Современный анализ повреждений мозга

 

Через 100 лет после знаменательного открытия Дежерина мой коллега‑невролог Лоран Коэн, я[111] и несколько других исследователей[112] вновь обратились к случаю месье К. Повреждения, которые описал Дежерин, оказались весьма распространенным явлением. У большинства наших пациентов с чистой алексией наблюдались поражения левой затылочно‑височной области, причем в том же самом месте, что и у месье К. Такие повреждения часто возникают из‑за тромба, блокирующего левую заднюю мозговую артерию, которая снабжает эту зону кровью. На рисунке 2.1 показаны контуры очагов поражения, зафиксированные у трех недавних пациентов. Все они затрагивают нижнюю поверхность задней части левого полушария.

Магнитно‑резонансная томография (МРТ) намного превосходит все инструменты, которые были доступны во времена Дежерина. Благодаря этому методу современный ученый не только не должен ждать вскрытия, чтобы заглянуть в череп больного, но и может создавать компьютерные изображения повреждений, наблюдаемых у разных пациентов, а затем объединить их в едином анатомическом пространстве, которое корректирует индивидуальные различия в размере и форме мозга. Это позволяет нам пойти дальше Дежерина: мы можем определить, какие части коры отвечают только за дефицит чтения, а какие вовлечены в другие сопутствующие нарушения, такие как утрата цветового зрения. Логика проста. Шаг 1: просканируйте большое количество пациентов с алексией и вычислите общий очаг поражения в трехмерном пространстве. Эта усредненная информация даст возможность устранить пространственную хаотичность, присущую инсульту, и изолировать области коры, чаще всего связанные с дефицитом чтения. Шаг 2: вычтите повреждения группы пациентов, не страдающих алексией. В итоге вы получите компьютерное изображение зон, повреждение которых частично провоцирует нарушение способности читать.

Подобный анализ, представленный на рис. 2.1, показывает, что большинство отделов в задней части левого полушария не играют избирательной роли в чтении. Поражение этих затылочных областей часто наблюдается не только у людей с чистой алексией, но и у пациентов без дефицита чтения. Согласно результатам исследований, они участвуют в ранних стадиях зрительного анализа, которые не являются важными для чтения, но вносят значимый вклад в визуальное распознавание любой формы, цвета или объекта. Таким образом, инсульт, затронувший только эти задние участки, вызывает общие нарушения зрения. Как правило, такие пациенты теряют зрение в области зрительного поля и могут полностью или частично утратить способность воспринимать любые стимулы справа от точки фиксации. Как следствие, возникают сложности с чтением правой части слов и программированием правосторонних движений глаз. Хотя эти зрительные дефекты могут существенно замедлять чтение, особенно в случае предложений, требующих нескольких саккад, их не следует путать с чистой алексией как таковой[113].

Чистую алексию вызывают повреждения области, расположенной в нескольких сантиметрах спереди от затылочного полюса, на нижней поверхности левого полушария. Эта зона известна под разными названиями. Анатомы называют ее левой затылочно‑височной областью, поскольку она находится на границе затылочной и височной долей, в пределах латеральной затылочно‑височной борозды (см. рис. 2.2). Лоран Коэн и я предложили называть ее областью зрительной формы слова – термин, ставший стандартным в научной литературе и подчеркивающий ее важнейшую роль в визуальном анализе букв и слов[114]. Оба термина достаточно длинные и сложные, поэтому в нашей книге я буду называть ее просто – «буквенная касса» мозга. Хотя этот вариант звучит менее научно, он превосходно отражает главную функцию этой зоны: она занимается буквами! Как мы скоро убедимся, «буквенная касса» действительно играет решающую роль в быстрой идентификации буквенной цепочки и ее передаче в высшие области, вычисляющие произношение и смысл.

В отличие от Дежерина, мы полагаем, что зрительное распознавание букв главным образом происходит не в угловой извилине в верхней задней части мозга, а в области «буквенной кассы», которая расположена ниже. Ошибку Дежерина, вероятно, можно объяснить довольно необычными повреждениями у месье К. В отличие от большинства пациентов с чистой алексией, область «буквенной кассы» месье К., вероятно, была не полностью уничтожена, а лишь отключена, как предположил сам Дежерин. Он ошибся только в расположении отсоединенной зоны, которая на самом деле лежит в вентральной части зрительной системы, а не в дорсальной области угловой извилины.

