В ближайшее время с человеческого мозга может слегка подсъехать корона «самого загадочного органа во Вселенной». Буддийские монахи медийно медитировали в кельях сканеров, по полученным данным писались бестселлеры, тысячи людей самоотверженно изнуряли себя техниками самопознания, а потом пришел греческий нейробиолог и все испортил. Этого нейробиолога звали Альберт Эйнштейн Никос Логотетис, и он усовершенствовал метод функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ), который до этого научное сообщество, как бы это помягче, понимало не совсем правильно.

В 2024 году Логотетис стал первым иностранным ученым, получившим российскую Национальную премию в области будущих технологий «Вызов», номинация «Открытие». Формулировка — «за основополагающий вклад в создание метода фМРТ» и «введение этого метода в повседневную научную и клиническую практику для исследования активности мозга человека». Но обо всем по порядку.

Кровью и мозгом

Человеческий мозг — это, без сомнения, сложнейшая биологическая система на 86 миллиардов нейронов, 85 миллиардов других типов клеток и более 100 триллионов синапсов. Их активность непрерывна и кажется хаотичной ввиду невероятно сложной организации со множеством разносторонних связей, репликаций и вложенных друг в друга структур. Мы даже не знаем толком, как определиться с элементарными операционными единицами мозга. Нейроны это? Контуры? Корреляты? 

Пытаясь прояснить эту историю, ученое сообщество неустанно корпело над новыми методами исследования мозговой активности — от ЭЭГ, где снимается сигнал с поверхности головы, до вживления электродов непосредственно в черепную коробку. Увы, ни один из этих методов не давал глубины и возможности изучать мозг в реальном времени и неинвазивно. Но тут на помощь пришла технология фМРТ, основанная на механизме контрастирования BOLD (Blood Oxygen Level Dependent), позволяющем наблюдать приток крови к активным участкам мозга. Подчеркну — наблюдать, без гарантии правильной интерпретации.

Первое фМРТ-исследование провел японский биофизик Сэйдзи Огава в 1990–1992 годах в лаборатории General Electric. Он заметил, что магнитные свойства крови меняются в зависимости от количества кислорода в ней, и предложил использовать это как сигнал, — так и родился BOLD-контраст.

Эта идея базировалась на открытии, что оксигемоглобин (насыщен кислородом) и дезоксигемоглобин (беден кислородом) ведут себя в магнитном поле по-разному. Когда группа нейронов активируется, кровь приливает ним, наполняя оксигемоглобином, что и фиксирует сканер фМРТ.

Занятно, но изначально фМРТ — из тех технологий, которые стали применять в медицине, не поняв до конца их сущности (явление не такое уж и редкое; вспомним рентген для эпиляции женских усиков в начале прошлого века). Никто доподлинно не знал, за что в действительности отвечают пятна BOLD-активности на снимках, но предполагалось, что они отражают спайки — разрядку отдельных нейронов, «выходные» сигналы, которые те отправляют другим клеткам. Исследования мозга, сознания, эмоций и уже упомянутой медитации начали делать с фМРТ — но интерпретации были интуитивными, а иногда и ошибочными.И именно тут на сцену вышел Никос Логотетис.

Эксперимент с шахматными узорами

Как раз Логотетис первым связал BOLD-сигнал с нейронной активностью. Ученый и его команда в начале 2000-х провели серию экспериментов на макаках, вживив им в мозг очень тонкие платино-иридиевые микроэлектроды. Одновременно с записью активности от электродов команда Логотетиса проводила фМРТ и измеряла BOLD-сигнал — то есть следила за тем, куда в мозгу приливает больше несущей кислород крови. Таким образом Логотетис впервые в истории одновременно записал электрическую активность мозга и BOLD-сигнал с фМРТ.

В ходе эксперимента исследователи показывали обезьянам вращающиеся шахматные узоры, которые меняли направление каждую секунду. Это исключало привыкание зрительной коры к раздражителям и снижение активности мозга. 

По итогам Логотетис выяснил, что BOLD-сигнал сильнее коррелирует с локальными потенциалами — более «медленной» суммарной активностью нескольких нейронных популяций, а не со спайками, как считалось ранее. То есть основную роль играют вовсе не «выходные» импульсы нейронов, а именно «входящие» сигналы и их обработка, сложные биохимически и гемодинамически процессы «обдумывания». Это стало критически важным нюансом для правильной современной интерпретации всех фМРТ-исследований.

Все начинается с сознания

Изначально, еще до работы с фМРТ, Логотетиса интересовали сознание и восприятие — в частности, то, какие именно зоны мозга активируются зрительными стимулами. Этот интерес привел к его работе над бинокулярным соперничеством — явлением, когда один и тот же стимул может наблюдаться по-разному. 

Упрощенный пример — ситуация, когда левый и правый глаз видят разные картинки (например, луч солнца и лицо), мозг не может совместить их в одну общую, и в результате восприятие переключается: лицо, луч, снова лицо и т. д. Таким образом, хотя сами картинки не меняются, человек воспринимает их поочередно. Еще один классический пример этого эффекта — картины Сальвадора Дали, например «Три возраста» или «Испания». 

