на человеческом мозге - например, у больного нарушается речь или память. В этой ситуации можно и нужно исследовать те области мозга, работа которых нарушена. Или, наоборот, у пациента утерян или поврежден кусочек мозга, и ученым предоставляется возможность изучить, какие свои "обязанности" мозг не может выполнять с таким нарушением.

Но просто наблюдать за такими пациентами, мягко говоря, неэтично, и в нашем институте не только исследуют больных с различными повреждениями мозга, но и помогают им, в том числе и с помощью новейших, разработанных нашими сотрудниками методов лечения. Для этой цели при институте существует клиника на 160 коек. Две задачи - исследование и лечение - неразрывно связаны в работе наших сотрудников.

У нас прекрасные высококвалифицированниые доктора и медсестры. Без этого нельзя - ведь мы на переднем крае науки, и нужна высочайшая квалификация, чтобы реализовать новые методики. Практически каждая лаборатория института замкнута на отделения клиники, и это залог непрерывного появления новых подходов. Кроме стандартных методов лечения у нас проводят хирургическое лечение эпилепсии и паркинсонизма, психохирургические операции, лечение мозговой ткани магнитостимуляцией, лечение афазии с помощью электростимуляции, а также многое другое. В клинике лежат тяжелые больные, и бывает удается помочь им в случаях, считавшихся безнадежными. Конечно, это возможно не всегда. Вообще, когда слышишь какие-либо безграничные гарантии в лечении людей, это вызывает очень серьезные сомнения.

Можно ли "перевоспитать" нервные клетки?

Одно из самых современных направлений в работе института - стереотаксис. Это медицинская технология, обеспечивающая возможность малотравматичного, щадящего, прицельного доступа к глубоким структурам головного мозга и дозированное воздействие на них. Это нейрохирургия будущего. Вместо "открытых" нейрохирургических вмешательств, когда, чтобы достичь мозга, делают большую трепанацию, предлагаются малотравматичные, щадящие воздействия на головной мозг.

В развитых странах, прежде всего в США, клинический стереотаксис занял достойное место в нейрохирургии. В США в этой сфере сегодня работают около 300 нейрохирургов - членов Американского стереотаксического общества. Основа стереотаксиса - математика и точные приборы, обеспечивающие прицельное погружение в мозг тонких инструментов. Они позволяют "заглянуть" в мозг живого человека. При этом используется позитронно-эмиссионная томография, магниторезонансная томография, компьютерная рентгеновская томография. "Стереотаксис - мерило методической зрелости нейрохирургии" - мнение ныне покойного нейрохирурга Л. В. Абракова. Для стереотаксического метода лечения очень важно знание роли отдельных "точек" в мозге человека, понимание их взаимодействия, знание того, где и что именно нужно изменить в мозге для лечения той или иной болезни.

В институте существует лаборатория стереотаксических методов, которой руководит доктор медицинских наук, лауреат Государственной премии СССР А. Д. Аничков. По существу, это ведущий стереотаксический центр России. Здесь родилось самое современное направление - компьютерный стереотакcис с программно-математическим обеспечением, которое осуществляется на электронной вычислительной машине. До наших разработок стереотаксические расчеты проводились нейрохирургами вручную во время операции, сейчас же у нас разработаны десятки стереотаксических приборов; некоторые прошли клиническую апробацию и способны решать самые сложные задачи. Совместно с коллегами из ЦНИИ "Электроприбор" создана и впервые в России серийно выпускается компьютеризированная стереотаксическая система, которая по ряду основных показателей превосходит аналогичные зарубежные образцы. Как выразился неизвестный автор, "наконец, робкие лучи цивилизации осветили наши темные пещеры".

В нашем институте стереотаксис применяется при лечении больных, страдающих двигательными нарушениями (паркинсонизмом, болезнью Паркинсона, хореей Гентингтона и другими), эпилепсией, неукротимыми болями (в частности, фантомно-болевым синдромом), некоторыми психи ческими нарушениями. Кроме того, стереотаксис используется для уточнения диагноза и лечения некоторых опухолей головного мозга, для лечения гематом, абсцессов, кист мозга. Стереотаксические вмешательства (как и все остальные нейрохирургические вмешательства) предлагаются больному только в том случае, если исчерпаны все возможности медикаментозного лечения и само заболевание угрожает здоровью пациента или лишает его трудоспособности, делает асоциальным. Все операции производятся только при согласии больного и его родственников, после консилиума специалистов разного профиля.

Существуют два вида стереотаксиса. Первый, нефункциональный, применяется тогда, когда в глубине мозга имеется какое-то органическое поражение, например опухоль. Если ее удалять с помощью обычной техники, придется затронуть здоровые, выполняющие важные функции структуры мозга и больному случайно может быть нанесен вред, иногда даже несовместимый с жизнью. Предположим, что опухоль хорошо видна с помощью магниторезонансного и позитронно-эмиссионного томографов. Тогда можно рассчитать ее координаты и ввести с помощью малотравматичного тонкого щупа радиоактивные вещества, которые выжгут опухоль и за короткое время распадутся. Повреждения при проходе сквозь мозговую ткань минимальны, а опухоль будет уничтожена. Мы провели уже несколько таких операций, бывшие пациенты живут до сих пор, хотя при традиционных методах лечения у них не было никакой надежды.

Суть этого метода в том, что мы устраняем "дефект", который четко видим. Главная задача - решить, как до него добраться, какой путь выбрать, чтобы не задеть важные зоны, какой метод устранения "дефекта" выбрать.

Принципиально другая ситуация при "функциональном" стереотаксисе, который тоже применяется при лечении психи ческих заболеваний. Причина болезни часто заключается в том, что одна маленькая группа нервных клеток или несколько таких групп работают неправильно. Они либо не выделяют необходимые вещества, либо выделяют их слишком много. Клетки могут быть патологически возбуждены, и тогда стимулируют "нехорошую" активность других, здоровых клеток. Эти "сбившиеся с пути" клетки надо найти и либо уничтожить, либо изолировать, либо "перевоспитать" с помощью электростимуляции. В такой ситуации нельзя "увидеть" пораженный участок. Мы должны его вычислить чисто теор етически, как астрономы вычислили орбиту Нептуна.

Именно здесь для нас особенно важны фундаментальные знания о принципах работы мозга, о взаимодействии его участков, о функциональной роли каждого участка мозга. Мы используем результаты стереотаксической неврологии - нового направления, разработанного в институте покойным профессором В. М. Смирновым. Стереотаксическая неврология - это "высший пилотаж", однако именно на этом пути нужно искать возможность лечения многих тяжелых заболеваний, в том числе и психи ческих.

Результаты наших исследований и данные других лабораторий указывают на то, что практически любая, даже очень сложная психи ческая деятельность мозга обеспечивается распределенной в пространстве и изменчивой во времени системой, состоящей из звеньев различной степени жесткости. Понятно, что вмешиваться в работу такой системы очень трудно. Тем не менее сейчас мы это умеем: например, можем создать новый центр речи взамен разрушенного при травме.

При этом происходит своеобразное "перевоспитание" нервных клеток. Дело в том, что существуют нервные клетки, которые от рождения готовы к своей работе, но есть и другие, которые "воспитываются" в процессе развития человека. Научаясь выполнять одни задачи, они забывают другие, но не навсегда. Даже пройдя "специализацию", они в принципе способны взять на себя выполнение каких-то других задач, могут работать и по-другому. Поэтому можно попытаться заставить их взять на себя работу утраченных нервных клеток, заменить их.

Нейрон ы мозга работают как команда корабля: один хорошо умеет вести судно по курсу, другой - стрелять, третий - готовить пищу. Но ведь и стрелка можно научить готовить борщ, а кока - наводить орудие. Нужно только объяснить им, как это делается. В принципе это естественный механизм: если травма мозга произошла у ребенка, у него нервные клетки самопроизвольн о "переучиваются". У взрослых же для "переучивания" клеток нужно применять специальные методы.

Этим и занимаются исследователи - пытаются стимулировать одни нервные клетки выполнять работу других, которые уже нельзя восстановить. В этом направлении уже получены хорошие результаты: например, некоторых пациентов с нарушением области Брока, отвечающей за формирование речи, удалось обучить говорить заново.

Другой пример - лечебное воздействие психохирургических операций, направленных на "выключение" структур области мозга, называемой лимбической системой. При разных болезнях в разных зонах мозга возникает поток патологических импульсов, которые циркулируют по нервным путям. Эти импульсы появляются в результате повышенной активности зон мозга, и такой механизм приводит к целому ряду хронических заболеваний нервной системы, таких, как паркинсонизм, эпилепсия, навязчивые состояния. Пути, по которым проходит циркуляция патологических импульсов, надо найти и максимально щадяще "выключить".

В последние годы проведены многие сотни (особенно в США) стереотаксических психохирургических вмешательств для лечения больных, страдающих некоторыми психи ческими нарушениями (прежде всего, навязчивыми состояниями), у которых оказались неэффективными нехирургические методы лечения. По мнению некоторых наркологов, наркоманию тоже можно рассматривать как разновидность такого рода расстройства, поэтому в случае неэффективности медикаментозного лечения может быть рекомендовано стереотаксическое вмешательство.

Детект ор ошибок

Очень важное направление работы института - исследование высших функций мозга: внимания, памяти, мышлени я, речи, эмоций. Этими проблемами занимаются несколько лабораторий, в том числе та, которой руковожу я, лаборатория академика Н. П. Бехтеревой, лаборатория доктора биологических наук Ю. Д. Кропотова.

Присущие только человеку функции мозга исследуются с помощью различных подходов: используется "обычная" электроэнцефалограмма, но на новом уровне картирования мозга, изучение вызванных потенциал ов, регистрация этих процессов совместно с импульсной активностью нейрон ов при непосредственном контакте с мозговой тканью - для этого применяются имплантированные электроды и техника позитронно-эмиссионной томографии.

Работы академика Н. П. Бехтеревой в этой области достаточно широко освещались в научной и научно-популярной печати. Она начала планомерное исследование психи ческих процессов в мозге еще тогда, когда большинство ученых считали это практически непознаваемым, делом далекого будущего. Как хорошо, что хотя бы в науке истина не зависит от позиции большинства. Многие из тех, кто отрицал возможность таких исследований, теперь считают их приоритетными.

В рамках этой статьи можно упомянуть только о самых интересных результатах, например о детект оре ошибок. Каждый из нас сталкивался с его работой. Представьте, что вы вышли из дому и уже на улице вас начинает терзать странное чувство - что-то не так. Вы возвращаетесь - так и есть, забыли выключить свет в ванной. То есть, вы забыли выполнить обычное, стереотипное действие - щелкнуть выключателем, и этот пропуск автоматически включил контрольный механизм в мозге. Этот механизм в середине шестидесятых был открыт Н. П. Бехтеревой и ее сотрудниками. Несмотря на то, что результаты были опубликованы в научных журналах, в том числе и зарубежных, сейчас они "переоткрыты" на Западе людьми, знающими работы наших ученых, но не гнушающимися прямым заимствованием у них. Исчезновение великой державы привело и к тому, что в науке стало больше случаев прямого плагиата.

