При магнитно-резонансном томографическом исследовании тело человека расположено так, что его верхняя часть и голова находятся внутри большой трубы, которую специалисты называют сканером. Аппарат МРТ — по существу большой магнит. Только поле у него в 50 тысяч раз более мощное, чем у Земли12. Он может измерять магнитные свойства любых предметов, помещенных в его поле. Психологи используют аппараты МРТ для исследования мозга человека.
Магнитно-резонансная томография показывает анатомическое строение органов за счет того, что разные составляющие ткани имеют различную плотность. При помощи МРТ можно получить полную картину мозга человека. Модифицированные аппараты функциональной МРТ позволяют увидеть функционирование мозга в режиме реального времени, в том числе работу тех его отделов, которые работают с повышенной нагрузкой в моменты, когда люди думают, анализируют или решают задачи.
Ученые пригласили Карлу в центр нейровизуализации, чтобы больше узнать о работе мозга музыкантов при приобретении исполнительских навыков и выступлениях. Но Карла знала только, что, когда голова и верхняя часть ее тела будут передвигаться на специальной платформе внутри большой трубы (сканера), она услышит запись собственного исполнения произведения Роберта Шумана «Аллегро си минор» и начнет одновременно «проигрывать» его на модели фортепианной клавиатуры.
В ходе эксперимента ученые выявили, что, вопреки традиционным представлениям, лобные доли мозга, отвечающие за рабочую память и управление сознанием человека, не играют решающей роли в работе музыканта. А вот участки, обеспечивающие сенсорику и моторику и контролирующие процедурную память, в основном и отвечают за исполнение хорошо разученного произведения. Лучше других это выразил датский пианист-виртуоз Виктор Борге, когда спросил великого пианиста и дирижера Владимира Ашкенази: «Вас разве не пугает, когда вы смотрите на собственные движущиеся пальцы и не понимаете, кто именно заставляет их двигаться?»13
У профессиональных музыкантов префронтальная кора уже не направляет действия. Это делает их процедурная память, которая действует на подсознательном уровне.
Данные о различиях в функционировании мозга известных и начинающих музыкантов стали основой проведенных в последние несколько лет исследований того, как люди достигают вершин в своей области. Ученые обнаружили, что случается, когда стресс-факторы становятся причиной слабых выступлений даже очень подкованных в своей профессии людей.
В функциональном МРТ-исследовании, помимо прочего, измеряется уровень потребления кислорода мозгом конкретного человека. Любая его активность задействует клетки, называемые нейронами. Последние излучают электрические микроимпульсы, которые, в свою очередь, создают магнитное микрополе. Аппараты функциональной МРТ не могут уловить такие слабые импульсы. Но они способны измерить уровень потребления кислорода различными участками мозга. Активизировавшиеся нейроны требуют повышенной дозы кислорода, который попадает в активные участки мозга с увеличившимся током крови. Такая кровь имеет магнитные свойства, отличные от тех, что свойственны ненасыщенной. И сканер аппарата МРТ может это уловить. Иными словами, насыщение кислородом крови, поступающей в мозг, возрастает с увеличением активности нейронов в конкретной его части. Именно этот показатель и отражает уровень работы мозга человека.
Можно было бы ожидать, что насыщенность крови кислородом падает с активизацией мозга, поскольку всё больше его участков требуют всё больше кислорода. Но это не так. Действительно, в какой-то момент количество кислорода в мозге после его активизации падает, но это тут же компенсируется увеличением притока крови. Причем до уровня перенасыщения кислородом активных участков. Обычно такой обильный приток крови длится около шести секунд, а затем всё возвращается к обычным показателям. Функциональная МРТ измеряет не активность нейронов, а приток крови, который обеспечивает их деятельность.
Функциональная МРТ — замечательный исследовательский инструмент. Но его возможности не безграничны. Например, импульсы между нейронами распространяются очень быстро, а кровь в сосудах течет медленно. Нейронные связи осуществляются при помощи сигналов, длительность которых составляет несколько миллисекунд. И это оправданно: критические для человека события могут произойти за десятки миллисекунд. А быстрые нейроны позволяют нам вовремя отреагировать. Но человеческому организму требуется около двух секунд, чтобы обеспечить повышенный приток крови к активизировавшимся нейронам, и около 18 секунд, чтобы снизить его до обычного уровня после замедления нейронов. Здесь функциональная МРТ дает отличные возможности выявить участки мозга, активные при выполнении определенной задачи. Но эти технологии, к сожалению, не могут дать ответ на вопрос о длительности периодов этой активности.
Нейроны очень малы. А масштаб измерений функциональной МРТ относительно велик. Наш мозг содержит приблизительно триллион нейронов, каждый из которых имеет размер 1/100 мм. Самое маленькое объемное трехмерное изображение (voxel), которое может дать функциональная МРТ, имеет размеры 3 × 5 мм. А на практике исследователи при изучении активности участков мозга оперируют на томограмме несколькими такими единицами. Так что данные функциональной МРТ дают представление только о средней активности нейронных групп, состоящих из сотен тысяч, а то и нескольких миллионов нейронов. Не слишком высокая точность. К тому же, когда мы используем технологии функциональной МРТ, чтобы сделать вывод, что данная область мозга отвечает за решение конкретной задачи, то исходим из предположения (обоснованного, но все же), что все присутствующие нейроны отвечают именно за это.
Я так много рассказываю о функциональной МРТ, поскольку ее данные определенно указывают на взаимосвязь между умственной деятельностью и активностью нейронов.
Чтобы заглянуть в наши головы, психологи используют и другой инструментарий. Это, в частности, электроэнцефалограмма (ЭЭГ). При ее снятии человеку на голову прикрепляют особые электроды, чтобы определить электрическую активность мозга. Электроды улавливают через кожу головы электрические микроимпульсы от нейронов. ЭЭГ напрямую измеряет электрическую активность нейронов (а не изменение тока крови в связи с изменением их активности) и позволяет ученым более точно оценивать временные промежутки в работе нейронов, чем МРТ. Однако поскольку ЭЭГ отражает деятельность всех нейронов человеческого мозга, на ее основе трудно делать выводы о том, какой именно его участок задействован в данный момент.
До того как в медицине и науке стали широко применяться технологии МРТ, популярным методом нейровизуализации была позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ). Она подразумевает введение в кровь обследуемого радиоактивных маркеров, перемещение которых по кровотоку измеряется при проявлении мозгом разных видов активности (восприятие информации, анализ, моторика). Так же как и в МРТ, в ПЭТ мы исходим из того, что части человеческого мозга, которые в данный момент активны, требуют большего количества кислорода и питательных веществ, в частности сахара. Мы также полагаем, что в ответ на возросшие потребности мозга в кислороде и сахаре сердечно-сосудистая система обеспечивает их приток в мозг. Если при МРТ измеряется содержание кислорода в крови, то ПЭТ определяет собственно кровоток в мозге человека. Поскольку технология ПЭТ относится к инвазивным методам исследования (в организм человека вводятся радиоактивные элементы), сейчас она сдает позиции магнитно-резонансной томографии.
