[Перевод] Нейробиологические методы, и крутые штуки, которые можно делать с их помощью: часть 2

В прошлый раз мы говорили об использовании фМРТ для чтения мыслей и о том, как связано отслеживание движений глаз с виртуальной реальностью. А что же насчёт методов создания машин, управляемых мозговыми волнами? Что насчёт технологий для распознавания психических заболеваний на молекулярном уровне?

Электроэнцефалография (ЭЭГ) и интерфейс мозг-компьютер

Электроэнцефалография звучит как технология пыток, но худшее, что с вами может случиться – это сон, вызванный скучным экспериментом. ЭЭГ неинвазивна и безвредна. Это метод сначала заставляет людей выглядеть глупо, надев на голову странную конструкцию, а затем измеряет электрическую активность внутри головы.

Как вам может быть известно, нейроны общаются друг с другом, передавая электрические сигналы. Когда один нейрон выдаёт сигнал, его активность чрезвычайно мала. Но когда изменение напряжения случается с тысячами нейронов одновременно, они генерируют электрическое поле, достаточно сильное для того, чтобы оно прошло через череп и было обнаружено на поверхности головы. Эти дурацкие шапочки служат для записи этих сигналов: в них содержатся электроды, измеряющие электрическую активность. Её сначала увеличивают в 10 000 раз (не так-то легко пройти сквозь мягкие мозговые оболочки, череп и скальп! Сигнал становится очень слабым), а затем передают на ЭЭГ-монитор, где можно наблюдать за своими мозговыми волнами (или, если угодно, последовательностью значений напряжений).

ЭЭГ отлично подходит для наблюдения за активностью мозга в реальном времени и отслеживания изменений секунда в секунду (по сравнению с ним, фМРТ всегда отстаёт). А вот пространственные характеристики у этой технологии не такие хорошие – приходится использовать сложные алгоритмы для оценки точного места возникновения сигнала. Существует несколько отдельных рисунков мозговых волн, каждый со своей индивидуальностью – представьте, что ваш мозг переключает передачи в зависимости от текущей задачи. Существуют дельта-волны (обычно встречаются во время глубокого сна), тета-волны (сон), альфа-волны (расслабление и дремота), бета-волны (внимание) и гамма-волны (одна из нерешённых загадок нейробиологии; возможно, возникают от просмотра фоток котиков).

Наблюдать за своими мозговыми волнами – это впечатляющее достижение, но что насчёт тех машин, которые контролируются мозгом? В самом деле, мы можем придумать крутые НФ-сценарии использования ЭЭГ: его можно использовать для управления вещами при помощи сознания (или для создания интерфейсов мозг-компьютер). Потенциальное применение простирается от управления виртуальным вертолётом в 3D до управления конечностями роботов – и всё это при помощи мыслей. Конечно, для игроков преимущества технологии неоспоримы (представьте, что вам не нужно будет держаться за джойстик, и можно будет играть с куском пиццы в руках), но больше всего эта технология поможет людям с ограниченными возможности.

Так как же эти слабые электрические сигналы, возникающие внутри черепа, превращаются в движения роборуки? Технология основана на идее того, что определённая мысленная активность приводит к появлению определённых рисунков ЭЭГ-сигнала. Устройство запишет разные рисунки из корявых волн, соответствующие, к примеру, поднятию руки, и, допустим, мысленному произношению «да» при взгляде на букву. Чтобы контролировать активность мозга и сделать эти сигнальные рисунки чётко различимыми друг от друга (и, тем самым, различимыми для алгоритмов), пациенты (или геймеры) должны будут очень сильно натренировать свои способности к воображению. Помогает обратная связь: к примеру, каждый раз, когда вы представляете определённое движение, на компьютере возникает стрелка, показывающая то направление, в котором вы хотите двигаться. После обучения пользователя использованию силы воображения, в ПО, соединённое с роборукой (ногой, пенисом, компьютерным курсором), закачивают всевозможные рисунки энцефалограмм, чтобы оно распознавало, что вы хотите, и отправляло команды, активирующие то, что оно контролирует.

Клеточная нейробиология и распознавание психических расстройств

ЭЭГ, фМРТ и отслеживание движений глаз – всё это очень интересно, но что на самом деле находится на передовом крае науки? Спойлер: очень мелкие вещички. Нам чрезвычайно важно разобраться в микроскопических процессах, идущих внутри и между нейронами, и именно этим занимается клеточная нейробиология. С клетками можно много чего сделать: сейчас я вот работаю в лаборатории, где мы подсчитываем, сколько клеток зарождается в гиппокампе – нашем центре памяти – в различных условиях (высокоуглеродная диета, упражнения, и т.п.). Поведение клеток можно изучать in vivo – на живом организме, in vitro – в колбе вне упомянутого несчастного живого организма, и in situ – где-то посередине, тип как изучение мозга без удаления его из уже умершей мыши (или, как мы, тёмные учёные, любим говорить, принесённой в жертву).

Пример эксперимента in vivo – взять мышь, генетически модифицированную так, что интересующие нас нейроны флуоресцируют, проделать дыру в её черепе, и при помощи крутой технологии под названием «двухфотонная микроскопия» наблюдать за флуоресцентными клетками, расположенными относительно глубоко в мозгу. Звучит сложновато, и, можете мне поверить, это реально сложновато. По сути, ваша мышь бодрствует, но её голова закреплена, и микроскоп светит высокоэнергетическим светом (с синего края видимого спектра) ей на мозг. Флуоресцентные клетки поглощают свет, возбуждаются, и испускают низкоэнергетический свет (зелёный, красный, жёлтый, и т.п.). Микроскоп ловит этот свет через специальный фильтр и вуаля – у вас красивая картинка!

Флуоресцентную микроскопию также можно применять, когда во время эксперимента приходится пожертвовать мышью. Тогда мозг извлекается, режется на тонкие дольки и бомбардируется всякими химическими растворами, чтобы сделать его клетки флуоресцентными. Обычно в качестве первого шага дольки опускаются в раствор с антителами, соединяющимися с интересующими нас клетками или белками. На втором шаге мы добавляем флуоресцентные антитела, связывающиеся с первыми антителами.

Я слышал, что тебе нравятся антитела, поэтому я добавил немножко антител на твои антитела

И тогда клеточки становятся яркими и блестящими, и мы можем поместить их под флуоресцентный микроскоп и наслаждаться новой партией красивых картинок!

Флуоресцирующий гиппокамп

Клеточная нейробиология внесла существенный вклад в понимание развития психических заболеваний и необходимых для их лечения действий. Благодаря ей мы нашли, что во время депрессии ваш гиппокамп производит меньше клеток, чем обычно, и антидепрессанты обращают этот процесс вспять, стимулируя выработку белков, помогающих нейронам расти; что в некоторых случаях достаточно увеличить скорость нейрогенеза (рождения новых клеток) для уменьшения беспокойства и депрессии; что хронический стресс уничтожает особый белок, играющий важную роль в обеспечении коммуникаций между нейронами, и что антидепрессанты восстанавливают его производство, и мышки чувствуют себя лучше. Мы узнали, что при шизофрении развивается допаминовый дисбаланс, и что у таких пациентов в нейронах неправильно вырабатываются нервные стволовые клетки; также мы смогли найти новые стратегии предотвращения болезни Альцгеймера. Довольно много фактов за короткое время, поэтому вот вам ещё красивая картинка!

И снова красивый гиппокамп