Кто отвечает за грамматику?

Очень важное направление работы - так называемое микрокартирование мозга. В наших совместных исследованиях обнаружены даже такие механизмы, как детект ор грамматической правильности осмысл енной фразы. Например, "голубая лента" и "голубой лента". Смысл понятен в обоих случаях. Но есть одна "маленькая, но гордая" группа нейрон ов, которая "взвивается", когда грамматика нарушена, и сигнализирует об этом мозгу. Зачем это нужно? Вероятно, затем, что понимание речи часто идет в первую очередь за счет анализа грамматики (вспомним "глокую куздру" академика Щербы). Если с грамматикой что-то не так, поступает сигнал - надо проводить добавочный анализ.

Найдены микроучастки мозга, которые отвечают за счет, за различение конкретных и абстрактных слов. Показаны различия в работе нейрон ов при восприятии слова родного языка (чашка), квазислова родного языка (чохна) и слова иностранного (вахт - время по-азербайджански).

В этой деятельности по-разному участвуют нейрон ы коры и глубоких структур мозга. В глубоких структурах в основном наблюдается увеличение частоты электрических разрядов, не очень "привязанное" к какой-то определенной зоне. Эти нейрон ы как бы любую
задачу решают всем миром. Совершенно другая картина в коре головного мозга. Один нейрон словно говорит: "А ну-ка, ребята, помолчите, это мое дело, и я буду выполнять его сам". И действительно, у всех нейрон ов, кроме некоторых, понижается частота импульсации, а у "избранников" повышается.

Благодаря технике позитронно-эмиссионной томографии (или сокращенно ПЭТ) стало возможно детальное изучение одновременно всех областей мозга, отвечающих за сложные "человеческие" функции. Суть метода состоит в том, что малое количество изотопа вводят в вещество, участвующее в химических превращениях внутри клеток мозга, а затем наблюдают, как меняется распределение этого вещества в интересующей нас области мозга. Если к этой области усиливается приток глюкозы с радиоактивной меткой - значит, увеличился обмен веществ, что говорит об усиленной работе нервных клеток на этом участке мозга.

А теперь представьте, что человек выполняет какое-то сложное задание, требующее от него знания правил орфографии или логического мышлени я. При этом у него наиболее активно работают нервные клетки в области мозга, "ответственной" именно за эти навыки. Усиление работы нервных клеток можно зарегистрировать с помощью ПЭТ по увеличению кровотока в активизированной зоне. Таким образом удалось определить, какие области мозга "отвечают" за синтаксис, орфографию, смысл речи и за решение других задач. Например, известны зоны, которые активизируются при предъявлении слов, неважно, надо их читать или нет. Есть и зоны, которые активизируются, чтобы "ничего не делать", когда, например, человек слушает рассказ, но не слышит его, следя за чем-то другим.

Что такое внимание?

Не менее важно понять, как "работает" внимание у человека. Этой проблемой в нашем институте занимается и моя лаборатория, и лаборатория Ю. Д. Кропотова. Исследования ведутся совместно с коллективом ученых под руководством финского профессора Р. Наатанена, который открыл так называемый механизм непроизвольн ого внимания. Чтобы понять, о чем идет речь, представьте ситуацию: охотник крадется по лесу, выслеживая добычу. Но он и сам является добычей для хищного зверя, которого не замечает, потому что настроен только на поиск оленя или зайца. И вдруг случайный треск в кустах, может быть, и не очень заметный на фоне птичьего щебета и шума ручья, мгновенно переключает его внимание, подает сигнал: "Рядом опасность". Механизм непроизвольн ого внимания сформировался у человека в глубокой древности, как охранный механизм, но работает и сейчас: например, водитель ведет машину, слушает радио, слышит крики детей, играющих на улице, воспринимает все звуки окружающего мира, внимание его рассеянно, и вдруг тихий стук мотора мгновенно переключает его внимание на машину - он осознает, что с двигателем что-то не в порядке (кстати, это явление похоже на детект ор ошибок).

Такой переключатель внимания работает у каждого человека. Мы обнаружили зоны, которые активизируются на ПЭТ при работе этого механизма, а Ю. Д. Кропотов исследовал его с помощью метода имплантированных электродов. Иногда в самой сложной научной работе бывают смешные эпизоды. Так было, когда мы в спешке закончили эту работу перед очень важным и престижным симпозиумом. Ю. Д. Кропотов и я поехали на симпозиум делать доклады, и только там с удивлением и "чувством глубокого удовлетворения" неожиданно выяснили, что активизация нейрон ов происходит в одних и тех же зонах. Да, иногда двоим сидящим рядом надо поехать в другую страну, чтобы поговорить.

Если механизмы непроизвольн ого внимания нарушаются, то можно говорить о болезни. В лаборатории Кропотова изучают детей с так называемым дефицитом внимания и гиперактивностью. Это трудные дети, чаще мальчики, которые не могут сосредоточиться на уроке, их часто ругают дома и в школе, а на самом деле их нужно лечить, потому что у них нарушены некоторые определенные механизмы работы мозга. Еще недавно это явление не рассматривалось как болезнь и лучшим методом борьбы с ним считались "силовые" методы. Мы сейчас можем не только определить это заболевание, но и предложить методы лечения детей с дефицитом внимания.

Однако хочется огорчить некоторых молодых читателей. Далеко не каждая шалость связана с этим заболеванием, и тогда... "силовые" методы оправданы.

Кроме непроизвольн ого внимания есть еще и селективное. Это так называемое "внимание на приеме", когда все вокруг говорят разом, а вы следите только за собеседником, не обращая внимания на неинтересную вам болтовню соседа справа. Во время эксперимента испытуемому рассказывают истории: в одно ухо - одну, в другое - другую. Мы следим за реакцией на историю то в правом ухе, то в левом и видим на экране, как радикально меняется активизация областей мозга. При этом активизация нервных клеток на историю в правом ухе значительно меньше - потому, что большинство людей берут телефонную трубку в правую руку и прикладывают ее к правому уху. Им следить за историей в правом ухе проще, нужно меньше напрягаться, мозг возбуждается меньше.

Я мыслю - следовательно, существую!

Уже много лет фантасты пишут о миниатюрных устройствах, которые вживляются в головной мозг и позволяют человеку с помощью мыслей управлять приборами и машинами. Невозможно, скажете вы? Оказывается, вовсе нет. По крайней мере, первый вариант подобных устройств уже создан и даже допущен к клиническим испытаниям.

Речь идет о чипе, созданном массачусетской компанией “Cyberkinetics”. Он представляет собой небольшую пластинку с электродами, которая вживляется лобную долю головного мозга человека и трансформирует нервные импульсы в электрические сигналы, которые передаются на персональный компьютер. С помощью этого чипа человек может, например, работать за компьютером (перемещать курсор и «кликать» на определенных элементах интерфейса), а при небольшой его доработке даже управлять сложными электромеханическими устройствами – в частности, протезами. Предполагается, что он будет использоваться для улучшения качества жизни людей, больных церебральным параличом или другими заболеваниями, сопровождающимися нарушением нервно-мышечной передачи.

Сейчас “Cyberkinetics” готовится к началу клинических испытаний, в которых примут участие шестеро больных. Соответствующие разрешения от американского Управления по лекарствам и пищевым продуктам (FDA) уже получены. Остается только надеяться, что испытания закончатся успехом.

И вы еще говорите о "взаимопонимании"? ;)

Вряд ли кто-то будет спорить с утверждением о том, что женщины и мужчины решают одни и те же задачи по-разному. И, оказывается, это объясняется не только особенностями мужской и женской психологии, но и определенными различиями в строении головного мозга.

Изучая особенности строения головного мозга различных людей, ученые из Университета Калифорнии обнаружили, что у мужчин и женщин, даже обладающих одинаковыми интеллектуальными способностями, в некоторых зонах головного мозга резко отличается соотношение серого и белого вещества. Так, оказалось, что в "интеллектуальных центрах" (зонах, ответственных за логический анализ и обработку абстрактной информации) головного мозга мужчин содержится примерно в шесть раз больше серого вещества, чем у женщин. Зато у женщин в этих же зонах содержится в девять раз больше белого вещества, чем у мужчин. Учитывая тот факт, что серое вещество - это преимущественно тела нервных клеток, то есть "структурные элементы" мозга, обеспечивающие собственно обработку информации, а белое вещество - это отростки нейрон ов, передающих информацию, картина становится довольно интересной. Из полученных исследователями данных можно сделать вывод о том, что женский и мужской мозг имеют принципиально разную физиологию - они используют разные "базовые принципы" обработки и анализа поступающих извне сигналов, а также по-разному реагируют на стимулы, соответствующие решению абстрактных задач.

Исследователи выявили и некоторые другие различия между мужским и женским мозгом, объясняющие основные особенности поведения представителей разных полов. Так, оказалось, что при решении логических задач у женщин активируются преимущественно зоны коры, расположенные в лобной доле мозга - там, где находятся центры контроля движений, эмоций и речи. По мнению специалистов, это объясняет высокую эмоциональность женщин, а также характерную для них черту - склонность к принятию не логических, а "чувственно-эмоциональных" решений. А вот у мужчин логические центры оказываются тесно сопряжены в первую очередь с зонами, ответственными за обработку внешних стимулов. Именно поэтому, считают ученые, мужчины склонны более тщательно взвешивать все факторы и выносить четко обоснованные логические решения.

"Мы ни в коем случае не хотим сказать, что женщины имеют меньше интеллектуальные способности, чем мужчины, или наоборот, - прокомментировал полученные результаты один из авторов этого исследования, профессор психологии Ричард Хейер. - Но факт остается фактом - строение головного мозга мужчины принципиально отличается от строения головного мозга женщины. И даже если мужчина и женщина решают поставленные перед ними задачи одинаково эффективно, они используют при этом принципиально разные алгоритм ы."

Интересные результаты дает такой эксперимент. Испытуемому рассказывают одновременно две разные истории: в левое ухо одну, в правое - другую. На фото1 изображены разные проекции мозга - стрелками отмечены активизированные зоны, когда внимание сосредоточено на истории, рассказываемой в левое ухо. Внимание испытуемого "переключилось" на "историю в правом ухе" (фото 2). Можно заметить, что для фиксации внимания на "историю в правом ухе" требуется гораздо меньшая активность мозга. Это связано с праворукостью большинства людей - обычно они берут телефонную трубку правой рукой и прикладывают ее к правому уху.
ЗОНЫ ПЕРВИЧНОЙ ОБРАБОТКИ ЦВЕТА

ЗОНЫ, УЧАСТВУЮЩИЕ В ОБРАБОТКЕ СИНТАКСИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ ПРЕДЛОЖЕНИЙ

ЗОНА ОРФОГРАФИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СЛОВ

ОБЛАСТЬ, УЧАСТВУЮЩАЯ В СОЗНАТЕЛЬНОЙ И НЕПРОИЗВОЛЬН ОЙ ОБРАБОТКЕ СМЫСЛ А СЛОВ

ОБЛАСТИ, ПРЕДПОЛОЖИТЕЛЬНО УПРАВЛЯЮЩИЕ ПОДАВЛЕНИЕМ ОБРАБОТКИ РЕЧЕВЫХ ПРИЗНАКОВ В ЗАДАЧЕ НА ОБРАБОТКУ ФИЗИЧЕСКОГО ПРИЗНАКА СЛОВА, НАПРИМЕР ЦВЕТА

Нейробиология - наука, изучающая устройство, функционирование, развитие, генетику, биохимию, физиологию и патологию нервной системы. Изучение поведения является также разделом нейробиологии.