Сегодня мы знаем, что существует по крайней мере три причины нарушения нормального функционирования области зрительной формы слова[115]. Самый простой случай – это полное уничтожение в результате прямого поражения. Кроме того, эта область может быть отключена от остального мозга за счет повреждения восходящих связей и тем самым лишена зрительного входа, как в случае месье К. Причиной также может являться поражение нисходящих связей, в результате чего передача исходящих сообщений другим отделам становится невозможной. И в том и в другом случае последствия одинаковы: пациент теряет способность распознать написанные слова.

 

Рис. 2.2. На смену классической неврологической модели чтения (вверху) пришла параллельная модель (внизу). Левая затылочно‑височная область «буквенной кассы» идентифицирует визуальную форму слов, после чего передает эту зрительную информацию другим центрам левого полушария, кодирующим значение, звуковой паттерн и артикуляцию. Все области, выделенные зеленым и оранжевым, не являются специфичными для чтения: в основном они задействованы в обработке устной речи. Следовательно, овладение навыком чтения заключается в развитии эффективных взаимосвязей между зрительными и речевыми областями. Все связи являются двунаправленными. Их детальная организация пока изучена не до конца – по всей вероятности, связи между различными участками коры устроены гораздо сложнее, чем показано на этом рисунке.

 

Дежерин ошибался и в другом, более фундаментальном, вопросе. Он сильно недооценил общую сложность структуры мозга для чтения. Дежерин и многие другие ученые после него, в частности гарвардский невролог Норман Гешвинд[116], рассматривали обработку информации как простую цепочку последовательных операций. Они утверждали, что написанные слова поступают в затылочный полюс в виде визуальных паттернов, а затем отправляются в угловую извилину, где вступают в контакт со зрительными образами слов. После этого активация распространяется на область Вернике, где хранятся слуховые модели слов, затем на зону Брока, где извлекаются артикуляционные паттерны, и, наконец, на моторную кору, которая управляет мышцами. Такая последовательная схема напоминала конвейер на заводе и имела очевидный налет механистических аналогий XIX века, сравнивавших мозговую функцию с распространением электричества или работой паровой машины. Конечно, существовала прямая связь между первыми неврологическими моделями функционирования мозга и гидравлическими схемами, использованными Рене Декартом для описания рефлексов как «животных духов», циркулирующих в теле по особым трубкам. Рефлекторная дуга оставалась доминирующей метафорой для нескольких поколений ученых и философов.

Разумеется, нельзя винить Дежерина в том, что он не сумел предвидеть результаты целого столетия психологических и неврологических исследований. Сегодня на смену последовательной схеме пришла параллельная модель, в которой несколько функций реализуются одновременно. Попытавшись запрограммировать визуальное распознавание форм на компьютере, мы поняли, что зрение – сложный процесс, который нельзя свести к простой цепочке мозговых «образов». Для распознавания одного символа требуется несколько изощренных операций. А ведь зрительный анализ – это только первый шаг в чтении. Затем необходимо сопоставить множество отдельных репрезентаций: корни слов, их значения, звуковые паттерны, моторные схемы их артикуляции. Каждая из этих операций предполагает одновременную активацию нескольких областей коры, но их связи не организованы в линейные цепи. Все отделы мозга работают одновременно и в тандеме, а их сигналы постоянно пересекаются друг с другом. Все связи являются двунаправленными: как только область А подключается к области Б, автоматически возникает обратная проекция от Б до А.

На основе этих базовых анатомических принципов я составил новую схему того, как может выглядеть мозг читателя (рис. 2.2). Все области на этом рисунке задействованы в чтении слов. Конечно, мой эскиз следует рассматривать как предварительный, так как он слишком прост и, по всей вероятности, не отражает многие важные области и связи. В отличие от схемы Дежерина, иллюстрирующей последовательное представление об организации мозга, в моей модели несколько зон мозга могут быть активны одновременно. Точное влияние каждой из них обсуждается до сих пор. Хотя в нашем распоряжении имеется целый арсенал инструментов визуализации, определить конкретные функции каждой области сложно: все они работают параллельно и взаимодействуют на больших скоростях. В отличие от Дежерина, мы не можем просто «поместить» зрительные, слуховые и моторные образы в разные места на поверхности мозга. Безусловно, мы располагаем более точными представлениями о функционировании коры, но это только усложняет задачу нейропсихолога и заставляет задаться вопросом: наступит ли тот день, когда мы достигнем интуитивного понимания столь сложного устройства?

