Вы когда-нибудь задумывались, как человеку удаётся воспринимать всё разнообразие образов, запахов и звуков окружающего мира? Это стало возможным благодаря исключительной способности мозга формировать общее восприятие окружающей действительности. Мозг состоит из многих типов клеток, отвечающие за обработку информации, но нейроны (клетки мозга, которые используют нейромедиаторы и электричество для связи с другими клетками мозга и организмом) являются основным типом клеток. Чтобы общаться друг с другом, нейроны посылают друг другу для взаимодействия маленькие химические сигналы (называемые нейротрансмиттерами). Они работают в определённых ритмах, задавая общий темп всему телу.
Когда нейромедиатор поступает в нейрон, положительно или отрицательно заряженные вещества, называемые ионами, устремляются внутрь этого нейрона. Если попадают отрицательные ионы, то сигнал прекращается. Однако, если в принимающем нейроне накапливается достаточное количество положительных ионов. Это запускает потенциал действия (электрический разряд, который проходит по нейрону и позволяет ему взаимодействовать с другими нейронами), который подобен электрическому разряду, проходящему по нейрону. Когда потенциал действия достигает конца нейрона, это снова приводит к высвобождению нейромедиаторов, которые направляются к следующему нейрону, и цикл начинается сначала.
В мозге около 100 миллиардов нейронов, между которыми происходит множество процессов. Эти элементы также взаимодействуют с мышцами и железами тела и передают сигналы от тела к мозгу. В любой момент времени множество из них генерируют потенциалы действия. Работая вместе, они помогают нам думать, чувствовать, двигаться, дышать и переживать жизненные события. Большую часть времени мозг работает правильно, но иногда что-то идёт не так. Например, во время припадка нейроны человека гиперактивны, и это может привести к потере контроля над движениями. Когда в мозге возникают подобные проблемы, учёным бывает очень сложно понять, почему это случилось. Кроме того, различные заболевания мозга трудно дифференцировать. Из-за этих факторов изучение мозговой активности может показаться невозможным. Могут ли представители научного сообщества обойти это препятствие? Ответ кроется в интересной особенности нейронов: их электричество можно измерить.
Электрофизиология — это изучение электрической активности в различных частях тела. В головном мозге эта функция может использоваться для измерения электрических связей между клетками мозга. Говоря простым языком, суть процесса в своего рода «подслушивании» нейронов, пока они общаются друг с другом. С помощью современного оборудования учёные могут даже записывать все взаимодействия мозговой активности в компьютер или на сервер. Но сделать это можно, лишь когда нейроны живы и функционируют в мозге человека. Это означает, что мы можем получить данные о скрытой деятельности, которые, возможно, не смогли бы получить, просто наблюдая за мёртвой мозговой тканью или за кровотоком. Кроме того, электричество является ключевым аспектом работы мозга, поэтому отслеживание электрических импульсов означает прямой мониторинг активности этого главного человеческого органа.
Люди занимаются электрофизиологией уже более века. В 1780-х годах профессор Луиджи Гальвани стимулировал электрически лапку мёртвой лягушки. При стимуляции мышцы ноги сокращались. После такого эксперимента и другие учёные начали задаваться вопросом о том, что означает мышечное сокращение, и как работают мышцы, нервы и другие элементы тела. На протяжении многих десятилетий это привело к различным научным достижениям, включая открытие потенциала действия. Эти знания также способствовали развитию современных электрофизиологических методов. Эти методы могут включать стимуляцию части тела, как в эксперименте Гальвани, но также включают наблюдение за естественным функционированием тканей и органов под действием электричества. В частности, электрофизиология — один из лучших способов получить ценную информацию об электрической активности. Эта уникальная дисциплина включает в себя изучение того, как препараты могут влиять на ионы, устремляющиеся к нейронам, как электрическая активность одних областей мозга влияет на другие, и как общая электрическая активность мозга влияет на наши действия. В настоящее время электрофизиологические методы в основном делятся на три категории:
Первая — это электрический мониторинг внутри одного нейрона.