За рубежом, а в последние 5-6 лет также и в России всё чаще используется альтернативный термин «нейронаука» (neuroscience), в основном в связи с тем, что нейробиология всё сильнее проникает в сферы психологии и другие науки. В результате возникли прикладные нейронауки. Тем не менее, в России большинство представителей нейронауки - по-прежнему выпускники биологических факультетов.

Изучение человеческого мозга является междисциплинарной наукой и включает в себя много уровней изучения, от молекулярного до клеточного уровня (отдельные нейроны), от уровня относительно небольших объединений нейронов, до больших систем, таких как кора головного мозга или мозжечок, и на самом высоком уровне нервная система в целом.

Темами нейробиологии являются:

деятельность нейротрансмитеров в синапсах;
как гены способствуют развитию нервной системы в зародыше и в течение жизни;
деятельность относительно простых структур нервной системы;
структура и функционирование сложных нервных цепей - восприятие, память, речь.

Мозг революции

Марина Муравьёва, STRF.ru

Для наук XXI века исследования мозга и природы разума будут играть такую же объединяющую роль, какую сыграло для наук прошлого века изучение генов и наследственности. За нейрокогнитивными технологиями будущее, утверждают многие известные учёные. Однако шестая технологическая революция, с которой они связаны, уже подступает…

Нейробиология займёт главное место среди наук XXI века, заявил на Научной сессии МИФИ-2009 (26-30 января, Москва) заведующий лабораторией нейробиологии памяти Научно-исследовательского института нормальной физиологии им. П.К. Анохина РАМН, член-корреспондент РАН и РАМН Константин Анохин. В своём докладе он представил обзор наиболее заметных исследований мозга.

Последнее десятилетие прошлого века было объявлено конгрессом США и Евросоюзом декадой исследования мозга. Фонд Кавли, названный в честь норвежского физика и промышленника, учредил премию, которая вручается за достижения в трёх ведущих научных областях: астрофизике, нанонауках и науках о мозге.

Представители фонда полагают, что в отмеченных областях науки произойдут наиболее крупные открытия XXI века. Данная премия в некоторой степени сопоставима с Нобелевской - как по размеру (составляет миллион евро), так и по значимости. Награды первым лауреатам вручал норвежский король летом 2008 года.

Немецкий физик Кристоф Кох, один из ведущих специалистов в области нейробиологии сознания, как-то сказал, что мы живём в уникальный период истории науки, когда реальностью становятся технологии, позволяющие выяснить, как деятельность объективного мозга приводит к появлению субъективного разума.

Долгое время мозг изучали как обычный орган, а то, как он генерирует мысли и регулирует поведение, не было объектом серьёзных исследований. Сейчас данное направление становится центральной линией для работающих в этой области учёных. Более того, любые исследования когнитивных процессов рассматриваются через изучение принципов работы мозга.

Нейрокогнитивные технологии неслучайно называют технологиями будущего. Понимание принципов работы мозга приведёт к следующей научно-технологической революции, утверждают многие видные учёные. А некоторые эксперты связывают с ними шестую волну технологического развития, которая начнётся с 2010 года и завершится в 2060-м.

Прогнозы учёных были положены в основу известного отчёта о конвергентных технологиях NBIC, подготовленного несколько лет назад Национальным научным фондом США и американским министерством экономики. В отчёте говорится, что из четырёх областей (N - нано, B - био, I - инфо и C - когно) когнитивные технологии являются наименее зрелой, но при этом самой многообещающей сферой: их развитие может иметь наиболее заметные последствия для общества в целом.

Ещё в 1998 году, до появления американского отчёта, Михаил Ковальчук предложил собственную идеологию объединения тех же четырёх областей знания. Так что Россия в этом направлении не отстаёт от Запада. Сейчас в возглавляемом им Курчатовском институте организуется Центр конвергентных технологий, где когнитивные исследования будут развиваться в тесном взаимодействии с работами в области клеточной и молекулярной биологии, биотехнологии, физики, химии, нано- и информационных технологий.

Мы живём в уникальный период истории науки, когда реальностью становятся технологии, позволяющие выяснить, как деятельность объективного мозга приводит к появлению субъективного разума.

«Для наук XXI века изучение мозга и разума будет играть такую же объединяющую роль, какую сыграло для наук прошлого века изучение генов и наследственности, - подчеркнул в своём выступлении Константин Анохин. - Расшифровка ДНК связала большое количество дисциплин: микробиологию, иммунологию, биологию развития, нейробиологию.

Ожидается, что исследование мозга также объединит многие науки, в том числе социальные и общественные, а кроме того послужит цементирующим фактором для создания новых технологий».

К наиболее перспективным направлениям исследований в области изучения мозга, по мнению Константина Анохина, относятся: нейробиология памяти, нейробиология интеллекта и нейробиология сознания. О памяти

В изучении процессов памяти был достигнут большой прогресс. Выявление механизма, благодаря которому клетки способны надолго запоминать информацию, стало основой для разработки различных методов и препаратов, используемых для регуляции памяти.

Вместо психотропных веществ, которые влияют на процессы передачи нервных импульсов и в той или иной степени способны изменять восприятие, эмоции, поведение человека, учёные начали создавать ноотропные лекарства, которые оказывают избирательное действие на внутриклеточные механизмы запоминания информации.

Таким образом данные препараты могут служить мягкими модуляторами процессов запоминания. Многие учёные придерживаются того мнения, что в перспективе препараты, специфически улучшающие свойства памяти, станут применять не только больные с нарушенной памятью, но и люди разных возрастных категорий с ослабевающей памятью.

«Крупнейшие нейробиологи мира прогнозируют, что через несколько лет таблетки для стимуляции памяти могут оказаться такими же привычными для здоровых людей, как витамины», - отметил Константин Анохин.

В разработке ноотропных лекарств Россия занимает сильные позиции в мире. Так, осенью 2008 года отечественный препарат «Димебон» был продан зарубежной компании за 750 миллионов долларов.

Ещё одно направление нейробиологии памяти связано с разработкой нейрочипов, имплантируемых в головной мозг. Это может показаться фантастикой, но уже сейчас проводятся серьёзные исследования. Например, группа Теодора Бергера, известного нейробиолога из Университета Южной Калифорнии, занимается созданием электронного гиппокампа для замены повреждённого.

Как известно, гиппокамп отвечает за перекодировку информации из краткосрочной памяти в долговременную. Предполагается, что такой микрочип, внедрённый в мозг, сможет выполнять те же функции. Авторы планируют в следующем году имплантировать чип в мозг крысы, через два года - обезьяны, а к 2015 году - и в мозг человека.

Об интеллекте.

Учёные, которые занимаются нейробиологией интеллекта, исходят из того, что по эффективности мозг превосходит ныне существующие адаптивные искусственные системы: по разным подсчётам, в миллион или миллиард раз. Правда, по формальным показателям, количество вычислений, которые производит современный компьютер, уже приближается к количеству «вычислений» в мозге.

В настоящее время учёные пытаются применить принципы работы нервной системы для адаптивного управления в искусственных устройствах. Один из ведущих исследователей в данной области, американец Стив Поттер, попробовал несколько лет назад создать нейрогибридный интеллект. Он сделал робот, который управляется не набором микросхем и с помощью программного обеспечения, а несколькими тысячами нейронов, взятых из крысиного мозга.

Для управления роботом Поттер использовал микроэлектронные подложки в виде пластин с энным количеством электродов. На каждой такой подложке он выращивал культуру нервных клеток, из которых далее образовывалась сеть. В ходе экспериментов оказалось, что в создаваемых условиях клеточные культуры проявляют свойства самоорганизации.

«Поттеру удалось добиться, чтобы эти культуры жили около двух лет, - пояснил Константин Анохин. - Но такие гибридные устройства не могут полностью заменить искусственный интеллект. Поэтому учёные пытаются определить, как работает реальная нервная сеть, чтобы симулировать её деятельность в искусственных условиях».

Один из лидеров в этом направлении - компания IBM. Её специалисты совместно с учёными из Института мозга и разума Швейцарской высшей политехнической школы (Лозанна) проводят исследования по симуляции коры головного мозга на суперкомпьютере.

В ноябре 2008 года компания начала проект по разработке новых принципов вычислений, основанных на принципах работы нервной системы. Выходя на этот уровень моделирования искусственного интеллекта и создания вычислительных систем новейшего поколения, авторы полагаются на успехи в нейро- и нанонауках, а также на развитие суперкомпьютеров.

Проект компании IBM позиционируется как разработка принципиально новой компьютерной архитектуры, которая через год-два будет сопоставима по своим возможностям с интеллектом крысы.

О сознании.

Нейробиология сознания - для учёных самая сложная, гроссмейстерская задача, отметил Константин Анохин. В практической плоскости целью таких исследований является создание прямых нейронных «мозгомашинных» и «мозгокомпьютерных» интерфейсов.

В своей работе учёные опираются на феномен специализации клеток мозга, суть которого в том, что даже рядом расположенные мозговые клетки могут иметь совершенно разную связь с когнитивными аспектами поведения.
Описал этот феномен российский учёный Вячеслав Швырков в 1970-е годы, а позднее американские нейрофизиологи и нейрохирурги во главе с Уильямом Фреем доказали его экспериментально.

У пациентов, страдающих эпилепсией, которым в терапевтических целях в мозг были имплантированы микроэлектроды, регистрировали работу отдельных нервных клеток. Когда им показывали сотни разных фотографий, выяснилось, что в передней области гипоталамуса клетки очень специализированы. Например, у одного пациента наблюдалась активация определённого нейрона в момент узнавания изображения актрисы Холли Берри.

Причём пациенту предъявлялись её снимки в той или иной одежде, в различных ролях, карикатуры и даже кадр, на котором была просто надпись «Холли Берри» на экране компьютера. При взгляде ни на чьи другие фотографии данный конкретный нейрон не реагировал. При этом соседний с ним нейрон у того же пациента активизировался только на образ матери Терезы.

Для объяснения принципов организации сознания нельзя использовать какие-то усредняющие сигналы. Если бы учёные умели быстро и эффективно определять «специализацию» клеток мозга и могли управлять ими, то получили бы ключ к исследованию субъективных процессов в сознании человека.