Неизвестно, смогут ли ученые до конца постичь мозг читателя. Пока можно сказать одно: за последнее время наше понимание организации нейронных сетей, отвечающих за чтение, в особенности «буквенной кассы», однозначно продвинулось вперед. Теперь мы знаем, что эта область зрительного ввода представляет собой воронку, через которую проходит вся визуальная информация о написанных словах, прежде чем распределиться по множеству центров левого полушария. Такая стратегическая позиция объясняет, почему повреждение этой области приводит, как в случае месье К., к полной утрате способности обрабатывать письменные слова. Но каковы же принципы, которые позволяют ей функционировать?

 

Расшифровка читающего мозга

 

За последние 20 лет методы функциональной визуализации произвели настоящую революцию в изучении коры человеческого мозга, позволив нам буквально «читать в мозге». Благодаря им мы можем увидеть мозговую активность в тот самый момент, когда человек выполняет некую мыслительную операцию – например, читает. Во многих отношениях нейровизуализационые эксперименты гораздо проще и надежнее, чем изучение данных о повреждениях. Кто может сказать, в какой степени мозг реорганизуется после травмы? Инсульт, например, может привести к нарушению областей, расположенных на достаточном удалении от первичного очага поражения. Обычно в течение следующих нескольких недель наблюдается масштабная перестройка церебральной деятельности: больной пытается восстановить утраченные функции с помощью нейронных цепей, которые никогда не используются для подобных задач здоровым мозгом. Наконец, инсульт непредсказуем. Зона поражения может быть обширной и обусловленной анатомическим распределением артерий, а потому не является надежным индикатором функциональной организации здорового мозга. Если бы мы не имели возможности визуализировать нормальный человеческий мозг, наша задача была бы сродни задаче подмастерья, который пытается постичь часовое дело, изучая сломанные механизмы.

Визуализация основана на простом принципе, сформулированном еще в XVIII веке французским химиком Антуаном Лораном Лавуазье. Как и любой другой орган, мозг во время работы расходует больше энергии, чем в состоянии покоя. В своих первых исследованиях о дыхании животных[117] (1789) Лавуазье предвосхитил то, как эта простая идея может быть применена к измерению мозговой активности:

 

Данный метод наблюдения приводит к сравнению между собою таких применений силы, между которыми, казалось, нет никакой связи. Можно оценить, например, сколько фунтов веса соответствует усилиям человека, который произносит речь, или музыканта, играющего на инструменте. Можно было бы даже оценить то, что составляет механическую часть в труде размышляющего философа, пишущего литератора, композитора, сочиняющего музыку. Указанные явления, рассматриваемые обычно как чисто духовные, имеют нечто физическое и материальное, что и позволяет в этом отношении сравнивать их с тем, что выполняет чернорабочий[118].

 

Пройдет 200 лет, прежде чем эта простая идея будет воплощена в жизнь. В 1988 году Стив Питерсен, Майкл Познер, Маркус Райхле и их коллеги первыми визуализировали области мозга, которые потребляют энергию во время чтения[119]. Для выявления функциональной организации речевых центров они использовали позитронно‑эмиссионную томографию (ПЭТ). Лавуазье никак не мог предвидеть того своеобразного сочетания психологии и ядерной физики, на котором основан этот метод. Испытуемым вводят небольшое количество радиоактивной воды, в которой стандартный атом кислорода (16O) заменен кислородом 15. Кровь приносит радиоактивные метки в мозг, где клетки поглощают кислород из крови. Чем выше нейронная активность, тем больше радиоактивного вещества накопится в этой зоне. В результате локальные пики радиоактивности непосредственно отражают «горячие точки» мозга.

Через несколько десятков секунд атомы кислорода 15 самопроизвольно возвращаются в свое стабильное состояние (кислород 16), испуская позитрон – элементарную частицу, зеркальную копию электрона. Когда позитрон сталкивается с электроном, они превращаются в два высокоэнергетических фотона. Именно эти частицы света, разлетающиеся в противоположных направлениях, обнаруживает сканер. Кристаллы вокруг головы испытуемого передают эту информацию в мощный компьютер, и тот реконструирует место, где произошел распад. В итоге мы получаем трехмерное изображение, на котором показано точное распределение энергии, потребляемой мозгом. Отсюда сам термин «томография», образованный от греческих слов tomos («срез») и graphein («рисунок»).

Что касается психологии, то и здесь Питерсен и его коллеги ввели некоторые новшества. Так, во время сканирования испытуемые должны были выполнять ряд постепенно усложняющихся задач. Сначала ученые делали снимки мозга в состоянии покоя, когда человек не был возбужден и не думал ни о чем конкретном. На втором этапе они замеряли нейронную активность во время повторения слов – напечатанных или произнесенных вслух. На третьем этапе испытуемых просили назвать глагол, связанный с каждым из представленных слов (например, «есть» или «кушать» для стимульного слова «торт»), и замеряли нейронную активность в процессе генерирования вербальных ассоциаций.

