№11 Що всередині мозку?

Від випадку до випадку

Інформація про роботу мозку до XIX століття не носила систематичного характеру. Не всі дослідники пов`язували психіку людини з його мозком. Мало хто заперечував, що мозок керує організмом через нерви, але творчі здібності та емоції було прийнято відносити до властивостей безсмертної душі. Відсутність методик, що не шкодять людині і що дають уявлення про діяльність мозку, дуже гальмувало процес дослідження.Часто лікарі отримували нову інформацію про роботу нашого сірої речовини, порівнюючи прижиттєві спостереження і результати патологоанатомічного розтину.

Французький лікар Поль П`єр Брока в середині XIX століття спостерігав двох пацієнтів, словниковий запас яких зводився буквально до пари слів. Після їх смерті він виявив, що мозок пацієнтів був пошкоджений в одному і тому ж місці - в задній частині нижньої лобової звивини лівої півкулі, якщо людина правша. Ці випадки дозволили французу Брока назвати це місце центром мови, а захворювання - моторної афазаіей. При цій хворобі у людини залишається здатність розуміти мову, але він не може нічого вимовити. В англомовній медичній літературі цей діагноз називають афазією Брока або експресивної афазією (expressive aphasia).

В1873-му році молодий німецький лікар Карл Верніке став обстежити одного пацієнта, який переніс інсульт. Конкретну спеціалізацію Карла складно пояснити в сучасних термінах. Особливістю німецької медичної школи був тісний зв`язок психіатрії та неврології, так що Верніке можна назвати психоневрологом. Спілкування з пацієнтом викликало у Карла Верніке певні складності. Його слух і голос були в порядку, але з вуст чоловіка долинали спотворені слова. До того ж він не розумів зверненої до нього мови і не міг нічого прочитати.

На жаль, лікування в той час часто зводилося до спостереження і записів про їх стан, так що ніякої допомоги пацієнт Верніке не отримував. Після його смерті, під час розтину Карл Верніке виявив ураження мозку на стику скроневої і тім`яної часткою. Через рік після першої зустрічі з пацієнтом Верніке випустив свою роботу «Афазіческій симптомокомплекс». Згодом стан, викликаний такою поразкою стали називати сенсорної афазією, тобто неможливістю говорити через відсутність адекватного сприйняття мови, або афазією Верніке. Зони мозку, що відповідають за різні компоненти мови, також прийнято називати зоною Брока (центр моторного компонента мови) і зоною Верніке (центр сенсорного компонента мовлення).

Поля, гомункулуси і хвилі

У XX столітті мозок також вивчали методом пошкодження або прямого впливу на його відділи. Пошкоджували, як правило, мозок тварин, що не давало повною мірою застосовувати отримані знання до тварин. Експерименти над людьми були заборонені в цій області, тому дослідники вивчали людей після нейрохірургічних операцій, інсультів або травм.

Так, наприклад, видатний канадський нейрохірург Уайлдер Грейвс Пенфилд проводив операції для лікування епілепсії. Він видаляв пацієнту той відділ мозку, в якому реєструвалася найбільша електрична активність, щоб запобігти напади. Для того, щоб визначати такі відділи, Пенфилд і електрофізіології Герберт Джаспер розробили цікаву методику. 

Пацієнту відкривався череп, і на кору головного мозку подавався невеликий розряд електричного струму. Особливою «родзинкою» такого дослідження було те, що пацієнт залишався у свідомості і міг розповідати про свої відчуття. 

Пенфилд і Джаспер помітили, що одні й ті ж відділи кори у різних пацієнтів відповідають за однакові відчуття і дії. Легкий електричний сигнал в схожих ділянках прецентральной звивини лобової частки викликав у людей скорочення однієї і тієї ж групи м`язів. Якщо стимулювати струмом постцентральную звивину, яка знаходиться біля прецентральной і йде паралельно їй, то пацієнт буде повідомляти про відчуття в конкретних частинах свого тіла.

