How do we safely study living brains? - John Borghi and Elizabeth Waters

Переводчик: Anna Pecot Редактор: Ростислав Голод

As far as we know,

Современной науке известно, что во всей Солнечной системе

there’s only one thing in our solar system sophisticated enough to study itself:

существует единственный объект, способный к самопознанию, —

the human brain.

мозг человека.

But this self-investigation is incredibly challenging;

Однако самопознание мозга происходит невероятно сложно:

a living brain is shielded by a thick skull,

головной мозг защищён твёрдыми костями черепа,

swaddled in layers of protective tissue,

покрыт защитными оболочками

and made up of billions of tiny, connected cells.

и состоит из миллиардов мельчайших взаимосвязанных клеток.

That’s why it’s so difficult to isolate, observe, and understand diseases

Именно поэтому так сложно распознать, наблюдать и изучать болезни мозга,

такие как болезнь Альцгеймера.

like Alzheimer’s.

So how do we study living brains without harming their owners?

Какие существуют безопасные для человека методы исследования головного мозга?

We can use a trio of techniques called EEG,

Таких методов можно выделить три: ЭЭГ,

fMRI,

фМРТ

and PET.

и ПЭТ.

Each measures something different and has its own strengths and weaknesses,

Все эти методы измеряют различные параметры активности мозга

и имеют свои преимущества и недостатки.

and we’ll look at each in turn.

Рассмотрим их по порядку.

First is EEG, or electroencephalography,

Первый метод — электроэнцефалография, или ЭЭГ.

which measures electrical activity in your brain.

С помощью ЭЭГ изучают электрическую активность мозга.

Клетки мозга взаимодействуют между собой, образуя электрические импульсы,

As brain cells communicate, they produce waves of electricity.

которые отображаются в виде волн.

Electrodes placed on the skull pick up these waves,

Электроды, закреплённые на голове пациента, улавливают эти импульсы.

and differences in the signals detected between electrodes

Во время ЭЭГ измеряют разность потенциалов между двумя электродами,

provide information about what’s happening.

что позволяет проанализировать функциональное состояние головного мозга.

This technique was invented almost 100 years ago,

Этот метод начали применять около 100 лет назад.

and it’s still used to diagnose conditions like epilepsy and sleep disorders.

В современной медицине его используют для диагностики таких заболеваний,

как эпилепсия и нарушения сна.

It’s also used to investigate what areas of the brain are active

ЭЭГ также применяют для выявления активных участков мозга

during learning or paying attention.

во время учебного процесса или изучения функции внимания.

EEG is non-invasive,

Этот метод неинвазивный,

relatively inexpensive,

относительно недорогой

and fast:

и не занимает много времени:

it can measure changes that occur in just milliseconds.

он улавливает изменения электрической активности мозга за миллисекунды.

Unfortunately, it’s hard to determine

К сожалению, ЭЭГ не позволяет

exactly where any particular pattern originates.

достоверно определить участки мозга, в которых рождаются отдельные паттерны.

Electrical signals are generated constantly all over the brain

Электрические сигналы образуются непрерывно во всех участках мозга.

and they interact with each other to produce complex patterns.

Они взаимодействуют между собой, создавая довольно сложные рисунки, или паттерны.

Using more electrodes or sophisticated data-processing algorithms can help.

Разобраться в них можно, если задействовать больше электродов

или более сложные алгоритмы обработки данных.

But in the end, while EEG can tell you precisely when certain activity occurs,

Но и в этом случае ЭЭГ поможет зафиксировать лишь интервалы,

it can’t tell you precisely where.

но не участок возникновения определённых электрических импульсов.

To do that, you’d need another technique,

Для этого используют другие методы,

such as functional magnetic resonance imaging, or fMRI.

например, функциональную магнитно-резонансную томографию (фМРТ).

fMRI measures how quickly oxygen is consumed by brain cells.

Данный метод измеряет скорость поглощения кислорода клетками головного мозга.

Active areas of the brain use oxygen more quickly.

Активные участки мозга поглощают кислород быстрее.

So watching an fMRI scan while a person completes cognitive or behavioral tasks

Поэтому фМРТ даёт возможность установить, какие участки мозга бывают задействованы

can provide information about which regions of the brain might be involved.