Питерсен и его коллеги надеялись, что таким образом им удастся идентифицировать области мозга, последовательно задействованные в зрительном и слуховом распознавании слов, артикуляции и мысленном управлении смыслами.

Снимки, полученные в ходе этого эксперимента, оказались настолько впечатляющими, что вскоре появились на первых полосах газет по всему миру и стали неотъемлемой частью науки о мозге. Впервые в истории были сфотографированы области живого человеческого мозга, отвечающие за речь (рис. 2.3)! Хотя позже эти изображения пришлось подкорректировать, все ключевые наблюдения были воспроизведены в рамках других исследований. Всякий раз, когда испытуемые смотрели на написанные слова, «загоралась» зрительная область, расположенная на затылке. Выраженная активность наблюдалась и на границе между затылочной и височной долями в левом полушарии. Этот небольшой участок в точности совпадал с областью, которую мы называем «буквенная касса». Звук произносимого слова не возбуждал ни одну из этих зон, зато вызывал активность в верхней и средней височной коре, отвечающих за обработку слуховых сигналов и устной речи. Произнесение слова вслух стимулировало участок в переднем отделе левого полушария, в непосредственной близости от области речепроизводства, открытой французским неврологом Полем Брока в XIX веке, а также левую и правую моторные области. Наконец, семантические ассоциации требовали мобилизации левой нижней префронтальной коры, часто ассоциируемой с творческим мышлением.

 

Рис. 2.3. Эпохальный снимок: речевые области мозга, впервые выявленные в ходе ПЭТ‑сканирования (по материалам статьи Petersen et al., 1989; изображение любезно предоставлено Маркусом Райхле). Беззвучное чтение (вверху справа) запускает процессы зрительного распознавания слов в задней части левого полушария. В зависимости от поставленной задачи информация затем передается в области, кодирующие речевые звуки (вверху слева), речепроизводство (внизу слева) или управление смыслами (внизу справа). Использовано с разрешения Майка Познера и Маркуса Райхле.

 

Из всех этих зон только одна, левая затылочно‑височная область, по‑видимому, играла центральную роль в чтении. Удивительно, но ее локализация в точности совпадала с зоной чистой алексии, выявленной в ходе исследований повреждений мозга. Питерсен и его коллеги заметили, что эта область активизировалась только при виде письменных слов и не относилась к системе низкоуровневых зрительных участков, реагирующих на такие визуальные паттерны, как шашечница. В результате было высказано предположение, что она служит своеобразным связующим звеном между первичными зрительными анализаторами и остальной частью речевой системы. Проще говоря, это фильтр, через который должна пройти визуальная информация, прежде чем попасть в речевые центры. Он избирательно анализирует входящие изображения на наличие букв и направляет их в другие отделы мозга, которые преобразуют их в звук и смысл.

 

Универсальность чтения

 

Ключевую роль, которую играет в чтении область зрительной формы слова, подтвердил и другой, более гибкий метод визуализации, в значительной степени вытеснивший ПЭТ‑сканирование. Это функциональная магнитно‑резонансная томография, или сокращенно фМРТ. По сравнению с ПЭТ, фМРТ имеет два ключевых преимущества: она доступна в любой больнице и абсолютно безвредна, поскольку не требует введения в организм радиоактивных веществ. Аппарат фМРТ регистрирует сигнал магнитного резонанса, создаваемый колебаниями уровня кислорода в крови. Клетки крови содержат большое количество гемоглобина – молекул, отвечающих за транспортацию кислорода. Грубо говоря, если молекула гемоглобина не несет кислород, она ведет себя как маленький магнит и нарушает локальное магнитное поле, тем самым ослабляя сигнал, принимаемый аппаратом фМРТ. И наоборот, молекула гемоглобина, содержащая кислород, в магнитном поле становится прозрачной. Это изменение воспринимается устройством как небольшое, но измеримое усиление резонансного сигнала.

