Введение: как разработать эксперимент по исследованию НКС

Методы функциональной томографии мозга: фМРТ и ПЭТ

Электромагнитное исследование мозга с помощью ЭЭГ и МЭГ

Выводы

Вопросы для обсуждения

Введение: как разработать эксперимент по исследованию НКС

Основной принцип, лежащий в основе экспериментов НКС, очень прост. Если вы хотите обнаружить нейрональные корреляты осознанного состояния или содержания сознания, следует разработать эксперимент, где есть два разных условия. Одно называется контрольным (или базовым ) условием. При этом условии состояние сознания, или содержание сознания, полностью отсутствует в психике испытуемого. Это условие служит нейтральной базовой линией , которому противопоставляется другое условие. Другое условие называется экспериментальным : определенное состояние сознания, или содержание сознания, четко присутствует в психике испытуемого. В идеале все остальные параметры одинаковы или не меняются в обоих условиях: единственное отличие – наличие или отсутствие содержания в сознании испытуемого.

Такая схема создает необходимую управляемую вариативность на уровне феноменов сознания. Чтобы получить информацию об одновременных событиях в мозге, активность мозга испытуемого нужно измерить тем или иным способом. Самые распространенные методы измерений можно разделить на две группы: методы функциональной томографии мозга и электромагнитное исследование мозга .

Методы функциональной томографии мозга: фМРТ и ПЭТ

Методы функциональной томографии мозга включают функциональную магнитно‑резонансную томографию (фМРТ) и позитронно‑эмиссионную томографию (ПЭТ). В экспериментах с НКС раньше использовались оба метода, но сейчас фМРТ используется чаще, потому что он дешевле и проще. При фМРТ испытуемый находится в специальной капсуле, где создано сильное статическое магнитное поле, и его мозг бомбардируют короткие последовательности высокочастотных (радиочастотных) электромагнитных импульсов. Магнитное поле и импульсы как таковые безопасны для мозга, но сочетание магнитного поля и импульсов влияет на субатомные частицы (протоны) в ядрах атомов водорода в мозге, побуждая их «отражать» эти импульсы. Такое «эхо» можно зарегистрировать с внешней поверхности головы испытуемого.

Сигналы «эха» отражают точное расположение и магнитные свойства различных биологических тканей и структур мозга. Обычный или структурный фМРТ со здает трехмерное анатомическое изображение мозга в высоком разрешении; фМРТ, кроме этого, отражает изменения в количестве свежей, наполненной кислородом крови в мозге. Это называется BOLD‑сигналом (то есть «сигналом, зависящим от уровня кислорода в крови (Blood Oxygen Level Dependent)»). Свежая кровь быстро поступает в те области мозга, где увеличивается активность нейронов, и изображение косвенно отражает, в каких областях мозга растет нейроэлектрическая активность нейронов. Таким образом, в НКС‑исследованиях с помощью метода фМРТ, сравнивая различия в деятельности мозга в экспериментальных и контрольных условиях, можно видеть, в каких областях мозга нейроны стали более активными, отражая изменения, происходящие в сознании.

Минимальное время, в течение которого описывается отдельное изображение, называют временны м разрешением . Нужно несколько секунд, чтобы кровоток среагировал на всплеск локальной нейрональной активности; таким образом, в лучшем случае фМРТ отражает изменения в активности мозга с задержкой примерно в 5–10 секунд. Первые изменения в сигнале фМРТ возникают через несколько секунд после начала возбуждения, но реакция фМРТ достигает максимума примерно через 10 секунд после начала активации.

Это означает, что у фМРТ относительно невысокое временно е разрешение) . Активная интеллектуальная обработка и нейрональная активность происходит в первые две секунды после начала возбуждения, но фМРТ слишком медлительна, чтобы точно увидеть, что происходит. Наоборот, пространственное разрешение фМРТ относительно высоко. Пространственное разрешение – это минимальный размер элемента изображения (он называется «пикселем», или «voxel») в отдельной области изображения с точки зрения количества полученных сигналов (они интерпретируются как «активность мозга»). Пространственное разрешение изображений фМРТ составляет около 2–3 мм2.

В исследованиях по методу ПЭТ радиоактивные изотопы, испускающие позитроны, присоединяются к заранее выбранным исследователем молекулам (например, радиоактивный кислород присоединяется к молекуле воды H2O, что создает радиоактивную воду), а затем поставляются в кровоток испытуемого. Оттуда радиоактивные молекулы быстро распространяются по всему телу, и в том числе попадают в мозг. Радиоактивные изотопы непостоянны и распадаются с известной скоростью, испуская позитроны. В мозге позитроны сталкиваются с электронами, обе частицы уничтожаются и превращаются в энергию в форме двух гамма‑лучей, исходящих из мозга в прямо противоположных направлениях.

ПЭТ‑устройство – это кольцо датчиков гамма‑лучей, которое надевают на голову испытуемого. Оно обнаруживает гамма‑лучи, исходящие из мозга, и на их основании вычисляет, в каких областях мозга находились молекулы с радиоактивными элементами в момент распада. В зависимости от того, какие молекулы используются (воды, глюкозы, производные дофамина и т. д.), их распределение в мозге отражает определенный аспект метаболизма или активности мозга (например, кровотока, метаболизма глюкозы или взаимодействия нейромедиаторов). В большинстве НКС‑экспериментов с использованием ПЭТ маркером для кровотока была радиоактивная вода.

При этом отражаются те же аспекты активности мозга, что и при фМРТ: кровь приливает к тем областям, где нейроны электрически и метаболически более активны. ПЭТ еще медленнее, чем фМРТ, и в лучшем случае отдельное изображение может показать лишь общий рисунок изменений, которые произошли в течение 30–60 секунд. Пространственное разрешение, в лучшем случае, составляет несколько миллиметров, обычно это немного ниже, чем при фМРТ.

Электромагнитное исследование мозга с помощью ЭЭГ и МЭГ

Электроэнцефалография (ЭЭГ) и магнитоэнцефалография (МЭГ) – методы электромагнитного исследования мозга. Они регистрируют сигналы, возникающие при электрической активности нейронов. Нейрональные импульсы создают диполярную электрическую циркуляцию в мозге. Диполь – это источник электричества с двумя полюсами, отрицательным и положительным. Внутри нейрона электрический ток идет от дендритов к телу клетки (это называется постсинаптическим потенциалом) и дальше, от тела, вдоль аксона (это называется потенциалом действия). Такие внутриклеточные потоки невозможно обнаружить за пределами мозга, но, к счастью, извне в клетку идет обратный, или объемный, ток, который завершает электрическую цепь. Обратный ток течет вне нейронов, назад, к противоположному электрическому полюсу. Обратные токи свободно текут в мозге и непредсказуемо распространяются по его тканям, потому что идут по нерегулярным путям, определяемым наименьшим электрическим сопротивлением внутри мозга .

Иногда обратные токи достигают черепа и проходят сквозь него в скальп.

Присоединив к скальпу электроды ЭЭГ, можно обнаружить эти слабые электрические токи в виде волн электрической активности мозга. Изменения в электрическом потенциале волн можно очень точно измерить во временном отношении, до миллисекунд (временно е разрешение ЭЭГ – одна тысячная секунды). К сожалению, чрезвычайно сложно точно определить, в какой области мозга находятся нейроны, активность которых создала зарегистрированные волны, ведь прежде чем дойти до электродов на скальпе, токи, как правило, проходят в мозге длинный и непредсказуемый путь, и в этом путешествии токи, исходящие из множества разных источников и областей, взаимодействуют, сливаются друг с другом, ослабляют друг друга или настолько сплетаются, что источник сигнала расшифровать уже не удается.

Точное предположение можно сделать только с помощью исходной модели локализации , вычислив наиболее вероятные области возникновения источников, которые создали зафиксированный паттерн ЭЭГ на скальпе. С точки зрения нейроанатомической локализации пространственное разрешение ЭЭГ измеряется в квадратных сантиметрах, а не в миллиметрах, – у ЭЭГ очень низкое пространственное разрешение по сравнению с фМРТ или ПЭТ.

В отличие от ЭЭГ МЭГ измеряет магнитные поля , создаваемые электрической активностью нейронов. Нейромагнитное поле генерируется той же самой электрической активностью, что и нейроэлектрическое поле, определяемое с помощью ЭЭГ, но нейромагнитное поле ведет себя совершенно иначе. С одной стороны, измерить его легче, а с другой – труднее, чем ЭЭГ. Легче, потому что нейромагнитное поле распространяется непосредственно из источника своего возникновения, оно не подавляется, не искажается мозгом или черепом. Соответственно точное место его происхождения можно обнаружить намного легче, чем при ЭЭГ. Но при этом нейромагнитные сигналы вначале настолько слабы, что лишь некоторые из них выходят за пределы мозга.

