Новый ультразвуковой инструмент для исследования мозга может позволить ученым напрямую воздействовать на скрытые цепи, которые отвечают за сознание.
Исследователи Массачусетского технологического института используют сфокусированный ультразвук для безопасной стимуляции глубоких отделов мозга и исследования корней сознания. Технология может, наконец, выявить, какие мозговые цепи вызывают осознанный опыт, а не просто реагируют на него. Автор: Shutterstock
Сознание долгое время считалось одной из самых сложных научных загадок. Исследователи до сих пор не до конца понимают, как физическая ткань мозга порождает мысли, эмоции и субъективный опыт. Относительно новая технология, известная как транскраниальный сфокусированный ультразвук, может предложить эффективный способ более непосредственного изучения этой тайны.
Хотя эта технология существует уже несколько лет, она еще не стала стандартным инструментом в неврологических исследованиях. Сейчас два исследователя из Массачусетского технологического института готовят новые эксперименты с использованием этой методики и опубликовали статью, которая служит подробным руководством, или «дорожной картой», по применению этой методики к изучению сознания.
«Транскраниальный сфокусированный ультразвук позволит вам стимулировать различные участки мозга у здоровых людей так, как вы раньше не могли», — говорит Дэниел Фриман, исследователь Массачусетского технологического института и соавтор статьи. «Это инструмент, который полезен не только для медицины или даже фундаментальной науки, но и может помочь в решении сложной проблемы сознания. С его помощью можно определить, где в мозге находятся нейронные цепи, которые генерируют ощущение боли, зрение или даже что-то столь сложное, как человеческое мышление».
В отличие от других методов стимуляции мозга, транскраниальный сфокусированный ультразвук не требует хирургического вмешательства. Он может достигать более глубоких областей мозга с большей точностью, чем такие методы, как транскраниальная магнитная или электрическая стимуляция.
«Существует очень мало надежных способов манипулирования мозговой активностью, которые безопасны, но в то же время работают», — говорит Маттиас Мишель, философ из Массачусетского технологического института, изучающий сознание и ставший соавтором статьи.
Исследование, озаглавленное «Транскраниальный сфокусированный ультразвук для идентификации нейронного субстрата сознательного восприятия», опубликовано в журналах Neuroscience и Biobehavioral Reviews. Помимо Фримена и Мишеля, в число авторов входят Брайан Одегаард, доцент кафедры психологии Флоридского университета, и Сын-Шик Ю, доцент кафедры радиологии в Бригамской женской больнице и Гарвардской медицинской школе.
Почему изучение мозга является такой сложной задачей
Понять человеческий мозг особенно сложно, поскольку исследователи, как правило, не могут проводить инвазивные эксперименты на здоровых людях. За пределами нейрохирургии у ученых есть ограниченные возможности для изучения глубинных структур мозга. Такие методы визуализации, как магнитно-резонансная томография и различные виды ультразвука, могут показать анатомию, в то время как электроэнцефалограмма (ЭЭГ) регистрирует электрические сигналы по всему мозгу. Однако эти методы в основном наблюдают за активностью, а не оказывают на нее непосредственное влияние.
Транскраниальный сфокусированный ультразвук работает по-другому. Он посылает акустические волны через череп и концентрирует их на точной цели, иногда шириной всего в несколько миллиметров. Это позволяет исследователям стимулировать определенные области мозга и наблюдать за эффектами, что делает его многообещающим инструментом для тщательно контролируемых экспериментов.
«Это действительно первый случай в истории, когда можно модулировать активность глубоко в мозге, в нескольких сантиметрах от кожи головы, исследуя подкорковые структуры с высоким пространственным разрешением», — говорит Фримен. «В глубине мозга находится множество интересных эмоциональных цепей, но до сих пор вы не могли манипулировать ими вне операционной».
Тестирование причинно-следственных связей в сознании
Одним из важнейших преимуществ этой технологии является ее способность выявлять причинно-следственные связи в мозге. Многие современные исследования сознания основаны на наблюдении за мозговой активностью, когда люди обрабатывают визуальные сигналы или выполняют задачи, связанные с осознанием. Хотя эти исследования выявляют взаимосвязи, они не всегда показывают, создает ли сигнал мозга осознанное переживание или просто следует за ним.
