Весы для мозговой активности

Нет, это не средневековое орудие пыток, а вполне научный прибор. Перед вами — неинвазивное устройство для изучения мозговой активности человека, первый прототип функциональной МРТ. Эти весы, измеряющие кровообращение человека (“human circulation balance”), изобретены итальянским физиологом XIX века Анджело Моссо и хранятся в научно-техническом архиве Туринского университета. Современные исследователи убедились, что весы способны обнаруживать небольшие изменения кровотока, связанные с мозговой активностью.

Функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ) — это разновидность магнитно-резонансной томографии, позволяющая регистрировать изменения кровотока, которые удивительно точно связаны с активностью нейронов. И хотя первые снимки фМРТ человека были получены только в 1992 году, идея о том, что локальный кровоток внутри мозга тесно связан с его функцией, очень старая.

В 70-х годах XIX века Анджело Моссо опубликовал свои первые работы, в которых предположил связь между мозговым кровотоком и нервной деятельностью. Чтобы проверить эту идею экспериментально, он разработал плетизмограф (от греческого πληθυσµ´oς ‘увеличение, расширение, наполнение’ и γράφω ‘пишу’) — устройство, измеряющее изменения мозгового кровотока у пациентов с различными дефектами черепа.

У 37-летней пациентки Катерины прогрессировал сифилис, и опухоль разрушала участки ее лобной кости и теменных долей мозга. Ей были удалены поврежденные фрагменты костей, в результате чего оголились широкие участки твердой мозговой оболочки. Пульсации мозга, как их назвал Моссо, записывались с помощью герметичного купола, помещенного на обнаженную твердую мозговую оболочку и подключенного к барабану: когда объем мозговой крови менялся (мозговая пульсация), давление на купол увеличивалось, сжимая воздух внутри барабана. Изменения в сжатии воздуха передавались на второй регистрирующий барабан, так называемый кимограф (см. Kymograph; от греческого κῦμα ‘волна’), и записывались. Так Моссо обнаружил, что при выполнении задания, связанного с вниманием, может увеличиваться мозговой кровоток. К сожалению, в своей оригинальной работе 1880 года Моссо не приводит схему этой установки, иллюстрируя историю Катерины лишь ее изображением с сохраненными фрагментами удаленных костей, которые были соединены между собой.

Пациентка Моссо Катерина, держащая большую часть своего черепа (она потеряла лобную кость и большую часть теменных костей), и запись пульсаций ее мозга при привлечении внимания, изменении дыхания и пробуждении. Стрелкой указано начало «пульсаций». Изображение из статьи S. Zago et al., 2009. The Mosso method for recording brain pulsation: The forerunner of functional neuroimaging

Однако во время трепанации черепа ученый столкнулся с непреодолимыми трудностями: мозг пациентов опухал и постепенно закрывал сделанное отверстие. Таким образом, сразу после начала операции наблюдались отчетливые пульсации, которые затем начинали ослабевать и наконец полностью исчезали. Однако у другого пациента — Микеле Бертино с отверстием в черепе диаметром 2 см, полученным в результате перелома, — такой проблемы не было, потому что под дефектом кости было достаточное большое углубление в мозгу, которое не могло быть заполнено в результате опухания. Моссо модифицировал свой прибор, заменив купол куском гуттаперчи со стеклянной трубкой, которая была связана с регистрирующим барабаном. Дополнительно он подключил эту трубку к двум сосудам со специальными клапанами: при увеличении давления воздуха в стеклянной трубке из одного сосуда выходил пузырек воздуха, а при уменьшении объема мозга воздух извне поступал в другой сосуд. Выход или вход каждого пузырька воздуха вызывал появление видимого следа на регистрирующем барабане.

