Как измерить активность мозга у людей


Мозг трудно изучать не только из-за присущей ему структурной сложности; миллиарды нейронов, тысячи типов нейронов, триллионы соединений. Мозг работает в различных масштабах, как в физическом смысле, так и во временной области.

Чтобы понять электрическую активность мозга, одних технологий недостаточно. В результате, у нейробиологов возник набор инструментов, которые они используют. Некоторые из них, такие как МРТ и ЭЭГ, могут быть применены к людям, поскольку они не являются инвазивными, — их используют чтобы просканировать голову человека.

Но этот набор инструментов страдает от недостатка технологий. Чтобы получить более микроскопическую картину активности нейронов, исследователи прибегают к исопльзованию животных в исследованиях. Это позволяет более подробно проанализировать поведение отдельных нейронов или небольших групп нейронов.

Функциональная магнитно-резонансная томография (fMRI)

Функциональная магнитно-резонансная томография (fMRI) наиболее распространенная технология для отражения нейронной активности, но на самом деле она не регистрирует активность нейронов. Вместо этого, многоцветные, освещенные изображения, которые вы видите в отдельных областях мозга отражают лишь систему кровотока в головном мозге. Точнее, сигнал, который вы видите, отражает относительное присутствие кислородсодержащей или дезоксигенированной крови; активные области более насыщены кислородом в крови, поэтому технологии fMRI позволяет ученым косвенно вывести изображения активности нейронов.

fMRI стала основным научным инструментом нейронауки, поскольку она позволяет отобразить анатомию мозга (полученную из структурного, а не функционального МРТ-сканирования). Но и у этого способа есть ограничения. Как пространственные (~1 мм/куб, относящиеся к местоположению), так и временные (~1-2 сек, относящиеся к времени) разрешения изображения слишком плохо детализированы, нежели исследователям необходимо для отображения результатов; один кубический миллиметр содержит около 60 000 нейронов — достаточного количества, чтобы отобразить строение мухи или омара, но технология fMRI не может показать эту информацию.

Тем не менее, fMRI отображает где и в какой степени локализованы различные функции в мозге человека, в то время как исследователи продолжают разрабатывать способы улучшения своего пространственного и временного разрешения, например, делая метод более чувствительным к изменениям нейронов, а не только получая видимость изменений в кровоотоке. До сих пор, не существует альтернативной технологии, помимо fMRI в способности «отображать» или определять вероятный источник когнитивной функции в мозге человека.

Электроэнцефалография (ЭЭГ)

Электроэнцефалография или ЭЭГ, вероятно, является второй по популярности методикой регистрации нейронной активности. В то время как fMRI регистрирует лишь кровоток и псевдо-активацию нейронов, то ЭЭГ непосредственно регистрирует электрическую активность мозга через электроды, размещенные на голове человека.

Но ЭЭГ не регистрирует потенциалы деятельности, электрические события, возникающих при связи между нейронами. Вместо этого ЭЭГ исследует суммарную активность сотен тысяч или миллионов нейронов в виде колебательной активности. В отличие от потенциалов деятельности, неизвестно, какую информацию эти колебания фактически отображают, но разные частоты колебаний сравнивают с различными поведенческими состояниями.

ЭЭГ имеет «временное разрешение», намного превосходящее технологии fMRI (~1 м/сек против 1 сек). Из-за этого ЭЭГ можно использовать для более точного отслеживания динамики нервной системы у бодрствующих людей и часто используется для определения электрической реакции мозга на возникающий стимул или продолжающееся состояние.

Основным ограничением ЭЭГ является его низкое отображение пространственного разрешения, гораздо хуже, чем у МРТ. Хотя известно, что сигналы ЭЭГ поступают только из коры головного мозга, то очень трудно точно узнать, где возникают сигналы коры.

Кроме того, смещающийся сигнал означает, технологии ЭЭГ не позволят использовать его для измерения происходящих событий в гиппокампе, где хранятся много воспоминаний, или в черной субстанции, полосатых телах, которые в первую очердеь страдают от болезни Паркинсона. Таким образом, в отличие от fMRI, отображение данных сигналов при помощи ЭЭГ, не представляется возможным.

Электрокортикография (ECoG)

Электрокортикография похожа на ЭЭГ, поскольку она измеряет совместную активность миллионов нейронов, часто в виде колебательных волн. Но сущетсвуют два основных отличия. Во-первых, ECoG требует установки электродной матрицы под кожу головы, что требует предварительной операции. По этой причине ECoG подходит только тем пациентам, уже запланированным на медицинскую операцию, которая включает в себя оперирование головы.

Во-вторых, ECoG позволяет значительно легче локализовать источник активности, а также записать высокочастотную электрическую активность. Обе эти характеристики помогают во время операции по эпилепсии, но для чистых исследовательских целей техника слишком инвазивная, чтобы использоваться у людей, которые еще не нуждаются в операции на головном мозге.

Выводы:
Нейробиологи обоснованно ограничены в подходах, которые они могут использовать для изучения деятельности мозга человека. Однако до сих пор не существует никакой технологии, позволяющей регистрировать активность нейронов через голову человека, что означает, что меры, которые мы можем принять, дают довольно грубую информацию о том, как работают наши мозги. Эти ограничения пространственного и временного разрешения, несомненно, будут улучшены в ближайшем будущем, обеспечивая более точные измерения и более глубокое понимание деятельности мозга человека. Кроме того, взаимодополняющие подходы, которые позволяют временно нарушить работу нейронов, помогут нам понять, какие виды областные дисфункции мозга могут привести к когнитивным дефицитам, связанным с психическими расстройствами.

Комментариев нет

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *