Электрическая регистрация. Визуализация мозга


Поскольку функции мозга частично состоят из электрической активности, ученые могут "подслушивать" электрические "разговоры", происходящие в мозге, измеряя эту активность. Один из методов заключается в измерении активности отдельных нейронов или небольших групп нейронов путем введения микроэлектродов в определенные области мозга. Иногда такие исследования возможно проводить на людях, обычно когда пациент проходит диагностическую операцию по поводу эпилепсии (например, Jacobs & Kahana, 2010; Khodagholy et al., 2015; Quiroga, 2012).

Однако большинство таких исследований проводится на животных. Некоторые из самых важных открытий в понимании того, как нейроны работают вместе для обеспечения перцептивных и когнитивных функций, были сделаны благодаря таким исследованиям. Например, в 1981 году нейрофизиологи Дэвид Хьюбел и Торстен Визель получили Нобелевскую премию за свои работы о том, как нейроны в зрительных областях мозга реагируют на различные аспекты зрительного мира (Hubel & Wiesel, 1959, 1962).

Помимо измерения активности небольших групп нейронов, нейробиологи могут также измерять активность гораздо больших групп нейронов. Одно из преимуществ этого метода заключается в том, что можно измерять реакции больших групп нейронов без инвазивных процедур. Мы можем регистрировать нейронную активность с поверхности кожи головы. Электроэнцефалография (ЭЭГ) измеряет активность больших групп нейронов с помощью ряда электродов, размещенных на коже головы (Рисунок 4.11 a и b).

Рис. 4.11. Измерение активности мозга. (a) ЭЭГ регистрирует активность больших групп нейронов в мозге с помощью ряда электродов, прикрепленных к коже головы. (b) ЭЭГ может включать записи с нескольких электродов одновременно. (c) Сканеры МРТ создают яркие изображения структур мозга, а также могут измерять функцию мозга. (d) Структурное МРТ-сканирование, показывающее анатомическую структуру мозга.

(e) Диффузионно-тензорное изображение (DTI), показывающее структуру путей белого вещества в мозге. (f) Сканеры ПЭТ регистрируют количество радиоактивного вещества, которое собирается в различных областях мозга, для оценки активности мозга. (g) Сканеры МЭГ измеряют и локализуют электрическую активность в мозге, обнаруживая магнитные поля, возникающие в результате электрической активности

Хотя ЭЭГ является довольно неспецифическим методом, который регистрирует электрическую активность тысяч нейронов во многих частях мозга, определенные паттерны ЭЭГ, связанные с временными колебаниями активности (разные частоты колебаний), соответствуют определенным состояниям сознания, таким как бодрствование и сон. Как мы увидим в Главе 12, этот метод особенно полезен для изучения нейронных реакций у младенцев. Клиницисты также используют ЭЭГ для обнаружения аномальных электрических паттернов, которые сигнализируют о наличии заболеваний мозга.

Магнитоэнцефалография (МЭГ) — это очень сложный метод, который использует тот факт, что магнитное поле создается каждый раз, когда в нейроне или группе нейронов возникает электрический ток. МЭГ регистрирует эти магнитные поля с помощью массива высокочувствительных магнитометров (приборов для измерения очень слабых магнитных полей), размещенных над головой. Наиболее часто используемые магнитометры в настоящее время называются SQUID (сверхпроводящие квантовые интерференционные устройства).

МЭГ тесно связана с ЭЭГ, так как она особенно чувствительна к временному ходу нейронной обработки. МЭГ также лучше, чем ЭЭГ, способна определять, где в мозге происходит нейронная функция, и может быть отнесена к методам визуализации мозга, описанным в следующем разделе. Благодаря своей временной чувствительности, МЭГ, как и ЭЭГ, особенно полезна для изучения того, как активность мозга колеблется в зависимости от частоты нейронной активности (например, Lisman & Jensen, 2013; Zhigalov & Jensen, 2020). МЭГ все чаще используется в клинических условиях для изучения потенциальных функциональных аномалий в активности мозга (Hari et al., 2018).

Визуализация мозга. Самые современные методы исследования активности мозга — это методы визуализации, которые позволяют нейробиологам создавать пространственное изображение живого, функционирующего мозга.

В магнитно-резонансной томографии (МРТ) через мозг пропускается сильное магнитное поле, которое включается и выключается. Это колеблющееся магнитное поле заставляет молекулы и атомы в мозге (или любой ткани) реагировать. Когда магнитное поле выключается, молекулы в мозге излучают радиосигнал, который затем регистрируется и преобразуется в изображения ткани.

