Университетский госпиталь Сконе еще назывался Лундской больницей, когда мы только-только получили наш первый аппарат МРТ. Потом за развитие этой технологии была присуждена Нобелевская премия[131], и она перевернула науку и медицину. Тогда же у меня было очень слабое представление о том, как он работает, но я помню, как я был потрясен, впервые увидев снимки живого человеческого мозга. Ну и немного недоволен, конечно. Раньше, чтобы получить изображения мозга приемлемого качества, мне приходилось часами сидеть в лаборатории, разрезая замороженные ткани мозга на пластинки толщиной в микрон. Затем нужно было несколько дней обрабатывать срезы красителем и разными химикатами. И только тогда слайды со срезами мозга можно было положить под микроскоп, один за другим. Здесь же достаточно попросить живого человека засунуть голову в огромную железную бочку и через полчаса получить почти идентичные детальные изображения. Снимки «срезов» можно было даже перелистывать на компьютере. Это просто несправедливо. Первые снимки, те самые, вызвавшие мою зависть, были фотографиями структуры мозга. Они напоминали фотографии, которые мы делали с помощью микроскопа, только без необходимости изымать мозг. По мере совершенствования техники мы смогли с большими подробностями изучать опухоли, кровоизлияния, тромбы и другие причины болезней пациентов. Объединяя множество снимков срезов, можно было реконструировать 3D-модель мозга, а также появилась возможность измерять объем различных его частей. И порой это приносило неоценимую пользу. Злоупотребление алкоголем со временем приводит к тому, что пациенты теряют серое вещество в извилинах головного мозга, и нелишне иметь возможность измерить потери. То же относится и к людям, которые не лечат депрессию и теряют часть объема гиппокампа[132]. Эти измерения важны как с клинической, так и с научной точки зрения, а вот ценность некоторых других была сомнительна, поскольку тогда измеряли все, что только можно было измерить. Это неизбежное следствие появления новых технологий.
С тех пор произошел буквально взрывной рост исследований. Название «магнитная камера» может легко увести мысль в неправильном направлении.
Давайте уточним: если каждый прибор, который делает снимки, – это камера, то магнитно-резонансный томограф тоже можно назвать камерой. Но пусть название вас не обманывает. В таком случае телескоп «Хаббл» – тоже не что иное, как камера. Аппарат МРТ можно использовать как камеру, но он способен и на многое другое, а находчивые физики и исследователи мозга постоянно находят инновационные способы применения этого прибора для решения новых задач. При этом базовые принципы остаются неизменными. Аппарат посылает магнитные импульсы, заставляющие протоны в тканях тела выстраиваться друг за другом, как по команде. И это можно осуществить бесконечным множеством способов. А когда протоны возвращаются в свое нормальное состояние, можно в разные временные промежутки замерять эхо и по-разному обрабатывать его на компьютере. Эти вариации близки к бесконечности.
Один из таких способов, о котором вы могли слышать, функциональная МРТ, или фМРТ. Вы могли это видеть: человек шевелит пальцем, и часть коры головного мозга, отвечающая за это движение, начинает светиться. Или когда кто-то выигрывает в простой компьютерной игре, и становятся видны пятна активности в том месте, которое журналисты любят называть «центрами удовольствия». Активные нервные клетки используют чуть больше кислорода, чем отдыхающие, и потому забирают больше кислорода из ближайшего потока крови. Эту небольшую разницу можно измерить с помощью аппарата МРТ. Именно технология фМРТ виновна в том, что многие непрофессионалы (а может, и некоторые студенты-медики) считают, что в двигательной коре действительно зажигаются красные огоньки, когда человек шевелит пальцем[133].
Этот аппарат способен и на многое другое. И некоторые из этих методов не имеют отношения к камере, а в одном из важнейших нет никаких снимков. Вместо этого он позволяет измерять микроскопические уровни химических веществ в мозге. С помощью этой методики можно увидеть изменения в уровнях отдельных нейромедиаторов (сигнальных веществ), вызванных заболеванием или препаратами.
Но лучше всего аппарат МРТ показывает себя в контакте с водой, которой богаты наши ткани. Больше 70 % нашего мозга состоит из воды. Если мы хотим измерить микроскопическое количество сигнальных веществ, огромное количество воды становится раздражителем. Но бывают ситуации, когда вода становится носителем важной информации, и ее огромное количество становится преимуществом.