Пациент Микеле Бертино (a) и модифицированный прибор (b). Моссо регистрировал «пульсации» в префронтальной коре и пульс на предплечье (c). A — пациенту было поручено умножить 8 на 12 (здесь пульс на предплечье внизу, в остальных случаях — вверху); B — когда часы пробили 12, мозг пациента запульсировал; C — экспериментатор спросил, не забыл ли Микеле прочесть свои полуденные молитвы, на что получил утвердительный ответ; D — отдых. Начало «пульсаций» указано стрелкой. Изображение из статьи S. Zago et al., 2009. The Mosso method for recording brain pulsation: The forerunner of functional neuroimaging

Тем не менее этот прибор совсем не подходил для измерения мозговой активности у здоровых людей. Чтобы преодолеть это ограничение, Моссо спроектировал другое устройство — «весы для измерения кровообращения человека», — которое и изображено на главном фото. Оно представляло собой деревянный стол с мягкой обивкой (чтобы на нем было удобно лежать). Весы могли наклоняться либо в сторону головы, либо в сторону ступней — в зависимости от того, куда приливала кровь.

Схема весов Моссо. Над деревянным столом AB на оси E располагалась «кровать» CD, которая могла наклоняться. Под столом находился железный метровый стержень (GH) с противовесом (I) и элементами жесткости для усиления прочности конструкции (M, L). Эта металлическая конструкция обеспечивала плавность движений весов. На груди человека располагался пневмограф (N), с помощью которого Моссо регистрировал физиологические движения, вызванные дыханием. Они записывались на бумаге с помощью кимографа (S), представляющего собой вращающийся барабан с иглой. Рисунок из статьи S. Sandrone et al., 2014. Weighing brain activity with the balance: Angelo Mosso’s original manuscripts come to light

Изменения пульса ступни и руки регистрировались с помощью пневматического сфигмографа (от греческого σφυγμός ‘пульс’). На ногу испытуемого надевался небольшой герметичный сапог из гуттаперчи с отверстием на конце, из которого выходила трубка. Для регистрации пульса руки Моссо использовал гуттаперчевую перчатку или просто стеклянную бутылку с отрезанным дном. В эту бутылку помещалась рука и герметизировалась там с помощью замазки. Принцип действия сфигмографа заключался в передаче на регистрирующий барабан изменений объема ступни или руки в результате притока или оттока крови.

Рисунок Анджело Моссо, изображающий другие компоненты «баланса»: A — фрагмент пневматического сфигмографа (сапог из гуттаперчи) для регистрации пульса стопы; B — пневматический сфигмограф для руки, C — пневматический плетизмограф. Рисунок из статьи S. Sandrone et al., 2014. Weighing brain activity with the balance: Angelo Mosso’s original manuscripts come to light

Однако небольшие изменения объема ступней и кистей в зависимости от степени их кровенаполнения сфигмограф фиксировал плохо, поэтому для более точных измерений Моссо использовал пневматический плетизмограф. По его мнению, он был удобнее, чем водный, который ученый использовал в своих первых экспериментах с Катериной, помещая в стеклянный цилиндр с водой ее предплечье. В случае водного плетизмографа, когда кровяное давление увеличивалось или уменьшалось, изменения объема в цилиндре приводили к вытеснению воды, которая переносилась по трубке на иглу вращающегося регистрирующего барабана. В случае пневматического плетизмографа рука или ступня находились в воздушном пространстве. Выходящий из сапога или стеклянной бутылки с отрезанным дном воздух поступал через трубку в стеклянную вазу, наполненную нефтяной эссенцией, выше уровня этой жидкости. Очень тонкий металлический купол покрывал вазу и удерживался на жидкости с помощью противовеса, размещенного на шкиве. В этот противовес была вставлена ручка для регистрации на бумаге изменений объема воздуха под куполом. Моссо отмечал, что такой прибор очень чувствителен, поэтому даже небольшие изменения измеряемого объема приводили к подъему купола.

Кроме пневматического плетизмографа для измерения изменений объема ступней и кистей в зависимости от степени их кровенаполнения Моссо использовал также пневмограф для регистрации движений грудной клетки при дыхании. Еще в экспериментах с Катериной, выполняя одновременные записи соответствующих кривых на одном и том же регистрирующем барабане и сопоставив их, Моссо заметил, что мозговые пульсации связаны с дыханием. Поэтому помимо мозговых пульсаций он регистрировал эти дополнительные показатели (так называемый «шум»). Так он мог определить изменения мозгового кровотока, связанные с когнитивной нагрузкой («сигнал»), и отделить их от тех, которые связаны с другими физиологическими процессами (то есть от «шума», см. Signal-to-noise ratio). Одновременная регистрация различных физиологических параметров и отделение «сигнала» от «шума», исследованные Моссо, до сих пор актуальны в современной нейронауке.

