Разрезы на черепе и манипуляции скальпелем – так многие представляют себе исследования головного мозга. На самом деле современная наука разработала множество гораздо более гуманных методов. Они называются «неинвазивными», то есть не нарушающими целостности структур и тканей организма. О палитре этих методов, их достоинствах и недостатках в лекции в Ельцин Центре рассказал сотрудник Сколтеха, кандидат физико-математических наук Николай Кошев. Его выступление состоялось 20 сентября в рамках совместного со Сколтехом цикла «Мозги, да и только».
Николай Кошев — старший преподаватель Сколтеха, специалист в области математического моделирования, обработки данных, обратных и некорректных задач математической физики. Окончил физический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова в 2008 году, а в 2012 стал кандидатом физико-математических наук. В настоящее время фокус исследований Николая определяется тремя основными направлениями: электро- и магнитоэнцефалография, биологическая магниторелаксометрия, электронная микроскопия.
По словам учёного, в современном мире изучение мозга стало одной из наиболее важных задач в науке и медицине. Понимание его функций и структуры имеет огромное значение для разработки методов лечения неврологических и психических расстройств, а также для расширения наших знаний о природе человеческого сознания и интеллекта. Из-за сложности и уникальности мозга его изучение остаётся вызовом для исследователей. «Залезть в голову» человеку без применения хирургии помогают неинвазивные методы нейроимаджинга (визуализации процессов работы мозга — ред.). Среди них Николай Кошев выделил функциональную магнитно-резонансную томографию (фМРТ), электроэнцефалографию (ЭЭГ) и магнитоэнцефалографию (МЭГ), в том числе с использованием магнитометров. Учёный рассказал о каждом из этих методов, раскрыл их достоинства, недостатки и области применения.
Функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ)
Функциональная магнитно-резонансная томография позволяет отслеживать изменения кровотока в мозге в ответ на активацию нейронов с помощью магнитных полей.
Николай Кошев выделил ряд достоинств метода. Во-первых, это безопасность для пациентов — сканирование проводится без ионизирующего излучения. Во-вторых, возможность визуализировать активность различных мозговых структур, что делает фМРТ незаменимым для исследований в области нейробиологии и психологии. В-третьих, высокая пространственная разрешающая способность, которая позволяет исследовать активность мозга с большой точностью. К недостаткам учёный отнёс негибкость фМРТ к факторам времени. Применение метода требует длительных сканирований, а значит, с его помощью невозможно изучать быструю динамику мозговой активности. Кроме того, дороговизна оборудования и проведения исследований делает фМРТ недоступным для многих исследовательских групп.
Электроэнцефалография (ЭЭГ)
Электроэнцефалография (ЭЭГ) — один из самых старых и важных методов для исследования электрической активности мозга. Её история насчитывает более века, и за это время метод вобрал в себя множество технических инноваций. Например, использование малошумных усилителей, улучшенных электродов и математических методов анализа.
Основа ЭЭГ — это применение электродов на поверхности головы для измерения слабых электрических потенциалов, порождаемых нейронами. В отличие от фМРТ, электроэнцефалография позволяет регистрировать моментальные изменения в мозговой активности в реальном времени. А относительно низкая стоимость оборудования и проведения исследований делает метод доступным для многих учёных. Ещё одно важное достоинство ЭЭГ — возможность проводить долгосрочные наблюдения за пациентами, что полезно в клинической практике. К недостаткам метода Николай Кошев отнёс низкое пространственное разрешение, а также чувствительность к «артефактам», таким как мускульная активность и микродвижения глаз, что может затруднить интерпретацию данных. Кроме того, ЭЭГ не позволяет точно визуализировать работу глубоких мозговых структур.
Магнитоэнцефалография (МЭГ)
Магнитная энцефалография (МЭГ) регистрирует сигналы, генерируемые непосредственно нейронами. Это позволяет получать более точные и надёжные данные о мозговой активности. Прибор представляет собой «шлем», который надевается сверху на голову пациента. По сути, это — сканер, который имеет множество экранированных датчиков или сенсоров, считывающих магнитные поля мозга.
По словам Николая Кошева, метод МЭГ способен точно определять местоположение источников мозговой активности. Это позволяет исследователям создавать детальные карты активности мозга и выявлять активные области с высокой точностью. Кроме того, МЭГ позволяет регистрировать быстрые изменения активности мозга с точностью до миллисекунд. Это важно для изучения динамики мозговой активности в реальном времени. Точность магнитоэнцефалографии повышает отсутствие искажений сигнала из-за тканей головы и черепа. В отличие от таких методов, как компьютерная томография (КТ) или позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ), магнитоэнцефалография не использует ионизирующее излучение, что делает метод безопасным для человека. МЭГ имеет широкое клиническое применение в диагностике и мониторинге эпилепсии, а также в исследованиях нейрологических и психиатрических заболеваний. Ещё одно важное достоинство метода — он может быть комбинирован с фМРТ и позитронно-эмиссионной томографией (ПЭТ), чтобы получить более полное представление о мозговой активности.
Вместе с тем, у метода МЭГ есть два больших недостатка, отметил Николай Кошев. Во-первых, это высокая чувствительность к внешним помехам: магнитным полям Земли или электромагнитным сигналам из окружающей среды. Для полноценной работы оборудования требуется специальное помещение с магнитошумозащитой. Второй недостаток — это высокая стоимость и ограниченная доступность оборудования из-за использования сверхпроводниковых материалов и сложных устройств.
Николай Кошев. Изучение скрытого. Неинвазивные исследования мозга
Новое в неинвазивных исследованиях: магнитометры
Новую перспективу методу МЭГ дают квантовые магнитометры с оптической накачкой. Это приборы для измерения напряжённости магнитных полей, основанные на квантовых явлениях. Над их совершенствованием работают несколько команд учёных со всего мира, в том числе команда Николая Кошева в Сколково. Это позволяет России быть активным участником в развитии и исследовании этой технологии.
Магнитометры с оптической накачкой позволяют устранить ряд проблем, связанных с такими помехами, как электромагнитные шумы и магнитные поля Земли. Это позволяет использовать МЭГ вне экранированных помещений, что открывает новые возможности для применения этой технологии в реальных условиях. Кроме того, развитие промышленности, которая поставляет магнитометры на рынок, делает эту технологию более доступной для специалистов. По словам учёного, магнитометры могут быть полезными и для исследований в смежных областях — геофизике, медицине и многих других. Благодаря их более высокой чувствительности, они могут стать мощным инструментом для множества исследовательских задач.
Николай Кошев отметил, что выбор конкретного метода неинвазивных исследований зависит от целей учёных, доступности оборудования и финансовых ресурсов. Несмотря на все ограничения, каждый из методов продолжает развиваться, улучшая точность и доступность исследований мозга, что приближает нас к пониманию тонкостей работы этого загадочного органа.