Подобные исследования, по мнению Константина Анохина, свидетельствуют о том, что для объяснения принципов организации сознания нельзя использовать какие-то усредняющие сигналы. Если бы учёные умели быстро и эффективно определять «специализацию» клеток мозга и могли управлять ими, то получили бы ключ к исследованию субъективных процессов в сознании человека. «Такие технологии постепенно развиваются и за ними определённо будущее», - отметил г-н Анохин.

Наибольшую известность в области разработки «мозгомашинных» интерфейсов получил эксперимент американского нейробиолога Мигеля Николелиса. Внедряя в мозг обезьяны несколько электродов, учёный добился поразительной синхронизации движения настоящей руки животного и её роботизированного аналога. Стоило мартышке сжать в своей руке игрушку, как рука робота в точности повторяла её жест.

В мозг человека электрод, выполняющий аналогичную функцию, вживили в 2005 году. Это сделала группа учёных во главе с Джоном Донахью, известным физиологом из Университета Брауна (США) и основателем компании Cyberkinetics. Пациенту, парализованному после инсульта, прямо в мозг ввели микроэлектроды, при помощи которых компьютер измерял электрические импульсы его мозга и преобразовывал их в команды для управления курсором.

Больной представлял, что двигает правой или левой рукой, и курсор на экране монитора перемещался в ту или иную сторону. Функциональность устройства навела учёных на мысль попробовать изготовить механические протезы, управляемые мозгом посредством вживлённых в него электродов.

Дальнейшие исследования в этом направлении связаны с достижением большей точности в регистрации деятельности нервных клеток. Решение данной задачи, в свою очередь, напрямую зависит от развития новых технологий, в первую очередь в области нано. В частности, отметил Константин Анохин, сейчас разрабатываются «специальные наноэлектроды, которые способны существовать в нервной системе несколько лет без потери эффективности сигнала».

, психогенетики . Важным направлением когнитивной нейробиологии является изучение людей, имеющих нарушения психической деятельности вследствие повреждений головного мозга.

Связь строения нейронов с когнитивными способностями подтверждается такими фактами, как увеличение количества и размеров синапсов в мозге крыс в результате их обучения, уменьшение эффективности передачи нервного импульса по синапсам, наблюдаемое у людей, страдающих болезнью Альцгеймера .

Одним из первых мыслителей, утверждавших, что мышление осуществляется в головном мозге, был Гиппократ . К девятнадцатому веку такие учёные, как Иоганн Петер Мюллер предпринимают попытки изучить функциональную структуру головного мозга в аспекте локализации мыслительных и поведенческих функций в отделах головного мозга.

Приемы и методы

Томография

Структура мозга изучается при помощи компьютерной томографии , магнитно-резонансной томографии , ангиографии . Компьютерная томография и ангиография имеют меньшее разрешение при отображении мозга чем магнитно-резонансная томография.

Исследование активности зон мозга на основе анализа метаболизма позволяет осуществить позитронно-эмиссионная томография и функциональная магнитно-резонансная томография .

Позитронно-эмиссионная томография сканирует повышенное потребление глюкозы в активных участках мозга. Интенсивность потребления вводимой радиоактивной формы глюкозы рассматривается как параметр более высокой активности клеток данного участка мозга.
Функциональная магнитно-резонансная томография сканирует интенсивность потребления кислорода . Кислород фиксируется в результате приведения частиц атома кислорода в сильном магнитном поле в нестабильное состояние. Преимуществом данного вида томографии является большая временна́я точность по сравнению с позитронно-эмиссионной томографией - возможность фиксировать изменения длительность которых не превышает нескольких секунд.

Электроэнцефалограмма

Отделы головного мозга и психическая деятельность

Передний мозг

Кора больших полушарий играет важнейшую роль в психической деятельности. Кора головного мозга выполняет функцию обработки информации полученной через органы чувств, осуществление мышления, другие когнитивные функции. Кора головного мозга функционально состоит из трех зон: сенсорная, моторная и ассоциативная зоны. Функция ассоциативной зоны связывать между собой активность сенсорных и моторных зон. Ассоциативная зона, предполагается, получает и перерабатывает информацию из сенсорной зоны и инициирует целенаправленное осмысленное поведение. Центр Брока и область Вернике расположены в ассоциативных зонах коры. Ассоциативная зона лобных долей коры головного мозга, предполагается, ответственна за логическое мышление, суждения и умозаключения осуществляемые человеком.

Лобная доля коры больших полушарий - планирование, контроль и выполнение движений (двигательная (моторная) область коры больших полушарий - прецентральная извилина), речь, абстрактное мышление, суждение.

Искусственное стимулирование моторной области коры больших полушарий обуславливает движение соответствующей части тела. Контроль движения части тела контралатерально соответствующей зоны моторной области коры больших полушарий ответственной за движение этой части тела. Верхние части тела контролируются более нижележащими частями моторной области коры больших полушарий.

Теменная доля коры головного мозга - соматосенсорные функции. В постцентральной извилине заканчиваются афферентные пути поверхностной и глубокой чувствительности . Развитие моторных и чувствительных функций коры головного мозга определило большую площадь тех зон которые соответствуют частям тела, наиболее значимым в поведении и получении информации из внешнего мира. Электростимулирование постцентральной извилины обуславливает чувство прикосновения в соответствующей части тела.

Затылочная доля коры головного мозга - зрительная функция. Волокна по которым поступает зрительная информация в кору головного мозга направлены как контралатерально так и ипсилатерально.(Зрительный перекрест Optic Chiasm)

Височная доля коры головного мозга - слуховая функция,

Средний мозг

Ссылки

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Когнитивная нейробиология" в других словарях:

Нейробиология наука, изучающая устройство, функционирование, развитие, генетику, биохимию, физиологию и патологию нервной системы. Изучение поведения является также разделом нейробиологии. За рубежом, а в последние 5 6 лет также и в России… … Википедия

- (когнитивная наука) (лат. cognitio познание) междисциплинарное научное направление, объединяющее теорию познания, когнитивную психологию, нейрофизиологию, когнитивную лингвистику и теорию искусственного интеллекта. В… … Википедия

- (англ. Applied Neuroscience) междисциплинарные научные направления нейронауки с другими науками, имеющие теоретическое и практическое значение. Быстрое развитие в настоящее время получила нейронаука (англ. Neuroscience), поскольку она существенно … Википедия

Логотип трансгуманизма (один из вариантов) Трансгуманизм (от лат. trans сквозь, через, за; лат. humanitas человечность, humanus человечный, homo человек) изменение и развитие человечес … Википедия

Пример управления с помощью однонаправленного нейро компьютерного интерфейса Нейро компьютерный интерфейс (НКИ) (называемый также прямой … Википедия

Мозговой имплантат потенциальное возможное устройство, вводимое в полость черепа и осуществляющее взаимодействие с головным мозгом человека. На нынешнем техническом уровне человеческой цивилизации не представляется возможным полноценного… … Википедия

Дисциплина лежащая на стыке нейробиологии и биомедицинской инженерии и занимающаяся разработкой нейронных протезов. Нейронные протезы являются устройствами, которые могут восстанавливают двигательные, сенсорные и когнитивные функции, которые… … Википедия

Наука о мозге едина. Она включает не только физиологию, но практически все биологические и ряд медицинских дисциплин, физику с ее техническими достижениями, химию с ее возможностями синтеза новых препаратов, математику и информатику, ибо настало время попытаться систематизировать огромный массив накопленных данных и построить, хотя бы в первом приближении, информационную теорию мозга. И, несомненно, эта наука включает психологию и философию.

Одними из первых, кто начал перекидывать мост от физиологии к психологии, были наши великие ученые Иван Сеченов и Иван Павлов, давшие мощный толчок развитию российской физиологической школы. К счастью, она сохранилась. Достижения современной науки о мозге поразительны. Они вызывают сейчас к жизни грандиозные национальные проекты, нацеленные на здоровье человека и создание новых информационных технологий (США и Китай уже начинают их реализовывать). Этот вызов времени должна принять и Россия. Научный потенциал у нас для этого имеется. Нужна только мощная поддержка. Какие же области нейробиологических исследований наиболее важны для нас? Как мне представляется, можно выделить, по крайней мере, шесть актуальных направлений в изучении мозга.

Ионный канал - мембранный белок, "вставленный" в биологическую мембрану, - ключевой молекулярный "чип" живой клетки.

ЭВОЛЮЦИЯ И ИНДИВИДУАЛЬНОЕ РАЗВИТИЕ

Понять природу мозга человека с его высшими психическими способностями невозможно без понимания природы эволюционного процесса. Кстати, термин "эволюционная физиология" был предложен в 1914 г. зоологом Алексеем Северцовым (академик с 1920 г.). А формирование этого фундаментального научного направления связано с отечественной наукой, с именами физиологов академика Леона Орбели и члена-корреспондента АН СССРХачатура Коштоянца. В 1956 г. Орбели создал в Ленинграде Институт эволюционной физиологии и биохимии, добившись присвоения ему имени Ивана Сеченова. Более полувека ведут здесь активные исследования в области эволюционной физиологии. При этом рассмотрению подвергаются различные уровни сложности живых систем. Так, согласно представлению, развиваемому академиком Юрием Наточиным и членом-корреспондентом РАН Николаем Веселкиным, система химической регуляции и сигнализации, возникшая на самых ранних этапах эволюционного процесса у примитивных одноклеточных организмов, оказалась востребованной и при появлении многоклеточных, вплоть до приматов и человека. При этом она эволюционировала в гормональную и специализированную нейроэндокринную системы. Последняя поддерживает гомеостаз, регулирует важнейшие функции мозга и висцеральных (относящихся к внутренним органам) систем.

Изучение механизма онтогенеза - актуальнейшее направление в современной науке о мозге. Этой проблемой успешно занимается академик Михаил Угрюмов в Институте биологии развития им. Н. К. Кольцова РАН (Москва), активно сотрудничая при этом с французскими нейробиологами.

Эволюция сознания - еще одно актуальное и увлекательное направление современной нейробиологии. Если животные обладают "первичным сознанием", то люди - во многом из-за наличия языка - его высшей формой. Вот почему природу человеческого сознания нельзя понять без познания генетических основ и эволюционного развития языка. Вопрос о том, как и когда возник язык, остается открытым. Обсуждаются две возможности: или он продукт генетического "взрыва", или результат постепенного, естественного отбора мелких мутаций. Независимо от ответа, специалисты наносят на эволюционном древе отряда приматов, семейства гоминид, рода Homo sapiens следующую датировку: нейроанатомический субстрат языка возник у Homo erectus около 2 млн. лет назад; протоязык появился у Homo habilis около 1 млн. лет назад; наконец, полностью сформированный язык у Homo sapiens датируется примерно 75 тыс. лет назад. Интереснейшие нейролингвистические исследования на стыке физиологии и лингвистики активно ведет в Санкт-Петербургском университете доктор биологических и доктор филологических наук Татьяна Черниговская.