В 1884 году Моссо сообщил о первых результатах экспериментов, проведенных на двух здоровых испытуемых — его собственном 25-летнем лаборанте и 22-летнем студенте-медике. До начала эксперимента участники проводили около часа на весах. С помощью своего прибора Моссо смог измерить изменения кровотока в нескольких органах, например изменения в легких, возникающие во время дыхательных движений. Позднее он использовал весы для изучения влияния на кровоток испытуемых различных заданий, измеряя при этом наклон весов в сторону головы. Сначала он предлагал им прослушивать звуки, но постепенно усложнял задания и сравнивал задачи разной сложности. Он заметил, что весы быстрее наклоняются в сторону головы, когда человек читает текст, написанный «заумным» языком, чем когда читает газету или роман. Моссо заявил, что увеличение мозгового кровотока, таким образом, пропорционально сложности когнитивной задачи. Кроме того, он отметил, что люди по-разному реагировали на один и тот же стимул, и предположил, что эта вариабельность могла быть обусловлена различиями в возрасте и образовании.

В 2014 году британские исследователи, сомневающиеся в работоспособности прибора Моссо, изготовили копию весов. Используя современные методы сбора и анализа данных, недоступные Моссо, они проверили чувствительность весов к изменениям объема мозговой крови, вызванным когнитивными заданиями. Их весы представляли собой рычаг. Если умственная деятельность лежащего на весах испытуемого вызывает сдвиг крови к голове или от нее, то это приводит к небольшому изменению его центра массы относительно точки опоры рычага, следовательно изменяется сила, действующая на конец рычага. Движения от дыхания, как и у Моссо, также влияли на работу весов, меняя центр массы. Поэтому, в отличие от Моссо, использовавшего систему противовесов для борьбы с колебаниями при дыхании, ученые позволили одному концу весов опираться на электронные весы высокой точности и измеряли изменение силы, действующей с течением времени. Эффекты, связанные с дыханием, затем убирались с помощью усреднения показаний электронных весов в плавающем временном окне (см. Hann function). Другим фактором, влияющим на работу весов, было перераспределение крови от ног к верхней части тела, когда человек ложился на весы. Моссо убрал этот фактор из своих данных, прося испытуемых спокойно лежать на весах в течение часа до эксперимента, чтобы перераспределение крови завершилось. Современные ученые удалили этот фактор с помощью математических методов.

Современная реконструкция «баланса». Он состоит из деревянной доски, расположенной на точке опоры (обозначена буквой A на схеме сверху), сделанной из металлического уголка (нижнее правое изображение). Чтобы доска не опрокидывалась слишком сильно, на конце доски, где располагались ноги участников, был установлен упор (B). Под головой располагались электронные весы (C) с точностью 0,001 Н (ньютонов) и частотой дискретизации 10 Гц. Над участником располагалось зеркало (D), которое позволяло ему видеть экран компьютера (E) с изображениями геометрических фигур. Изображение из статьи D. Field, L. Inman, 2014. Weighing brain activity with the balance: a contemporary replication of Angelo Mosso's historical experiment

Исследователи провели эксперимент, в котором предложили 14 добровольцам прослушивать музыкальные фрагменты, лежать с закрытыми глазами или рассматривать цветные геометрические фигуры, которые двигались синхронно с музыкой, и одновременно прослушивать эту музыку. Ученые подтвердили данные Моссо: когнитивная нагрузка влияла на изменения мозгового кровотока. Сильнее всего он усиливался при одновременной зрительной и слуховой стимуляции.

Данные фМРТ показывают, что мозговой кровоток во время решения когнитивных задач превышает кровоток в состоянии покоя на 20–30%. Однако важно понимать, что фМРТ, как и весы Моссо, лишь косвенно показывает активность нейронов, отражая в первую очередь изменения кровотока.

Фото из статьи из статьи S. Sandrone et al., 2014. Weighing brain activity with the balance: Angelo Mosso’s original manuscripts come to light.

Екатерина Ларионова