Як з`ясували вчені, наше тіло нерівномірно «представлено» в цих звивинах. Дуже багато «рухової» площі займають руки, губи і язик. Це відповідає нашій розвиненою дрібної моторики пальців, яка відрізняє нас від багатьох тварин, а також відображає нашу здатність до мовлення. Вона багато в чому реалізується зарахунок дрібних рухів губ і язика, що формують звуки нашого голосу. Чоловічок, що відображає наші чутливі здатності, теж не пропорційний. У нього також гіпертрофовані губи і руки, що залежить від кількості рецепторів в шкірі цих частин тіла. Чим більше рецепторів на шкірі, тим більший обсяг інформації надходить в мозок і тим більше потрібно місця, щоб обробити цю інформацію. 

Іншим вченим які зробили внесок у вивчення мозку був ще один німець. Корбініан Бродман в 1909 році опублікував результати своїх довгих досліджень. Він досліджував клітинну будову різних відділів мозку. Кора мозку складається з шести шарів клітин: молекулярний шар, зовнішній зернистий шар, шар пірамідальних нейронів, внутрішній зернистий шар, внутрішній пірамідний шар і шар поліморфних клітин.Бродман вважав, що в залежності від функції області в ній будуть спостерігаються гістологічні зміни: якихось клітин буде більше, якихось менше.Виділені їм поля відповідали вже знайденим функціональним центрам. Поля з першого по третє збіглися з постцентральна звивиною і відповідали за сенсорне сприйняття. Четверте поле повністю покрило прецентральной звивини, чия функція - управління рухами людини. Корбінінан Бродман нарахував п`ятдесят і два поля, але поля з тринадцятого по шістнадцяте є тільки у деяких приматів, в число яких людина не увійшов.

Вчені представляли структуру головного мозку, але про функціонування, про динамічні процеси в мозку вони не мали уявлення. З кінця XIX століття починають накопичуватися дані, що мозок має власну електричною активністю. Сигнал в нервовій системі передається за допомогою слабких струмів, які можна зареєструвати за допомогою електродів. Якщо тваринам в досвідчених умовах можна впровадити електроди в мозок, то з людиною таке проробити не дозволяють наукова етика і закон. Електроди розміщуються на голові у відповідності зі спеціальною схемою, яку придумав вже знайомий нам Герберт Джаспер, соратник Уайлдера Пенфилда.

Так ми отримуємо інформацію про зміну електричної активності мозку, а значить і про його діяльність. Подібний метод називається електроенцефалограмою (ЕЕГ). ЕЕГ значно спрощує діагностику епілепсії або пухлин головного мозку, але має малу цінністю в вивченні функціонування центральної нервової системи. Електрична активність мозку складна: існує кілька ритмів, що відображають роботу мозку. Є повільний альфа-ритм, що виникає в спокійному стані при закритих очах, коли ми ні на чому не зосереджені. Більш швидкий бета-ритм - це стан активного неспання. Зараз існують програми, розкладають електроенцефалограму на ритми в автоматичному режимі, що істотно спрощує дослідникам роботу.

радіоактивна допомогу

До середини XX століття вчені і лікарі виконали величезну роботу з вивчення мозку і його структури. Вони знали з чого складається мозок, які відділи відповідають за ті чи інші функції, як вони пов`язані між собою. За симптомами досвідчені неврологи могли визначити конкретний уражену ділянку мозку, але до повного розуміння було ще далеко.

У 1972-му році Годфрі Хаунсфілд і Аллан Кормак запропонували метод комп`ютерної томографії (КТ), за що через сім років отримали Нобелівську премію. Фізична і математична частина їх винаходу може зайняти не одну сторінку, тому не будемо на ній зупинятися. 

Головне, що зробили Хаунсфілд і Кормак - вони дали світу безпечний метод дослідження внутрішніх органів, в тому числі і мозку. 

До цього лікарі користувалися звичайним рентгеном. Іноді вони вводили в порожнину черепа повітря, щоб краще розгледіти можливі пухлини мозку. Таке втручання могло призвести поруч ускладнень, аж до смерті пацієнта. КТ позбавило медицину від цього небезпечного методу. Тепер можна було побачити мозок живої людини і уточнити деякі анатомічні дані. Незважаючи на цей прорив до дослідження активності мозку було ще далеко. Вченим було необхідно побачити, як мозок функціонує в режимі реального часу, і незабаром вони отримали таку можливість.