Активно изменяя активность мозга, транскраниальный сфокусированный ультразвук может помочь исследователям определить, какие нейронные процессы необходимы для сознания, а какие являются вторичными эффектами.
«Транскраниальный сфокусированный ультразвук дает нам решение этой проблемы», — говорит Мишель.
Конкурирующие идеи о том, как работает сознание
В своей статье исследователи описывают, как эта технология может быть использована для проверки двух основных теорий сознания. Одна из точек зрения, известная как когнитивистский подход, утверждает, что сознательный опыт зависит от психических процессов более высокого уровня, таких как рассуждения, рефлексия и интеграция информации в мозге. Эта точка зрения часто подчеркивает роль лобной коры.
Альтернативная точка зрения, которую иногда называют некогнитивистским подходом, предполагает, что сознание не требует сложных когнитивных механизмов. Вместо этого определенные паттерны мозговой активности могут непосредственно вызывать определенные переживания. С этой точки зрения, сознание может возникать в более локализованных областях мозга, включая области, расположенные ближе к задней части коры или более глубоким подкорковым структурам.
Исследователи предлагают использовать сфокусированный ультразвук для изучения таких вопросов, как роль префронтальной коры в восприятии, зависит ли осознание от локальной мозговой активности или крупномасштабных сетей, как отдельные области мозга объединяют информацию в единый опыт и какую роль подкорковые структуры играют в осознанном восприятии.
О чем могут свидетельствовать боль и зрение
Эксперименты с использованием визуальных стимулов могут помочь определить, какие области мозга необходимы для осознанного восприятия. Аналогичные подходы могут быть применены и к боли, еще одному фундаментальному компоненту осознанного опыта. Например, люди часто отдергивают руку от горячей поверхности до того, как осознанно почувствуют боль. В связи с этим возникают вопросы о том, где и как на самом деле возникает ощущение боли.
«Это фундаментальный научный вопрос, как боль возникает в мозге», — говорит Фримен. «И это удивительно, что существует такая неопределенность … Боль может быть вызвана областями коры или более глубокими структурами мозга. Меня интересуют методы лечения, но мне также любопытно, могут ли подкорковые структуры играть большую роль, чем предполагалось. Это может быть подкорковое физическое проявление боли. Это гипотеза. Но теперь у нас есть инструмент для ее изучения».
Эксперименты и растущий интерес в Массачусетском технологическом институте
Фриман и Мишель не только излагают идеи для будущих исследований. Они активно планируют эксперименты, которые начнутся со стимуляции зрительной коры, а затем перейдут к более высокоуровневым областям лобной коры. Хотя такие инструменты, как ЭЭГ, могут показать, когда нейроны реагируют на визуальную информацию, эти новые исследования направлены на установление более четкой связи между активностью мозга и тем, что человек на самом деле испытывает.
«Одно дело сказать, что эти нейроны отреагировали электрически. Другое дело сказать, что человек увидел свет», — говорит Фриман.
Мишель также помогает создавать более широкое исследовательское сообщество в Массачусетском технологическом институте, занимающееся исследованиями сознания. Вместе с Эрлом Миллером, профессором нейробиологии Picower на факультете мозга и когнитивных наук Массачусетского технологического института, он стал соучредителем Клуба сознания Массачусетского технологического института. Группа объединяет ученых из разных дисциплин и ежемесячно проводит мероприятия, посвященные достижениям в области исследований сознания.
MIT Consciousness Club частично поддерживает MITHIC, проект MIT Human Insight Collaborative, инициативу которого поддерживает Школа гуманитарных, искусствоведческих и социальных наук.
Для Мишеля транскраниальный сфокусированный ультразвук представляет собой перспективное направление в этой области.
«Это новый инструмент, поэтому мы на самом деле не знаем, насколько он будет эффективен», — говорит он. «Но я чувствую, что риск невелик, а награда высока. Почему бы вам не пойти по этому пути?»
Исследование, описанное в статье, было поддержано Министерством военно-воздушных сил США.