Таким образом, все обнаруженные сигналы МЭГ отражают активность только тех областей коры головного мозга, которые расположены близко к поверхности мозга и черепа. Кроме того, нейромагнитное поле направлено только в одну сторону, перпендикулярно к электрически активным нейронам. Только тем нейронам, которые ориентированы так, что их нейромагнитное поле направлено в сторону черепа, удается создать магнитное поле, которое можно измерить на поверхности черепа. Остальные нейромагнитные поля датчики МЭГ обнаружить не могут. Следовательно, метод МЭГ «слеп» к тем видам нейрональной активности, которые может регистрировать ЭЭГ. Но для кортикальных сигналов, которые МЭГ может регистрировать, его временное разрешение не меньше, чем при ЭЭГ (миллисекунды), а пространственное разрешение – несколько миллиметров.

Эксперимент НКС, проведенный с помощью ЭЭГ или МЭГ, может выявить, сколько времени нужно, чтобы сенсорно‑перцептивная информация о стимуле достигла сознания. Эти методы позволяют точно отслеживать изменения, происходящие со временем: точность измерения составляет до тысячи непрерывных точек данных в секунду! Таким образом, можно увидеть, что в какой‑то момент, при условии, когда информация входит в сознание и возникает то или иное переживание, электромагнитная реакция в мозге начинает отличаться от той, которая была зафиксирована в контрольном условии, когда информация не достигала сознания.

Это – критический момент времени, когда возникает нейрональная активность НКС; вся активность, имевшая место до этого момента, отражает обработку информации вне сознания. Кроме того, поскольку сигналы, которые регистрируют ЭЭГ и МЭГ, очень сложны и включают много различных частот электромагнитной энергии, можно выяснить, какой тип электромагнитной энергии связан с нейропсихологической активностью НКС. Точки на скальпе, где регистрируются реакции, также примерно отражают локализацию областей мозга, где, вероятно, возникла активность, но локализация реакции с точки зрения анатомии мозга весьма сложна, особенно для ЭЭГ.

Выводы

Кратко суммируем типичный эксперимент НКС: во время эксперимента испытуемый несколько раз оказывается под воздействием двух разных условий: наличие сознания (он переживает определенное состояние или содержание) и отсутствие сознания (испытуемый не переживает этого состояния или содержания). Во всем остальном условия эксперимента остаются идентичными. Активность мозга испытуемого одновременно измеряется с помощью фМРТ, ПЭТ, ЭЭГ или МЭГ. Методы функциональной томографии мозга ПЭТ и фМРТ отражают картину того, что происходит с метаболизмом или кровотоком мозга, и позволяют точно определить место этих изменений с точки зрения анатомии мозга, но не с точки зрения времени.

Методы электромагнитного исследования мозга ЭЭГ и МЭГ отражают нейрональные, биоэлектрические сигналы мозга и могут точно определить начало изменений в этих сигналах во времени, но не могут точно определить локализацию их возникновения с точки зрения анатомии мозга. Все эти методы позволяют обнаружить НКС. Эксперимент НКС всегда должен быть направлен на выявление какого‑то определенного состояния или содержания сознания, давать информацию только об одном, совершенно определенном аспекте сознания. В следующих двух главах мы кратко опишем некоторые типичные эксперименты и их результаты, не вдаваясь (в довольно сложные) подробности.

Вопросы для обсуждения

1. Действует ли принцип дополненности в отношениях между сознанием и мозгом? Приведите примеры:

+ человеческого мозга без всякого сознания;

+ активности человеческого мозга без какого‑либо соответствующего осознаваемого переживания.

Следующее, напротив, продемонстрировать невозможно. Вы согласны?

+ (человеческое) сознание (или любой тип сознания) без мозга;

+ событие в сознании (субъективное переживание в субъективной психологической реальности) без каких‑либо соответствующих нейрональных событий в мозге.

2. Придумайте эксперимент для изучения нейрональных коррелятов сознания:

+ Какими будут контрольные условия?

+ Какими будут экспериментальные условия?

+ Какие методы томографии мозга вы будете использовать и что они покажут в результате эксперимента?

Глава 8

Исследования нейрональных основ сознания как состояния