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИОЛОГИЯ

Мозг взрослого человека содержит около 100 млрд. нервных клеток и порядка 100 трлн контактов между ними, называемых синапсами. Когда говорят об обработке информации в мозге, о "нервных сетях", необходимо иметь в виду, что "сети" - сугубо информационное понятие. На самом деле нервная система - вовсе не сеть, как думали раньше, а 100 млрд. отдельных клеток, контактирующих друг с другом.

Передача информации между ними осуществляется с помощью электрических и химических сигналов. Одна из ключевых задач молекулярной физиологии - понять, как именно электрический сигнал (речь идет не об электрическом токе, конечно, а об ионных токах - положительно заряженных ионах калия, натрия, кальция и отрицательно заряженных ионах, например, хлора) распространяется по длинному (аксону) и короткому (дендриту) отросткам нервной клетки и как он передается химическим путем в месте контакта (в синапсе).

Носителями химической передачи (нейропередатчиками или нейромедиаторами) служат низкомолекулярные соединения - ацетилхолин, глутамат, дофамин и целый ряд других.

К "элементной базе" нервной клетки можно отнести так называемые "мембранные белки", как бы "вставленные" в биологическую мембрану. Из этих встроенных в мембрану белков остановимся на ионных каналах (через них селективно переносятся положительно либо отрицательно заряженные ионы - катионы или анионы) и на рецепторах - мембранных белках, на которые "садятся" и взаимодействуют с ними молекулы нейропередатчика. В состав белковых рецепторов входят как, собственно, рецепторная часть, "узнающая" молекулу нейропередатчика, так и канальная - через нее ионы переносятся. "Классические" ионные каналы управляются, т.е. открываются и закрываются, путем изменения электрического напряжения на мембране. Именно ионные каналы обеспечивают распространение электрического сигнала (нервного импульса) по отросткам нервных клеток. Информация, передающаяся от нейронов к нейронам, закодирована последовательностью таких импульсов. По существу последовательность импульсов - это информационный "язык" мозга.

В состав огромного семейства белковых рецепторов входят так называемые G-белки, или сигнальные, ибо они служат универсальными посредниками при внутриклеточной передаче световых, химических (вкус, обоняние), нервных, гормональных сигналов к другим белкам, ответственным за ту или иную специфическую функцию живой клетки. Из "суперсемейства" G-белоксвязывающих рецепторов наиболее изучен светочувствительный зрительный белок родопсин. Его первичная структура (аминокислотная последовательность) была установлена в начале 1980-х годов академиком Юрием Овчинниковым и его сотрудниками в московском Институте биоорганической химии РАН, который носит теперь имя М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова.

Актуальной задачей молекулярной физиологии сегодня является детальное описание трехмерной структуры каналов и рецепторов, понимание тонкостей их взаимодействия с другими белками. Очевидно, что только фундаментальное знание "элементной базы" клетки позволит понять природу ее нарушений. Другого пути для выяснения глубинных причин заболеваний и успешного их лечения, а также для создания новых лекарств, в том числе нейро- и психотропных, просто не существует.

За выдающиеся успехи в изучении структуры и функции ионных каналов и белков-рецепторов за последние десятилетия получена не одна Нобелевская премия. У нас в этой области успешно работают довольно много научных школ, лабораторий и групп. Так, огромный вклад в изучение ионных каналов внес академик Платон Костюк. Его учеников можно встретить сейчас в России, Украине, во многих других странах. Один из ярких представителей этой школы - член-корреспондент РАН и академик Национальной академии наук Украины Олег Крышталь. Его работы, в том числе по обнаруженным им протончувствительным ионным каналам, публикуют самые престижные научные журналы. Широко известна научная школа доктора медицинских наук Бориса Ходорова (Институт общей патологии и патофизиологии РАМН), чьи труды по ионным каналам и возбудимости нервных клеток стали классическими. Исследования самого высокого класса в этой области молекулярной физиологии ведет член-корреспондент РАН Галина Можаева и ее коллеги в Институте цитологии РАН (Санкт-Петербург).

Исключительно важное направление - изучение модельных систем, т.е. искусственных мембран и "вставленных" в них ионных каналов. В этой сфере на мировом уровне работает член-корреспондент РАН Юрий Чизмаджев и его ученики в Институте физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина РАН (Москва).

Теперь чуть подробнее о синаптических рецепторах, "узнающих" и взаимодействующих с молекулами-нейропередатчиками. Синаптических контактов в мозге, как говорилось, около 100 трлн. Но синапс - не просто контакт, а сложнейшая молекулярная "машинерия". В нем протекают все процессы, приводящие к основным видам мозговой деятельности: восприятию, движению, обучению, поведению и памяти. Синапс - настолько важная структура, что его изучение вылилось в отдельную область нейронауки - синаптологию, в которой российские ученые занимают достойное место.

Еще в 1946 г. упомянутый Хачатур Коштоянц и Тигран Турпаев (академик с 1992 г.) опубликовали в журнале "Nature" пионерскую статью, где впервые представили результаты, свидетельствовавшие о белковой природе синаптического рецептора к нейропередатчику - ацетилхолину. В 60-х - начале 80-х годов XX в. работы мирового класса, касающиеся синапсов спинного мозга и эволюции синаптической передачи, выполнил член-корреспондент АН СССР Александр Шаповалов из Института эволюционной физиологии и биохимии им. И. М. Сеченова.

А недавно сотрудники того же Института - член-корреспондент РАН Лев Магазаник и его ученик доктор биологических наук Денис Тихонов - опубликовали работу об эволюции глутаматных рецепторов - важнейшего класса белковых рецепторов центральной нервной системы и мозга.

Глутамат - ключевой возбуждающий нейропередатчик, а рецептор к нему, как оказалось, - один из самых древних: его предшественники найдены даже у растений и прокариот (примитивных одноклеточных безъядерных организмов). Знание пространственной организации и молекулярной физиологии этих рецепторов позволяет лаборатории Магазаника вести осмысленный, целенаправленный поиск новых нейро- и психотропных препаратов. Некоторые из них уже проходят испытания на животных.

Еще один пример успехов в понимании эволюции, структуры и функции белкового рецептора - изучение рецептора к ацетилхолину. Как и глутамат, ацетилхолин также ключевой нейропередатчик. Приоритетные исследования в этой "горячей" области синаптологии ведут члены-корреспонденты РАН Виктор Цетлин и Евгений Гришин в Институте биоорганической химии им. М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова.

Оригинальное и вместе с тем традиционное направление синаптологии - изучение синапса между нервной и мышечной клетками. Его успешно развивают член-корреспондент РАН Евгений Никольский и член-корреспондент РАМН Андрей Зефиров (Казанский институт биохимии и биофизики РАН и Казанский государственный медицинский университет).

Повторю: синапс - это сложнейшая молекулярная "машинерия". В ее нарушениях лежат причины нервных и психических расстройств; с синапсом связана нейро- и психофармакология настоящего и будущего.

ФИЗИОЛОГИЯ СЕНСОРНЫХ СИСТЕМ

В нашей стране это традиционно одно из сильных направлений. У его истоков стояли академики физиолог Леон Орбели и физик Сергей Вавилов. Именно они в 1930-х годах дали мощный толчок исследованиям сначала в области физиологии зрения, которыми сами занимались, а затем слуха и других сенсорных модальностей. В работе любой сенсорной системы можно выделить три основных этапа. Первый - рецепция, т.е. восприятие и преобразование энергии внешнего воздействия - светового (зрение), механического (осязание, слух) или химического (вкус, обоняние) в физиологический сигнал. Второй - передача и информационная обработка сигнала на всех уровнях сенсорной системы: от рецепторного до специализированных подкорковых и корковых отделов головного мозга. Третий - формирование в коре головного мозга субъективного образа объективного внешнего мира. Каждый этап - предмет исследований специалистов различных областей знания.

Сенсорную фоторецепцию успешно изучают в нескольких лабораториях, в том числе докторов биологических наук Виктора Говардовского в Институте эволюционной физиологии и биохимии им. И. М. Сеченова РАН, Олега Синещекова и Павла Филиппова в МГУ им. М. В. Ломоносова, автора данной статьи в Институте биохимической физики им. Н. М. Эмануэля РАН. Работы по вкусовой рецепции успешно ведутся в лаборатории Станислава Колесникова в Институте биофизики клетки РАН в Пущине Понимание "молекулярной машинерии" сенсорной рецепции открывает новые возможности как для медицины, так и для техники. Например, результаты исследования первичных фотохимических реакций в молекуле светочувствительного зрительного белка родопсина могут оказаться перспективными для создания устройств высокого быстродействия для обработки информации. Дело в том, что эта фотохимическая реакция совершается в родопсине за ультракороткое время - 100 - 200 фс (1 фемтосекунда - 10 - 15 с). Недавно в совместной работе лабораторий доктора физико-математических наук Олега Саркисова в Институте химической физики им. Н. Н. Семенова РАН, академика Михаила Кирпичникова в Институте биоорганической химии им. М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова РАН и автора данной статьи было показано, что реакция эта является не только сверхбыстрой, но и фотообратимой. Это означает, что по образу и подобию родопсина может быть создан молекулярный "фотопереключатель" или "фоточип", работающий в фемто- и пикосекундной шкалах времени.

Передача и обработка сенсорной информации, опознание и формирование субъективного образа внешнего мира, оценка его биологической и смысловой значимости - стремительно развивающаяся область сенсорной физиологии. В этой области у нас плодотворно работает лаборатория в Институте высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, которую до начала 2010 г. возглавлял академик Игорь Шевелев, а также лаборатории доктора медицинских наук Юрия Шелепина, члена-корреспондента РАН Якова Альтмана в Институте физиологии им. И. П. Павлова РАН (Санкт-Петербург), доктора биологических наук Александра Супина в Институте проблем экологии и эволюции им. А. Н. Северцова РАН (Москва).

ФИЗИОЛОГИЯ ДВИЖЕНИЯ

Слова Сеченова о том, что "все внешние проявления мозговой деятельности могут быть сведены на мышечное движение", справедливы и сегодня. Современная физиология движения - это область интереса физиологов, математиков и специалистов в области теории управления.

Ключевую роль в организации двигательного поведения играет обратная связь, позволяющая оценить ход выполнения и результат движения и при необходимости скорректировать их. Первыми это осознали еще в 1930 - 1940-х годах наши выдающиеся физиологи член-корреспондент АМН СССР Николай Бернштейн и академик Петр Анохин. Последующие исследования, выполненные в 1960-е годы академиками физиологом Виктором Гурфинкелем и математиком Израилем Гельфандом совместно с их учениками, стали классическими. Полученные тогда результаты легли в основу создания шагающего робота, новых методов реабилитации больных с повреждениями спинного мозга. Классической стала и работа сотрудников Института проблем передачи информации АН СССР Григория Орловского, Федора Северина и Марка Шика, опубликованная в 1967 г., в которой впервые был описан спинальный генератор шагательных движений.