во время выполнения испытуемым когнитивных или поведенческих задач.

That allows us to study everything from how we see faces

Этот метод позволяет определить практически всё,

to how we understand what we’re feeling.

например, как мы распознаём лица или как осознаём то, что чувствуем.

fMRI can pinpoint differences in brain activity to within a few millimeters,

В ходе фМРТ можно с точностью до нескольких миллиметров

определить изменения активности мозга.

but it’s thousands of times slower than EEG.

Однако этот метод в тысячи раз медленнее ЭЭГ.

Using the two techniques together

Поэтому, чтобы определить временные интервалы и участки нейронной активности,

can help show when, and where, neural activity is occurring.

рекомендуется использовать оба метода: ЭЭГ и фМРТ.

The third, even more precise, technique is called positron emission tomography

Третий метод — ещё более точный — позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ).

and it measures radioactive elements introduced into the brain.

ПЭТ измеряет концентрацию радиоактивного вещества, введённого в головной мозг.

That sounds much scarier than it actually is;

Звучит это намного страшнее, чем есть на самом деле.

PET scans, like fMRI and EEG, are completely safe.

ПЭТ-сканирование, а также фМРТ и ЭЭГ — совершенно безопасные методы диагностики.

During a PET scan, a small amount of radioactive material called a tracer

Во время ПЭТ-диагностики в кровоток пациента вводится небольшое количество

радиофармпрепаратов, так называемых изотопных индикаторов,

is injected into the bloodstream,

and doctors monitor its circulation through the brain.

и получается изображение, отражающее распределение индикатора в мозге.

Изменяя состав изотопного индикатора, специалисты могут влиять на образование

By modifying the tracer to bind to specific molecules,

researchers can use PET to study the complex chemistry in our brains.

определённых молекул с целью наблюдения

за сложными химическими процессами в мозге.

It’s useful for studying how drugs affect the brain

Это необходимо для изучения воздействия лекарств на мозг человека

and detecting diseases like Alzheimer’s.

и диагностирования заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера.

But this technique has the lowest time resolution of all

Но из трёх методов ПЭТ имеет самое низкое временно́е разрешение,

because it takes minutes for the tracer to circulate and changes to show up.

так как на циркуляцию радиофармпрепарата и выявление изменений уходят минуты.

These techniques collectively help doctors and scientists

Все три метода позволяют врачам и учёным устанавливать взаимосвязи

connect what happens in the brain with our behavior.

между происходящими в головном мозге процессами и поведением человека.

But they’re also limited by how much we still don't know.

Но их возможности не беспредельны, и у нас всё ещё остаётся немало вопросов.

For example, let's say researchers are interested in studying how memory works.

К примеру, специалисты хотят изучить механизмы работы памяти.

After asking 50 participants to memorize a series of images while in MRI scanners,

Они могут поместить 50 участников эксперимента в камеры МРТ-томографов

и попросить их запомнить показываемые изображения,

the researchers might analyze the results

после чего проанализируют результаты

and discover a number of active brain regions.

и выявят активизировавшиеся участки мозга.

Making a link between memory and specific parts of the brain

Установление связи между памятью человека и определёнными участками головного мозга

is an important step forward.

позволило сделать важный шаг в науке.

But future research would be necessary

Однако необходимы дополнительные исследования,

to better understand what’s happening in each region,

чтобы лучше понять процессы, происходящие в каждом участке мозга,

how they work together,

установить между ними связи и определить,

and whether the activity is because of their involvement in memory

является ли активизация участков мозга лишь результатом работы памяти

or another process occurring simultaneously.

или там параллельно происходят другие процессы.

More advanced imaging and analysis technology

Когда-нибудь более передовые методы визуализации и обработки данных

might one day provide more accurate results

позволят нам получить более достоверные сведения

and even distinguish

и даже проследить активность отдельных нейронов.

the activity of individual neurons.

Until then, our brains will keep measuring, analyzing, and innovating

А пока наш коллективный разум продолжит исследовать, анализировать и изобретать,

in pursuit of that quest to understand

чтобы когда-нибудь приблизиться к разгадке

one of the most remarkable things we’ve ever encountered.

одной из самых удивительных тайн природы — мозга человека.