Таинственные волны мозга

Таинственные волны мозга

Для начала позвольте несколько слов о мозговых волнах. Нейроны в мозге действуют подобно миллионам крошечных электрических батарей. Генерируемое ими электрическое поле можно записать при помощи сенсоров – электродов, которые крепятся к поверхности головы. Запись волновой активности мозга называется электроэнцефалограммой, или ЭЭГ. ЭЭГ часто используют для исследования и оценки клинических расстройств: от судорожной активности при эпилепсии до аномальных ритмов, характерных для нарушений сна.

ЭЭГ можно также записать и проанализировать на компьютере, чтобы детально разобраться в том, как мозг воспринимает информацию. Есть техника изучения того, как мозг обрабатывает определенные стимулы, например слова или картинки. Ученые показывают эти слова или картинки исследуемым на экране компьютера, снимая при этом ЭЭГ. При помощи компьютерного алгоритма ученые фиксируют активность мозга примерно в течение секунды после представления каждого вида изображений или слов. Таким образом определяется так называемый событийно связанный вызванный потенциал (ССВП) – мозговые волны при обработке подобного рода стимулов. В аспирантуре мои однокашники прозвали тех, кто занимался такими исследованиями в тюрьмах, «ССВП-мафией».

ССВП обычно длится около секунды. Ученые разделяют его на первичные, вторичные и более поздние компоненты. Первичные, длящиеся примерно первые 200 миллисекунд, отражают обработку сенсорных впечатлений и то, сколько внимания она потребовала. Сильная первичная реакция означает, что либо слово или картинка захватили внимание исследуемого, либо он очень сосредотачивался, рассматривая их. Вторичные компоненты имеют место между 200– и 500-миллисекундой после предъявления стимула и отражают работу памяти, опознание в контексте и моторные процессы, связанные с генерированием реакции на стимул. Чем больше памяти участвует, тем больше вторичные компоненты. Наконец, поздние компоненты обычно длятся от 500-й до 1000-й миллисекунды и отражают процесс идентификации и оценивания. Если вы глубоко задумаетесь о чем-то, это, скорее всего, покажут большие поздние компоненты.

Пики и падения ССВП называют по их порядковому номеру и полярности. Первый негативный пик называется N100, третий положительный пик – P300. Положительные и негативные отклонения одинаково важны. Если маленькая батарея (группа нейронов) направлена вверх, получается положительная волна, если вниз, получается отрицательная.

Я познакомился с ССВП в довольно любопытных обстоятельствах. Я участвовал в исследовании, в котором при помощи ССВП оценивался слуховой диапазон косаток. Еще в Дэвисе я услышал лекцию аспиранта Майкла Шимански, который работал над мобильной системой для записи мозговой активности косаток в океанариуме «Морской мир Африка – США» в калифорнийском Вальехо. Заинтересованный исследованием Майкла, я вызвался помочь ему в разработке мобильной ЭЭГ-системы для косаток. У меня был четырехлетний опыт работы в отделении анестезии ветеринарного факультета, где я отслеживал активность мозга у животных во время хирургических операций. Майкл обрадовался новому помощнику, который разбирался в технике, и мы с тех пор стали друзьями на всю жизнь.

Мы сделали сенсоры и вставили их в трехдюймовые присоски, которые крепятся к голове косатки для записи мозговых волн. Дрессировщики океанариума приучили косаток неподвижно держаться у края бассейна, пока мы закрепляли присоски. У косаток нет ушной раковины или наружного уха. Они воспринимают звуки под водой через челюсть. Поэтому мы проигрывали им звуки под водой при помощи специального устройства с уместным названием гидрофон.

Исследование было сопряжено с большими техническими трудностями, но через два года разработок и доработок, испытаний и проверок мы разобрались, как надо записывать мозговые реакции косаток на звуки. Мы воспользовались тем, что мозг автоматически реагирует на звуки, если они на различаемых им частотах. Это называется акустический стволовой вызванный потенциал (АСВП), он очень короткий, длится всего семь миллисекунд. Фактически это последовательность реакции первых семи нейронных ядер слухового пути, по мере того как мозг распознает звук. То есть, когда мы регистрировали АСВП, это значило, что косатки различают звук такой частоты. И наоборот, если мы не видели АСВП, это значило, что киты на такой частоте звуков не слышат. Эта техника обычно используется для диагностики проблем со слухом у детей, повреждений при травмах мозга или для оценки потери слуха, например из-за частого посещения рок-концертов.