Совсем недавно доктор биологических наук Юрий Герасименко из лаборатории физиологии движений Института физиологии им. И. П. Павлова РАН совместно с американскими физиологами показали, что электрическая стимуляция спинного мозга в сочетании с фармакологическим воздействием вызывала у крыс хорошо координированные шагательные движения, т.е. ходьбу, с полной поддержкой веса тела (эти результаты опубликованы в нейробиологическом научном журнале "Nature Neuroscience" в 2009 г.)

Успех проведенных на животных экспериментов дает надежду тысячам парализованных спинальных больных на хотя бы частичную реабилитацию.

Физиология движения продолжает оставаться у нас предметом активного изучения.

Физиология двигательной системы - важнейшая составная часть гравитационной физиологии, в которую наши ученые внесли исключительно большой вклад. Исследования в условиях невесомости позволили определить роль систем мозга, в первую очередь сенсорных, в обеспечении нормального двигательного поведения. В этом направлении активно работает лаборатория члена-корреспондента РАН Инесы Козловской в Институте медико-биологических проблем РАН.

Понимание физиологических механизмов движения составляет основу неврологии, и в этой важной медико-физиологической области у нас давно и успешно работает лаборатория доктора медицинских наук Марата Иоффе в Институте высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН.

ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПСИХИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ

Это направление одно из самых увлекательных, бурно развивающихся и, можно сказать, революционных. За последние годы в этой области достигнуты поразительные успехи и, что, пожалуй, еще важнее, сформулированы новые вопросы, на которые еще предстоит ответить. Мостик, перекинутый Иваном Сеченовым и Иваном Павловым от физиологии к психологии, превращается в генеральный путь современной нейронауки. Что здесь главное с точки зрения физиологических механизмов? То, что в них задействованы как синапсы, так и гены, как межклеточные взаимодействия, так и внутриклеточная "машинерия". В этой связи нельзя не вспомнить великого испанского гистолога Рамон-и-Кахаля. Еще в 1894 г. он высказал идею: в основе обучения лежит повышение эффективности работы синапса (ныне это установлено с помощью тонких современных методов). Причем повторная активация приводит к еще большей эффективности.

Исключительно важным является электрофизиологическое изучение механизмов обучения и памяти. У нас оно успешно развивается, например, в лаборатории члена-корреспондента РАН и РАМН Владимира Скребицкого (Научный центр неврологии РАМН): здесь разрабатывают лекарственные препараты, улучшающие память, нарушенную при заболеваниях головного мозга или слабеющую вследствие старения.

Начиная с 1970-х годов успехи в исследовании клеточных и молекулярных механизмов памяти в значительной мере связаны с изучением простых нервных систем беспозвоночных животных. Во-первых, они - удобный объект для различного рода экспериментов, во-вторых, крайне интересны с точки зрения эволюции и сравнительной физиологии. Одним из первых, кто подробно исследовал еще в 1960 - 1970-е годы синаптическую передачу и разнообразие нейропередатчиков на моллюсках, стал доктор биологических наук Дмитрий Сахаров в Институте биологии развития им. Н. К. Кольцова РАН. Среди ведущих научных коллективов, изучающих механизмы обучения, памяти и поведения у беспозвоночных, - лаборатория доктора биологических наук Павла Балабана в Институте высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН. Используя современные электрофизиологические и оптические методы регистрации активности нейронов улитки, ему с сотрудниками удалось описать организацию нервных сетей в простых нервных системах. Для построения будущей информационной теории мозга накопление экспериментальных данных такого рода представляет исключительную ценность.

В механизмах обучения и памяти задействованы, как говорилось, и синапсы, и внутриклеточная "машинерия". Кратковременная память (минуты - десятки минут) зависит от конформационных изменений белковых молекул синаптических структур, тогда как долговременная (дни и годы) обусловлена экспрессией генов, синтезом новых белков, молекул РНК и появлением новых синапсов. Вопрос в том, какие именно гены активируются при обучении и что именно они делают в нервных клетках? У нас в этом направлении успешно работает лаборатория члена-корреспондента РАН и РАМН Константина Анохина в Институте нормальной физиологии им. П. К. Анохина РАМН (Москва).

Поразительные успехи достигнуты в понимании локализации различных видов памяти благодаря новым методам визуализации мозга. Речь прежде всего идет о функциональной магнитно-резонансной томографии, хотя у нас ее пока применяют, в основном, в клинике. Что касается позитронно-эмиссионной томографии, то для фундаментальных исследований ее успешно используют член-корреспондент РАН Святослав Медведев и его сотрудники в Институте мозга человека им. Н. П. Бехтеревой РАН (Санкт-Петербург).

С помощью этих методов показано, что память не диффузно распределена по мозгу, как думали раньше, а локализована в определенных его отделах. Это принципиально важный вывод для физиологии (нейро- и психофизиологии) и медицины (неврологии, нейрохирургии, психиатрии).

Теперь о сознании - проблеме на стыке, по крайней мере, трех наук - физиологии, психологии и философии. Что здесь главное? Осознание того важнейшего положения, согласно которому СОЗНАНИЕ - это процесс, действие, а не "нечто" такое, что пассивно лежит в мозге. Никто не может сейчас дать краткого и ясного определения сознания. По поводу его механизмов выдвинуто довольно много гипотез. Одну из них в 1980 - 1990-е годы предложил член-корреспондент РАН Алексей Иваницкий (Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН). Суть ее в том, что важнейший элемент сознания - субъективный образ внешнего мира - возникает в проекционной коре мозга в результате синтеза поступающей извне сенсорной информации с информацией, содержащейся в памяти. Сопоставление потока новой, поступающей и хранящейся информации - ключевой момент в "потоке сознания". Синтез же происходит в результате кругового движения нервных импульсов. Подобные идеи несколько позднее стали развивать и другие ученые, в том числе нобелевский лауреат 1972 г. Джералд Эдельман (США).

Заключая этот раздел, следует подчеркнуть: проблема "сознание и мозг" требует соединения естественно-научного и гуманитарного знания.

НЕЙРОИНФОРМАТИКА

Становится очевидным, что научная политика развитых стран в первой половине XXI в. будет ориентирована на исследования мозга и его высших функций. Важнейшая роль в решении этих задач принадлежит нейроинформатике. Математика и вычисления в нейроинформатике немыслимы в отрыве от нейробиологии.

Материальным субстратом передачи, обработки и анализа информации в мозге являются электрические нервные импульсы в синапсах - от нейрона к нейрону. Поэтому, когда говорят об обработке информации в "нервных сетях", речь идет о понимании кодов импульсов, несущих информацию, и об устройстве самих этих "сетей", т.е. систем связей между нейронами. Кроме того, необходимо понять "молекулярную машинерию" отдельных нейронов. Необходимо это потому, что многие физико-химические процессы, происходящие внутри клетки, не только обеспечивают ее жизнедеятельность, но, по всей видимости, одновременно выполняют и роль вычислительных операций.

Несмотря на огромный фронт работ в области нейроинформатики, следует признать, что удовлетворительного математического языка для описания неформализуемых живых систем - живой клетки или "нервных сетей" - пока не создано. Это - одна из самых "горячих точек" современной науки о мозге. Вычислительные нейроисследования во всем мире ведутся очень активно. У нас в этом направлении успешно работают группы и лаборатории в Москве, Ростове-на-Дону, Санкт-Петербурге, Нижнем Новгороде. Но, в отличие от США, многих стран Европы и Азии, они, к сожалению, крайне немногочисленны.

Что же касается практических приложений, в частности медицинских, то они имеются, и довольно впечатляющие. Одно из них - технология прямого сопряжения мозга с внешним техническим устройством. Сейчас созданы системы, способные передавать информацию в одном направлении - от мозга к компьютеру. Скажем, регистрируя вызванные потенциалы от определенных областей коры головного мозга и передавая их во внешнее устройство, пациент, не способный говорить и двигаться, может на расстоянии сообщить медицинскому персоналу нужную информацию. В обозримом будущем стандартной операционной процедурой станет вживление в мозг электронной системы, позволяющей управлять инвалидной коляской, протезом руки или ноги.

Во всех этих случаях речь идет о регистрации и передаче надежно детектируемых электрических сигналов (потенциалов), генерируемых определенными областями мозга. Работы в этой прикладной области у нас ведут несколько коллективов. Например, в лаборатории доктора биологических наук Александра Фролова в Институте высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН предложены оригинальные методы ранней диагностики двигательных заболеваний.

Еще одно медицинское приложение - нейропротезирование. Миллионам пациентов уже установлены слуховые чипы, воспринимающие звук и передающие информацию непосредственно нейронам соответствующих центров мозга. Благодаря этому глухие люди слышат и понимают речь. В будущем возможно появление зрительных и обонятельных электронных протезов. Предпринимаются попытки передачи информации извне, помимо органов чувств, непосредственно в мозг.

Другое бурно развивающееся направление практического приложения нейроинформатики - робототехника. В 1970 - 1990-х годах именно в этой области были выполнены пионерские работы в рамках отечественной лунной программы. Речь идет о создании робота, способного передвигаться по сильно пересеченной местности. Вначале задача казалась почти невыполнимой. Решить ее позволило понимание механизмов организации двигательной активности животных. Коллективом физиологов под руководством академика Виктора Гурфинкеля (Институт проблем передачи информации АН СССР) и механиков, возглавляемых академиком Дмитрием Охоцимским и доктором физико-математических наук Евгением Девяниным (Институт прикладной математики АН СССР и Институт механики МГУ им. М. В. Ломоносова) была создана знаменитая "Шестиножка" - механическое "насекомое". Она стала прообразом множества современных, изощренных антропоморфных роботов, способных, например, играть в настольный теннис (Япония). Работы в этом направлении (управление движениями) у нас продолжаются в лаборатории доктора биологических наук Юрия Левика в Институте проблем передачи информации им. А. А. Харкевича РАН.

Что касается создания искусственного интеллекта и компьютеров нового поколения, то в этой бурно развивающейся области заняты специалисты различного профиля. Конечно, современные суперкомпьютеры во многих отношениях превосходят возможности человеческого мозга. Но в отличие от Homo sapiens даже самые совершенные из них разумом не обладают. Однако, по мнению ряда исследователей в области информатики, проблема эта техническая, и в относительно недалеком будущем будет решена.

Прекрасное или ужасное будущее ждет человечество? К этой ключевой этической проблеме приводит стремительный прогресс в области нейронаук. Удивительные возможности, открывающиеся для воздействия на человеческую личность и социальную жизнь общества, перспектива создания антропоморфных "когнитивных компьютеров" и многое другое с неизбежностью ставят этот "проклятый" вопрос. Ответ на него, как это неоднократно случалось в истории, зависит не только и не столько от ученых, сколько от самого общества.