Молекулы воды не стоят на месте. В ванне молекулы свободно двигаются во все стороны, а их распространение ограничено только тем, что они сталкиваются друг с другом. Это явление называется свободной диффузией, и его можно сравнить с ванной, в которую бросили тысячу мячиков для настольного тенниса, которые стали отскакивать друг от друга. Вода стремится к этому и в тканях нашего тела. Но здесь ее диффузия ограничена. Внутренняя часть наших клеток отделена от внешнего мира буквально водостойкими стенками. При определенной настройке аппарат МРТ может измерить диффузию воды. И это не научная фантастика, а то, чем мы пользуемся каждый день в нашем приемном покое. При инсульте в поврежденные клетки начинает поступать вода[134]. Это прекрасно видно на диффузионном спектральном МРТ. На ранних стадиях это лучший метод поиска повреждений.
Если ткани мозга здоровы, действует непоколебимый порядок[135]. Вода за пределами клеток распределяется в своем мире вне клеток, а вода внутри клеток остается внутри. Эти миры заметно отличаются. Мир за пределами клеток не упорядочен и похож на ванну, где молекула может двигаться в любом направлении. Вода в межклеточном пространстве движется во все стороны. Вода внутри клетки ограничена структурой клетки и чаще всего не может продвинуться далеко. Но не забывайте, что у каждой нервной клетки есть длинный отросток, аксон. Через него нервная клетка посылает импульсы своим клеткам-реципиентам как поблизости, так и далеко в глубинах мозга. Внутриклеточная жидкость не может двигаться в любом направлении, но может двигаться в аксоне. Направление диффузии дает информацию о том, куда направлен аксон. Если мы тщательно измерим перемещение воды во многих разных направлениях, мы сможем увидеть и воду внутри клеток, и воду снаружи. Если под «многими разными» понимать девяносто шесть направлений, мы сможем получить вот такую картинку (Рисунок 8). Когда я впервые увидел такие снимки диффузионного спектрального МРТ (diffusion tensor imaging, DTI), я был изумлен не меньше, чем когда впервые увидел обычный снимок МРТ. Все же тогда компьютерный томограф, несмотря на низкое качество изображения, подготовил нас к тому, что можно увидеть на внутренней части мозга живого человека, а вот DTI было не с чем сравнить. Появилась возможность следить, как по мозгу проходят пучки нервных волокон. Благодаря этой методике мы смогли измерить крепкость связи между различными структурами мозга и их связность. Именно этим и занимается проект «Коннектом человека» (The Human Connectome Project)[136].
При виде столь соблазнительной картины легко забыть о здоровом научном скепсисе. Можем ли мы принимать на веру то, что сила структурной связности важна для работы мозга? Говорит ли связность, измеренная таким образом, что-то о том, как работа вашего мозга отличается от работы моего? Это очень привлекательная гипотеза! Помните закон Хебба: «Нейроны, активирующиеся вместе, соединяются»? Но гипотеза – это одно, а научные данные – другое. Это был совершенно новый способ изучения мозга. Мы далеко не сразу поняли, какие важные характеристики мозга измеряет методика DTI.
Именно технология фМРТ виновна в том, что многие непрофессионалы (а может, и некоторые студенты-медики) считают, что в двигательной коре действительно зажигаются красные огоньки, когда человек шевелит пальцем.
Исследования, объединяющие работу мозга и его структурную связность, еще только зарождаются. Но уже есть результаты, сделавшие их одной из самых активных областей исследования в нейронауке.
Методика DTI может применяться так широко, что у каждого есть свой любимый пример ее использования. Мой фаворит – работа 2016 года, выполненная группой Брайана Кнутсона в Стэнфорде. Существуют две структуры мозга, которые активизируются всякий раз, когда ученые просят участников исследования лечь в аппарат МРТ и играть в игры, в которых они могут выиграть деньги, но рискуют и проиграть. Одна из них называется прилежащим ядром – это центральный узел в сети, которая помогает нам определять ценность вознаграждений, и его часто называют «центром удовольствия». А другая – островковая доля, помогающая нам оценивать риски. В своем исследовании группа Брайана смогла с помощью DTI найти ранее неизвестный путь между островковой долей и прилежащим ядром. Чем сильнее была связность между этими структурами у испытуемых, тем меньше они были предрасположены к неразумному риску ради выигрыша. Их система оценки рисков эффективно договаривалась с системой поиска вознаграждения, чтобы убедить их не заниматься глупостями[137].
Такие исследования помогли быстро прояснить картину. Связность большого количества параллельных процессоров в мозге имеет решающее значение для того, как мозг будет выполнять свою работу. Теперь, зная это, мы почти готовы встретиться с тысячей подростков в Филадельфии и с Ракель Гур из Университета Пенсильвании. Но сперва несколько слов о том, чему мы можем научиться у духов и демонов.