Мы обнаружили, что косатки могут воспринимать частоты в десять раз выше, чем может слышать человек. Также они слышат звук на гораздо более низких частотах. Благодаря этой работе флот США изменил программу своих океанских экспериментов. Исследования ВМФ были скорректированы таким образом, чтобы шумы, производимые в ходе экспериментов, не вмешивались в оптимальные частоты, воспринимаемые косатками. Запись мозговой активности двух косаток океанариума по кличке Яка и Вигга опубликовал престижный журнал{40}. Даже двадцать лет спустя они по-прежнему остаются самыми крупными животными, у которых записаны волны мозга. Мы с Майклом очень горды проделанной работой, как и тем, что благодаря ей были предприняты усилия по защите слуха и акустического сообщения между косатками.

Мои занятия ССВП у косаток также познакомили меня с различными парадигмами исследования здоровых мозговых волн у животных и людей. У меня было любимое задание для записи ССВП, к тому же одно из самых легких. Это так называемая oddball[2]. Участникам исследования предъявляют серию звуков разного тона. У большинства звуков одинаковая высота (стандартные стимулы), но иногда она выше (девиантный стимул). Испытуемый должен как можно быстрее нажать кнопку, услышав более высокий звук, но только этот звук и никакой другой. Иногда мы включаем какие-нибудь забавные произвольные звуки, просто чтобы слегка запутать. Ими мы проверяем реакцию мозга на новый стимул.

Oddball-тест существует уже больше полувека. Оказывается, что девиантные стимулы вызывают очень активную и впечатляющую реакцию мозга. Самый заметный компонент называется Р300 (третий положительный пик после предъявления девиантного стимула). Р300 – чрезвычайно комплексная волна; я много лет посещал ежегодные конференции, на которых ученые обсуждали исключительно что они думают о значении этого компонента. С момента открытия компонента Р300 в 1965 году{41} о нем опубликованы тысячи научных трудов.

Почему же он так интересен? Компонент Р300 очень удобен для клинических исследований. Большинство видов психических болезней показывают аномалии в Р300. При шизофрении у Р300 уменьшенная амплитуда и небольшое запаздывание, которые заметнее всего в левой височной доле мозга. При глубокой депрессии у Р300 уменьшенная амплитуда в лобных долях мозга. То есть вариации амплитуды (высоты), латентности (продолжительности) и топографии (формы) компонента Р300 могут помочь обнаружить процессы, характерные для психических заболеваний.

После стольких научных конференций и публикаций удалось ли нам понять, что означает Р300? Я склоняюсь к тому мнению, что Р300 – это своеобразный зонд, проверяющий работу мозга; если в Р300 отклонения, это значит, что с мозгом что-то не так.

На эти нестандартные стимулы мозг, как правило, реагирует автоматически, даже рефлекторно. Происходит процесс автоматического ориентирования. Мозг как бы говорит: «А, вот это важный стимул. Дайте-ка я его как следует обработаю». Я приведу вам свой любимый пример, чтобы пояснить, что я имею в виду.

Однажды летом мы с коллегой по изучению косаток Майклом Шимански пошли в поход по пешей тропе через Тихоокеанский гребень в Калифорнии. Мы находились чуть южнее Йосемитского заповедника. Мы пробыли там больше недели и хотели уже заканчивать и выйти у заповедника Кингс-Каньон где-то в шестнадцати километрах оттуда. С нами были две мои черные немецкие овчарки Анди (в честь Андских гор) и Алая (в честь Гималайских). Мы с Анди шли впереди, Алая за мной, а Майкл замыкал нашу группу. Вдруг мы с Анди услышали странный шум, доносившийся откуда-то с тропы перед нами. Такое ощущение, что птица билась под камнем. Анди навострила уши, а я вдруг подумал, что наш мозг только что отреагировал на новый стимул волной Р300.

Анди побежала вперед, к камню, откуда доносился звук. Когда она была уже в шаге от него, она замерла и резко отпрыгнула вверх и назад. У нее на рюкзачке висела маленькая гремучая змея. Я тут же сбросил змею с Анди своей палкой, и мы увидели, как она уползает вниз по холму. Мы только посмотрели друг на друга. Из-за змеи у всех нас были огромные Р300, но все мы были в норме. Оказалось, что хвост у нее еще не полностью сформировался, и поэтому мы не узнали хорошо знакомый нам характерный звук змеиной погремушки.

Примерно через полкилометра мы опять услышали тот же звук. Однако на этот раз мозг уже был к нему готов. Все мы, люди и собаки, тут же отскочили от дороги. Снова Р300.

Можно перенести этот опыт в лабораторию: просто попросить участников нажимать кнопку в ответ на слуховые стимулы, которые мы считаем важными или необычными. Необычный символ вызывает заметный компонент Р300.

Почему мозг реагирует подобным образом? Дело в том, что он приспособлен к тому, чтобы быстро реагировать на важные стимулы в окружении. Если бы мозг не позволял нам быстро учиться, то эта змея могла бы убить нас с Анди, и наши гниющие трупы лежали бы у туристической тропы в заповеднике Кингс-Каньон.