Вторая — электрический мониторинг внешних нейронов, называемый внеклеточной регистрацией (один из методов электрофизиологии, при котором отслеживается электричество снаружи нейронов).
Третья категория — это мониторинг вне мозга.
Для наглядности стоит рассмотреть «in vivo» (дословно этот термин означает «в жизни») именно вторую категорию — внеклеточную регистрацию. В ходе электрофизиологии небольшие металлические кусочки, называемые электродами, помещаются в одну или несколько областей мозга. Они регистрируют электрические импульсы в реальном времени. Это можно проделывать не только на животных (таких как крысы и обезьяны), но и на человеке, поскольку в мозге нет болевых рецепторов. Поэтому ни те, ни другие не чувствуют боли во время процедуры. Но пока по этическим соображениям с людьми такие опыты легально никто не проводит. Однако и с представителями фауны подобные исследования требуют длительного обучения, специализированного оборудования и одобрения комитета по этике исследований на животных. Когда нейроны в мозге животного генерируют потенциалы действия, электроды улавливают электричество этих нейронов. Это электричество отображается в виде волн, видимых на экране компьютера. Волны, наблюдаемые от нейронов в различных областях мозга, могут информировать учёных о нейронной активности. Например, миндалевидное тело (амигдала) — это область мозга, связанная со страхом и агрессией. Высокий уровень электрической активности, исходящий из этой области, может означать, что подопытное животное испытывает страх. Электрофизиология «in vivo» может использоваться для понимания и других эмоций, а также для изучения поведения.
Но этим преимущества исследований такого рода не ограничиваются. В сочетании с другими технологиями она может напрямую помогать нуждающимся людям. Интерфейсы мозг-компьютер (BCI) являются инновационной технологией, позволяющая мозгу и компьютеру обмениваться сигналами. Они бывают разных видов (некоторые интерфейсы способны работать извне), но некоторые всё-таки используют электроды, размещаемые внутри тела, которые регистрируют электрическую активность нейронов. Принцип работы тот же: электроды располагаются между нейронами и слушают их разговор. Разница заключается в том, что интерфейсы BCI затем передают информацию компьютеру, который выполняет действие, например, переводит активность мозга в речь. Этот тип интерфейса BCI предоставляет людям с нарушениями речи ещё один способ общения. Язык — одна из важнейших вещей, которые способен понимать мозг, поскольку он помогает людям общаться между собой.
Наблюдение за нейронами может быть очень полезно для изучения нейронной коммуникации. В конце концов, нейроны сами по себе довольно интересны, но именно их групповая коммуникация позволяет вашему мозгу интерпретировать, например, слова, которые вы читаете в этой статье. Понимание этих процессов позволяет больше понять, с физиологической точки зрения, каким образом люди вообще обучаются родному языку или овладевают иностранными. Учёные также надеются, что этот инструмент можно даже модифицировать, чтобы напрямую влиять на жизнь людей с ограниченными возможностями.
Родной язык человека — тот, который он выучил в детстве — кажется ему лёгким для понимания, даже если его сородичи говорят много и очень интенсивно. Как мозг может так быстро воспринимать и упорядочивать всю эту информацию? А некоторые, в совершенстве владеющие иностранными языками, ещё переводят весь этот информационный поток на родной язык. Представьте, что в мозге есть что-то вроде диджея на вечеринке. Вечеринка может быть настоящим водоворотом событий, а ведущий включает музыку, чтобы заставить публику двигаться вместе — под каждый такт музыки танцоры могут выполнить танцевальное движение. С помощью музыкального темпа можно управлять всем танцполом, например, скоростью движений людей. В человеческом мозгу тоже есть особый диджей, отвечающий за самый грандиозный вихрь вечеринки — ваше восприятие мира!
