Все о мозге: что мы знаем о нем и как собираемся изучать дальше

Что такое человеческий мозг?

Это главный орган центральной нервной системы подавляющего большинства хордовых. Взаимодействуя посредством синаптических связей, нейроны формируют сложные электрические импульсы, которые контролируют деятельность всего организма.

Несмотря на значительный прогресс в изучении головного мозга в последние годы, многое в его работе до сих пор остается загадкой. Функционирование отдельных клеток достаточно хорошо объяснено, однако понимание того, как в результате взаимодействия тысяч и миллионов нейронов мозг функционирует как целое, доступно лишь в очень упрощенном виде и требует дальнейших глубоких исследований.

Клетки мозга включают нейроны (клетки, генерирующие и передающие нервные импульсы) и глиальные клетки, выполняющие важные дополнительные функции.

Мозг весит полтора килограмма и содержит 100 млрд нейронов (это в 15 раз превышает население земного шара). Кроме того, в мозге имеются глиальные клетки, которых в десять раз больше, чем нейронов. Прежде считалось, что глиальные клетки всего лишь удерживают нейроны рядом друг с другом. Новейшие исследования однако показывают, что глиальные клетки, которыми человеческий организм обладает в большем количестве, чем какой-любой другой, имеют решающее значение для химической передачи информации и тем самым для всех процессов в головном мозге, а также для долговременной памяти. 

Зачем изучать человеческий мозг?

Любой орган человеческого тела исследуют в первую очередь для того, чтобы научиться его эффективно лечить в случае необходимости. Но мозг — система слишком сложная и интересная, чтобы ограничиваться утилитарным подходом. В университетах мира существуют сотни лабораторий, которые изучают совершенно разные аспекты мозговой деятельности.

Одни фокусируются на конкретных типах расстройств психики — например, на шизофрении. Другие — на сне. Третьи — на эмоциях. Четвертые хотят выяснить, что происходит с мозгом, когда человек испытывает стресс или употребляет алкоголь: этим занимается в том числе лаборатория психофизиологии Института психологии РАН.

Результатом таких исследований далеко не всегда становится метод решения какой-то конкретной проблемы, связанной с мозговой деятельностью. Нейроученые нередко получают информацию, которая главным образом помогает нам лучше понять специфику отношений между людьми и выяснить, к примеру, по каким признакам мы ранжируем окружающих на «своих» и «чужих». 

Есть лаборатории, которые занимаются одновременно и прикладными, и фундаментальными исследованиями. В 2012 году ученые из Еврейского университета в Иерусалиме создали устройство, позволяющее незрячим людям «видеть» с помощью слуха. Оно состояло из очков и небольшой камеры, которая фиксировала визуальную информацию, а специальная программа преобразовывала ее в звуковые сигналы.

Также предполагается, что одним из результатов скрупулезного, разностороннего изучения мозга станет возможность создания искусственного интеллекта. В 2005 году стартовал знаменитый многомиллиардный проект Blue Brain Project, целью которого было сделать компьютерную модель человеческого мозга и смоделировать сознание. 

С помощью чего сегодня изучают человеческий мозг?

Существующие на сегодняшний день методы исследования мозга можно ранжировать, опираясь на два критерия.

• Первый — частота снятия информации: она варьируется от миллисекунды до нескольких секунд.
• Второй — пространственное разрешение: насколько детально мы можем рассмотреть сам мозг. 

Так, электроэнцефалография способна собирать данные с очень большой частотой. Зато фМРТ (функциональная магнитно-резонансная томография) позволяет охватывать квадратные миллиметры мозга, а это довольно много, поскольку в одном квадратном миллиметре — около 100 000 нейронов.

Также существуют магнитная энцефалография, позитронно-эмиссионная томография, транскраниальная магнитная стимуляция. Методы обычно совершенствуются в сторону неинвазивности: нам хочется как можно больше узнать о мозге живого человека с минимальными последствиями для его здоровья и психологического состояния. При этом именно с появлением фМРТ ученые стали исследовать буквально все подряд аспекты мозговой деятельности. Мы можем взять практически любой тип поведения и быть уверенными в том, что в мире обязательно найдется лаборатория, которая изучает его с помощью фМРТ.

 Общедоступные способы диагностики мозга:

• УЗИ головного мозга. Наиболее распространенным исследование во всех направлениях является УЗИ. Существует и УЗИ головного мозга. При этом исследовании для проверки мозга используется ультразвук, безопасность которого доказана многократными исследованиями. Его воздействие не накапливается и позволяет проводить исследования с той частотой, с которой нужно.

