Группа сотрудников Инженерно-физического института биомедицины НИЯУ МИФИ под руководством доктора медицинских наук Сергея Гуляева ведет разработку новаторской технологии исследования функциональной активности головного мозга человека на основе данных электроэнцефалографии. В чем ее особенности и какие задачи она решает?
В чем проблемы МРТ
На сегодняшний день важнейшим методом функционального исследования мозга является магнитно-резонансная томография, МРТ. Десятилетиями ставка делалась именно на него.
МРТ — это наше все в нейровизуализации и вообще в визуализационных исследованиях, потому что этот метод обладает широкими возможностями. Он позволяет увидеть ткань мозга, проводящие пути, с помощью определенных режимов биохимию клетки и сосудистое питание тканей.
Хороший метод: удобный, безопасный, не нагрузочный, но страшно дорогой.В нем используется не дешевая аппаратура, она требует больших энергетических мощностей, и для охлаждения использует жидкий гелий, который тоже дорог, и требует инженерной службы, которая поддерживает все это в рабочем состоянии.
Однако самым большим ограничением метода функциональной МРТ является время: для того, чтобы передать кислород в ткань и забрать из ткани углекислый газ, требуется около 2 секунд. Но за 2 секунды электрическая работа головного мозга проворачивается так интересно, что мы успеваем сказать 3 слова, а некоторые даже до 5.
Для решения этой проблемы мы решили использовать более старый и давно известный метод электроэнцефалографии, ЭЭГ.
«Перевернуть» энцефалографию
Метод электроэнцефалографии довольно хорошо известен, в этом году будет 112 лет со времени проведения первых опытов по исследованию биоэлектрической активности головного мозга. Но несмотря на почтенный возраст, этот метод, к сожалению, до сих пор пребывает в младенческом состоянии, мы до сих пор используем технологию, разработанную в 1933 году супругами Гиббсами. По сей день мы так и стоим на уровне 30-х годов.
Почему же так получилось? Главным образом из-за того, что, увидев какую-то электрическую активность головного мозга, исследователи сочли, что это и есть основной процесс человеческого мышления. В частности, эту идею активно продвигал Эдвард Адриан, английский нейрофизиолог, он даже пытался в свое время записать электроэнцефалограмму на пластинку и прослушать через граммофон. Но когда в 1980-е годы исследователи занялись картированием ритмической активности мозга с помощью электроэнцефалографии, то картина полученных биоэлектрических проекций совершенно не совпадала с привычными картами функциональной активности головного мозга, как их описал в свое время Уайлдер Пенфилд. На классической ЭЭГ карте мы не видим тех стандартных нервных центров, которые описаны в наших учебниках, и более того, получаемая ЭЭГ карта не похожа на те результаты, которые мы видим во время фМРТ исследования.
Почему? Потому что регистрируемая ритмическая активность мозга не является отражением его функциональной активности. Скорее, наоборот: ее редуцирование порождается потенциалами, связанными с событиями, поэтому когда мы начинаем исследовать, где нарушается ритмическая электрическая активность, мы приходим как раз к той картинке, которую мы прекрасно знаем, что дает возможность использовать электроэнцефалографию наравне с фМРТ.
Проще понять, что ритмическая активность церебральных структур скорее отражает состояние относительного покоя отдельного нейронного образования (как модно сейчас говорить — нейронной сети, отвечающей за определенный набор функций).
В покое, когда человек неактивен, мы видим ритмическую активность, проекция суммарного потенциала которой исчезает во время начала функциональной активности. Вот, например, мы исследуем так называемую роландическую область мозга: когда человек в покое, мы видим там нормальный ритм, а когда человек начинает сжимать руки, ритмическая активность исчезает, и в области роландического ритма мы видим область десинхронизации.
Фактически для того, чтобы метод ЭЭГ стал в один ряд с другими методиками функционального исследования, надо было перевернуть его с ног на голову и смотреть не на ритм, а на зону десинхронизации ритма.
Аналог «Аватара» и «Телепатии»
Наша инновация — это не новое оборудование, а новый способ анализа первичных данных. Данные остаются такими же, технология остается та же самая — с помощью присоединяемых к голове электродов; вопрос касается обработки данных.
Знаменитые альфа- и прочие ритмы — это фоновая несущая составляющая наподобие радиосигнала. Основная частотная характеристика волны — это показатель места передающей радиостанции в эфире. В то же время информация, которую передает эта станция, зависит не от ее частотного диапазона, а от модуляции сигнала.
К этому, наверное, пришли не только мы. Еще в 30-е годы прошлого века к этому подошел Альберт Грасс, когда он посчитал, что частота ритма — это важный показатель, который отвечает за быстроту мыслей. Он старался набрать в свою лабораторию людей, у которых частота альфа-ритма была больше 10 герц, но ничего хорошего из этого не получилось, он так и не обнаружил корреляции между частотой альфа-ритма и скоростью соображения. Хотя действительно, мы иногда видим, что при замедлении альфа-ритма у человека снижается скорость интеллектуальных операций.
Мы долго накапливали данные, сравнивали картинки мозга, получаемые разными методами, и в конце концов увидели, что элементы десинхронизации можно рассматривать как триггерные сигналы головного мозга. И сейчас у меня на компьютере есть игрушка: с одной стороны карта мозга, а с другой спрайт-автомобильчик, и, управляя импульсами мозга, я могу перемещать банку, как если бы некий человек двигал ее руками.