Академик Михаил ОСТРОВСКИЙ, президент Физиологического общества им. И. П. Павлова, заведующий лабораторией Института биохимической физики им. Н. М. Эмануэля РАН

Что знает наука о мозге

Член-корреспондент РАН С. В. Медведев

Несмотря на все достижения современной науки, человеческий мозг остаётся самым загадочным объектом. С помощью сложнейшей тонкой аппаратуры учёные Института мозга человека Российской АН смогли „проникнуть“ в глубины мозга, не нарушая его работы, и выяснить, каким образом происходит запоминание информации, обработка речи, как формируются эмоции. Эти исследования помогают не только разобраться в том, как выполняет мозг свои важнейшие психические функции, но и разработать методы лечения тех людей, у которых они нарушены. Об этих и других работах Института мозга человека рассказывает его директор С.В. Медведев.

Мозг против мозга - кто кого?

Проблема исследования мозга человека, соотношения мозга и психики - одна из самых захватывающих задач, которые когда-либо возникали в науке. Впервые поставлена цель познать нечто, равное по сложности самому инструменту познания. Ведь всё, что до сих пор исследовалось - и атом, и галактика, и мозг животного - было проще, чем мозг человека. С философской точки зрения неизвестно, возможно ли в принципе решение этой задачи. Ведь, кроме приборов и методов, главным средством познания мозга остаётся опять-таки наш человеческий мозг. Обычно прибор, который изучает какое-то явление или объект, сложнее этого объекта, в этом же случае мы пытаемся действовать на равных - мозг против мозга.

Грандиозность задачи привлекала многие великие умы: о принципах работы мозга высказывались и Гиппократ, и Аристотель, и Декарт и многие другие.

В прошлом веке были обнаружены зоны мозга, отвечающие за речь, - по имени открывателей их называют области Брока и Вернике. Однако настоящее научное исследование мозга началось с работ нашего гениального соотечественника И.М. Сеченова. Далее - В.М. Бехтерев, И.П. Павлов… Здесь я остановлюсь в перечислении имён, так как выдающихся исследователей мозга в двадцатом веке много, и слишком велика опасность кого-нибудь пропустить (особенно из ныне здравствующих, не дай Бог). Были сделаны великие открытия, но возможности методик того времени для изучения человеческих функций весьма ограничены: психологические тесты, клинические наблюдения и начиная с тридцатых годов электроэнцефалограмма. Это всё равно, что пытаться узнать, как работает телевизор, по гудению ламп и трансформаторов или по температуре футляра, либо попробовать понять роль составляющих его блоков, исходя из того, что произойдёт с телевизором, если этот блок разбить.

Однако устройство мозга, его морфологию изучили уже довольно хорошо. А вот представления о функционировании отдельных нервных клеток были очень отрывочными. Таким образом, не хватало полноты знаний о кирпичиках, составляющих мозг, и необходимых инструментов для их исследования.

Два прорыва в исследованиях мозга человека

Реально первый прорыв в познании мозга человека был связан с применением метода долгосрочных и краткосрочных имплантированных электродов для диагностики и лечения больных. В то же время учёные начали понимать, как работает отдельный нейрон, как происходит передача информации от нейрона к нейрону и по нерву. В нашей стране первыми в условиях непосредственного контакта с мозгом человека стали работать академик Н.П. Бехтерева и её сотрудники.

Так были получены данные о жизни отдельных зон мозга, о соотношении его важнейших разделов - коры и подкорки и многие другие. Однако мозг состоит из десятков миллиардов нейронов, а с помощью электродов можно наблюдать лишь за десятками, да и то в поле зрения исследователей часто попадают не те клетки, которые нужны для исследования, а те, что оказались рядом с лечебным электродом.

Тем временем в мире совершалась техническая революция. Новые вычислительные возможности позволили вывести на новый уровень исследование высших функций мозга с помощью электроэнцефалографии и вызванных потенциалов. Возникли и новые методы, позволяющие „заглянуть внутрь“ мозга: магнитоэнцефалография, функциональная магниторезонансная томография и позитронно-эмиссионная томография. Всё это создало фундамент для нового прорыва. Он действительно произошёл в середине восьмидесятых годов.

В это время научный интерес и возможность его удовлетворения совпали. Видимо, поэтому Конгресс США объявил девяностые годы десятилетием изучения человеческого мозга. Эта инициатива быстро стала международной. Сейчас во всём мире над исследованием человеческого мозга трудятся сотни лучших лабораторий.

Главное направление деятельности института: фундаментальные исследования организации мозга человека и его сложных психических функций - речи, эмоций, внимания, памяти. Но не только. Одновременно учёные должны вести поиск методов лечения тех больных, у которых эти важные функции нарушены. Соединение фундаментальных исследований и практической работы с больными было одним из основных принципов деятельности института, разработанных его научным руководителем Натальей Петровной Бехтеревой.

Недопустимо ставить эксперименты на человеке. Поэтому большая часть исследований мозга проводится на животных. Однако есть явления, которые могут быть изучены только на человеке. Например, сейчас молодой сотрудник моей лаборатории защищает диссертацию об обработке речи, её орфографии и синтаксиса в различных структурах мозга. Согласитесь, что это трудно исследовать на крысе. Институт специально ориентирован на исследование того, что нельзя изучать на животных. Мы проводим психофизиологические исследования на добровольцах с применением так называемой неинвазивной техники, не „залезая“ внутрь мозга и не причиняя человеку особенных неудобств. Так осуществляются, например, томографические обследования или картирование мозга с помощью электроэнцефалографии.

Но бывает, что болезнь или несчастный случай „ставят эксперимент“ на человеческом мозге - например, у больного нарушается речь или память. В этой ситуации можно и нужно исследовать те области мозга, работа которых нарушена. Или, наоборот, у пациента утерян или повреждён кусочек мозга, и учёным предоставляется возможность изучить, какие свои „обязанности“ мозг не может выполнять с таким нарушением.

У нас прекрасные высококвалифицированниые доктора и медсёстры. Без этого нельзя - ведь мы на переднем крае науки, и нужна высочайшая квалификация, чтобы реализовать новые методики. Практически каждая лаборатория института замкнута на отделения клиники, и это залог непрерывного появления новых подходов. Кроме стандартных методов лечения у нас проводят хирургическое лечение эпилепсии и паркинсонизма, психохирургические операции, лечение мозговой ткани магнитостимуляцией, лечение афазии с помощью электростимуляции, а также многое другое. В клинике лежат тяжёлые больные, и бывает удаётся помочь им в случаях, считавшихся безнадёжными. Конечно, это возможно не всегда. Вообще, когда слышишь какие-либо безграничные гарантии в лечении людей, это вызывает очень серьёзные сомнения.

Будни и звёздные часы лабораторий

В каждой лаборатории есть свои достижения. Например, лаборатория, которой руководит профессор В.А. Илюхина, ведёт разработки в области нейрофизиологии функциональных состояний головного мозга.

Что это такое? Попробую объяснить на простом примере. Каждый знает, что одна и та же фраза иногда воспринимается человеком диаметрально противоположно в зависимости от того, в каком состоянии он находится: болен или здоров, возбуждён или спокоен. Это похоже на то, как одна и та же нота, извлекаемая, например, из органа, имеет разный тембр в зависимости от регистра. Наш мозг и организм - сложнейшая многорегистровая система, где роль регистра играет состояние человека. Можно сказать, что весь спектр взаимоотношений человека с окружающей средой определяется его функциональным состоянием. Оно определяет и возможность „срыва“ оператора за пультом управления сложнейшей машиной, и реакцию больного на принимаемое лекарство.

В лаборатории профессора Илюхиной исследуют функциональные состояния, а также то, какими параметрами они определяются, как эти параметры и сами состояния зависят от регуляторных систем организма, как внешние и внутренние воздействия изменяют состояния, иногда вызывая болезнь, и как в свою очередь состояния мозга и организма влияют на течение заболевания и действие лекарственных средств. С помощью полученных результатов можно сделать правильный выбор между альтернативными путями лечения. Проводится и определение приспособительных возможностей человека: насколько он будет устойчив при каком-либо лечебном воздействии, стрессе.

Очень важной задачей занимается лаборатория нейроиммунологии. Нарушения иммунорегуляции часто приводят к возникновению тяжёлых заболеваний головного мозга. Это состояние надо диагностировать и подобрать лечение - иммунокоррекцию. Типичный пример нейроиммунного заболевания - рассеянный склероз, изучением которого в институте занимается лаборатория под руководством профессора И.Д. Столярова. Не так давно он вошёл в совет Европейского комитета, занимающегося исследованием и лечением рассеянного склероза.

В двадцатом веке человек начал активно изменять окружающий его мир, празднуя победу над природой, но оказалось, что праздновать рано: при этом обостряются проблемы, созданные самим человеком, так называемые техногенные. Мы живём под воздействием магнитных полей, при свете мигающих газосветных ламп, часами смотрим на дисплей компьютера, говорим по мобильному телефону… Всё это далеко не безразлично для организма человека: например, хорошо известно, что мигающий свет способен вызвать эпилептический припадок. Можно устранить вред, наносимый при этом мозгу, очень простыми мерами - закрыть один глаз. Чтобы резко снизить „поражающее действие“ радиотелефона (кстати, оно ещё точно не доказано), можно просто изменить его конструкцию так, чтобы антенна была направлена вниз и мозг не облучался. Этими исследованиями занимается лаборатория под руководством доктора медицинских наук Е.Б. Лыскова. Например, он и его сотрудники показали, что воздействие переменного магнитного поля отрицательно сказывается на процессе обучения.

На уровне клеток работа мозга связана с химическими превращениями различных веществ, поэтому для нас важны результаты, полученные в лаборатории молекулярной нейробиологии, руководимой профессором С.А. Дамбиновой. Сотрудники этой лаборатории разрабатывают новые методы диагностики заболеваний мозга, проводят поиск химических веществ белковой природы, которые способны нормализовать нарушения в ткани мозга при паркинсонизме, эпилепсии, наркотической и алкогольной зависимости. Оказалось, что употребление наркотиков и алкоголя приводит к разрушению нервных клеток. Их фрагменты, попадая в кровь, побуждают иммунную систему вырабатывать так называемые „аутоантитела“. „Аутоантитела“ остаются в крови ещё долгое время, даже у людей, переставших употреблять наркотики. Это своеобразная память организма, хранящая информацию об употреблении наркотиков. Если измерить в крови человека количество аутоантител к специфическим фрагментам нервных клеток, можно поставить диагноз „наркомания“ даже через несколько лет после того, как человек перестал употреблять наркотики.

Можно ли «перевоспитать» нервные клетки?

Одно из самых современных направлений в работе института - стереотаксис. Это медицинская технология, обеспечивающая возможность малотравматичного, щадящего, прицельного доступа к глубоким структурам головного мозга и дозированное воздействие на них. Это нейрохирургия будущего. Вместо „открытых“ нейрохирургических вмешательств, когда, чтобы достичь мозга, делают большую трепанацию, предлагаются малотравматичные, щадящие воздействия на головной мозг.