Як ми знаємо, атом будь-якої речовини має масу. Вона є сумою мас протонів і нейтронів, що знаходяться в ньому. Кількість протонів визначає приналежність атома до конкретного речовини. Якщо протон один, то це водень, якщо їх вісім, то це кисень. З нейтронами складніше: їх може бути більше або менше, і тоді ми маємо справу з ізотопами. «Нормальний» водень має один протон. При додаванні одного нейтрона ми отримаємо дейтерій, а, приєднавши ще один, він перетвориться в тритій. Проблема в тому, що багато ізотопи нестабільні і швидко розпадаються, перетворюючись в інші речовини. Дуже часто такий розпад відбувається з виборосов великої кількості енергії. У деяких випадках процес розпаду специфічний. 

Подібний розпад вчені використовують в позитронно-емісійної томографії (ПЕТ).

Процедура приблизно така. Людині вводиться речовина, що містить мітку. Мітка - це ізотоп, що викидає при розпаді певну енергію. Ця енергія і буде реєструватися датчиком на апараті ПЕТ, який може бути поєднаний з комп`ютерним томографом. Фіксуючи отримується випромінювання, ми можемо зрозуміти, як метаболізується ця речовина в нашому організмі. У серпні цього року вийшла робота, в якій вивчався метаболізм дофаміну (головного речовини, що відповідає за задоволення в нашому мозку) після викуреної сигарети. 

За допомогою ПЕТ були визначені конкретні ділянки головного мозку, в яких підвищувалася вироблення дофаміну при викурюванні сигарети після заборони куріння на ніч. 

Навіть фахівцям не завжди зрозуміла цінність таких досліджень, але вони допомагають більш точно підібрати ліки, щоб уникнути побічних дій і небажаних ефектів.

Значним мінусом КТ і ПЕТ є радіоактивність цих методів. Для КТ вона мінімальна, але її достатньо, щоб не проводити дослідження вагітним. Відносно ПЕТ суттєвої трудністю є отримання ізотопів. Для цього потрібні прискорювачі часток, які є навіть не в кожному великому місті. До того ж час життя цих ізотопів обмежена, що додатково ускладнює роботу лікарів і вчених.

Магніти та кров

У 70-их роках Полом Лотербур був описаний принцип магнітного резонансу і створення зображення на його основі. Якщо на ядро атома водню, що складається з одного протона, впливати сильним магнітним полем, то у протона зміниться одна з базових фізичних характеристик. При припиненні впливу вона повернеться до колишніх показників, але при цьому виділиться енергія. Цю енергію і зареєструє датчик всередині апарату магнітно-резонансної томографії (МРТ). Чим більше в тканини атомів водню, тим інтенсивніше від неї буде сигнал. Мозок, в якому багато води, а значить і водню, ідеально підходить для подібних досліджень.

МРТ стала хорошою альтернативою КТ. Вона більш безпечна, але також дає уявлення лише про структуру мозку, а не про його роботі. Виходом стала розробка функціональної МРТ (фМРТ). При роботі мозок активно використовує глюкозу і кисень, які приносить кров. Зростання активності відділів мозку добре корелює зі збільшенням притоку крові до них. Датчик апарату МРТ реєструє зміни в кровотоці за різницею магнітних показників крові, насиченої і не насиченої киснем.

ФМРТ - це метод дослідження активності головного мозку, який зараз активно використовується в усьому світі. Якщо ви зайдете на Google Scholar і введете в пошуку «fMRI» (фМРТ), то ви отримаєте майже 400.000 результатів. В одному німецькому дослідженні з використанням ФМРТ було виявлено, що мозок пацієнток з нервовою анорексією обробляє інформацію про власне тіло не так, як у здорових людей. 

Завдяки ФМРТ, ми можемо побачити, як людина приймає рішення, закоханий він чи ні. 

Цей метод дозволив розкрити одні таємниці людського мозку і наблизив нас до розгадки інших. Я думаю, що ФМРТ не межа можливостей, і скоро ми з вами дізнаємося ще більше про сам дивовижному органі - людському мозку.