• МРТ головного мозга. Метод безвреден, так как ионизирующее облучение отсутствует. Проводить процедуру можно по мере необходимости, но получить результат сразу не получится. Иногда на расшифровку и постановку диагноза может уйти от нескольких десятков минут до пары дней.

• ПЭТ головного мозга. Аббревиатура расшифровывается как позитронно-эмиссионная томография. Ее основной задачей является диагностика метаболизма головного мозга при ряде заболеваний. Для этого проводится оценка различных процессов, которые происходят в тканях мозга на клеточном уровне.

• КТ головы и головного мозга. Компьютерная томография не просто дает возможность получить детальное изображение мозга в сечении, но и позволяет определить положения образований или повреждений, а также их масштаб. Процедура считается достаточно безопасной, но лучевая нагрузка все равно есть. На это надо обращать внимание при выборе частоты исследований и сочетании с другими рентгеновскими исследованиями. 

Новейшие способы исследования мозга

Новые технологии позволяют нам лучше понять устройство мозга, однако их функционал более точечный. Например, в конце октября ученые изобрели микроскоп нового типа, который позволяет увидеть биологические ткани сквозь неповрежденный череп. В нем используется комбинация аппаратной и программной адаптивной оптики для восстановления изображения объекта.

Группа исследователей под руководством профессора Чои Воншика из Центра молекулярной спектроскопии и динамики Института фундаментальных наук (IBS) в Сеуле, Южная Корея, совершила крупный прорыв в оптической визуализации глубоких тканей. Она разработала новый оптический микроскоп, который может получать изображения через неповрежденный череп мыши. В итоге ученым доступна микроскопическая карта нейронных сетей в тканях мозга без потери пространственного разрешения.

Еще одна нашумевшая разработка: мозговой чип Илона Маска. Он, по словам разработчиков, позволит людям слышать звуки за пределами обычных частот. Основная цель разработчиков — создание технологии, которая позволит имплантировать электронные интерфейсы парализованным людям, чтобы те имели возможность использовать для общения компьютерную технику и смартфоны.

Ученые Neuralink планируют использовать специальные «нити» толщиной в 4–6 мкм каждая, способные передавать информацию на главный процессор. Эти «нити» будут вживлены в человеческий мозг. Теоретически использовать их можно как угодно. Тут действительно может зайти речь об усовершенствовании способностей человека.

В «пучке» из шести нейронитей содержится 192 электрода, которые вживляются в мозг при помощи робота-хирурга. В ходе операции хирург старается избегать взаимодействия с кровеносными сосудами, что минимизирует воспалительные процессы.

Другое новейшее изобретение: наночастицы, которые умеют проникать в мозг. С их помощью можно будет ускорить создание лекарств от болезней Альцгеймера, Паркинсона и других нейродегенеративных заболеваний.

В конце июля «Хайтек» подробно писал о том, как технологии будущего уже работают на благо людей: речь шла о вживлении в мозг нейроинтерфейсов. Речь идет о системе, которая обеспечивает взаимодействие между мозгом и компьютером и таким образом позволяет им обмениваться друг с другом информацией. Наиболее простой пример — это генерация команд для внешнего устройства с помощью активности мозга. Внешним устройством может быть компьютер, приложение, робот, дрон, протез, экзоскелет и всё что угодно. Сфера применения таких интерфейсов очень широкая.

Что мы еще не знаем о мозге?

За все время исследований ученые так и не нашли разницу в строении мозга гения и обычного человека. Скорее всего, различия происходят в пока неуловимом нами взаимодействии между нейронами. Возможно, здесь может играть роль какая-нибудь патология. Сама по себе патология не сделает человека гением.

До сих пор неизвестно, чем человеческий мозг отличается от мозга животного. И, более того, непонятно, почему наш мозг возник именно в таком виде, ведь на первых порах для выживания он не нужен был нам такого размера. Мы до сих пор не нашли переходного мостика между питекантропом и человеком разумным. У нас есть гены неандертальцев, но почему они в какой-то момент свернули в сторону, не пошли дальше вместе с нами, тоже непонятно.

И, разумеется, ученые до сих пор не выяснили, как наш мозг работает целостно: если функции отдельных областей понятны, то как эта «машина» функционирует в совокупности, до сих пор неизвестно. 

Читать также

Найдено предполагаемое царство исчезнувших хеттов. Что обнаружили археологи?

Ледник «Судного дня» оказался опаснее, чем думали ученые. Рассказываем главное

Биологи выяснили, как выявлять сперматозоидов-победителей