Электроды в мозге

Измерение мозговой активности на внешней поверхности черепа – это прекрасно, но нейробиологи всегда мечтали проникнуть в сам мозг. Возможно ли такое исследование с этической точки зрения? Более инвазивный метод, предполагающий прямой электрический контакт с поверхностью мозга, существует давно и обеспечивает уникальную возможность подробно изучить специализацию системы, отвечающей за чтение. В этом случае электроды помещаются непосредственно на кору или глубоко в ткань головного мозга. Конечно, такой метод можно использовать только с определенными пациентами. Он никогда не применяется без веских клинических показаний и требует информированного согласия больного. Его основная цель – изучение эпилепсии. Некоторые пациенты страдают частыми приступами и не восприимчивы к противосудорожным препаратам. Их единственная надежда на улучшение своего состояния – удаление эпилептического очага (места, где зарождаются приступы). В большинстве случаев хирургическое вмешательство приводит к избавлению от них. Однако перед операцией необходимо точно определить область, подлежащую удалению. Задача состоит в том, чтобы полностью извлечь пораженные ткани, но сохранить примыкающие к ним здоровые участки.

Успешность хирургического вмешательства зависит от точности определения локализации участка, в котором зарождается эпилептическая активность. Для этого за одну или две недели перед операцией в предполагаемую область вживляют несколько десятков электродов. Непосредственный контакт с корой обеспечивает высокоточный мониторинг электрических сигналов. В современных клиниках эти сигналы оцифровываются непрерывно, и за пациентами наблюдают днем и ночью. В результате даже малейший намек на приближение приступа можно реконструировать и проследить до той области, где он возник. В промежутках между двумя припадками электроды регистрируют сигналы, по большей части возникающие в здоровой ткани. С согласия пациента и в сотрудничестве с ним они могут быть использованы для изучения реакций мозга на внешние стимулы, такие как слова или лица.

В 1990‑ х годах неврологи Труэтт Эллисон, Грегори Маккарти и их коллеги из Йельского университета инициировали исследовательскую программу, в рамках которой были собраны записи внутричерепных сигналов более 100 человек[135]. Суть хирургической процедуры состояла в обертывании височных и затылочных долей полосками электродов, помещенных под защитную оболочку мозга для непосредственного контакта с поверхностью коры (рис. 2. 9). Расположенные через каждые 5–10 миллиметров, эти датчики позволили получить более четкое представление о последовательных стадиях процесса чтения и подтвердили невероятную скорость нашей зрительной системы. Примерно через 180 миллисекунд после появления изображения на сетчатке глаза некоторые электроды, обращенные к вентральной поверхности затылочной и височной долей, регистрировали высокоамплитудные отрицательные волны. Как и следовало ожидать, при возникновении слов эти сигналы в основном исходили из левого полушария, а при появлении лиц – из правого.

Рис. 2. 9. Электроды, помещенные непосредственно на поверхность мозга больных эпилепсией, позволяют визуализировать специализацию коры с исключительной пространственной и временной точностью. Спустя 150–200 миллисекунд после возникновения определенной категории стимулов электрический сигнал на некоторых электродах внезапно изменяется. Одни зоны предпочитают лица, другие – письменные слова. Объединив в стандартном анатомическом пространстве данные большого количества пациентов, мы увидим, что лица преимущественно задействуют правое полушарие, а слова – левое (по материалам статьи Allison et al., 1999). Адаптировано с разрешения Oxford University Press и Cerebral Cortex.

Вопросы вызывала крайняя пространственная избирательность реакции. Один электрод мог интенсивно реагировать на слова, в то время как его соседи, находившиеся всего в нескольких миллиметрах, не проявляли никакой активности. Что еще удивительнее, один и тот же электрод мог весьма энергично откликаться на слова, но игнорировать другие категории, например лица, предметы или абстрактные фигуры. Это наблюдение ясно свидетельствовало о существовании микротерриторий, посвященных исключительно словам.

Таким образом, результаты внутричерепной регистрации сигналов хорошо согласуются с данными, полученными другими способами, включая вскрытие (как в случае с месье К. ), ПЭТ‑ сканирование, функциональную МРТ и методы электромагнитной визуализации. Вентральная поверхность любого человеческого мозга содержит упорядоченный набор устройств зрительного распознавания. Они настроены на различные категории изображений и расположены в определенном месте у всех людей. Так, область «буквенной кассы» всегда зажата между зонами, реагирующими на лица и предметы. Такое систематичное устройство мозаики зрительного мозга требует объяснения.

Что касается обработки лиц, Нэнси Кэнуишер, профессор когнитивной нейробиологии Массачусетского технологического института, предложила простую эволюционную гипотезу. У приматов, ведущих активную социальную жизнь, область коры, отвечающая за распознавание лиц, вероятно, развилась с течением времени[136]. Хотя в этом случае подобный дарвиновский подход кажется не столь маловероятным, никакое эволюционное влияние не может объяснить существование участков коры, предназначенных для букв и слов. Каким же образом мозг примата сумел предвидеть изобретение письменности и зарезервировать для нее целую область?

Прежде чем приподнять завесу тайны над этим парадоксом, давайте разберемся, чем на самом деле занимается «буквенная касса». Отражает ли ее активность подлинную специализацию на словах, или мы видим лишь общую реакцию на линии и кривые, которые образуют буквы? Поскольку непосредственное сравнение слов и лиц не дает однозначного ответа на этот вопрос, необходимо более пристально взглянуть на то, как именно мозг решает проблему инвариантного распознавания слов.