Очень хотим сделать что-то подобное «Аватару», или хотя бы программе «Телепатия» Илона Маска. Но Илон Маск использует имплантацию электродов в сенсомоторной области мозга, что и привело к ожидаемому результату — его проект забуксовал.
Почему у Илона Маска не получилось?
Если вы внедряете инородный элемент в структуру живого мозга, то, естественно, мозг на это реагирует, он отторгает инородное тело и изолирует его с помощью микрогриальных клеток. Получается, что имплантируемый интерфейс живет какое-то ограниченное, и как видим, недолгое время. Когда я впервые услышал об этой системе, я подумал, что она проживет хотя бы год, а она вот, такая нехорошая, даже полгода не прожила. Обидно, конечно, но вполне ожидаемо. Для этого не нужно было даже экспериментировать.
Возникает вопрос — для чего же тогда все эти сто лет использовались электроэнецефалограммы?
Для диагностики патологических состояний этот метод работает. Смотрели изменения электрической активности при опухолях, при эпилепсии, но этот метод не использовался для исследований нормальной физиологии мозга.
Психиатрия впервые получит доказательства своих выводов
У нас существует в медицине целая область, которая практически не имеет объективных методов доказательств своей правоты. Это психиатрия. Мы не можем, принимая психиатрического больного, объективно доказать наличие у него тех или иных изменений. Именно поэтому в наших исследованиях нас прежде всего интересовали крупные нейронные сети, которые отвечают за процесс восприятия окружающего мира. Именно их повреждение нарушает процесс восприятия, а значит, поведение.
И мы подумали, что если мы используем данные ЭЭГ и рассмотрим их с позиции гнозиса, то есть с позиции выделения вот этих отдельных нейрональных сетей и доказательства их правильной либо неправильной активности, то мы сможем получить объективный метод диагностики нарушения процесса восприятия, а значит, мы дадим психиатрам хоть какой-то объективный метод.
И тогда мы начали исследования методом выделения отдельных участков мозга и непрерывной записи их электрической активности с последующей суммацией и математической обработкой этих данных. Ощущение было, что мы получили метод, который напоминает какую-то спектроскопию, когда мы по спектру можем оценить тот или иной процесс.
Мы применяли этот метод к пациентам с различными патологическими состояниями. Мы накладывали результаты этих исследований на лепестковую диаграмму и получали фигуру, напоминающую летящего лебедя. Крылья этого лебедя — это активность участков мозга, отвечающих за зрительное и слуховое восприятия, хвост, который длиннее крыльев — это ориентация в пространстве, и, наконец, самый большой лепесток диаграммы, так сказать, шея лебедя — это активность теменных структур, отвечающих за так называемую конструктивную обработку информации.
Дальше мы распределили эти данные по возрасту и полу, и увидели, что есть отличия, но они не существенные, и структура летящего лебедя сохраняется. Да у девочек, больше объем зрительной коры, как предполагаем, она чаще у них задействуется, у мальчиков меньше, но у мальчиков чаще задействуется кора ориентации в пространстве, мальчики меньше теряются, они как бы пространственно более ориентированы. Вот это первый момент, который нам показался интересным.
Потом мы посмотрели в зависимости от возраста, то есть детерминировав нашу информацию по возрасту, и поняли, что в принципе, да, у молодых структура отвечающих за восприятие нейронных групп скорее больше, она чаще используется, а у тех, кто старше 30 лет, она более сжата, потому что нет необходимости использовать такое большое количество нейронных центров, все нейрональные сети уже структурированы, и человек просто их использует в повседневной жизни на уровне готовых решений.
Полет лебедя
А теперь посмотрим, что происходит при болезнях. Совершенно случайно мы взяли группу больных с эпилепсией, группу людей с нетяжелыми психиатрическими нарушениями, то есть с расстройствами адаптации и группу, страдающую алкоголизмом.
При расстройствах адаптации, то есть при ситуациях, когда пациента наблюдает психиатр, мы увидели, что ломается структура нашего «лебедя». Угнетаются системы восприятия, и усиленно работает система конструктивного мышления, которая старается скомпенсировать проблемы восприятия. То есть у лебедя укорачиваются крылья и хвост, и удлиняется шея. Это нормальные люди, это не больные, но расстройство адаптации показывает, что у них не все ладно с головой.
Дальше мы взяли людей с выраженным поражением структур головного мозга, с гепатолеонтикулярной дегенерацией, или болезнью Вильсона-Коновалова, когда головной мозг испытывает токсическое влияние со стороны ионов меди, и на их диаграмме вообще нет структуры лебедя.
Четвертая группа, кого мы исследовали, были пациенты, страдающие алкоголизмом, и у них мы видим, что нейрональные сети, отвечающие за восприятие, крупные, они функциональны и активны, но они структурно не дифференцированы. И алкоголик, принимая очередную дозу алкоголя, скорее всего, старается их как-то стимулировать и структурировать.
За прошедшие три года у нас вышло 19 научных публикаций, развивающих эту тему. И мы очень хотели бы сделать ПО для анализа данных ЭЭГ. Но найти таких программистов, которые горят идеей, горят наукой, очень сложно. Верим, что наши исследования откроют путь к созданию доступного и точного инструмента для ранней диагностики психических и нейродегенеративных заболеваний.