Каким же образом колебания уровня кислорода в крови позволяют измерять активность мозга? Кровеносные сосуды и нейроны тесно связаны между собой. Всякий раз, когда активируется та или иная область, ее кровеносные сосуды расширяются, и через одну‑пять секунд она получает приток крови, насыщенной кислородом. Измеряя оксигенацию[120] крови, фМРТ показывает, насколько увеличилась нейронная активность в предыдущие несколько секунд. Более того, она позволяет получить трехмерное изображение любой части мозга. Мой французский коллега Дени Ле Биан, один из самых известных специалистов по магнитному резонансу, сравнивает этот метод со слежкой за садовником. Не зная, где он посеял семена, мы все же можем предугадать, где они прорастут – достаточно подсмотреть, какое место он поливает каждый день. Отслеживание кровотока представляет собой косвенный, но очень чувствительный способ мониторинга работы нейронов.

Главное преимущество заключается в быстрой работе фМРТ. За одно обследование можно получить несколько тысяч последовательных изображений всего мозга с пространственным разрешением в несколько миллиметров. Функциональная МРТ делает общий снимок каждые две‑три секунды, а ПЭТ – каждые 12 минут. Как уже говорилось ранее, фМРТ необычайно чувствительна, поэтому нет никакой необходимости усреднять результаты сканирования, полученные за длительный период времени или от десятков испытуемых. Одного письменного слова достаточно, чтобы спровоцировать вспышку активности в области «буквенной кассы». Данных, собранных за несколько минут, хватит, чтобы составить точную карту интенсивной мозговой активности, вызванной письменными словами в левой вентральной зрительной коре любого человека.

Благодаря этому удивительному инструменту визуализации мы можем измерить индивидуальные вариации в нейронных сетях, отвечающих за чтение. Если проанализировать снимки мозга всех людей, прошедших сканирование, мы обнаружим, что область зрительной формы слова всегда локализована в одном и том же месте вентральной части зрительной системы. Точное расположение незначительно варьируется от одного человека к другому: детали отдельных складок коры уникальны, как уникальны два смятых листа бумаги. Тем не менее все мы имеем область «буквенной кассы», которая неизменно обнаруживается примерно в одном и том же месте.

При составлении карты коры головного мозга ученые полагаются на две системы. В рамках первой из них, разработанной на основании результатов вскрытий, собранных за 200 лет, были выявлены и обозначены основные ориентиры – своеобразные «лунные кратеры» мозга. С этой точки зрения область «буквенной кассы» всегда расположена в пределах латеральной затылочно‑височной борозды – складки, идущей вдоль всей веретенообразной извилины (рис. 2.4)[121]. Вторая система, менее зависимая от сложных анатомических ярлыков, была изобретена французским хирургом Жаном Талерашем и позднее усовершенствована исследователями Монреальского неврологического института. Это геометрическая система позиционирования, очень похожая на GPS. Она состоит из трех перпендикулярных осей, нормализованных с учетом размера мозга. В этом случае различия в расположении области «буквенной кассы» как между разными людьми, так и между разными экспериментальными лабораториями составляют не более пяти миллиметров[122]. Даже мозг китайцев и японцев, как мы увидим позже, обладает областью, отвечающей за чтение, причем находится она приблизительно там же, где и у нас[123]. Обратите внимание, что направление, в котором мы читаем (слева направо или справа налево), по всей видимости, не влияет на ее расположение в левом полушарии. Область «буквенной кассы» локализована в определенном месте, на краю левой затылочно‑височной борозды[124], и у людей, читающих слева направо, и у людей, читающих справа налево.

 

Рис. 2.4. Функциональная магнитно‑резонансная томография (фМРТ) позволяет всего за несколько минут локализовать участки мозга, участвующие в чтении. Участники эксперимента читали слова, предъявляемые с произвольными интервалами. После каждого слова в областях, задействованных в чтении, наблюдалось характерное усиление МР‑сигнала, достигавшего пика примерно через пять секунд. Активная сеть варьируется в зависимости от конкретной задачи и характера контрольного состояния. Тем не менее она всегда включает в себя область зрительной формы слова («буквенной кассы» мозга). Она локализована в левой латеральной области затылочно‑височной борозды, рядом с веретенообразной извилиной.

 

Тот факт, что у всех людей «буквенная касса» расположена идентично, может показаться странным. Чтение – это когнитивная, социальная и культурная деятельность, насчитывающая 5000 лет. Ее поверхностные формы, конечно же, отличаются от одной культуры к другой. Точно так же варьируются и индивидуальные навыки чтения – все зависит от того, как именно человек учился читать. Некоторые часами бормотали слоги, соединяя звуки с буквами; другие занимались по системе Монтессори и щупали шершавые буквы; третьи мучились с так называемым методом целых слов. Удивительно, но, несмотря на столь существенные различия, за распознавание письменной речи у всех нас отвечает одна и та же область.