Он работает постоянно, задавая скорость обработки информации. Представьте, что вы слушаете кого-то. Ваша задача как слушателя — понимать каждое слово. Каждый такт, который диджей вашего мозга играет, — это возможность уловить любое слово. Но почему так важно, чтобы этот функционал задавал ритм, и как именно это работает? Активность нейронов важна для понимания всего внешнего мира, включая информацию, поступающую через уши (например, музыку или речь), глаза (свет и цвет) или нос (например, запах вкусного ужина). Именно с помощью электрофизиологии, учёные выяснили, что нейрон не может обрабатывать новую информацию постоянно, поскольку ему требуется время для отдыха после обработки. После восстановления нейрон снова готов к приёму новой информации. Это приводит к повторяющемуся паттерну нейронной активности и отдыха, что делает активность мозга ритмичной. Учёные называют такие нейронные колебания «ритмами мозга». Они помогают организовать обработку информации и способствуют пониманию окружающего мира, включая человеческую речь, задавая темп обработки фрагментов информации, таких как слова или предложения.
Одна из важных идей нейробиологии — научное изучение структуры и функций мозга. заключается в том, что активность внутри мозга влияет на то, как мы воспринимаем внешний мир. В данном разделе естественной науки это называется теорией вывернутой наизнанку перспективы, согласно которой активность внутри мозга влияет на восприятие внешнего мира. В нашем примере ди-джей любит играть только определённый ритм. Люди на вечеринке должны танцевать под эти ритмы. Точно так же мозг предпочитает оптимальную скорость восприятия и не может работать в любом возможном темпе. Таким образом, мозговые ритмы действуют как кардиостимулятор — нечто, что поддерживает устойчивый ритм. Примером может служить музыкальный метроном, который задаёт скорость, за которой должны следить музыканты.
Как уже упоминалось ранее, мозговые ритмы определяют, когда нейроны активны, а когда находятся в состоянии покоя. Это означает, что каждый ритм, исполняемый мозговым регулятором (метрономом) внутри мозга, является для вас шансом уловить информацию извне, например, слово, которое вы слышите. Именно поэтому, когда вы слушаете чью-то речь, скорость, с которой вы можете понять говорящего, ограничена. Попробуйте увеличить скорость прослушивания аудиокниги всего на 30%, и скоро вы поймёте, что начинаете сбиваться в понимании услышанного. Так же происходит и собеседником — если кто-то говорит быстрее (либо значительно медленнее), не попадая ритм вашего мозга, то вы можете пропустить некоторые слова. Заметьте, что при очень медленном темпе такое тоже часто происходит с людьми.
Но вот что самое интересное: в мозгу существует не один, а множество ритмов! Это похоже на то, как если бы на вечеринке было много ди-джеев, каждый из которых играл свои собственные ритмы. Множество ритмов важно не только для понимания языка, но и восприятия другой важной информации – мимики, жестов, контроля того, что происходит вокруг. Таким образом, мозгу требуется целый состав разных метрономов, чтобы отслеживать все эти ритмы одновременно. Именно этим объясняется, почему у слабовидящих людей слух развит гораздо лучше – он почти основной канал приёма информации – а остальные каналы не мешают.
Но если возвращаться именно к человеческой речи – то учёные выяснили, что помимо «основного диджея», который принимает извне отдельные слова, существуют более медленные и более быстрые ритмы. Всё, как в музыке, где тоже есть быстрый ритм, который передаёт отдельные звуки, и более медленная мелодия, которая объединяет звуки в песню. Аналогично, в языке более быстрый ритм помогает нам улавливать быстрые звуки, из которых состоят слова. В то же время более медленный ритм помогает нам объединять разные слова в предложения.
Вот такие полезные факты о функционировании мозга смогли понять учёные посредством электрофизиологии. И это только мы привели в пример один из фактов, который является «крупинкой песка в бархане всех знаний». Хотя этот способ исследований имеет много преимуществ, он не идеален. Оборудование для этих процессов является дорогим и сложным. Понимание данных, полученных в результате процедур, требует значительных вычислительных мощностей многих серверов, для которых надо арендовать место в дата-центре. Но многие знания, которые выявляются в ходе исследований, становятся очень полезными в использовании для многих прикладных дисциплин, особенно в сочетании с другими методами.