Ученые считают, что мозг рефлекторно реагирует каждый раз при предъявлении потенциально важного стимула. Задействуя этот мозговой рефлекс, мы готовимся к обработке важных стимулов и адаптации к ним. В этом и есть суть Р300.

Моя лаборатория показала, что oddball-тест задействует более тридцати пяти областей мозга. Синхронная активность этих тридцати пяти с лишним областей отражается в волнах, которые мы фиксируем в виде Р300. Любые аномалии в тридцати пяти областях мозга, отвечающих за Р300, приводят к изменениям в амплитуде, латентности или топографии компонента. Когда мы видим, что психическое расстройство связано с какими-то изменениями Р300, мы должны выяснить, какие области мозга вызывают аномалию. Таким образом, Р300 может служить индикатором того, что неправильно работает в этих примерно тридцати пяти областях мозга{42}.

Я провел oddball-тест с Ричи-Шокером и взял данные домой. Вечером, анализируя его ЭЭГ, я заметил нечто очень странное в компоненте Р300. У него была не только уменьшенная амплитуда в лобной доле мозга по сравнению с другими заключенными (не психопатами), но и большой провал сразу после Р300. В тот вечер я долго рассматривал эту кривую.

Я собрал данные по oddball-тесту еще у сорока психопатов, помимо Ричи-Шокера. Еще я собрал ЭЭГ у сорока заключенных с низким баллом по Перечню психопатических черт. Вторая группа составила контрольную группу непсихопатов (см. рис. 2).

Рис. 2. Событийно связанный вызванный потенциал (ССВП) лобного участка мозга у 40 психопатов (серая линия) в сравнении с 40 непсихопатами (черная линия) – реакция на oddball-стимул. Обратите внимание на заметное отличие между психопатами и непсихопатами, которое начинается примерно через 400 миллисекунд и продолжается до 800-й миллисекунды. Это аномальная мозговая активность психопатов. На оси ординат отмечены микровольты, отрицательные значения вверху; на оси абсцисс – миллисекунды после предъявления стимула. Данные взяты из Kiehl K.A., et al. (2006). Brain potentials implicate temporal lobe abnormalities in criminal psychopaths // Journal of Abnormal Psychology. P. 115, 443–453

Я распечатал восемьдесят одну запись реакции заключенных на oddball-тест, произвольно их пронумеровал и убрал все сведения о том, к кому относятся графики волн – к психопатам или нет. Затем я попросил ассистента рассортировать графики: в одну стопку те, где есть странный Р300, в другую те, где его нет. Ассистент правильно определил сорок из сорока одного психопата. Ни один непсихопат не попал в чужую группу. Иными словами, необычный Р300 позволил буквально диагностировать психопатию. 97 процентов психопатов показали эту странную реакцию головного мозга, которая отсутствовала у всех непсихопатов. Поразительный результат.

За несколько следующих лет моя лаборатория собрала тысячи дополнительных результатов с контрольных испытуемых, которые не сидели в тюрьме. Мы изучали их реакцию на oddball-стимул, пытаясь узнать, не проявятся ли какие-то признаки странного Р300 у кого-нибудь, кроме психопатов.

Однажды утром в лабораторию пришел взволнованный технический ассистент и показал мне недавно полученный им график ЭЭГ. Я подумал, что это какой-нибудь новый психопат, потому что этот ассистент только что прошел подготовку по работе с заключенными. Я просмотрел график и пришел к выводу, что он совпадает с типичным, как мы установили, для мозга психопата. Я поздравил его с первой психопатической ЭЭГ.

И тут он побледнел как смерть.

– Что случилось? – спросил я.

– В-вы не понимаете, – заикаясь, пролепетал он, – это график не заключенного. Это мой сосед, мы вместе снимаем квартиру.

Первым делом я подумал, что хорошо бы моему ассистенту как можно быстрее сменить жилье. Второй моей мыслью было то, что мы не можем ничего сказать его соседу, так как это было бы серьезным нарушением этики.

Мой ассистент дрожал. Он что-то бормотал про соседа, которого нашел по объявлению. Парень казался довольно приятным, был разговорчив, и помимо того, что часто курил марихуану, на первый взгляд в нем как будто не было ничего плохого.

В конце концов ассистент решил, что, пожалуй, ему следует съехать. Лучший способ не стать жертвой психопата – доверять своему чутью.

Через несколько недель мой ассистент сказал, что у него есть несколько любопытных новостей. Во-первых, он переехал к родителям, и ему сразу стало гораздо спокойнее. Однако он сказал, что перед его отъездом сосед признался ему, что его отец сидел за убийство.

Интересно. Может быть, поиск смысла странной Р300-реакции у психопатов приведет нас к выводу, что эти аномалии мозга отчасти обусловлены генетикой?