Более современный метод, использующий МРТ, — это диффузионная тензорная визуализация (DTI). DTI измеряет, как молекулы воды диффундируют в ткани. В мозге молекулы воды не могут свободно двигаться в любом направлении из-за формы клеток и структур, в которых они находятся. Это означает, что мы можем получить информацию о том, как структуры и пути (тракты) в мозге организованы. Это особенно полезно для создания изображений белого вещества мозга, что позволяет понять, как мозг структурно связан (см. Рисунок 4.11 e).

Особенно важным достижением в технологии МРТ является функциональная МРТ (фМРТ). фМРТ использует тот факт, что оксигенированная и деоксигенированная кровь по-разному реагируют на магнитные поля, используемые при МРТ-сканировании. Когда происходит нейронная активность, больше оксигенированной крови направляется в эту часть мозга. Исследователи фМРТ изучают, куда направляются наибольшие концентрации оксигенированной крови в мозге в любой момент времени, и на этом основании делают выводы о том, какие части мозга наиболее активны, когда участник выполняет определенную задачу (Huettel et al., 2014). Например, если пациент выполняет задачу на рассуждение, исследователь может определить по фМРТ, какие части мозга наиболее активны во время этого процесса.

Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) предоставляет еще один способ измерения того, куда направляется кровь в мозге. Глюкоза, естественный сахар, является основным питательным веществом для нейронов, поэтому, когда нейроны активны, они потребляют больше глюкозы. Для подготовки пациента к ПЭТ-сканированию в кровоток вводится радиоактивная форма глюкозы, которая попадает в мозг и циркулирует в кровоснабжении. ПЭТ-сканирование измеряет энергию, излучаемую радиоактивным веществом, и таким образом может определить, какие части мозга наиболее активны.

Одним из недостатков ПЭТ является необходимость введения радиоактивных изотопов, что может быть вредным при частом использовании. Это одна из причин, почему фМРТ является более популярным методом визуализации активности мозга. Однако одним из преимуществ ПЭТ является возможность использования радиоактивных изотопов для маркировки определенных нейротрансмиттеров. Это означает, что ПЭТ остается важным методом для изучения роли конкретных нейротрансмиттеров в функциях мозга (Tomasi, 2012; Wong et al., 2013).

Функциональная спектроскопия в ближнем инфракрасном диапазоне (fNIRS) — это относительно новый метод исследования функций мозга. Он заключается в направлении определенного типа света (ближнего инфракрасного света) в мозг и измерении того, как он отражается обратно. Этот метод полностью неинвазивен, так как ближний инфракрасный свет (хотя мы его не видим) является естественным и способен проникать в биологические ткани. На самом деле, ближний инфракрасный свет, вероятно, сейчас проникает в ваш мозг.

Поскольку оксигенированная и деоксигенированная кровь поглощают ближний инфракрасный свет в разной степени, fNIRS можно использовать аналогично фМРТ, измеряя характеристики кровотока, чтобы определить, какие части мозга наиболее активны. fNIRS несколько ограничен по сравнению с фМРТ, так как он предоставляет менее точные карты мозга и может сообщать только о кровотоке в областях, близких к коже головы (поскольку ближний инфракрасный свет проникает только на несколько сантиметров в мозг).

Однако у него есть важные преимущества. Во-первых, это относительно недорогая технология по сравнению с фМРТ. Во-вторых, если фМРТ просто не работает, если участник двигается, то с fNIRS можно визуализировать мозг человека, который двигается и взаимодействует с окружающей средой. Это делает его особенно полезным для изучения нейронной основы моторного поведения, а также удобным для использования с участниками, которые обычно не сидят на месте, например, с младенцами (Lloyd-Fox et al., 2010; Siddiqui et al., 2017; Taga et al., 2011; см. Главу 12).

 



Дата добавления: 2025-02-04; просмотров: 35;


Поиск по сайту:

Воспользовавшись поиском можно найти нужную информацию на сайте.

Поделитесь с друзьями:

Считаете данную информацию полезной, тогда расскажите друзьям в соц. сетях.
Poznayka.org - Познайка.Орг - 2016-2025 год. Материал предоставляется для ознакомительных и учебных целей.
Генерация страницы за: 0.009 сек.