По словам самого Логотетиса, большого энтузиаста междисциплианрного подхода в науке, именно попытки перевести «большую проблему сознания» в плоскость практической нейробиологии подтолкнуло его к идее объединения инвазивных методов, таких как электрическая стимуляция, с функциональной визуализацией. Любимая цитата профессора из Фейнмана: «Студенты-биологи пугаются из-за большого количества математических уравнений, которые можно найти в учебниках по физике; но это так только потому, что физика достаточно проста, чтобы допускать такой формализм. Биология — нет». 

Когнитивное состояние («зависание» и переключение с одной картинки на другую), вызываемое бинокулярным соперничеством, называется мультистабильным восприятием. При этом в процесс вовлекается сразу несколько зон мозга:

• зрительная кора (в том числе инферотемпоральная кора);

• префронтальная кора; 

• подкорковые структуры.

Каждая из них участвует в этом процессе, но ни одна не отвечает за переключение полностью, а нейронная активность не всегда совпадает с тем, что человек видит сознательно. Иными словами, здесь невозможно зонировать единый «центр восприятия», так как он — результат динамической самоорганизации большого количества сетей мозга, пространственно-временные паттерны активности, которые постоянно меняются. То есть — уже знакомые нам локальные потенциалы, с которыми BOLD-сигнал коррелирует при фМРТ.

Что еще?

Контраст

Помимо исследований природы BOLD-сигнала, Логотетис и его команда разработали контрастные растворы для отслеживания перемещения ионов кальция в нейронах с помощью МРТ. Это важно, так как ионы кальция играют ключевую роль в передаче сигналов между нейронами и сосудами мозга. 

Люди Логотетиса взяли стандартный МРТ-контраст — гадолиний, который хорошо виден на МРТ, соединили его с ЭГТА — молекулой, которая специально захватывает ионы кальция. В результате получился контраст, меняющий поведение в магнитном поле, когда рядом есть Ca²⁺. 

Это позволило визуализировать движение ионов кальция в живом мозге неинвазивно и без необходимости внедрять в ДНК животных специальные светящиеся белки (как в оптогенетике или флуоресцентной микроскопии). А еще — изучать сложные взаимодействия между нейронами и глиальными клетками, особенно астроцитами. 

Neural-Event-Triggered (NET) fMRI

Также одним из ключевых достижений Логотетиса стало создание метода Neural-Event-Triggered (NET) fMRI, позволяющего изучать «вспышки памяти» — спонтанные всплески нейронной активности (в отличие от возникающих в подготовленных сеттингах обычной фМРТ). В перспективе это поможет ученым лучше понять процессы запоминания, консолидации памяти и перевода ее из кратковременной в долговременную.

Метод можно описать примерно так. Вживленные электроды фиксируют всплеск активности. Это событие может быть сигналом того, что мозг начал что-либо запоминать. Как только зафиксирована вспышка, моментально запускается фМРТ, что позволяет «поймать» мозг в тот самый момент, когда произошло ключевое внутреннее событие. Исследователь видит всю сеть мозговых структур, которые включились в процесс: гиппокамп (память), кора (обработка), таламус и пр. и получает обширную карту нейронной активности.

Перспективы

Здесь ответы приходят на ум сами собой — так всегда бывает, когда ученый закладывает в своей науке новую парадигму. 

Выделим несколько ключевых направлений:

• возможность в деталях изучить взаимодействие различных областей мозга;

• потенциал для разработки новых методов диагностики и лечения заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, боковой амиотрофический склероз, депрессия, а также нетипичных и острых неврологических состояний; 

• создание более эффективных образовательных программ и психотерапевтических подходов;

• применение в релеватных науках (зоопсихология, эволюционная нейробиология, нейробиология развития и пр.);

• улучшение нейрокомпьютерных интерфейсов; 

• эт сетера, эт сетера.

Теперь ждем нового Оливера Сакса, который опишет полученный на основе новых подходов материал в своих пронзительных эссе. Хотя, может, так пронзительно, как раньше, уже не выйдет, — пресловутых «загадок мозга» становится меньше.

Больше о герое этого текста

Никос Логотетис — греческий нейробиолог, PhD. Занимался исследовательской работой на кафедре мозга и когнитивных наук в Массачусетском технологическом институте, был директором Института биологической кибернетики Общества Макса Планка в Германии, занимал должности в Великобритании и США, является членом различных академий и обществ.

Лауреат премий Alden Spencer Award (2008), Zülch-Prize for Neuroscience (2007), премии Луи Жанте по медицине (2003). В 2020 году переехал в Китай, где возглавил Международный центр исследований мозга приматов в Шанхае.

Никос Логотетис стал первым иностранным ученым в истории премии «Вызов» (в международной категории и более чем 600 номинациях соперничали научные умы из 30+ стран).