Расшифровка читающего мозга

За последние 20 лет методы функциональной визуализации произвели настоящую революцию в изучении коры человеческого мозга, позволив нам буквально «читать в мозге». Благодаря им мы можем увидеть мозговую активность в тот самый момент, когда человек выполняет некую мыслительную операцию – например, читает. Во многих отношениях нейровизуализационые эксперименты гораздо проще и надежнее, чем изучение данных о повреждениях. Кто может сказать, в какой степени мозг реорганизуется после травмы? Инсульт, например, может привести к нарушению областей, расположенных на достаточном удалении от первичного очага поражения. Обычно в течение следующих нескольких недель наблюдается масштабная перестройка церебральной деятельности: больной пытается восстановить утраченные функции с помощью нейронных цепей, которые никогда не используются для подобных задач здоровым мозгом. Наконец, инсульт непредсказуем. Зона поражения может быть обширной и обусловленной анатомическим распределением артерий, а потому не является надежным индикатором функциональной организации здорового мозга. Если бы мы не имели возможности визуализировать нормальный человеческий мозг, наша задача была бы сродни задаче подмастерья, который пытается постичь часовое дело, изучая сломанные механизмы.

Визуализация основана на простом принципе, сформулированном еще в XVIII веке французским химиком Антуаном Лораном Лавуазье. Как и любой другой орган, мозг во время работы расходует больше энергии, чем в состоянии покоя. В своих первых исследованиях о дыхании животных[117] (1789) Лавуазье предвосхитил то, как эта простая идея может быть применена к измерению мозговой активности:

Данный метод наблюдения приводит к сравнению между собою таких применений силы, между которыми, казалось, нет никакой связи. Можно оценить, например, сколько фунтов веса соответствует усилиям человека, который произносит речь, или музыканта, играющего на инструменте. Можно было бы даже оценить то, что составляет механическую часть в труде размышляющего философа, пишущего литератора, композитора, сочиняющего музыку. Указанные явления, рассматриваемые обычно как чисто духовные, имеют нечто физическое и материальное, что и позволяет в этом отношении сравнивать их с тем, что выполняет чернорабочий[118].

Пройдет 200 лет, прежде чем эта простая идея будет воплощена в жизнь. В 1988 году Стив Питерсен, Майкл Познер, Маркус Райхле и их коллеги первыми визуализировали области мозга, которые потребляют энергию во время чтения[119]. Для выявления функциональной организации речевых центров они использовали позитронно‑ эмиссионную томографию (ПЭТ). Лавуазье никак не мог предвидеть того своеобразного сочетания психологии и ядерной физики, на котором основан этот метод. Испытуемым вводят небольшое количество радиоактивной воды, в которой стандартный атом кислорода (16O) заменен кислородом 15. Кровь приносит радиоактивные метки в мозг, где клетки поглощают кислород из крови. Чем выше нейронная активность, тем больше радиоактивного вещества накопится в этой зоне. В результате локальные пики радиоактивности непосредственно отражают «горячие точки» мозга.

Через несколько десятков секунд атомы кислорода 15 самопроизвольно возвращаются в свое стабильное состояние (кислород 16), испуская позитрон – элементарную частицу, зеркальную копию электрона. Когда позитрон сталкивается с электроном, они превращаются в два высокоэнергетических фотона. Именно эти частицы света, разлетающиеся в противоположных направлениях, обнаруживает сканер. Кристаллы вокруг головы испытуемого передают эту информацию в мощный компьютер, и тот реконструирует место, где произошел распад. В итоге мы получаем трехмерное изображение, на котором показано точное распределение энергии, потребляемой мозгом. Отсюда сам термин «томография», образованный от греческих слов tomos («срез») и graphein («рисунок»).

Что касается психологии, то и здесь Питерсен и его коллеги ввели некоторые новшества. Так, во время сканирования испытуемые должны были выполнять ряд постепенно усложняющихся задач. Сначала ученые делали снимки мозга в состоянии покоя, когда человек не был возбужден и не думал ни о чем конкретном. На втором этапе они замеряли нейронную активность во время повторения слов – напечатанных или произнесенных вслух. На третьем этапе испытуемых просили назвать глагол, связанный с каждым из представленных слов (например, «есть» или «кушать» для стимульного слова «торт»), и замеряли нейронную активность в процессе генерирования вербальных ассоциаций.

Питерсен и его коллеги надеялись, что таким образом им удастся идентифицировать области мозга, последовательно задействованные в зрительном и слуховом распознавании слов, артикуляции и мысленном управлении смыслами.

Снимки, полученные в ходе этого эксперимента, оказались настолько впечатляющими, что вскоре появились на первых полосах газет по всему миру и стали неотъемлемой частью науки о мозге. Впервые в истории были сфотографированы области живого человеческого мозга, отвечающие за речь (рис. 2. 3)! Хотя позже эти изображения пришлось подкорректировать, все ключевые наблюдения были воспроизведены в рамках других исследований. Всякий раз, когда испытуемые смотрели на написанные слова, «загоралась» зрительная область, расположенная на затылке. Выраженная активность наблюдалась и на границе между затылочной и височной долями в левом полушарии. Этот небольшой участок в точности совпадал с областью, которую мы называем «буквенная касса». Звук произносимого слова не возбуждал ни одну из этих зон, зато вызывал активность в верхней и средней височной коре, отвечающих за обработку слуховых сигналов и устной речи. Произнесение слова вслух стимулировало участок в переднем отделе левого полушария, в непосредственной близости от области речепроизводства, открытой французским неврологом Полем Брока в XIX веке, а также левую и правую моторные области. Наконец, семантические ассоциации требовали мобилизации левой нижней префронтальной коры, часто ассоциируемой с творческим мышлением.

Рис. 2. 3. Эпохальный снимок: речевые области мозга, впервые выявленные в ходе ПЭТ‑ сканирования (по материалам статьи Petersen et al., 1989; изображение любезно предоставлено Маркусом Райхле). Беззвучное чтение (вверху справа) запускает процессы зрительного распознавания слов в задней части левого полушария. В зависимости от поставленной задачи информация затем передается в области, кодирующие речевые звуки (вверху слева), речепроизводство (внизу слева) или управление смыслами (внизу справа). Использовано с разрешения Майка Познера и Маркуса Райхле.

Из всех этих зон только одна, левая затылочно‑ височная область, по‑ видимому, играла центральную роль в чтении. Удивительно, но ее локализация в точности совпадала с зоной чистой алексии, выявленной в ходе исследований повреждений мозга. Питерсен и его коллеги заметили, что эта область активизировалась только при виде письменных слов и не относилась к системе низкоуровневых зрительных участков, реагирующих на такие визуальные паттерны, как шашечница. В результате было высказано предположение, что она служит своеобразным связующим звеном между первичными зрительными анализаторами и остальной частью речевой системы. Проще говоря, это фильтр, через который должна пройти визуальная информация, прежде чем попасть в речевые центры. Он избирательно анализирует входящие изображения на наличие букв и направляет их в другие отделы мозга, которые преобразуют их в звук и смысл.