В развитых странах, прежде всего в США, клинический стереотаксис занял достойное место в нейрохирургии. В США в этой сфере сегодня работают около 300 нейрохирургов - членов Американского стереотаксического общества. Основа стереотаксиса - математика и точные приборы, обеспечивающие прицельное погружение в мозг тонких инструментов. Они позволяют „заглянуть“ в мозг живого человека. При этом используется позитронно-эмиссионная томография, магниторезонансная томография, компьютерная рентгеновская томография. „Стереотаксис - мерило методической зрелости нейрохирургии“ - мнение ныне покойного нейрохирурга Л.В. Абракова. Для стереотаксического метода лечения очень важно знание роли отдельных „точек“ в мозге человека, понимание их взаимодействия, знание того, где и что именно нужно изменить в мозге для лечения той или иной болезни.

В институте существует лаборатория стереотаксических методов, которой руководит доктор медицинских наук, лауреат Государственной премии СССР А.Д. Аничков. По существу, это ведущий стереотаксический центр России. Здесь родилось самое современное направление - компьютерный стереотакcис с программно-математическим обеспечением, которое осуществляется на электронной вычислительной машине. До наших разработок стереотаксические расчёты проводились нейрохирургами вручную во время операции, сейчас же у нас разработаны десятки стереотаксических приборов; некоторые прошли клиническую апробацию и способны решать самые сложные задачи. Совместно с коллегами из ЦНИИ „Электроприбор“ создана и впервые в России серийно выпускается компьютеризированная стереотаксическая система, которая по ряду основных показателей превосходит аналогичные зарубежные образцы. Как выразился неизвестный автор, „наконец, робкие лучи цивилизации осветили наши тёмные пещеры“.

В нашем институте стереотаксис применяется при лечении больных, страдающих двигательными нарушениями (паркинсонизмом, болезнью Паркинсона, хореей Гентингтона и другими), эпилепсией, неукротимыми болями (в частности, фантомно-болевым синдромом), некоторыми психическими нарушениями. Кроме того, стереотаксис используется для уточнения диагноза и лечения некоторых опухолей головного мозга, для лечения гематом, абсцессов, кист мозга. Стереотаксические вмешательства (как и все остальные нейрохирургические вмешательства) предлагаются больному только в том случае, если исчерпаны все возможности медикаментозного лечения и само заболевание угрожает здоровью пациента или лишает его трудоспособности, делает асоциальным. Все операции производятся только при согласии больного и его родственников, после консилиума специалистов разного профиля.

Существуют два вида стереотаксиса. Первый, нефункциональный, применяется тогда, когда в глубине мозга имеется какое-то органическое поражение, например опухоль. Если её удалять с помощью обычной техники, придётся затронуть здоровые, выполняющие важные функции структуры мозга и больному случайно может быть нанесён вред, иногда даже несовместимый с жизнью. Предположим, что опухоль хорошо видна с помощью магниторезонансного и позитронно-эмиссионного томографов. Тогда можно рассчитать её координаты и ввести с помощью малотравматичного тонкого щупа радиоактивные вещества, которые выжгут опухоль и за короткое время распадутся. Повреждения при проходе сквозь мозговую ткань минимальны, а опухоль будет уничтожена. Мы провели уже несколько таких операций, бывшие пациенты живут до сих пор, хотя при традиционных методах лечения у них не было никакой надежды.

Суть этого метода в том, что мы устраняем „дефект“, который чётко видим. Главная задача - решить, как до него добраться, какой путь выбрать, чтобы не задеть важные зоны, какой метод устранения „дефекта“ выбрать.

Принципиально другая ситуация при „функциональном“ стереотаксисе, который тоже применяется при лечении психических заболеваний. Причина болезни часто заключается в том, что одна маленькая группа нервных клеток или несколько таких групп работают неправильно. Они либо не выделяют необходимые вещества, либо выделяют их слишком много. Клетки могут быть патологически возбуждены, и тогда стимулируют „нехорошую“ активность других, здоровых клеток. Эти „сбившиеся с пути“ клетки надо найти и либо уничтожить, либо изолировать, либо „перевоспитать“ с помощью электростимуляции. В такой ситуации нельзя „увидеть“ поражённый участок. Мы должны его вычислить чисто теоретически, как астрономы вычислили орбиту Нептуна.

Именно здесь для нас особенно важны фундаментальные знания о принципах работы мозга, о взаимодействии его участков, о функциональной роли каждого участка мозга. Мы используем результаты стереотаксической неврологии - нового направления, разработанного в институте покойным профессором В.М. Смирновым. Стереотаксическая неврология - это „высший пилотаж“, однако именно на этом пути нужно искать возможность лечения многих тяжёлых заболеваний, в том числе и психических.

Результаты наших исследований и данные других лабораторий указывают на то, что практически любая, даже очень сложная психическая деятельность мозга обеспечивается распределённой в пространстве и изменчивой во времени системой, состоящей из звеньев различной степени жёсткости. Понятно, что вмешиваться в работу такой системы очень трудно. Тем не менее сейчас мы это умеем: например, можем создать новый центр речи взамен разрушенного при травме.

При этом происходит своеобразное „перевоспитание“ нервных клеток. Дело в том, что существуют нервные клетки, которые от рождения готовы к своей работе, но есть и другие, которые „воспитываются“ в процессе развития человека. Научаясь выполнять одни задачи, они забывают другие, но не навсегда. Даже пройдя „специализацию“, они в принципе способны взять на себя выполнение каких-то других задач, могут работать и по-другому. Поэтому можно попытаться заставить их взять на себя работу утраченных нервных клеток, заменить их.

Нейроны мозга работают как команда корабля: один хорошо умеет вести судно по курсу, другой - стрелять, третий - готовить пищу. Но ведь и стрелка можно научить готовить борщ, а кока - наводить орудие. Нужно только объяснить им, как это делается. В принципе это естественный механизм: если травма мозга произошла у ребёнка, у него нервные клетки самопроизвольно „переучиваются“. У взрослых же для „переучивания“ клеток нужно применять специальные методы.

Другой пример - лечебное воздействие психохирургических операций, направленных на „выключение“ структур области мозга, называемой лимбической системой. При разных болезнях в разных зонах мозга возникает поток патологических импульсов, которые циркулируют по нервным путям. Эти импульсы появляются в результате повышенной активности зон мозга, и такой механизм приводит к целому ряду хронических заболеваний нервной системы, таких, как паркинсонизм, эпилепсия, навязчивые состояния. Пути, по которым проходит циркуляция патологических импульсов, надо найти и максимально щадяще „выключить“.

В последние годы проведены многие сотни (особенно в США) стереотаксических психохирургических вмешательств для лечения больных, страдающих некоторыми психическими нарушениями (прежде всего, навязчивыми состояниями), у которых оказались неэффективными нехирургические методы лечения. По мнению некоторых наркологов, наркоманию тоже можно рассматривать как разновидность такого рода расстройства, поэтому в случае неэффективности медикаментозного лечения может быть рекомендовано стереотаксическое вмешательство.

Детектор ошибок

Очень важное направление работы института - исследование высших функций мозга: внимания, памяти, мышления, речи, эмоций. Этими проблемами занимаются несколько лабораторий, в том числе та, которой руковожу я, лаборатория академика Н.П. Бехтеревой, лаборатория доктора биологических наук Ю.Д. Кропотова.

Присущие только человеку функции мозга исследуются с помощью различных подходов: используется „обычная“ электроэнцефалограмма, но на новом уровне картирования мозга, изучение вызванных потенциалов, регистрация этих процессов совместно с импульсной активностью нейронов при непосредственном контакте с мозговой тканью - для этого применяются имплантированные электроды и техника позитронно-эмиссионной томографии.

Работы академика Н.П. Бехтеревой в этой области достаточно широко освещались в научной и научно-популярной печати. Она начала планомерное исследование психических процессов в мозге ещё тогда, когда большинство учёных считали это практически непознаваемым, делом далёкого будущего. Как хорошо, что хотя бы в науке истина не зависит от позиции большинства. Многие из тех, кто отрицал возможность таких исследований, теперь считают их приоритетными.

В рамках этой статьи можно упомянуть только о самых интересных результатах, например о детекторе ошибок. Каждый из нас сталкивался с его работой. Представьте, что вы вышли из дому и уже на улице вас начинает терзать странное чувство - что-то не так. Вы возвращаетесь - так и есть, забыли выключить свет в ванной. То есть, вы забыли выполнить обычное, стереотипное действие - щёлкнуть выключателем, и этот пропуск автоматически включил контрольный механизм в мозге. Этот механизм в середине шестидесятых был открыт Н.П. Бехтеревой и её сотрудниками. Несмотря на то, что результаты были опубликованы в научных журналах, в том числе и зарубежных, сейчас они „переоткрыты“ на Западе людьми, знающими работы наших учёных, но не гнушающимися прямым заимствованием у них. Исчезновение великой державы привело и к тому, что в науке стало больше случаев прямого плагиата.

Детекция ошибок может стать и болезнью, когда этот механизм работает больше, чем нужно, и человеку всё время кажется, что он что-то забыл.

В общих чертах нам сегодня ясен и процесс запуска эмоций на уровне мозга. Почему один человек с ними справляется, а другой - „западает“, не может вырваться из замкнутого круга однотипных переживаний? Оказалось, что у „стабильного“ человека изменения обмена веществ в мозге, связанные, например, с горем, обязательно компенсируются направленными в другую сторону изменениями обмена веществ в других структурах. У „нестабильного“ же человека эта компенсация нарушена.

Кто отвечает за грамматику?

Очень важное направление работы - так называемое микрокартирование мозга. В наших совместных исследованиях обнаружены даже такие механизмы, как детектор грамматической правильности осмысленной фразы. Например, „голубая лента“ и „голубой лента“. Смысл понятен в обоих случаях. Но есть одна „маленькая, но гордая“ группа нейронов, которая „взвивается“, когда грамматика нарушена, и сигнализирует об этом мозгу. Зачем это нужно? Вероятно, затем, что понимание речи часто идёт в первую очередь за счёт анализа грамматики (вспомним „глокую куздру“ академика Щербы). Если с грамматикой что-то не так, поступает сигнал - надо проводить добавочный анализ.

Исследования, проведённые в последние годы в Институте мозга человека Российской академии наук, позволили определить, какие области мозга отвечают за осмысление различных особенностей воспринимаемой человеком речи: за грамматику, синтаксис, орфографию и другие.

Область, отвечающая за определение грамматических характеристик слова

Зона, активная при необходимости использования кратковременной памяти

Зоны речевой моторики

Зоны первичной обработки цвета

Зоны, участвующие в обработке синтаксической структуры предложений

Зона орфографической обработки слов

Область, участвующая в сознательной и непроизвольной обработке смысла слов

Области, предположительно управляющие подавлением обработки речевых признаков в задаче на обработку физического признака слова, например цвета